Tính chất từ ​​của gang xám

1. Giới thiệu

Xám (xám) gang là vật liệu kỹ thuật sắt từ có hành vi từ tính được thiết lập bởi ma trận sắt (ferit/ngọc trai/xi măng), hình thái mảnh than chì và lịch sử xử lý.

Những đặc điểm cấu trúc vi mô này kiểm soát tính thấm, sự ép buộc, độ bão hòa và tổn thất - các thông số quan trọng đối với việc kiểm tra hạt từ tính, che chắn từ tính, sự gần gũi với động cơ/máy phát điện và hoạt động của dòng điện xoáy.

Hướng dẫn này giải thích vật lý, đưa ra hướng dẫn đo lường thực tế, trình bày các dãy số điển hình cho các cấu trúc vi mô thông thường, và chỉ ra cách thiết kế và thử nghiệm vật đúc khi hiệu suất từ ​​tính có vấn đề.

2. Từ tính cơ bản trong vật liệu kim loại màu

Tính sắt từ trong vật liệu gốc sắt phát sinh từ các mômen từ thẳng hàng (electron chưa ghép cặp) trong nguyên tử Fe.

Trong lĩnh vực ứng dụng H, các miền sắp xếp tạo ra mật độ từ thông B. Mối quan hệ B–H là phi tuyến tính và có độ trễ.

Một số khái niệm cần thiết:

• B (mật độ từ thông) Và H (trường từ hóa) có liên quan bởi đường cong B–H phi tuyến.
• Độ thấm tương đối (μr) đo mức độ từ hóa của vật liệu dễ dàng hơn so với chân không (μr = B/(μ0H)).
• cưỡng bức (Hc) là trường ngược cần thiết để giảm B về 0 sau khi từ hóa (thước đo mức độ “khó” loại bỏ từ hóa).
• sự sót lại (anh) là mật độ từ thông dư khi H trở về 0.
• Mật độ thông lượng bão hòa (Bs) là B tối đa mà vật liệu có thể duy trì (bị giới hạn bởi phần khối lượng sắt từ).
• Nhiệt độ Curie (Tc) là nhiệt độ trên đó tính sắt từ biến mất (đối với các pha sắt khoảng ~770 °C, được sửa đổi một chút bằng cách hợp kim hóa).

Gang xám hoạt động như một nam châm sắt mềm ở nhiệt độ phòng (độ kháng từ thấp so với nam châm vĩnh cửu), nhưng với tổn thất tính thấm và độ trễ phụ thuộc nhiều vào cấu trúc vi mô.

3. Điều gì điều khiển từ tính trong gang xám？

Gang xám bao gồm vảy than chì nhúng trong một ma trận sắt (ferit và/hoặc peclit và đôi khi là xi măng). Mỗi thành phần đều ảnh hưởng đến từ tính:

• Ferrite (α-Fe) - khối sắt lấy cơ thể làm trung tâm. sắt từ mềm; góp phần có tính thấm cao hơn và độ kháng từ thấp.
• Ngọc trai (hỗn hợp ferit và xi măng Fe₃C) — vùng peclit chứa các phiến ferit xen kẽ với xi măngit;
  những điều này làm giảm tính thấm hiệu quả và tăng độ kháng từ so với ferit nguyên chất vì xi măngit không có tính sắt từ (hoặc từ tính yếu) và tạo ghim tên miền.
• Xi măng (Fe₃c) - không có tính sắt từ mạnh; hoạt động như một chất pha loãng từ tính và vị trí ghim vào tường miền.
• Vảy than chì - các tạp chất không liên tục về mặt điện và cấu trúc. Bản thân than chì không có tính sắt từ; vảy làm gián đoạn tính liên tục từ tính và tạo ra sự tập trung ứng suất cục bộ và trường khử từ bên trong.
  Kết quả cuối cùng là giảm độ thấm hiệu quả và tăng tổn thất trễ so với ma trận ferritic hoàn toàn.

Vì thế: nhiều ferrite hơn → cao hơn μr, độ cưỡng chế thấp hơn; nhiều peclit/xi măng → thấp hơn μr, độ cưỡng chế cao hơn và mất trễ.

