Магнитные свойства серого чугуна

1. Введение

Серый (серый) Чугун — это ферромагнитный конструкционный материал, магнитное поведение которого определяется железной матрицей. (феррит/перлит/цементит), морфология и история обработки графитовых чешуек.

Эти микроструктурные особенности контролируют проницаемость., принуждение, насыщение и потери — параметры, имеющие значение для магнитопорошкового контроля., магнитное экранирование, близость к двигателям/генераторам и поведение вихревых токов.

В этом руководстве объясняется физика, дает практическое руководство по измерениям, представлены типичные числовые диапазоны для распространенных микроструктур., и показывает, как проектировать и тестировать отливки, когда важны магнитные характеристики..

2. Основной магнетизм в черных металлах

Ферромагнетизм в материалах на основе железа возникает из-за ориентированных магнитных моментов (неспаренные электроны) в атомах Fe.

Под приложенным полем H, домены выравниваются, создавая плотность магнитного потока B. Зависимость B – H нелинейна и демонстрирует гистерезис..

Несколько важных понятий:

• Б (плотность магнитного потока) и ЧАС (намагничивающее поле) связаны нелинейной кривой B–H.
• Относительная проницаемость (мкр) измеряет, насколько легче материал намагничиваться, чем вакуум (цр = В/(μ0H)).
• Принуждение (Хк) обратное поле, необходимое для уменьшения B до нуля после намагничивания (мера того, насколько «трудно» удалить намагниченность).
• Остаточность (Бр) - остаточная плотность потока, когда H возвращается к нулю.
• Плотность потока насыщения (Бс) это максимальная B, которую может выдержать материал (ограничено объемной долей ферромагнитного материала).
• Температура Кюри (Тс) температура, выше которой ферромагнетизм исчезает (для железных фаз около ~770 °C, слегка изменен путем легирования).

Серый чугун ведет себя как мягкий ферромагнетик при комнатной температуре (низкая коэрцитивность по сравнению с постоянными магнитами), но с потерями проницаемости и гистерезиса, которые сильно зависят от микроструктуры.

3. Что контролирует магнетизм в сером чугуне?

Серый чугун включает в себя графитовые хлопья встроенный в железную матрицу (феррит и/или перлит и иногда цементит). Каждый компонент влияет на магнетизм:

• Феррит (α-Fe) — телоцентрированное кубическое железо. Мягкий ферромагнетик; способствует более высокой проницаемости и низкой коэрцитивной силе.
• Жемчужный (смесь феррита и цементита Fe₃C) — перлитные области содержат ферритовые пластинки с прослоями цементита.;
  они снижают эффективную проницаемость и увеличивают коэрцитивную силу по сравнению с чистым ферритом, поскольку цементит неферромагнитен. (или слабомагнитный) и создает закрепление домена.
• Цемент (Fe₃c) — не сильно ферромагнитный; действует как магнитный разбавитель и место закрепления доменной стенки.
• Графитовые хлопья — электрически и структурно неоднородные включения. Графит сам по себе не ферромагнитен.; чешуйки нарушают магнитную непрерывность и создают локальные концентрации напряжений и внутренние размагничивающие поля..
  Конечным результатом является снижение эффективной проницаемости и увеличение потерь на гистерезис по сравнению с полностью ферритной матрицей..

Поэтому: больше феррита → выше µr, более низкая принудительная сила; больше перлита/цементита → ниже µr, более высокая коэрцитивность и потери на гистерезис.

Морфология графита (размер, ориентация, объемная доля) контролирует анизотропию и рассеяние магнитного потока.

4. Основные магнитные параметры и способы их измерения

• Кривая B–H / петля гистерезиса - измерено с помощью пермеаметра или рамки Эпштейна (для ламинированной стали) и дает мкр(ЧАС), Хк, Бр, и Bs.
• Относительная проницаемость, мкр (начальный и максимальный) — начальный µr при малых H (диктует реакцию на слабый сигнал) и максимум µr в умеренных полях.
• Коэрцитивность Hc (А/м или ОЭ) и остающаяся плотность потока Br (Т) — указать, насколько «мягким» или «жестким» является магнитное поведение.
  Серое железо – мягкий ферромагнетик. (низкий уровень ХК) по сравнению с материалами с постоянными магнитами, но обычно тверже, чем отожженные низкоуглеродистые стали, если содержание перлита/цементита высокое..
• Плотность потока насыщения Bs (Т) — измерено при высоком H; Bs серого чугуна ниже, чем у чистого железа из-за немагнитных фаз и пористости..
• Температура Кюри Tc — для железных фаз ~770 °С; сплавы и микроструктура слегка сдвигают Tc; измерено с помощью термомагнитного анализа.

