Магнитные свойства чугуна

22.10.2019

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к деталям, чугун может применяться как ферромагнитный (магнитно-мягкий) или парамагнитный материал. В первом случае, когда материал должен обладать большой магнитной восприимчивостью, применяют ферритный или перлитный чугун, во втором случае при необходимости обеспечить малую магнитную восприимчивость применяют главным образом аустенитный чугун, хотя некоторые ферритные чугуны (например, алюминиевые) тоже парамагнитны.

Как ферромагнитный материал магнитно-мягкий чугун должен иметь узкую петлю гистерезиса (рис. 270), высокие значения индукции (В) и насыщения (4пI) при сильных и слабых полях, высокую магнитную проницаемость (р.) и малую коэрцитивную силу (Hc). В случае переменного тока он должен отличаться также малыми ваттными потерями (на гистерезис и токи Фуко), что имеет место при небольшой площади гистерезисной петли (Wh) и высоком электросопротивлении.
Магнитные свойства чугуна

Уступая мягкой и специальной стали как магнитно-мягкий материал, чугун вместе с тем имеет ряд преимуществ: его магнитные свойства меньше зависят от напряжений в отливках, влияние температуры и сотрясений на магнитные свойства у него меньше; чугунным отливкам можно легче придать выгодную для магнитных свойств конфигурацию.

Магнитные свойства в большей степени, чем какие-либо другие зависят от структуры металла. Эта зависимость определяет классификацию магнитных свойств на первичные и вторичные. К первичным магнитным свойствам относятся индукция, насыщение и проницаемость в сильных полях (Вмакс, 4пIмакс, uмакс) и температура магнитного превращения. Эти свойства зависят главным образом от количества ферромагнитных составляющих и их состава и не зависят от формы и распределения фаз, т. е. являются структурно нечувствительными. К вторичным свойствам относятся гистерезисные характеристики: индукция, насыщение и проницаемость в слабых и средних полях, коэрцитивная сила, остаточный магнетизм и площадь гистерезисной петли, характеризующая соответствующие потери:

где k1 и k — коэффициенты пропорциональности.

Эти свойства зависят главным образом от формы и распределения структурных составляющих и определяются в основном внутренними напряжениями вследствие искажения кристаллической решетки металла. В противоположность первичным свойствам, вторичные (гистерезисные) свойства мало зависят от состава фаз.

Основными ферромагнитными составляющими чугуна являются феррит и цементит, характеризующиеся следующими данными:

Цементит является более жесткой магнитной составляющей и характеризуется меньшим насыщением, а главное — значительно большей коэрцитивной силой. Поэтому в качестве магнитно-мягкого материала всегда применяется серый, а не белый чугун. И действительно, как видно из рис. 271, графитизация приводит к резкому понижению коэрцитивной силы и интенсивному повышению проницаемости, в особенности при распаде последних остатков карбидов. Насыщение же увеличивается при этом в небольшой степени, а остаточный магнетизм, наоборот, чаще всего несколько понижается, хотя в более ранних работах была отмечена обратная тенденция. В общем же, как правило, чугун становится при графитизации более мягким в магнитном отношении. Это объясняется не только тем, что графит образует меньшие структурные микронапряжения, чем карбиды, но также тем, что объем графита значительно меньше объема исходного цементита. Вследствие этого не только увеличивается объем наиболее важного ферромагнитика — феррита, но и уменьшается размагничивание магнитного поля. Очевидно, что принципиально таким же образом действует уменьшение других парамагнитных составляющих: окислов, силикатов, сульфидов и т. п. При этом влияние графита, как и других немагнитных фаз, в значительной степени зависит также от формы и величины включений. Так, например, укрупнение графита как пластинчатой, так и шаровидной формы приводит к уменьшению коэрцитивной силы и повышению проницаемости и индукции, т. е. действует так же, как повышение степени графитизации, делая чугун более мягким в магнитном отношении.

