Propriedades magnéticas do ferro fundido cinzento

1. Introdução

Cinza (cinza) o ferro fundido é um material de engenharia ferromagnético cujo comportamento magnético é definido pela matriz de ferro (ferrita/perlita/cementita), Morfologia do floco de grafite e história de processamento.

Essas características microestruturais controlam a permeabilidade, coercividade, saturação e perdas — parâmetros importantes para inspeção de partículas magnéticas, blindagem magnética, proximidade de motores/geradores e comportamento de correntes parasitas.

Este guia explica a física, fornece orientação prática de medição, apresenta faixas numéricas típicas para microestruturas comuns, e mostra como projetar e testar peças fundidas quando o desempenho magnético é importante.

2. Magnetismo básico em materiais ferrosos

Ferromagnetismo em materiais à base de ferro surge de momentos magnéticos alinhados (elétrons desemparelhados) em átomos de Fe.

Sob um campo aplicado H, domínios se alinham produzindo densidade de fluxo magnético B. A relação B – H é não linear e mostra histerese.

Alguns conceitos essenciais:

• B (densidade de fluxo magnético) e H (campo magnetizante) estão relacionados pela curva não linear B – H.
• Permeabilidade relativa (μr) mede o quão mais fácil é magnetizar um material do que o vácuo (μr = B/(µ0H)).
• Coercividade (HC) é o campo reverso necessário para reduzir B a zero após a magnetização (uma medida de quão “difícil” é a magnetização de remover).
• Remanência (irmão) é a densidade de fluxo residual quando H retorna a zero.
• Densidade de fluxo de saturação (Bs) é o máximo B que o material pode sustentar (limitado pela fração volumétrica ferromagnética).
• Temperatura curie (Tc) é a temperatura acima da qual o ferromagnetismo desaparece (para fases de ferro em torno de ~770 °C, modificado ligeiramente por liga).

O ferro fundido cinzento se comporta como um ferromagneto macio à temperatura ambiente (baixa coercividade em relação aos ímãs permanentes), mas com perdas de permeabilidade e histerese que dependem fortemente da microestrutura.

3. O que controla o magnetismo no ferro fundido cinzento？

Ferro fundido cinza compreende flocos de grafite embutido em uma matriz de ferro (ferrita e/ou perlita e às vezes cementita). Cada constituinte afeta o magnetismo:

• Ferrita (α-Fe) - ferro cúbico de corpo centrado. Ferromagnético macio; contribui com maior permeabilidade e baixa coercividade.
• Pearlita (mistura de ferrita e cementita Fe₃C) — regiões perlíticas contêm lamelas de ferrita intercaladas com cementita;
  estes reduzem a permeabilidade efetiva e aumentam a coercividade em comparação com a ferrita pura porque a cementita é não ferromagnética (ou fracamente magnético) e cria fixação de domínio.
• Cementita (Fe₃c) - não fortemente ferromagnético; atua como um diluente magnético e local de fixação de parede de domínio.
• Flocos de grafite - inclusões eletricamente e estruturalmente descontínuas. A grafite em si não é ferromagnética; flocos interrompem a continuidade magnética e criam concentrações de tensão locais e campos internos de desmagnetização.
  O resultado líquido é uma redução na permeabilidade efetiva e aumento nas perdas por histerese em relação a uma matriz totalmente ferrítica.

Portanto: mais ferrita → maior μr, menor coercividade; mais perlita/cementita → menor μr, maior coercividade e perda de histerese.

Morfologia do grafite (tamanho, orientação, fração volumétrica) controla a anisotropia e a dispersão do fluxo magnético.

4. Principais parâmetros magnéticos e como eles são medidos

• Curva B – H / circuito de histerese — medido com um permeâmetro ou moldura de Epstein (para aços laminados) e dá μr(H), HC, irmão, e Bs.
• Permeabilidade relativa, μr (inicial e máximo) - μr inicial em H pequeno (dita a resposta de pequenos sinais) e μr máximo em campos moderados.
• Coercividade Hc (A/m ou Oe) e permanece densidade de fluxo Br (T) - indicar quão “suave” ou “duro” é o comportamento magnético.
  O ferro cinzento é um ferromagneto macio (baixo HC) em relação aos materiais de ímã permanente, mas normalmente mais duros que os aços recozidos de baixo carbono se o teor de perlita/cementita for alto.
• Densidade de fluxo de saturação Bs (T) - medido em H alto; o Bs do ferro cinzento é inferior ao do ferro puro devido às fases não magnéticas e à porosidade.
• Temperatura Curie Tc — para fases de ferro ~770 °C; ligas e microestrutura mudam Tc ligeiramente; medido com análise termomagnética.