Типичные инструменты измерения:

• Портативный измерители проницаемости для быстрой проверки магазина.
• Вибрационный магнитометр (ВСМ) и гистерезисграф для лабораторных петель B–H.
• Вихретоковые датчики и анализаторы импеданса для частотно-зависимой проницаемости и потерь.

5. Магнитные свойства типичных марок серого чугуна

Ниже представлен компактный, таблица инженерно-ориентированных данных, показывающая представитель Диапазоны магнитных свойств для обычных микроструктур серого чугуна и для трех обычно указанных марок.

Поскольку магнитные свойства чугуна сильно зависят от процесса, эти значения представляют собой диапазоны, предназначенные для предварительного проектирования — для магнитно-критических деталей запрашивайте петли B–H на репрезентативных купонах..

Как читать и использовать эту таблицу (практическое руководство)

• Начальный мкр — проницаемость для слабого сигнала — актуальна для датчиков, небольшие поля постоянного тока и первый этап намагничивания в НК.
• Максимальный мкр указывает, насколько легко материал будет концентрировать поток до того, как достигнет насыщения, что важно при прогнозировании путей утечки или шунтирования..
• Принуждение (Хк) показывает, насколько «трудно» размагничивать материал после намагничивания (более высокий Hc → более остаточное поле после MPI). Перевести А/м → Э, разделив на ≈79,577 (например, 800 А/м ≈ 10.05 Оэ).
• Насыщенность Bs это практический верхний предел плотности потока; Bs серого чугуна ниже, чем у чистого железа и многих сталей, поскольку немагнитный графит и цементит уменьшают объемную долю ферромагнитного материала..
• Относительное удельное сопротивление задается как кратное удельному сопротивлению мягкой стали (качественный).
  Более высокое удельное сопротивление снижает вихревые токи на частотах переменного тока — преимущество для вращающихся корпусов машин или там, где потери на вихревые явления могут быть проблемой..

6. Как химия, микроструктура и обработка меняют магнитные свойства

Легирование:

• Содержание углерода & графитизация: больше свободного углерода → больше графита → меньше µr и Bs.
• Кремний способствует графитизации и увеличивает удельное сопротивление; умеренный Si имеет тенденцию снижать проницаемость по сравнению с чистым железом..
• сера, фосфор и другие микроэлементы влияют на морфологию графита и, следовательно, на магнитную непрерывность..
• Легирующие элементы, такие как Ni, Кр, Мин. изменяют магнитно-обменные взаимодействия и могут снизить температуру Кюри или изменить коэрцитивную силу..

Термическая обработка:

• Отжиг (ферритизация) увеличивает долю феррита, увеличивает µr и снижает коэрцитивную силу (смягчает магнитный отклик).
• Нормализация / более быстрое охлаждение увеличивает перлит/цементит → уменьшает µr и увеличивает Hc.
• Локальный нагрев или сварка может создавать магнитную неоднородность и остаточное напряжение, который изменяет местную проницаемость и может быть обнаружен неразрушающим методом..

Механическая деформация:

• Холодная обработка приводит к дислокациям и остаточным напряжениям → закрепление доменных стенок повышает коэрцитивную силу и снижает проницаемость.. Снятие стресса уменьшает эти эффекты..

Пористость & включения:

• Поры и немагнитные включения прерывают пути потока и снижают эффективные µr и Bs.. Они также могут увеличить гистерезис и потери..

7. Анизотропия и эффекты графитовых чешуек — почему ориентация отливки имеет значение

Графитовые чешуйки имеют тенденцию ориентировать перпендикулярно тепловому потоку при затвердевании, часто выравнивается примерно параллельно поверхностям формы. Хлопья производят магнитная анизотропия:

• Поток путешествует параллельно хлопьям сталкивается с другими размагничивающими полями, чем чешуйки, пересекающие поток перпендикуляр на свой самолет.
• Таким образом измеренный мкр и спектры проницаемости может зависеть от направления; на практике это означает, что магнитные цепи, в которых используются отливки, должны учитывать ориентацию - например., выравнивание путей потока так, чтобы оно пересекало более проницаемое направление, где это возможно.