Еще большее значение имеет форма графита: чем она компактнее, тем мягче в магнитном отношении чугун. Наиболее благоприятной в этом отношении является глобулярная форма, поэтому ковкий и высокопрочный чугун характеризуются большей индукцией и проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем серый чугун, даже при одной и той же матрице. Это хорошо иллюстрируется исследованиями К.И. Ващенко и В.Ф. Сумцова, показавшими, что индукция чугуна возрастает с увеличением содержания магния (рис. 272, а). В том же направлении влияет укрупнение эвтектического и ферритного зерна, а также уменьшение количества перлита (рис. 272, б) и его дифференциация, понижающая макронапряжения в структуре. Поэтому отпуск после закалки способствует увеличению индукции и проницаемости и уменьшению коэрцитивной силы, а зернистый перлит характеризуется лучшими магнитно-мягкими свойствами, чем пластинчатый.

Влияние элементов на магнитные свойства чугуна определяется соответствующими изменениями графитизации, дисперсности перлита и состава основных структурных составляющих. В частности, влияние на вторичные свойства, зависящее от формы и распределения структурных составляющих, определяется главным образом графитизацией и сорбитизацией структуры. Состав же фаз имеет при этом ограниченное значение, хотя принципиально все примеси, за исключением кобальта, искажая кристаллическую решетку, повышают магнитную жесткость чугуна. Поэтому все элементы, тормозящие графитизацию, увеличивают магнитную жесткость чугуна. Элементы же, способствующие графитизации, могут оказать в этом отношении различное влияние. Так, например, кремний, образуя твердый раствор с ферритом, понижает только первичные свойства. Повышение содержания кремния в отожженном чугуне приводит поэтому к уменьшению насыщения и максимальной проницаемости без особого влияния на коэрцитивную силу и потери при гистерезисе. В сыром же состоянии чугуна кремний вследствие своего графитизирующего влияния понижает коэрцитивную силу. При этом падают также остаточный магнетизм, насыщение и проницаемость.

Таким образом, с точки зрения максимального понижения магнитной твердости следовало бы выбирать чугун с минимальным содержанием кремния, обеспечив при этом полную графитизацию структуры. Однако потери на гистерезис, а также полные потерн понижаются с увеличением содержания кремния вследствие увеличения электросопротивления. Поэтому повышение содержания кремния в магнитно-мягком чугуне является полезным. Точно так же и углерод, увеличивая количество графита, понижает магнитную проницаемость чугуна, но вместе с тем может и повысить ее, если при этом увеличивается степень графитизации.

Повышение содержания фосфора в чугуне мало отражается на его магнитных свойствах, так как фосфор в слабой степени влияет на графитизацию. Влияние никеля выражается в том, что насыщение сначала едва заметно повышается, а затем резко падает в связи с образованием сорбитной и мартенситной структур. Вместе с тем падает проницаемость и сильно повышаются коэрцитивная сила и потери на гистерезис. В отожженном состоянии, благодаря распаду мартенсита и дифференциации перлита, магнитные свойства чугуна мало меняются. При большом же содержании никеля проницаемость падает до величины, близкой к единице, вследствие образования аустенитной структуры. Примерно так же проявляется влияние меди. С увеличением содержания меди проницаемость падает, а коэрцитивная сила, остаточный магнетизм и потери повышаются, чему, кроме размельчения перлита, способствуют еще выделения немагнитной меди в дисперсном состоянии. Поэтому при низком содержании меди, когда она находится в растворе, коэрцитивная сила меняется мало. При большом же содержании меди коэрцитивная сила и остаточный магнетизм заметно повышаются вследствие образования дисперсных включений. При дальнейшей коалесценции включений меди остаточный магнетизм начинает уже уменьшаться в результате образования немагнитной составляющей.

Общая характеристика магнитных свойств разных чугунов представлена в табл. 37. Данные ее подтверждаются положением, что ферритные высокопрочные и ковкие чугуны действительно являются наиболее мягкими в магнитном отношении материалами, часто превосходящими даже сталь. Наиболее жесткими являются белые чугуны.

