Магнітні властивості сірого чавуну

1. Вступ

Сірий (сірий) cast iron is a ferromagnetic engineering material whose magnetic behaviour is set by the iron matrix (ферит/перліт/цементит), морфологія графіту та історія обробки.

Ці мікроструктурні особливості контролюють проникність, примусова сила, насичення та втрати — параметри, важливі для магнітопорошкового контролю, magnetic shielding, близькість до двигунів/генераторів і вихрові струми.

Цей посібник пояснює фізику, дає практичні вказівки щодо вимірювання, представлені типові чисельні діапазони для звичайних мікроструктур, і показує, як проектувати та випробовувати виливки, коли магнітні характеристики мають значення.

2. Основний магнетизм у чорних металах

Феромагнетизм у матеріалах на основі заліза виникає через вирівняні магнітні моменти (неспарених електронів) в атомах Fe.

Під прикладним полем H, домени вирівнюються, створюючи щільність магнітного потоку B. Співвідношення B–H є нелінійним і демонструє гістерезис.

A few essential concepts:

• Б (щільність магнітного потоку) і Х (поле, що намагнічує) пов’язані нелінійною кривою B–H.
• Відносна проникність (мкр) вимірює, наскільки легше намагнічувати матеріал, ніж вакуум (μr = B/(μ0H)).
• Примусова сила (Hc) це зворотне поле, необхідне для зменшення B до нуля після намагнічування (міра того, наскільки «важко» усунути намагніченість).
• Реманентність (бр) це залишкова щільність потоку, коли H повертається до нуля.
• Щільність потоку насичення (Bs) це максимальна B, яку може витримати матеріал (обмежена феромагнітною об'ємною часткою).
• Температура Кюрі (Tc) is the temperature above which ferromagnetism disappears (для фаз заліза близько ~770 °C, трохи модифікований легуванням).

Сірий чавун поводиться як a м'який феромагнетик При кімнатній температурі (низька коерцитивна сила відносно постійних магнітів), but with permeability and hysteresis losses that depend heavily on microstructure.

3. Що контролює магнетизм у сірому чавуні?

Сірий чавун включає в себе графітові лусочки вбудовані в залізну матрицю (фериту та/або перліту, іноді цементиту). Кожна складова впливає на магнетизм:

• Ферит (α-Fe) — тілоцентричне кубічне залізо. М'який феромагніт; contributes higher permeability and low coercivity.
• Перліт (суміш фериту та цементиту Fe₃C) — pearlitic regions contain ferrite lamellae interleaved with cementite;
  вони знижують ефективну проникність і збільшують коерцитивну силу порівняно з чистим феритом, оскільки цементит неферомагнітний (or weakly magnetic) і створює закріплення домену.
• Cementite (Fe₃C) — не сильно феромагнітний; acts as a magnetic diluent and domain wall pinning site.
• Graphite flakes — електрично та структурно розривні включення. Графіт сам по собі не є феромагнітним; лусочки переривають магнітну безперервність і створюють локальні концентрації напруги та внутрішні поля розмагнічування.
  Кінцевим результатом є зниження ефективної проникності та збільшення втрат на гістерезис порівняно з повністю феритною матрицею.

Отже: більше фериту → вище μr, lower coercivity; більше перліту/цементиту → нижчий μr, більш висока коерцитивна сила і втрати на гістерезис.

Graphite morphology (розмір, орієнтація, volume fraction) контролює анізотропію та розсіювання магнітного потоку.

4. Основні магнітні параметри та спосіб їх вимірювання

• Крива B–H / петля гістерезису — вимірюється пермеаметром або рамкою Епштейна (для ламінування сталей) і дає μр(Х), Hc, бр, і Bs.
• Відносна проникність, мкр (початковий і максимальний) — початковий μr при малих H (диктує відповідь на слабкий сигнал) і максимальний μr при помірних полях.
• Коерцитивність Hc (A/m або Oe) і залишається щільність потоку Br (Т) — indicate how “soft” or “hard” the magnetic behaviour is.
  Сірий чавун - м'який феромагнетик (низький Hc) relative to permanent-magnet materials but typically harder than annealed low-carbon steels if pearlite/cementite content is high.
• Густина потоку насичення Bs (Т) — вимірюється при високій H; gray iron’s Bs is lower than pure iron because of non-magnetic phases and porosity.
• Температура Кюрі Tc — для фаз заліза ~770 °C; сплави та мікроструктура незначно зміщують Tc; виміряно за допомогою термомагнітного аналізу.