Чешуйки графита также создают локальные поля деформации., которые дополнительно влияют на движение доменной стенки и, следовательно, на поведение гистерезиса..

8. Электрическое сопротивление, вихревые токи и магнитные потери в сером чугуне

• Удельное сопротивление: Серый чугун обычно имеет более высокое электрическое сопротивление чем низкоуглеродистая сталь, поскольку графитовые хлопья и примеси нарушают пути электронов.
  Качественно: удельное сопротивление серого чугуна несколько× как у типичной низкоуглеродистой стали. Более высокое удельное сопротивление уменьшает величину вихревых токов для данного переменного магнитного поля..
• Потери вихревых токов: Для магнитов переменного тока, потери = потери на гистерезис + потери на вихревые токи.
  Из-за более высокого удельного сопротивления и чешуйчатой ​​структуры, вихревые потери в сером чугуне часто ниже, чем в плотной стали с аналогичной проницаемостью., делает серый чугун сравнительно привлекательным там, где существуют магнитные поля низкой и средней частоты и важны потери на вихри.
  Однако, графитовые хлопья могут создавать микросхемы, которые усложняют прогнозирование потерь.
• Потеря гистерезиса: Увеличивается за счет закрепления перлита/цементита и доменных стенок.; серый чугун с высоким содержанием перлита обычно имеет более высокие потери на гистерезис, чем ферритный чугун..

Значение дизайна: для низкочастотных магнитных цепей (постоянный ток или статический), Серый чугун может нести флюс, но не подходит для сердечников из электротехнической стали для высокоэффективных магнитных цепей переменного тока..

Для компонентов, где магнитные потери являются вторичными (Корпуса двигателей рядом с двигателями, магнитные монтажные поверхности), сочетание умеренной проницаемости серого чугуна и уменьшенных потерь на вихри может быть приемлемым.

9. Практическое применение и последствия

Магнитопорошковый контроль (ИМБ)

• Серое железо это намагничивающийся и широко проверяется с использованием MPI на наличие поверхностных и приповерхностных дефектов..
  Магнитный отклик (легкость намагничивания и необходимый ток) зависит от проницаемости - ферритные отливки легче намагничиваются, чем перлитные.. Ориентация поля относительно чешуек графита имеет значение для чувствительности..

Мотор & Генераторные корпусы, каркасы и корпуса

• Корпуса из серого железа обычно используются для механической поддержки рядом с магнитными машинами.. Их магнитная проницаемость может вызывать магнитное шунтирование или изменять структуру рассеянного поля..
  Проектировщики должны учитывать магнитную связь (например, индуцированные токи, магнитная утечка) когда корпуса находятся рядом с активными катушками или постоянными магнитами.

Эми / магнитное экранирование

• Серое железо может действовать как магнитный путь или частичный экран для низкочастотных полей из-за своей проницаемости., но специализированные магнитомягкие сплавы или ламинированные электротехнические стали предпочтительны там, где требуется высокая эффективность экранирования и низкие потери.
  Более высокое удельное сопротивление серого чугуна помогает на промежуточных частотах., но отсутствие контролируемой проницаемости и анизотропия ограничивают производительность.

Вихретоковое тестирование и связь по электромагнитным помехам

• Повышенное удельное сопротивление выгодно для уменьшения вихревых токов в средах переменного тока.; однако, графитовые хлопья и пористость позволяют детально прогнозировать скин-эффект и комплекс вихревого распределения..

Расположение магнитного датчика и поля рассеяния

• Инженеры, использующие феррозонд, Датчики Холла или индуктивные датчики вблизи отливок должны учитывать локальные магнитные аномалии из-за неоднородной микроструктуры чугуна и остаточных напряжений..

