Magnetické vlastnosti šedej liatiny

1. Zavedenie

Šedá (sivá) liatina je feromagnetický inžiniersky materiál, ktorého magnetické správanie je dané železnou matricou (ferit/perlit/cementit), morfológia a história spracovania vločiek grafitu.

Tieto mikroštrukturálne vlastnosti kontrolujú priepustnosť, nátlaku, saturácia a straty – parametre, ktoré sú dôležité pre kontrolu magnetických častíc, magnetické tienenie, blízkosť motorov/generátorov a správanie pri vírivých prúdoch.

Táto príručka vysvetľuje fyziku, poskytuje praktický návod na meranie, predstavuje typické číselné rozsahy pre bežné mikroštruktúry, a ukazuje, ako navrhovať a testovať odliatky, keď záleží na magnetickej výkonnosti.

2. Základný magnetizmus v železných materiáloch

Feromagnetizmus v materiáloch na báze železa vzniká zo zarovnaných magnetických momentov (nepárové elektróny) v atómoch Fe.

Pod aplikovaným poľom H, domény sa zarovnávajú a vytvárajú hustotu magnetického toku B. Vzťah B–H je nelineárny a vykazuje hysterézu.

Niekoľko základných pojmov:

• B (hustota magnetického toku) a H (magnetizačné pole) sú spojené nelineárnou B–H krivkou.
• Relatívna priepustnosť (μr) meria, o koľko ľahšie je materiál magnetizovať ako vákuum (μr = B/(μ0H)).
• Donucovanie (Hc) je reverzné pole potrebné na zníženie B na nulu po magnetizácii (miera toho, ako „ťažko“ je magnetizácia odstrániť).
• Remanencia (Br) je zvyšková hustota toku, keď sa H vráti na nulu.
• Hustota saturačného toku (Bs) je maximum B, ktoré materiál vydrží (obmedzený feromagnetickým objemovým zlomkom).
• Curieova teplota (Tc) je teplota, nad ktorou feromagnetizmus mizne (pre železné fázy okolo ~770 °C, mierne modifikované legovaním).

Sivá liatina sa správa ako a mäkké feromagnetikum pri izbovej teplote (nízka koercivita v porovnaní s permanentnými magnetmi), ale so stratami permeability a hysterézy, ktoré silne závisia od mikroštruktúry.

3. Čo riadi magnetizmus v sivej liatine？

Šedá liatina zahŕňa grafitové vločky uložené v železnej matrici (ferit a/alebo perlit a niekedy cementit). Každá zložka ovplyvňuje magnetizmus:

• Ferit (a-Fe) — kubické železo zamerané na telo. Mäkké feromagnetické; prispieva k vyššej priepustnosti a nízkej koercitivite.
• perlit (zmes feritu a cementitu Fe₃C) — perlitické oblasti obsahujú feritové lamely preložené cementitom;
  tieto znižujú efektívnu permeabilitu a zvyšujú koercitivitu v porovnaní s čistým feritom, pretože cementit je neferomagnetický (alebo slabo magnetické) a vytvorí pripnutie domény.
• Cementit (Fe₃C) — nie sú silne feromagnetické; pôsobí ako magnetické riedidlo a miesto na prichytenie doménovej steny.
• Grafitové vločky — elektricky a štrukturálne nespojité inklúzie. Samotný grafit nie je feromagnetický; vločky prerušujú magnetickú kontinuitu a vytvárajú lokálne koncentrácie napätia a vnútorné demagnetizačné polia.
  Čistým výsledkom je zníženie efektívnej permeability a zvýšené hysterézne straty v porovnaní s plne feritickou matricou.

Preto: viac feritu → vyššie μr, nižšia koercivita; viac perlitu/cementitu → nižší μr, vyššia koercivita a strata hysterézy.

Morfológia grafitu (veľkosť, orientácia, objemový zlomok) riadi anizotropiu a rozptyl magnetického toku.

4. Kľúčové magnetické parametre a spôsob ich merania

• B–H krivka / hysterézna slučka — merané permeametrom alebo Epsteinovým rámom (na laminovanie ocelí) a dáva μr(H), Hc, Br, a Bs.
• Relatívna priepustnosť, μr (počiatočné a maximálne) — počiatočné μr pri malom H (diktuje odozvu malého signálu) a maximálne μr na stredných poliach.
• Koercivita Hc (A/m alebo Oe) a zostávajú hustota toku Br (Tón) — uveďte, aké „mäkké“ alebo „tvrdé“ je magnetické správanie.
  Sivá liatina je mäkké feromagnetikum (nízke Hc) v porovnaní s materiálmi s permanentnými magnetmi, ale zvyčajne tvrdšie ako žíhané nízkouhlíkové ocele, ak je obsah perlitu/cementitu vysoký.
• Hustota saturačného toku Bs (Tón) - merané pri vysokej H; Obsah Bs šedej liatiny je nižší ako u čistého železa kvôli nemagnetickým fázam a pórovitosti.
• Curieho teplota Tc — pre železné fázy ~770 °C; zliatiny a mikroštruktúra mierne posúvajú Tc; merané termomagnetickou analýzou.