Hình thái than chì (kích cỡ, định hướng, phần khối lượng) kiểm soát tính dị hướng và tán xạ của từ thông.

4. Các thông số từ tính chính và cách đo chúng

• Đường cong B–H / vòng trễ - được đo bằng máy đo độ thấm hoặc khung Epstein (cho thép cán) và cho μr(H), Hc, anh, và Bs.
• Độ thấm tương đối, μr (ban đầu và tối đa) - μr ban đầu ở H nhỏ (ra lệnh đáp ứng tín hiệu nhỏ) và μr tối đa ở trường vừa phải.
• Lực cưỡng chế Hc (A/m hoặc Oe) Và duy trì mật độ từ thông Br (T) - cho biết hành vi từ tính “mềm” hay “cứng” như thế nào.
  Sắt xám là chất sắt từ mềm (Hc thấp) so với vật liệu nam châm vĩnh cửu nhưng thường cứng hơn thép cacbon thấp được ủ nếu hàm lượng ngọc trai/xi măng cao.
• Mật độ thông lượng bão hòa Bs (T) - đo ở mức H cao; Bs của sắt xám thấp hơn sắt nguyên chất do có pha không từ tính và độ xốp.
• Nhiệt độ Curie Tc - đối với pha sắt ~770 °C; hợp kim và vi cấu trúc dịch chuyển Tc một chút; đo bằng phân tích nhiệt từ.

Dụng cụ đo điển hình:

• Cầm tay máy đo độ thấm để kiểm tra cửa hàng nhanh chóng.
• Từ kế mẫu rung (VSM) Và đồ thị trễ cho các vòng B–H trong phòng thí nghiệm.
• Đầu dò dòng điện xoáy Và máy phân tích trở kháng cho tính thấm và mất mát phụ thuộc vào tần số.

5. Tính chất từ ​​của các loại gang xám điển hình

Dưới đây là một nhỏ gọn, bảng dữ liệu tập trung vào kỹ thuật hiển thị tiêu biểu phạm vi thuộc tính từ tính cho các cấu trúc vi mô sắt xám thông thường và cho ba loại thường được chỉ định.

Bởi vì từ tính của gang phụ thuộc rất nhiều vào quy trình nên những số liệu này là phạm vi dành cho thiết kế sơ bộ — đối với các bộ phận quan trọng về mặt từ tính, yêu cầu vòng B–H trên phiếu đại diện.

Cách đọc và sử dụng bảng này (hướng dẫn thực tế)

• μr ban đầu là độ thấm tín hiệu nhỏ - phù hợp với cảm biến, trường DC nhỏ và bước từ hóa đầu tiên trong NDT.
• Tối đa μr cho biết vật liệu sẽ tập trung từ thông dễ dàng như thế nào trước khi đạt đến độ bão hòa - quan trọng khi dự đoán đường rò rỉ hoặc chuyển hướng.
• cưỡng bức (Hc) cho thấy vật liệu khó khử từ như thế nào sau khi bị từ hóa (Hc cao hơn → trường dư hơn sau MPI). Chuyển đổi A/m → Oe bằng cách chia cho ≈79,577 (ví dụ., 800 A/m ≈ 10.05 ôi).
• Bs bão hòa là giới hạn trên thực tế của mật độ từ thông; Bs của sắt xám thấp hơn sắt nguyên chất và nhiều loại thép vì than chì và xi măng không có từ tính làm giảm tỷ lệ thể tích sắt từ.
• Điện trở suất tương đối được đưa ra dưới dạng bội số của điện trở suất của thép nhẹ (chất lượng).
  Điện trở suất cao hơn làm giảm dòng điện xoáy ở tần số AC - một lợi thế cho vỏ máy móc quay hoặc khi tổn thất xoáy có thể là một vấn đề.