Влияние остальных факторов на магнитные свойства определяется соответствующими изменениями степени графитизации и структуры матрицы чугуна. Например, с увеличением толщины отливок и с уменьшением скорости охлаждения наблюдаются некоторое повышение насыщения, понижение коэрцитивной силы и уменьшение потерь на гистерезис (рис. 273, а), что объясняется увеличением степени графитизации. При этом благодаря укрупнению выделения графита повышается также электросопротивление, вследствие чего общие ваттные потери уменьшаются.

Перегрев чугуна сравнительно мало влияет на магнитные свойства, так как увеличение содержания связанного углерода и размельчение графита при, перегреве действуют в противоположных направлениях. Наоборот, модифицирование, способствуя раскислению и графитизации, понижает магнитную твердость чугуна. Происхождение и структура исходных материалов, определяющие в некоторой мере степень графитизации чугуна, форму графита и газосодержание, оказывают определенное влияние и на магнитные свойства. Исходя из этого, следует считать, что для получения магнитно-мягкого чугуна полезно вести плавку на сырых материалах с крупным графитом и с низким газосодержанием, а при самой плавке принимать все необходимые меры для минимального окисления металла и насыщения его газами.

Интересно также отметить влияние температуры на магнитные свойства чугуна. Как видно из кривых намагничивания ферритного серого чугуна (рис. 273, б), повышение температуры приводит сначала к медленному, затем к более быстрому понижению насыщения, стремящемуся к нулю вблизи точки Кюри. Аналогично с повышением температуры отмечается понижение коэрцитивной силы, потерь на гистерезис и остаточной индукции, а также увеличение начальной и максимальной проницаемости.

Так же, как магнитно-мягкие чугуны, большой практический интерес представляют и немагнитные (парамагнитные) чугуны. Они применяются в тех случаях, когда требуется свести к минимуму ваттные потери (крышки масляных выключателей, концевые коробки трансформаторов, нажимные кольца на электромашинах и т. д.) или когда требуется минимальное искажение магнитного поля (детали подводных лодок, стойки для магнитов и т. д.). В первом случае, наряду с низкой магнитной проницаемостью, требуется высокое электросопротивление, чему чугун удовлетворяет по своим свойствам даже в большей степени, чем цветные сплавы. Во втором случае не требуются малые ваттные потерн, но зато необходима особо низкая магнитная проницаемость, что трудно достижимо в чугуне. Поэтому в ряде случаев и не удается заменить цветные сплавы аустеннтным чугуном для второй группы отливок. Однако до сих пор, собственно, не установлен предел магнитной проницаемости, определяющий границу между магнитными и немагнитными чугунами. Условно таким пределом иногда считают значение u = 1,05 при H = 200 э (160 а/см). Однако во многих случаях допустимы и большие значения.

Как указывалось ранее, аустенитные чугуны могут быть получены при легировании никелем, марганцем, медью. Для этого требуется, чтобы в обычных условиях охлаждения состав металла удовлетворял неравенству

Из неравенства следует, что элементом, наиболее интенсивно стабилизирующим аустенит, является марганец и, следовательно, замена им никеля выгодна не только экономически, но и технически. В зависимости от состава аустенитные чугуны могут быть классифицированы следующим образом:

1) группа никелевых чугунов типа нирезист с тем или иным количеством меди и хрома, отличающаяся не только низким уровнем магнитной проницаемости, но и высокой жаропрочностью и сопротивлением коррозии;

2) группа никельмарганцевых чугунов типа номаг с тем или иным содержанием меди и алюминия, часто превосходящая чугуны первой группы с точки зрения немагнитности, но уступающая нм по жаропрочности, жаростойкости и сопротивлению коррозии;

3) группа марганцевых чугунов с тем или иным содержанием меди и алюминия, являющаяся наиболее экономичной но ,составу, но характеризующаяся более низкими прочностными и физическими свойствами, чем чугуны первых групп.

