灰铸铁的磁性

1. 介绍

灰色的 (灰色的) 铸铁是一种铁磁工程材料，其磁性行为由铁基体决定 (铁素体/珠光体/渗碳体), 石墨片形态和加工历史.

这些微观结构特征控制渗透性, 矫顽力, 饱和度和损耗——磁粉检测的重要参数, 磁屏蔽, 靠近电动机/发电机和涡流行为.

本指南解释了物理学, 提供实用的测量指导, 给出了常见微观结构的典型数值范围, 并展示了当磁性性能很重要时如何设计和测试铸件.

2. 黑色金属材料的基本磁性

铁磁性 铁基材料中的磁矩一致 (不成对电子) Fe原子中.

在应用场H下, 磁畴排列产生磁通密度 B. B-H 关系是非线性的并且表现出滞后现象.

几个基本概念:

• b (磁通密度) 和 h (磁化场) 通过非线性 B–H 曲线相关.
• 相对渗透率 (μr) 测量材料比真空更容易磁化的程度 (μr=B/(μ0H)).
• 矫顽力 (HC) 是磁化后将 B 降至零所需的反向磁场 (衡量消除磁化强度的“难度”).
• 剩磁 (溴) 是H归零时的剩余磁通密度.
• 饱和磁通密度 (乙烷) 是材料可以承受的最大 B (受铁磁体积分数限制).
• 居里温度 (温度) 是铁磁性消失的温度 (对于~770 °C 左右的铁相, 通过合金化稍微修改).

灰铸铁的行为就像 软铁磁体 在室温下 (相对于永磁体具有较低的矫顽力), 但磁导率和磁滞损耗在很大程度上取决于微观结构.

3. 是什么控制着灰口铸铁的磁性？

灰色铸铁 包括 石墨片 嵌入铁基体中 (铁素体和/或珠光体，有时还有渗碳体). 每种成分都会影响磁性:

• 铁矿 (α-铁) — 体心立方铁. 软铁磁; 提供更高的磁导率和低矫顽力.
• 珠光体 (铁素体和渗碳体的混合物 Fe₃C) — 珠光体区域含有与渗碳体交错的铁素体片层;
  与纯铁素体相比，这些会降低有效磁导率并增加矫顽力，因为渗碳体是非铁磁性的 (或弱磁性) 并创建域固定.
• 水泥岩 (fe₃c) — 不具有强铁磁性; 充当磁性稀释剂和磁畴壁钉扎位点.
• 石墨片 — 电气和结构上不连续的夹杂物. 石墨本身不具有铁磁性; 薄片中断磁连续性并产生局部应力集中和内部去磁场.
  最终结果是相对于全铁素体基体，有效磁导率降低，磁滞损耗增加.

所以: 更多铁氧体→更高μr, 较低的矫顽力; 更多珠光体/渗碳体 → 更低 μr, 更高的矫顽力和磁滞损耗.

石墨形态 (尺寸, 方向, 体积分数) 控制磁通量的各向异性和散射.

4. 关键磁性参数及其测量方法

• B-H曲线 / 磁滞回线 — 使用渗透仪或 Epstein 框架测量 (用于层压钢) 并给出 μr(h), HC, 溴, 和 Bs.
• 相对渗透率, μr (初始值和最大值) — 小 H 时的初始 μr (决定小信号响应) 和中等磁场下的最大 μr.
• 矫顽力Hc (A/m 或 Oe) 和 剩余磁通密度Br (t) — 指示磁性行为的“软”或“硬”程度.
  灰铁是一种软铁磁体 (低HC) 相对于永磁材料，但如果珠光体/渗碳体含量较高，通常比退火低碳钢更硬.
• 饱和磁通密度 Bs (t) — 在高 H 下测量; 由于非磁性相和孔隙率，灰铸铁的 Bs 低于纯铁.
• 居里温度Tc — 对于铁相 ~770 °C; 合金和微观结构 Tc 略有变化; 通过热磁分析测量.

典型测量工具:

• 便携的 渗透率计 用于快速商店检查.
• 振动样品磁力计 (向量空间模型) 和 磁滞图 用于实验室 B–H 环.
• 涡流探头 和 阻抗分析仪 用于频率相关的磁导率和损耗.

5. 典型灰口铸铁牌号的磁性

下面是一个紧凑的, 以工程为中心的数据表显示 代表 常见灰铸铁微观结构和三种常用指定牌号的磁性范围.

由于铸铁磁性材料强烈依赖于工艺，因此这些数字是用于初步设计的范围 - 对于磁性关键零件，请在代表性优惠券上请求 B-H 环.