Ferramentas de medição típicas:

• Portátil medidores de permeabilidade para verificações rápidas na loja.
• Magnetômetro de amostra vibratória (VSM) e histeresegráfico para loops B–H de laboratório.
• Sondas de correntes parasitas e analisadores de impedância para permeabilidade e perda dependente da frequência.

5. Propriedades magnéticas de tipos típicos de ferro fundido cinzento

Abaixo está um compacto, tabela de dados com foco em engenharia mostrando representante faixas de propriedades magnéticas para microestruturas comuns de ferro cinzento e para três classes comumente especificadas.

Como o magnetismo do ferro fundido depende fortemente do processo, esses valores são faixas destinadas ao projeto preliminar - para peças magneticamente críticas, solicite loops B–H em cupons representativos.

Como ler e usar esta tabela (orientação prática)

• μr inicial é a permeabilidade de pequenos sinais - relevante para sensores, pequenos campos DC e a primeira etapa de magnetização em END.
• μr máximo indica a rapidez com que o material concentrará o fluxo antes de se aproximar da saturação - importante ao prever caminhos de vazamento ou desvios.
• Coercividade (HC) mostra quão “duro” é o material para desmagnetizar depois de ser magnetizado (maior Hc → campo mais remanente após MPI). Converta A/m → Oe dividindo por ≈79,577 (por exemplo, 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Saturação Bs é o limite superior prático para densidade de fluxo; o Bs do ferro cinzento é inferior ao do ferro puro e de muitos aços porque a grafite não magnética e a cementita reduzem a fração volumétrica ferromagnética.
• Resistividade relativa é dado como um múltiplo da resistividade do aço macio (qualitativo).
  A resistividade mais alta reduz as correntes parasitas em frequências CA - uma vantagem para carcaças de máquinas rotativas ou onde as perdas parasitas podem ser um problema.

6. Como a química, microestrutura e processamento alteram propriedades magnéticas

Liga:

• Conteúdo de carbono & grafitização: maior carbono livre → mais grafite → μr e Bs reduzidos.
• Silício promove grafitização e aumenta a resistividade; Si moderado tende a reduzir a permeabilidade versus ferro puro.
• Enxofre, fósforo e outros oligoelementos afetam a morfologia da grafite e, portanto, a continuidade magnética.
• Elementos de liga como Ni, Cr, Mn alterar as interações de troca magnética e pode diminuir a temperatura de Curie ou modificar a coercividade.

Tratamento térmico:

• Recozimento (ferritização) aumenta a fração de ferrita, aumenta μr e reduz a coercividade (suaviza a resposta magnética).
• Normalizando / resfriamento mais rápido aumenta perlita/cementita → reduz μr e aumenta Hc.
• Aquecimento ou soldagem localizada pode criar falta de homogeneidade magnética e tensão residual, que altera a permeabilidade local e pode ser detectado de forma não destrutiva.

Deformação mecânica:

• O trabalho a frio introduz deslocamentos e tensões residuais → a fixação da parede do domínio aumenta a coercividade e reduz a permeabilidade. O alívio do estresse reduz esses efeitos.

Porosidade & inclusões:

• Poros e inclusões não magnéticas interrompem caminhos de fluxo e diminuem μr e Bs efetivos. Eles também podem aumentar a histerese e a perda.

7. Efeitos de anisotropia e flocos de grafite – por que a orientação do elenco é importante

Flocos de grafite tendem a orientar perpendicularmente ao fluxo de calor durante a solidificação, muitas vezes alinhando-se aproximadamente paralelamente às superfícies do molde. Os flocos produzem anisotropia magnética:

• Fluxo viajando paralelo aos flocos encontra campos desmagnetizantes diferentes dos flocos que cruzam o fluxo perpendicular para o avião deles.
• Por isso μr medido e espectros de permeabilidade pode ser dependente da direção; na prática, isso significa que os circuitos magnéticos que usam peças fundidas devem considerar a orientação - por ex., alinhando caminhos de fluxo para atravessar a direção mais permeável sempre que possível.