Typické meracie nástroje:

• Prenosný merače priepustnosti pre rýchlu kontrolu obchodu.
• Vibračný vzorkový magnetometer (VSM) a hysterézny graf pre laboratórne B–H slučky.
• Sondy na vírivý prúd a analyzátory impedancie pre frekvenčne závislú priepustnosť a stratu.

5. Magnetické vlastnosti typických tried sivej liatiny

Nižšie je kompakt, zobrazuje tabuľku údajov zameraných na inžinierstvo zástupca rozsahy magnetických vlastností pre bežné mikroštruktúry šedej liatiny a pre tri bežne špecifikované druhy.

Pretože liatinové magnety sú silne závislé od procesu, tieto čísla sú rozsahy určené na predbežný návrh – pre magneticky kritické časti si vyžiadajte slučky B–H na reprezentatívnych kupónoch.

Ako čítať a používať túto tabuľku (praktické usmernenie)

• Počiatočné μr je priepustnosť malého signálu – dôležitá pre senzory, malé jednosmerné polia a prvý krok magnetizácie v NDT.
• Maximálne μr označuje, ako ľahko bude materiál koncentrovať tok pred dosiahnutím nasýtenia – dôležité pri predpovedaní únikových ciest alebo posunu.
• Donucovanie (Hc) ukazuje, ako „tvrdo“ sa materiál po zmagnetizovaní demagnetizuje (vyššie Hc → remanentnejšie pole po MPI). Preveďte A/m → Oe delením ≈79,577 (Napr., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Sýtosť Bs je praktická horná hranica hustoty toku; Obsah Bs šedej liatiny je nižší ako u čistého železa a mnohých ocelí, pretože nemagnetický grafit a cementit znižujú feromagnetický objemový podiel.
• Relatívny odpor sa udáva ako násobok odporu mäkkej ocele (kvalitatívne).
  Vyšší odpor znižuje vírivé prúdy pri frekvenciách striedavého prúdu – výhoda pre rotačné kryty strojov alebo tam, kde by mohli byť problémom vírivé straty.

6. Aká chémia, mikroštruktúra a spracovanie menia magnetické vlastnosti

Leňavý:

• Obsah uhlíka & grafitizácia: vyšší voľný uhlík → viac grafitu → znížené μr a Bs.
• Kremík podporuje grafitizáciu a zvyšuje odpor; mierny Si má tendenciu znižovať priepustnosť v porovnaní s čistým železom.
• Síra, fosfor a iné stopové prvky ovplyvňujú morfológiu grafitu a tým aj magnetickú kontinuitu.
• Legujúce prvky ako Ni, Cr, Mn zmeniť interakcie magnetickej výmeny a môže znížiť Curieho teplotu alebo modifikovať koercitivitu.

Tepelné spracovanie:

• Žíhanie (feritizácia) zvyšuje frakciu feritu, zvyšuje μr a znižuje koercitivitu (zjemňuje magnetickú odozvu).
• Normalizácia / rýchlejšie chladenie zvyšuje perlit/cementit → znižuje μr a zvyšuje Hc.
• Lokalizované vykurovanie alebo zváranie môže vytvárať magnetickú nehomogenitu a zvyškové napätie, ktorá mení lokálnu permeabilitu a dá sa zistiť nedeštruktívne.

Mechanická deformácia:

• Opracovanie za studena spôsobuje dislokácie a zvyškové napätie → prichytenie steny domény zvyšuje koercitivitu a znižuje priepustnosť. Úľava od stresu tieto účinky znižuje.

Pórovitosť & inklúzie:

• Póry a nemagnetické inklúzie prerušujú dráhy toku a znižujú efektívne μr a Bs. Môžu tiež zvýšiť hysterézu a stratu.

7. Anizotropia a efekty grafitových vločiek – prečo je orientácia odlievania dôležitá

Grafitové vločky majú tendenciu orientovať kolmo na tok tepla počas tuhnutia, často zarovnané zhruba rovnobežne s povrchmi formy. Vločky produkujú magnetická anizotropia:

• Flux cestovanie paralelne s vločkami naráža na iné demagnetizačné polia ako na vločky prechádzajúce tokom kolmý do ich lietadla.
• Teda merané μr a spektrá priepustnosti môže závisieť od smeru; v praxi to znamená, že magnetické obvody využívajúce odliatky by mali zvážiť orientáciu – napr., zarovnanie dráh toku tak, aby sa tam, kde je to možné, pohybovali priepustnejším smerom.