如何阅读和使用此表 (实践指导)

• 初始μr 是小信号磁导率——与传感器相关, 小直流磁场和无损检测中的第一个磁化步骤.
• 最大μr 表示材料在接近饱和之前聚集通量的容易程度 - 在预测泄漏路径或分流时很重要.
• 矫顽力 (HC) 显示材料被磁化后消磁的“困难”程度 (更高的 Hc → MPI 后剩余磁场更大). 除以 ≈79.577 转换 A/m → Oe (例如。, 800 安/米 ≈ 10.05 大江).
• 饱和度Bs 是磁通密度的实际上限; 灰铸铁的 Bs 低于纯铁和许多钢，因为非磁性石墨和渗碳体降低了铁磁体积分数.
• 相对电阻率 以低碳钢电阻率的倍数给出 (定性的).
  较高的电阻率可减少交流频率下的涡流——这对于旋转机械外壳或涡流损耗可能成为问题的情况来说是一个优势.

6. 化学如何, 微观结构和加工改变磁性能

合金:

• 碳含量 & 石墨化: 较高的游离碳→更多的石墨→减少μr和Bs.
• 硅 促进石墨化并增加电阻率; 与纯铁相比，适量的硅往往会降低磁导率.
• 硫, 磷及其他微量元素 影响石墨形态，从而影响磁连续性.
• Ni等合金元素, Cr, Mn 改变磁交换相互作用，可以降低居里温度或改变矫顽力.

热处理:

• 退火 (铁素体化) 增加铁素体分数, 增加 μr 并降低矫顽力 (软化磁响应).
• 标准化 / 更快的冷却 增加珠光体/渗碳体→降低μr并增加Hc.
• 局部加热或焊接 会产生磁不均匀性和残余应力, 改变局部渗透性并且可以无损检测.

机械变形:

• 冷加工引入位错和残余应力→磁畴壁钉扎提高了矫顽力并降低了磁导率. 缓解压力可以减少这些影响.

孔隙率 & 包含:

• 孔隙和非磁性夹杂物会中断磁通路径并降低有效 μr 和 Bs. 它们还会增加磁滞和损耗.

7. 各向异性和石墨片效应——为什么铸造方向很重要

石墨片往往 凝固过程中方向垂直于热流, 通常与模具表面大致平行对齐. 薄片产生 磁各向异性:

• 磁通旅行 平行于片状 遇到与磁通穿过薄片不同的退磁场 垂直 到他们的飞机.
• 因此 测量μr 和 渗透率谱 可以是方向相关的; 实际上，这意味着使用铸件的磁路应考虑方向——例如, 对齐磁通路径以尽可能穿过更易渗透的方向.

石墨片也会产生局部应变场, 这进一步影响磁畴壁运动，从而影响磁滞行为.

8. 电阻率, 灰铸铁中的涡流和磁损耗

• 电阻率: 灰铸铁通常具有 更高的电阻率 比低碳钢好，因为石墨片和杂质会破坏电子路径.
  定性地: 灰铸铁的电阻率为 几个× 典型低碳钢的. 对于给定的交变磁场，较高的电阻率可降低涡流强度.
• 涡流损耗: 对于交流磁体, 损耗 = 磁滞损耗 + 涡流损耗.
  由于较高的电阻率和片状结构, 灰铸铁的涡流损耗通常低于具有相似磁导率的致密钢, 在存在中低频率磁场且涡流损耗很重要的情况下，灰铸铁相对有吸引力.
  然而, 石墨片可以创建微电路，使损耗预测变得复杂.
• 磁滞损耗: 珠光体/渗碳体和磁畴壁钉扎增加; 珠光体含量高的灰铸铁通常比铁素体铸铁具有更高的磁滞损耗.

设计寓意: 用于低频磁路 (直流或静态), 灰铸铁可以承载磁通，但无法与高效交流磁路的电工钢芯相匹配.

对于磁损耗次要的元件 (靠近电机的发动机外壳, 磁性安装表面), 灰铸铁的中等磁导率和低涡流损耗的结合是可以接受的.

9. 实际应用和影响

磁性粒子检查 (MPI)

• 灰铸铁是 可磁化的 并使用 MPI 广泛检查表面和近表面缺陷.
  磁响应 (磁化容易程度和所需电流) 取决于磁导率——铁素体铸件比珠光体铸件更容易磁化. 相对于石墨片的场定向对灵敏度很重要.

发动机 & 发电机外壳, 框架和外壳

• 灰铸铁外壳通常用于磁性机器附近的机械支撑. 它们的磁导率会导致磁分流或改变杂散场模式.
  设计人员必须考虑磁耦合 (例如。, 感应电流, 漏磁) 当外壳靠近有源线圈或永磁体时.