Flocos de grafite também criam campos de deformação locais, que afetam ainda mais o movimento da parede do domínio e, portanto, o comportamento da histerese.

8. Resistividade elétrica, correntes parasitas e perdas magnéticas em ferro cinzento

• Resistividade: O ferro fundido cinzento normalmente tem maior resistividade elétrica do que o aço de baixo carbono porque flocos de grafite e impurezas perturbam os caminhos dos elétrons.
  Qualitativamente: resistividade do ferro cinzento é vários× o do típico aço de baixo carbono. Maior resistividade reduz a magnitude da corrente parasita para um determinado campo magnético alternado.
• Perda por corrente parasita: Para magnetismo AC, perda = perda por histerese + perda por corrente parasita.
  Por causa da maior resistividade e da estrutura do floco, as perdas parasitas em ferro cinzento são frequentemente menores do que em aço denso de permeabilidade semelhante, tornando o ferro cinzento comparativamente atraente onde existem campos magnéticos de frequência baixa a moderada e as perdas parasitas são importantes.
  No entanto, flocos de grafite podem criar microcircuitos que complicam a previsão de perdas.
• Perda de histerese: Aumentado por perlita/cementita e fixação de parede de domínio; o ferro cinzento com alta fração de perlita normalmente tem maior perda de histerese do que o ferro fundido ferrítico.

Implicação do design: para circuitos magnéticos de baixa frequência (DC ou estático), o ferro cinzento pode transportar fluxo, mas não combina com núcleos de aço elétrico para circuitos magnéticos CA de alta eficiência.

Para componentes onde a perda magnética é secundária (carcaças de motor perto de motores, superfícies de montagem magnéticas), a combinação de permeabilidade moderada e perda de redemoinho reduzida do ferro cinzento pode ser aceitável.

9. Aplicações práticas e implicações

Inspeção de Partículas Magnéticas (MPI)

• O ferro cinzento é magnetizável e amplamente inspecionado usando MPI para defeitos superficiais e próximos à superfície.
  A resposta magnética (facilidade de magnetização e corrente necessária) depende da permeabilidade – as peças fundidas ferríticas são mais fáceis de magnetizar do que as perlíticas. A orientação do campo em relação aos flocos de grafite é importante para a sensibilidade.

Motor & Altas do gerador, molduras e gabinetes

• Carcaças de ferro cinzento são comumente usadas para suporte mecânico próximo a máquinas magnéticas. Sua permeabilidade magnética pode causar desvios magnéticos ou alterar padrões de campo parasita.
  Os projetistas devem levar em conta o acoplamento magnético (por exemplo, correntes induzidas, vazamento magnético) quando os gabinetes estão próximos de bobinas ativas ou ímãs permanentes.

EMI / blindagem magnética

• O ferro cinzento pode atuar como um caminho magnético ou escudo parcial para campos de baixa frequência devido à sua permeabilidade, mas ligas magnéticas macias especializadas ou aços elétricos laminados são preferidos onde são necessárias alta eficácia de blindagem e baixas perdas.
  A maior resistividade do ferro cinzento ajuda em frequências intermediárias, mas a falta de permeabilidade controlada e anisotropia limitam o desempenho.

Teste de correntes parasitas e acoplamento EMI

• O aumento da resistividade é vantajoso para reduzir correntes parasitas em ambientes CA; no entanto, flocos de grafite e porosidade fazem uma previsão detalhada do efeito de pele e do complexo de distribuição de redemoinhos.

Localização do sensor magnético e campos dispersos

• Engenheiros usando fluxgate, Sensores Hall ou indutivos próximos a peças fundidas devem considerar anomalias magnéticas locais de microestrutura não homogênea de ferro fundido e tensões residuais.