Grafitové vločky tiež vytvárajú lokálne deformačné polia, ktoré ďalej ovplyvňujú pohyb doménovej steny a tým aj hysterézne správanie.

8. Elektrický odpor, vírivé prúdy a magnetické straty v sivej liatine

• Odpor: Sivá liatina zvyčajne má vyšší elektrický odpor než nízkouhlíková oceľ, pretože grafitové vločky a nečistoty narúšajú dráhy elektrónov.
  Kvalitatívne: odpor sivej liatiny je niekoľko× typickej nízkouhlíkovej ocele. Vyšší odpor znižuje veľkosť vírivých prúdov pre dané striedavé magnetické pole.
• Strata vírivých prúdov: Pre striedavé magnety, strata = strata hysterézy + strata vírivými prúdmi.
  Kvôli vyššiemu odporu a štruktúre vločiek, straty vírením v sivej liatine sú často nižšie ako v hutnej oceli s podobnou priepustnosťou, robí sivú liatinu porovnateľne atraktívnou tam, kde existujú magnetické polia s nízkou až strednou frekvenciou a kde záleží na stratách vírením.
  Však, grafitové vločky môžu vytvárať mikroobvody, ktoré komplikujú predpovedanie strát.
• Strata hysterézy: Zvýšené o perlit/cementit a prichytenie doménových stien; sivá liatina s vysokým podielom perlitu má typicky vyššie straty hysterézy ako feritická liatina.

Implikácia dizajnu: pre nízkofrekvenčné magnetické obvody (DC alebo statické), sivá liatina môže prenášať tok, ale nezhoduje sa s elektrooceľovými jadrami pre vysokoúčinné striedavé magnetické obvody.

Pre komponenty, kde je magnetická strata sekundárna (skrine motora v blízkosti motorov, magnetické montážne plochy), kombinácia strednej priepustnosti a zníženej straty vírmi v sivej liatine môže byť prijateľná.

9. Praktické aplikácie a implikácie

Kontrola magnetických častíc (MPI)

• Šedá žehlička je magnetizovateľné a široko kontrolované pomocou MPI na povrchové a blízkopovrchové defekty.
  Magnetická odozva (jednoduchosť magnetizácie a požadovaný prúd) závisí od permeability – feritické odliatky sa magnetizujú ľahšie ako perlitické. Orientácia poľa vzhľadom na grafitové vločky je dôležitá pre citlivosť.

Motor & skrine generátorov, rámy a kryty

• Kryty zo sivej liatiny sa bežne používajú na mechanickú podporu v blízkosti magnetických strojov. Ich magnetická permeabilita môže spôsobiť magnetický posun alebo zmeniť vzory rozptýlených polí.
  Dizajnéri musia počítať s magnetickou spojkou (Napr., indukované prúdy, magnetický únik) keď sú kryty blízko aktívnych cievok alebo permanentných magnetov.

EMI / magnetické tienenie

• Šedá liatina môže vďaka svojej priepustnosti pôsobiť ako magnetická dráha alebo čiastočný štít pre nízkofrekvenčné polia, ale špecializované mäkké magnetické zliatiny alebo laminované elektroocele sú preferované tam, kde sa vyžaduje vysoká účinnosť tienenia a nízke straty.
  Vyšší odpor šedej liatiny pomáha pri stredných frekvenciách, ale nedostatok riadenej permeability a anizotropie obmedzujú výkon.

Testovanie vírivými prúdmi a väzba EMI

• Zvýšený odpor je výhodný na zníženie vírivých prúdov v prostredí so striedavým prúdom; však, grafitové vločky a pórovitosť umožňujú podrobnú predpoveď efektu pokožky a komplexu distribúcie vírov.

Umiestnenie magnetického senzora a rozptylové polia

• Inžinieri používajúci fluxgate, Hallove alebo indukčné snímače v blízkosti odliatkov musia zohľadňovať lokálne magnetické anomálie z nehomogénnej mikroštruktúry liatiny a zvyškových napätí.