6. hóa học như thế nào, cấu trúc vi mô và xử lý thay đổi tính chất từ ​​tính

hợp kim:

• Hàm lượng cacbon & sự đồ họa hóa: cacbon tự do cao hơn → nhiều than chì hơn → giảm μr và Bs.
• Silicon thúc đẩy quá trình đồ họa hóa và tăng điện trở suất; Si vừa phải có xu hướng giảm tính thấm so với sắt nguyên chất.
• lưu huỳnh, phốt pho và các nguyên tố vi lượng khác ảnh hưởng đến hình thái than chì và do đó tính liên tục từ tính.
• Các nguyên tố hợp kim như Ni, Cr, Mn thay đổi tương tác trao đổi từ và có thể làm giảm nhiệt độ Curie hoặc thay đổi lực cưỡng bức.

Xử lý nhiệt:

• Ủ (ferrit hóa) tăng phần ferrite, tăng μr và giảm lực cưỡng bức (làm dịu phản ứng từ tính).
• Bình thường hóa / làm mát nhanh hơn tăng peclit/xi măng → giảm μr và tăng Hc.
• Gia nhiệt hoặc hàn cục bộ có thể tạo ra sự không đồng nhất từ ​​tính và ứng suất dư, làm thay đổi tính thấm cục bộ và có thể được phát hiện mà không phá hủy.

Biến dạng cơ học:

• Gia công nguội tạo ra sự sai lệch và ứng suất dư → việc ghim vào thành miền làm tăng lực kháng từ và làm giảm độ thấm. Giảm căng thẳng làm giảm những tác động này.

độ xốp & sự bao gồm:

• Các lỗ rỗng và các thể vùi không từ tính làm gián đoạn đường dẫn thông lượng và làm giảm μr và Bs hiệu dụng. Chúng cũng có thể làm tăng độ trễ và mất mát.

7. Hiệu ứng dị hướng và vảy than chì - tại sao hướng đúc lại quan trọng

Các mảnh than chì có xu hướng định hướng vuông góc với dòng nhiệt trong quá trình hóa rắn, thường sắp xếp gần như song song với bề mặt khuôn. Các vảy tạo ra dị hướng từ:

• Dòng chảy di chuyển song song với mảnh gặp phải các trường khử từ khác với các mảnh từ thông xuyên qua vuông góc đến máy bay của họ.
• Như vậy đo được μr Và quang phổ thấm có thể phụ thuộc vào hướng; trong thực tế, điều này có nghĩa là các mạch từ sử dụng vật đúc nên cân nhắc việc định hướng - ví dụ:, căn chỉnh các đường dẫn thông lượng để đi qua hướng dễ thấm hơn nếu có thể.

Các mảnh than chì cũng tạo ra trường biến dạng cục bộ, điều này ảnh hưởng thêm đến chuyển động của thành miền và do đó hiện tượng trễ.

8. Điện trở suất, dòng điện xoáy và tổn hao từ trong sắt xám

• Điện trở suất: Gang xám thường có điện trở suất cao hơn hơn thép có hàm lượng cacbon thấp vì các mảnh than chì và tạp chất làm gián đoạn đường đi của điện tử.
  về mặt chất lượng: điện trở suất của sắt xám là vài× thép cacbon thấp điển hình. Điện trở suất cao hơn làm giảm cường độ dòng điện xoáy trong một từ trường xoay chiều nhất định.
• Tổn hao dòng điện xoáy: Đối với từ tính AC, mất mát = mất trễ + tổn hao dòng điện xoáy.
  Do điện trở suất cao hơn và cấu trúc dạng vảy, Tổn hao xoáy trong sắt xám thường thấp hơn trong thép đặc có độ thấm tương tự., làm cho sắt xám tương đối hấp dẫn ở những nơi tồn tại từ trường tần số thấp đến trung bình và tổn thất xoáy là quan trọng.
  Tuy nhiên, mảnh than chì có thể tạo ra các vi mạch làm phức tạp việc dự đoán tổn thất.
• Mất trễ: Tăng lên nhờ ghim ngọc trai/xi măng và miền tường; Sắt xám có thành phần peclit cao thường có độ trễ cao hơn gang ferit.

Ý nghĩa thiết kế: cho mạch từ tần số thấp (DC hoặc tĩnh), Sắt xám có thể mang từ thông nhưng không sánh được với lõi thép dẫn điện dùng làm mạch từ xoay chiều hiệu suất cao.