EMI / 磁屏蔽

• 由于其磁导率，灰铸铁可以充当低频场的磁路或部分屏蔽, 但 专用软磁合金或层压电工钢 在需要高屏蔽效能和低损耗的情况下是首选.
  灰铸铁的较高电阻率有助于中频, 但缺乏受控渗透率和各向异性限制性能.

涡流测试和 EMI 耦合

• 增加电阻率有利于减少交流环境中的涡流; 然而, 石墨片和孔隙率对集肤效应和涡流分布复合体进行详细预测.

磁传感器位置和杂散场

• 使用磁通门的工程师, 铸件附近的霍尔或电感传感器必须考虑不均匀铸铁微观结构和残余应力造成的局部磁异常.

10. 测量最佳实践和无损检测注意事项

• 何时测量: 指定磁性临界铸件的磁导率或 B-H 曲线 (电磁执行器中的轴承座, 构成磁路一部分的框架).
• 如何测量: 小优惠券 (代表性位置和方向) 在实验室用渗透计或 VSM 测量;
  供店铺验收, 使用便携式渗透率计或环/环测试.
  报告两者 初始μr 和 µr 在相关领域 (例如。, 0.5–1.0吨) 如果交流损耗很重要，则加上磁滞回线.
• 对于MPI: 将磁化电流校准到揭示缺陷所需的最低值，而不会刺激不必要的剩磁;
  请记住，矫顽力差异会改变磁化强度的保留 (影响测试后退磁).
• 记录方向: 始终报告测试方向 (平行/垂直于铸件表面) 因为存在各向异性.

11. Common Misconceptions & 澄清

所有灰铸铁都具有高磁性

错误的. 磁场强度取决于基体相: 铁素体 EN-GJL-200 具有强磁性 (μᵢ = 380 高/米), 而珠光体EN-GJL-300则具有中等磁性 (μᵢ = 220 高/米). 富含石墨的牌号 (c >3.5%) 具有弱磁响应.

碳含量不影响磁性

错误的. 碳形成非磁性石墨——增加C 3.0% 到 3.8% 渗透性降低 30–40% (对于高磁性应用至关重要).

灰铸铁可以替代大功率电机中的硅钢

错误的. 硅钢的 μₘ = 5000–8000 H/m (2–比灰铸铁高 4 倍) 和较低的磁滞损耗——灰口铸铁仅限于中低功率 (≤5千瓦) 申请.

热处理对磁性能没有影响

错误的. 退火使珠光体转变为铁素体, μᵢ 增加 30-35%——对于优化铸造后部件的磁性性能至关重要.

12. 结论

灰铸铁是有磁性的, 但微观结构敏感材料.

铁素体微观结构具有最佳磁导率和最低磁滞损耗, 而珠光体/冷激微结构会降低磁导率并增加矫顽力和磁滞.

石墨片引入各向异性并局部降低磁连续性，但提高电阻率 (有助于限制涡流).

对于任何重要的磁性 铸件 (MPI, 靠近电磁设备, 部分屏蔽) 指定和测量 磁参数 (初始μr, B-H环, 矫顽力, 方向) 代表优惠券上.

如有疑问, 向铸造厂索取 B-H 数据或在来料检验期间进行简单的渗透性测试.

 

常见问题解答

灰铸铁有磁性吗?

是的. 室温下具有铁磁性; 然而, 其磁导率和磁滞很大程度上取决于基体 (铁素体与珠光体), 石墨含量及加工.

可以用灰铁作为磁芯材料吗?

不适用于高性能 AC 磁芯. 灰铸铁可以承载磁通并在低频下提供部分屏蔽, 但电工钢或软磁合金效果更好, 可预测的性能和更低的损耗.

石墨如何影响 MPI 结果?

石墨降低局部渗透性并导致各向异性.

铁素体区域更容易磁化并表现出更高的 MPI 灵敏度; 珠光体/激冷区域需要更强的磁化强度，并且可能会捕获剩磁.

我应该向供应商索取哪些磁性数据?

要求: 代表 B–H 循环 (如果可能的话有两个方向), 初始和最大 μr, 矫顽力 (HC), 饱和度 Bs 和测量取向/热处理的描述. 还要求提供显示石墨形态的金相照片.

如何减少 MPI 后的剩磁?

使用受控交流消磁 (逐渐减小的交变场) 或施加略高于剩余磁场的直流反向磁场, 根据无损检测标准实践. 用高斯计验证残余场.