10. Najlepšie postupy merania a úvahy o NDT

• Kedy merať: špecifikujte permeabilitu alebo krivku B–H pre magneticky kritické odliatky (ložiskové puzdrá v elektromagnetických pohonoch, rámy, ktoré tvoria súčasť magnetického obvodu).
• Ako merať: malé kupóny (reprezentatívna poloha a orientácia) merané v laboratóriu pomocou permeametra alebo VSM;
  na prijatie do predajne, používajú sa prenosné merače priepustnosti alebo prstencové/nákružkové testy.
  Nahláste obe počiatočné μr a μr v príslušnom poli (Napr., 0.5– 1,0 T) plus hysterézna slučka, ak záleží na stratách striedavého prúdu.
• Pre MPI: kalibrujte magnetizačný prúd na najnižšiu hodnotu potrebnú na odhalenie defektov bez stimulácie nežiaducej remanencie;
  Pamätajte, že rozdiely v koercitivite môžu zmeniť udržanie magnetizácie (ovplyvňuje demagnetizáciu po testovaní).
• Orientácia záznamu: vždy nahláste orientáciu testu (rovnobežne/kolmo na povrch odliatku) pretože existuje anizotropia.

11. Bežné mylné predstavy & Objasnenia

Celá sivá liatina je vysoko magnetická

Nepravdivý. Magnetická sila závisí od fázy matrice: Feritický EN-GJL-200 je silne magnetický (μᵢ = 380 H/m), zatiaľ čo perlitický EN-GJL-300 je stredne magnetický (μᵢ = 220 H/m). Triedy bohaté na grafit (C >3.5%) majú slabú magnetickú odozvu.

Obsah uhlíka neovplyvňuje magnetizmus

Nepravdivý. Uhlík tvorí nemagnetický grafit – zvyšujúci sa C z 3.0% do 3.8% znižuje priepustnosť o 30-40% (kritické pre vysokomagnetické aplikácie).

Sivá liatina môže nahradiť kremíkovú oceľ vo vysokovýkonných motoroch

Nepravdivý. Kremíková oceľ má μₘ = 5000–8000 H/m (2–4x vyššia ako sivá liatina) a nižšia hysterézna strata – sivá liatina je obmedzená na nízky až stredný výkon (≤ 5 kW) žiadosti.

Tepelné spracovanie nemá žiadny vplyv na magnetické vlastnosti

Nepravdivý. Žíhaním sa perlit premieňa na ferit, zvýšenie μᵢ o 30–35 % – rozhodujúce pre optimalizáciu magnetického výkonu v komponentoch po odliatku.

12. Záver

Sivá liatina je magnetická, ale materiál citlivý na mikroštruktúru.

Feritické mikroštruktúry poskytujú najlepšiu priepustnosť a najnižšiu stratu hysterézy, zatiaľ čo perlitické/chladené mikroštruktúry znižujú permeabilitu a zvyšujú koercitivitu a hysterézu.

Grafitové vločky zavádzajú anizotropiu a lokálne znižujú magnetickú kontinuitu, ale zvyšujú elektrický odpor (užitočné pri obmedzovaní vírivých prúdov).

Pre akékoľvek magneticky dôležité odlievanie (MPI, blízkosť elektromagnetických zariadení, čiastočné tienenie) špecifikovať a merať magnetické parametre (počiatočné μr, B–H slučka, nátlaku, orientácia) na reprezentatívnych kupónoch.

Keď máte pochybnosti, požiadajte zlieváreň o údaje B–H alebo vykonajte jednoduché skúšky priepustnosti počas vstupnej kontroly.

 

Časté otázky

Je magnetická sivá liatina?

Áno. Pri izbovej teplote je feromagnetický; však, jeho permeabilita a hysterézia silne závisia od matrice (ferit vs perlit), obsah a spracovanie grafitu.

Môžem použiť šedú liatinu ako materiál magnetického jadra?

Nie pre vysokovýkonné AC jadrá. Šedá liatina môže prenášať tok a poskytovať čiastočné tienenie pri nízkych frekvenciách, ale elektroocele alebo mäkké magnetické zliatiny dávajú oveľa lepšie, predvídateľný výkon s nižšími stratami.

Ako grafit ovplyvňuje výsledky MPI?

Grafit znižuje lokálnu priepustnosť a spôsobuje anizotropiu.

Feritické oblasti sa magnetizujú ľahšie a vykazujú vyššiu MPI citlivosť; perlitické/chladené oblasti vyžadujú silnejšiu magnetizáciu a môžu zachytávať remanenciu.

Aké magnetické údaje si mám vyžiadať od dodávateľa?

Žiadosť: zástupca B–H slučky (dve orientácie, ak je to možné), počiatočné a maximálne μr, nátlaku (Hc), nasýtenia Bs a popis meranej orientácie/tepelného spracovania. Vyžiadajte si aj metalografické fotografie zobrazujúce morfológiu grafitu.

Ako znížim remanentnú magnetizáciu po MPI?

Použite riadenú demagnetizáciu striedavým prúdom (postupne sa zmenšujúce striedavé pole) alebo použite jednosmerné reverzné pole o niečo vyššie ako remanentné pole, podľa štandardnej praxe NDT. Overte zvyškové pole pomocou gaussmetra.