Типові засоби вимірювання:

• Портативний вимірювачі проникності для швидкої перевірки магазину.
• Магнітометр вібраційного зразка (VSM) і гістерезисограф для лабораторних B–H петель.
• Вихрострумові зонди і аналізатори імпедансу для частотно-залежної проникності та втрат.

5. Магнітні властивості типових марок сірого чавуну

Нижче компактний, інженерно-орієнтована таблиця даних, що показує представник діапазони магнітних властивостей для звичайних мікроструктур сірого чавуну та для трьох загальноприйнятих марок.

Оскільки магнітні властивості чавуну сильно залежать від процесу, ці цифри є діапазонами, призначеними для попереднього проектування — для магнітно критичних частин запитуйте петлі B–H на типових купонах.

Як читати та використовувати цю таблицю (practical guidance)

• Початковий мкр є проникність малого сигналу — актуальна для датчиків, малі поля постійного струму та перший крок намагнічування в НК.
• Максимальна мкр вказує на те, наскільки легко матеріал концентруватиме потік перед наближенням до насичення — важливо при прогнозуванні шляхів витоку або шунтування.
• Примусова сила (Hc) показує, наскільки «важко» розмагнічувати матеріал після намагнічування (вище Hc → більше залишкового поля після MPI). Перетворіть A/m → Oe, поділивши на ≈79,577 (Напр., 800 A/m ≈ 10.05 Oe).
• Насиченість Bs є практичною верхньою межею для щільності потоку; Bs сірого чавуну нижчий, ніж у чистого чавуну та багатьох сталей, оскільки немагнітний графіт і цементит зменшують феромагнітну об’ємну частку.
• Relative resistivity подається як кратне питомому опору м’якої сталі (якісний).
  Вищий питомий опір зменшує вихрові струми на частотах змінного струму — перевага для обертових корпусів машин або там, де вихрові втрати можуть бути проблемою.

6. How chemistry, мікроструктура та обробка змінюють магнітні властивості

легування:

• Вміст вуглецю & графітизація: більше вільного вуглецю → більше графіту → знижені μr і Bs.
• Кремнію сприяє графітизації та підвищує питомий опір; moderate Si tends to reduce permeability vs pure iron.
• Сірка, фосфор та інші мікроелементи впливають на морфологію графіту і, отже, на магнітну безперервність.
• Легуючі елементи, такі як Ni, Cr, Мн змінюють взаємодію магнітного обміну і можуть знизити температуру Кюрі або змінити коерцитивну силу.

Термічна обробка:

• Відпал (ферритизуюча) збільшує частку фериту, збільшує μr і зменшує коерцитивну силу (пом'якшує магнітну реакцію).
• Нормалізація / більш швидке охолодження збільшує перліт/цементит → зменшує μr і збільшує Hc.
• Локалізований нагрів або зварювання can create magnetic inhomogeneity and residual stress, which changes local permeability and can be detected nondestructively.

Mechanical deformation:

• Cold working introduces dislocations and residual stress → domain wall pinning raises coercivity and lowers permeability. Зняття стресу зменшує ці ефекти.

Пористість & включення:

• Pores and non-magnetic inclusions interrupt flux paths and lower effective μr and Bs. Вони також можуть збільшити гістерезис і втрати.

7. Анізотропія та ефект лусочки графіту — чому орієнтація лиття має значення

Графітові лусочки схильні до orient perpendicular to heat flow during solidification, often aligning roughly parallel to mould surfaces. Пластівці виробляють магнітна анізотропія:

• Потік подорожей паралельно пластівцям encounters different demagnetizing fields than flux crossing flakes перпендикулярний до їхнього літака.
• Таким чином вимірюється мкр і спектри проникності може залежати від напрямку; на практиці це означає, що магнітні ланцюги, що використовують відливки, повинні враховувати орієнтацію - напр., вирівнювання шляхів потоку для проходження більш проникного напрямку, де це можливо.