10. Melhores práticas de medição e considerações sobre END

• Quando medir: especificar permeabilidade ou curva B – H para peças fundidas magneticamente críticas (caixas de rolamentos em atuadores eletromagnéticos, quadros que fazem parte de um circuito magnético).
• Como medir: pequenos cupons (localização representativa e orientação) medido em laboratório com um permeâmetro ou VSM;
  para aceitação na loja, medidores de permeabilidade portáteis ou testes de anel/colar são usados.
  Denunciar ambos μr inicial e μr no campo relevante (por exemplo, 0.5–1,0T) mais loop de histerese se as perdas CA forem importantes.
• Para MPI: calibre a corrente de magnetização para o nível mais baixo necessário para revelar defeitos sem estimular remanência indesejada;
  lembre-se de que as diferenças de coercividade podem alterar a retenção da magnetização (afeta a desmagnetização após o teste).
• Orientação de registro: sempre relatar orientação do teste (paralelo/perpendicular à superfície de fundição) porque existe anisotropia.

11. Conceitos errôneos comuns & Esclarecimentos

Todo ferro fundido cinza é altamente magnético

Falso. A força magnética depende da fase da matriz: Ferrítico EN-GJL-200 é fortemente magnético (μᵢ = 380 H/m), enquanto o EN-GJL-300 perlítico é moderadamente magnético (μᵢ = 220 H/m). Classes ricas em grafite (C >3.5%) têm resposta magnética fraca.

O conteúdo de carbono não afeta o magnetismo

Falso. O carbono forma grafite não magnética - aumentando C de 3.0% para 3.8% reduz a permeabilidade em 30–40% (crítico para aplicações altamente magnéticas).

O ferro fundido cinza pode substituir o aço silício em motores de alta potência

Falso. O aço silício tem μₘ = 5.000–8.000 H/m (2–4x maior que o ferro fundido cinzento) e menor perda de histerese - o ferro fundido cinzento é limitado a potência baixa a média (≤5 kW) aplicações.

O tratamento térmico não tem impacto nas propriedades magnéticas

Falso. Recozimento converte perlita em ferrita, aumentando μᵢ em 30–35% – fundamental para otimizar o desempenho magnético em componentes pós-fundidos.

12. Conclusão

O ferro fundido cinzento é magnético, mas material sensível à microestrutura.

Microestruturas ferríticas proporcionam a melhor permeabilidade e menor perda de histerese, enquanto as microestruturas perlíticas/resfriadas reduzem a permeabilidade e aumentam a coercividade e a histerese.

Flocos de grafite introduzem anisotropia e reduzem localmente a continuidade magnética, mas aumentam a resistividade elétrica (útil para limitar correntes parasitas).

Para qualquer elemento magneticamente importante fundição (MPI, proximidade de dispositivos eletromagnéticos, blindagem parcial) especificar e medir parâmetros magnéticos (μr inicial, Laço B – H, coercividade, orientação) em cupons representativos.

Em caso de dúvida, solicite dados B–H à fundição ou realize testes simples de permeabilidade durante a inspeção de entrada.

 

Perguntas frequentes

O ferro fundido cinzento é magnético?

Sim. É ferromagnético à temperatura ambiente; no entanto, sua permeabilidade e histerese dependem fortemente da matriz (ferrita vs perlita), conteúdo e processamento de grafite.

Posso usar ferro cinzento como material de núcleo magnético?

Não para núcleos AC de alto desempenho. O ferro cinzento pode transportar fluxo e fornecer blindagem parcial em baixas frequências, mas os aços elétricos ou ligas magnéticas macias proporcionam muito melhor, desempenho previsível com perdas mais baixas.

Como o grafite afeta os resultados do MPI?

A grafite reduz a permeabilidade local e causa anisotropia.

As regiões ferríticas magnetizam mais facilmente e apresentam maior sensibilidade ao MPI; áreas perlíticas/resfriadas requerem magnetização mais forte e podem reter remanência.

Que dados magnéticos devo solicitar a um fornecedor?

Solicitar: representante Laços B – H (duas orientações se possível), μr inicial e máximo, coercividade (HC), saturação Bs e uma descrição da orientação medida/tratamento térmico. Solicite também fotos metalográficas mostrando a morfologia do grafite.

Como faço para reduzir a magnetização remanente após MPI?

Use desmagnetização AC controlada (diminuindo gradualmente o campo alternado) ou aplique um campo reverso DC ligeiramente superior ao campo remanente, de acordo com a prática padrão de END. Verifique o campo residual com um gaussímetro.