10. Передовой опыт измерений и соображения по неразрушающему контролю

• Когда измерять: укажите проницаемость или кривую B–H для магнитокритичных отливок (корпуса подшипников в электромагнитных приводах, рамки, являющиеся частью магнитной цепи).
• Как измерить: маленькие купоны (представительное местоположение и ориентация) измерено в лаборатории с помощью пермеометра или VSM;
  для приемки магазина, используются портативные измерители проницаемости или кольцевые тесты..
  Сообщите об обоих начальный мкр и мкр в соответствующем поле (например, 0.5–1,0 Тл) плюс петля гистерезиса, если потери переменного тока имеют значение.
• Для МПИ: калибровать ток намагничивания до минимально необходимого уровня для выявления дефектов без стимуляции нежелательной остаточной намагниченности;
  помните, что различия в коэрцитивности могут изменить сохранение намагниченности (влияет на размагничивание после испытаний).
• Запись ориентации: всегда сообщать о направленности теста (параллельно/перпендикулярно поверхности отливки) потому что анизотропия существует.

11. Общие заблуждения & Разъяснения

Весь серый чугун обладает высокой магнитностью.

ЛОЖЬ. Магнитная сила зависит от фазы матрицы: Ферритный EN-GJL-200 обладает сильными магнитными свойствами. (μᵢ = 380 Ч/м), а перлитный EN-GJL-300 умеренно магнитен. (μᵢ = 220 Ч/м). Сорта с высоким содержанием графита (С >3.5%) имеют слабый магнитный отклик.

Содержание углерода не влияет на магнетизм

ЛОЖЬ. Углерод образует немагнитный графит, увеличивая C от 3.0% к 3.8% снижает проницаемость на 30–40% (критично для сильномагнитных применений).

Серый чугун может заменить кремниевую сталь в мощных двигателях

ЛОЖЬ. Кремниевая сталь имеет μₘ = 5000–8000 H/m. (2– в 4 раза выше, чем у серого чугуна) и более низкие потери на гистерезис — серый чугун ограничен мощностью от низкой до средней. (≤5 кВт) приложения.

Термическая обработка не влияет на магнитные свойства

ЛОЖЬ. Отжиг превращает перлит в феррит., увеличение μᵢ на 30–35 % — критически важно для оптимизации магнитных характеристик в компонентах после литья..

12. Заключение

Серый чугун является магнитным, но чувствительный к микроструктуре материал.

Ферритные микроструктуры обеспечивают наилучшую проницаемость и минимальные потери на гистерезис., в то время как перлитные/охлажденные микроструктуры уменьшают проницаемость и увеличивают коэрцитивную силу и гистерезис..

Чешуйки графита вносят анизотропию и локально уменьшают магнитную непрерывность, но повышают удельное электрическое сопротивление. (полезно для ограничения вихревых токов).

Для любого магнитно важного кастинг (ИМБ, близость к электромагнитным устройствам, частичное экранирование) указать и измерить магнитные параметры (начальный мкр, Петля B–H, принуждение, ориентация) по представительским купонам.

Когда сомневаешься, запросите на литейном заводе данные B–H или проведите простые испытания на проницаемость во время входного контроля.

 

Часто задаваемые вопросы

Магнитен ли серый чугун??

Да. Он ферромагнитен при комнатной температуре.; однако, его проницаемость и гистерезис сильно зависят от матрицы (феррит против перлита), содержание и обработка графита.

Могу ли я использовать серый чугун в качестве материала магнитного сердечника??

Не для высокопроизводительных ядер переменного тока. Серое железо может нести флюс и обеспечивать частичную защиту на низких частотах., но электротехнические стали или магнитомягкие сплавы дают гораздо лучше, предсказуемая производительность с меньшими потерями.

Как графит влияет на результаты MPI?

Графит снижает местную проницаемость и вызывает анизотропию..

Ферритные области легче намагничиваются и демонстрируют более высокую чувствительность MPI.; перлитные/охлажденные участки требуют более сильного намагничивания и могут улавливать остаточную намагниченность..

Какие магнитные данные следует запросить у поставщика?

Запрос: представитель петли B–H (две ориентации, если возможно), начальный и максимальный мкр, принуждение (Хк), насыщение Bs и описание измеренной ориентации/термической обработки. Также запросите металлографические фотографии, показывающие морфологию графита..

Как уменьшить остаточную намагниченность после MPI??

Используйте контролируемое размагничивание переменным током. (постепенно уменьшающееся переменное поле) или примените обратное поле постоянного тока, немного превышающее остаточное поле., согласно стандартной практике неразрушающего контроля. Проверьте остаточное поле с помощью гауссметра..