Луски графіту також створюють локальні поля деформації, які додатково впливають на рух доменної стінки і, отже, на поведінку гістерезису.

8. Electrical resistivity, вихрові струми та магнітні втрати в сірому чавуні

• Питомий опір: Сірий чавун зазвичай має вищий питомий електричний опір ніж низьковуглецева сталь, оскільки лусочки графіту та домішки порушують шляхи електронів.
  Qualitatively: Питомий опір сірого чавуну становить several× типової низьковуглецевої сталі. Вищий питомий опір зменшує величину вихрових струмів для заданого змінного магнітного поля.
• Eddy-current loss: For AC magnetics, loss = hysteresis loss + втрати на вихрові струми.
  Через вищий питомий опір і пластівчасту структуру, eddy losses in gray iron are often lower than in dense steel of similar permeability, making gray iron comparatively attractive where low to moderate frequency magnetic fields exist and eddy losses matter.
  Однак, graphite flakes can create micro-circuits that complicate loss prediction.
• Гістерезисні втрати: Increased by pearlite/cementite and domain wall pinning; gray iron with high pearlite fraction typically has higher hysteresis loss than ferritic cast iron.

Проектний підтекст: для низькочастотних магнітопроводів (Постійний або статичний струм), gray iron can carry flux but will not match electrical steel cores for high-efficiency AC magnetic circuits.

Для компонентів, де магнітні втрати є вторинними (корпуси двигунів біля двигунів, магнітні монтажні поверхні), gray iron’s combination of moderate permeability and reduced eddy loss can be acceptable.

9. Практичне застосування та наслідки

Огляд магнітних частинок (MPI)

• Сірий чавун є намагнічуваний і широко перевіряється за допомогою MPI на поверхневі та приповерхневі дефекти.
  Магнітний відгук (легкість намагнічування і необхідний струм) залежить від проникності — феритні виливки легше намагнічуються, ніж перлітні. Орієнтація поля відносно лусочок графіту має значення для чутливості.

Мотор & корпуси генераторів, frames and enclosures

• Корпуси з сірого чавуну зазвичай використовуються для механічної підтримки поблизу магнітних машин. Їхня магнітна проникність може спричинити магнітне шунтування або змінити структуру поля розсіювання.
  Розробники повинні враховувати магнітний зв'язок (Напр., наведені струми, магнітний витік) коли корпуси знаходяться поблизу активних котушок або постійних магнітів.

ЕМІ / magnetic shielding

• Сірий чавун може діяти як магнітний шлях або частковий екран для низькочастотних полів через свою проникність, але спеціальні магнітом'які сплави або шарувата електротехнічна сталь є кращими там, де потрібна висока ефективність екранування та низькі втрати.
  Вищий питомий опір сірого чавуну допомагає на проміжних частотах, але відсутність контрольованої проникності та анізотропії обмежують продуктивність.

Випробування вихровими струмами та електромагнітний зв'язок

• Підвищений питомий опір є перевагою для зменшення вихрових струмів у середовищах змінного струму; однак, графітові лусочки та пористість дозволяють детально прогнозувати скін-ефект і комплекс розподілу вихрів.

Розташування магнітного датчика та поля розсіювання

• Engineers using fluxgate, Датчики Холла або індуктивні датчики поблизу виливків повинні враховувати локальні магнітні аномалії від неоднорідної мікроструктури чавуну та залишкових напруг.