Đối với các thành phần mất từ ​​tính là thứ yếu (vỏ động cơ gần động cơ, bề mặt gắn từ tính), Sự kết hợp giữa tính thấm vừa phải và giảm tổn thất xoáy của sắt xám có thể được chấp nhận.

9. Ứng dụng thực tế và ý nghĩa

Kiểm tra hạt từ tính (MPI)

• Sắt xám là có thể từ hóa được và được kiểm tra rộng rãi bằng MPI để phát hiện các khuyết tật bề mặt và gần bề mặt.
  Phản ứng từ tính (dễ dàng từ hóa và dòng điện yêu cầu) phụ thuộc vào tính thấm - vật đúc ferrit dễ từ hóa hơn vật đúc peclit. Định hướng trường liên quan đến mảnh than chì có ý nghĩa quan trọng đối với độ nhạy.

Động cơ & Vỏ máy phát điện, khung và vỏ

• Vỏ sắt xám thường được sử dụng để hỗ trợ cơ khí gần các máy từ tính. Tính thấm từ của chúng có thể gây ra sự chuyển hướng từ tính hoặc làm thay đổi mô hình trường tản lạc.
  Nhà thiết kế phải tính đến khớp nối từ tính (ví dụ., dòng điện cảm ứng, rò rỉ từ tính) khi vỏ gần với cuộn dây hoạt động hoặc nam châm vĩnh cửu.

EMI / che chắn từ tính

• Sắt xám có thể hoạt động như một đường dẫn từ hoặc lá chắn một phần cho các trường tần số thấp vì tính thấm của nó, Nhưng hợp kim từ mềm chuyên dụng hoặc thép cách điện nhiều lớp được ưu tiên khi cần hiệu quả che chắn cao và tổn thất thấp.
  Điện trở suất cao hơn của sắt xám giúp ích ở tần số trung gian, nhưng thiếu tính thấm được kiểm soát và hiệu suất hạn chế dị hướng.

Kiểm tra dòng điện xoáy và khớp nối EMI

• Điện trở suất tăng có lợi cho việc giảm dòng điện xoáy trong môi trường xoay chiều; Tuy nhiên, Các mảnh than chì và độ xốp tạo ra dự đoán chi tiết về hiệu ứng bề mặt và phức hợp phân bố xoáy.

Vị trí cảm biến từ và trường lạc

• Kỹ sư sử dụng fluxgate, Cảm biến Hall hoặc cảm biến cảm ứng gần vật đúc phải xem xét các dị thường từ tính cục bộ từ vi cấu trúc gang không đồng nhất và ứng suất dư.

10. Thực hành tốt nhất về đo lường và cân nhắc NDT

• Khi nào cần đo: chỉ định độ thấm hoặc đường cong B–H cho vật đúc quan trọng từ tính (vỏ ổ trục trong bộ truyền động điện từ, khung tạo thành một phần của mạch từ).
• Cách đo: phiếu giảm giá nhỏ (vị trí và hướng đại diện) được đo trong phòng thí nghiệm bằng máy đo thấm hoặc VSM;
  để cửa hàng chấp nhận, máy đo độ thấm di động hoặc thử nghiệm vòng/cổ được sử dụng.
  Báo cáo cả hai μr ban đầu Và μr tại trường liên quan (ví dụ., 0.5–1,0 T) cộng với vòng trễ nếu tổn thất AC quan trọng.
• Đối với MPI: hiệu chỉnh dòng từ hóa đến mức thấp nhất cần thiết để phát hiện các khuyết tật mà không gây ra sự dư thừa không mong muốn;
  hãy nhớ rằng sự khác biệt về lực cưỡng chế có thể thay đổi khả năng duy trì từ hóa (ảnh hưởng đến việc khử từ sau khi thử nghiệm).
• Ghi hướng: luôn báo cáo định hướng kiểm tra (song song/vuông góc với bề mặt đúc) bởi vì sự bất đẳng hướng tồn tại.