10. Найкраща практика вимірювання та міркування щодо НК

• When to measure: вкажіть проникність або криву B–H для магнітно критичних виливків (корпуси підшипників в електромагнітних приводах, кадри, які є частиною магнітного кола).
• How to measure: невеликі купони (репрезентативне розташування та орієнтація) вимірюється в лабораторії за допомогою пермеаметра або VSM;
  для приймання магазину, portable permeability meters or ring/collar tests are used.
  Повідомте обох початковий мкр і μr у відповідному полі (Напр., 0.5–1,0 т) плюс петля гістерезису, якщо втрати змінного струму мають значення.
• Для MPI: calibrate magnetization current to the lowest required to reveal defects without stimulating unwanted remanence;
  remember that coercivity differences can change retainment of magnetization (впливає на розмагнічування після тестування).
• Record orientation: завжди повідомляйте про орієнтацію тесту (паралельно/перпендикулярно ливарній поверхні) оскільки існує анізотропія.

11. Common Misconceptions & Уточнення

Весь сірий чавун має високу магнітність

Неправда. Магнітна сила залежить від фази матриці: Феритний EN-GJL-200 є сильним магнітом (μᵢ = 380 H/m), while pearlitic EN-GJL-300 is moderately magnetic (μᵢ = 220 H/m). Багаті графітом сорти (C >3.5%) мають слабку магнітну реакцію.

Вміст вуглецю не впливає на магнетизм

Неправда. Вуглець утворює немагнітний графіт — підвищення C від 3.0% до 3.8% знижує проникність на 30-40% (критично важливий для застосування з високим магнітним навантаженням).

Gray Cast Iron Can Replace Silicon Steel in High-Power Motors

Неправда. Кремніста сталь має μₘ = 5000–8000 H/m (2– у 4 рази вище, ніж у сірого чавуну) і менші втрати на гістерезис — сірий чавун обмежений низькою та середньою потужністю (≤5 kW) заявки.

Heat Treatment Has No Impact on Magnetic Properties

Неправда. Відпал перетворює перліт у ферит, збільшення μᵢ на 30–35% — це критично важливо для оптимізації магнітних характеристик у компонентах після лиття.

12. Висновок

Сірий чавун є магнітом, але чутливий до мікроструктури матеріал.

Феритні мікроструктури забезпечують найкращу проникність і найменші втрати на гістерезис, тоді як перлітні/охолоджені мікроструктури зменшують проникність і збільшують коерцитивну силу та гістерезис.

Графітові лусочки створюють анізотропію та локально зменшують безперервність магнітного поля, але підвищують питомий електричний опір (корисний для обмеження вихрових струмів).

Для будь-якого магнітно важливого кастинг (MPI, близькість до електромагнітних пристроїв, partial shielding) specify and measure magnetic parameters (початковий мкр, B–H loop, примусова сила, орієнтація) за представницькими купонами.

Коли є сумніви, попросіть у ливарного заводу дані B–H або проведіть прості тести на проникність під час вхідного контролю.

 

Поширені запитання

Є сірим чавуном магнітним?

Так. Він феромагнітний при кімнатній температурі; однак, його проникність і гістерезис сильно залежать від матриці (ferrite vs pearlite), вміст і обробка графіту.

Чи можна використовувати сірий чавун як матеріал магнітного сердечника?

Не для високопродуктивних ядер змінного струму. Сірий чавун може переносити флюс і забезпечувати часткове екранування на низьких частотах, але електротехнічні сталі або магнітом'які сплави дають набагато краще, прогнозована продуктивність з меншими втратами.

Як графіт впливає на результати MPI?

Графіт зменшує локальну проникність і викликає анізотропію.

Феритні області легше намагнічуються і демонструють вищу чутливість MPI; перлітні/охолоджені ділянки потребують більшої намагніченості та можуть утримувати залишкову намагніченість.

What magnetic data should I request from a supplier?

запит: представник B–H петлі (дві орієнтації, якщо можливо), початковий і максимальний μр, примусова сила (Hc), насичення Bs та опис виміряної орієнтації/термічної обробки. Також запитайте металографічні фотографії, що демонструють морфологію графіту.

Як зменшити залишкову намагніченість після MPI?

Використовуйте контрольоване розмагнічування змінним струмом (змінне поле, що поступово зменшується) або застосувати зворотне поле постійного струму трохи вище, ніж поле залишку, відповідно до стандартної практики НК. Перевірте залишкове поле за допомогою гаусметра.