11. Những quan niệm sai lầm phổ biến & Làm rõ

Tất cả gang xám đều có từ tính cao

SAI. Cường độ từ phụ thuộc vào pha ma trận: Ferritic EN-GJL-200 có từ tính mạnh (μᵢ = 380 H/phút), trong khi Pearlitic EN-GJL-300 có từ tính vừa phải (μᵢ = 220 H/phút). Lớp giàu than chì (C >3.5%) có phản ứng từ tính yếu.

Hàm lượng carbon không ảnh hưởng đến từ tính

SAI. Carbon tạo thành than chì không có từ tính—tăng C từ 3.0% ĐẾN 3.8% giảm độ thấm 30–40% (quan trọng cho các ứng dụng từ tính cao).

Gang xám có thể thay thế thép silicon trong động cơ công suất cao

SAI. Thép silic có μₘ = 5000–8000 H/m (2–Cao hơn gang xám gấp 4 lần) và độ trễ thấp hơn—gang xám được giới hạn ở công suất thấp đến trung bình (5 kW) ứng dụng.

Xử lý nhiệt không ảnh hưởng đến tính chất từ ​​tính

SAI. Ủ chuyển đổi ngọc trai thành ferit, tăng μᵢ thêm 30–35%—quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất từ ​​tính trong các bộ phận đúc sau.

12. Phần kết luận

Gang xám có nam châm, nhưng vật liệu nhạy cảm với cấu trúc vi mô.

Các cấu trúc vi mô ferrit mang lại độ thấm tốt nhất và độ trễ thấp nhất, trong khi các cấu trúc vi mô ngọc trai/ướp lạnh làm giảm tính thấm và tăng độ kháng từ và độ trễ.

Các mảnh than chì tạo ra tính dị hướng và làm giảm tính liên tục từ tính cục bộ nhưng làm tăng điện trở suất (hữu ích trong việc hạn chế dòng điện xoáy).

Đối với bất kỳ từ tính quan trọng nào vật đúc (MPI, gần các thiết bị điện từ, che chắn một phần) xác định và đo lường thông số từ tính (μr ban đầu, Vòng lặp B–H, sự ép buộc, định hướng) trên phiếu giảm giá đại diện.

Khi nghi ngờ, yêu cầu xưởng đúc cung cấp dữ liệu B–H hoặc tiến hành các bài kiểm tra độ thấm đơn giản trong quá trình kiểm tra đầu vào.

 

Câu hỏi thường gặp

Gang xám có từ tính không?

Đúng. Nó có tính sắt từ ở nhiệt độ phòng; Tuy nhiên, tính thấm và độ trễ của nó phụ thuộc mạnh mẽ vào ma trận (ferit vs ngọc trai), nội dung và chế biến than chì.

Tôi có thể sử dụng sắt xám làm vật liệu lõi từ không?

Không dành cho lõi AC hiệu suất cao. Sắt xám có thể mang từ thông và tạo ra sự che chắn một phần ở tần số thấp, nhưng thép cách điện hoặc hợp kim từ mềm thì tốt hơn nhiều, hiệu suất có thể dự đoán được với tổn thất thấp hơn.

Than chì ảnh hưởng đến kết quả MPI như thế nào?

Than chì làm giảm tính thấm cục bộ và gây ra dị hướng.

Vùng Ferritic từ hóa dễ dàng hơn và hiển thị độ nhạy MPI cao hơn; các khu vực có chất ngọc trai/lạnh cần có từ hóa mạnh hơn và có thể bẫy cặn sót.

Tôi nên yêu cầu dữ liệu từ tính nào từ nhà cung cấp?

Lời yêu cầu: tiêu biểu vòng B–H (hai hướng nếu có thể), μr ban đầu và tối đa, sự ép buộc (Hc), độ bão hòa Bs và mô tả hướng đo/xử lý nhiệt. Cũng yêu cầu hình ảnh luyện kim thể hiện hình thái than chì.

Làm cách nào để giảm từ hóa dư sau MPI?

Sử dụng phương pháp khử từ AC có kiểm soát (trường xen kẽ giảm dần) hoặc áp dụng trường đảo ngược DC cao hơn một chút so với trường còn lại, theo thực hành tiêu chuẩn NDT. Xác minh trường dư bằng gaussmeter.