При этом следует иметь в виду, что наличие антиграфитизирующих элементов может вызвать выделение карбидов, повышающих магнитную проницаемость. Поэтому концентрация этих элементов должна быть ограничена, иначе содержание углерода и кремния придется повысить, что, естественно, понизит механические свойства и без того сравнительно низкопрочных аустенитных чугунов. При применении низкоуглеродистых чугунов следует рекомендовать эффективное модифицирование, в частности двойное, для предотвращения образования карбидов.

Значительный интерес представляют также ферритные высоколегированные алюминиевые чугуны, характеризующиеся особенно низкой магнитной проницаемостью. Эти чугуны являются парамагнитными вследствие резкого понижения алюминием точки Кюри. К сожалению, они обладают сравнительно низкой прочностью, что в значительной степени устраняется обработкой металла церием для сфероидизации графита, как это было предложено впервые Б.С. Мильманом и др. Такая обработка, причем не только церием, но и магнием, применима также для никелевых чугунов. Свойства немагнитных чугунов, в том числе и механические, в зависимости от состава металла и формы включений графита колеблются в широком диапазоне (табл. 38).


Преимущества чугунов с шаровидным графитом выражаются не только в более высокой прочности, но, что еще важнее, в высокой вязкости и пластичности. Так, например, удлинение чугунов типа нирезист доходит до 40%, в то время как при пластинчатом графите оно обычно не превосходит 2%. Как видно из табл. 38, наиболее низкой магнитной проницаемостью отличаются алюминиевые чу гуны. В никелевых чугунах частичная замена никеля марганцем понижает магнитную проницаемость, если при этом не выделяются карбиды в структуре. Поэтому чугуны типа номаг характеризуются, как хороший немагнитный материал. Исследования этих чугунов с разным соотношением Ni:Mn показали, что для сравнительно тонкостенных отливок (5—10 мм), когда требуется только немагнитность, могут быть рекомендованы составы: С > 3,1%; Si = 2,0—2,4%; Mn = 5,2—6% и Ni — 6—6,8%, т. е. с примерным отношением Ni : Mn = 1; безникелевые чугуны уступают номагу по технологическим свойствам и магнитной проницаемости, но являются наиболее экономичными.

Значение меди в аустенитных чугунах заключается не только в замене более дорогого никеля, но и в повышении устойчивости аустенита против отпуска, что имеет значение при нагревании отливок в процессе работы машины. Так же действует и алюминий, что при концентрациях до 3—5%, с учетом его графитизирующего действия, делает его весьма полезным. Легирование кремнием, напротив, целесообразно только с точки зрения графитизации и повышения электросопротивления, магнитную проницаемость он увеличивает. Фосфор же влияет неблагоприятно, поэтому его содержание должно определяться только жидкотекучестью чугуна.

Кроме состава чугуна большое влияние на его структуру и магнитную проницаемость оказывает термическая обработка с целью устранения мартенсита и распада карбидов, что особенно важно при нестабильном аустените и наличии карбидообразующих элементов. Чем медленнее охлаждение отливки в форме, тем больше опасность образования мартенсита или других продуктов превращения, если аустенит является недостаточно стабильным. Поэтому содержание аустенизирующих элементов (Ni, Mn, Cu) должно быть тем выше, чем больше толщина отливки:

Такое влияние толщины стенок, а следовательно, скорости охлаждения и величины переохлаждения проявляется при нестабильном аустените, получающемся за счет температурного гистерезиса и снижения точки Ar. В этом случае распад аустенита получается уже при медленном охлаждении или при невысоком отпуске (150—350° С). При более стабильном аустените (достаточном содержании С, Ni, Mn, Cu) его распад наступает только при очень низких температурах (ниже -200° С) или при высоком отпуске (500—600° С). Поэтому, как видно из рис. 274, разные чугуны ведут себя в этом отношении по-разному: наименьшей стабильностью характеризуется обычный марганцевый аустенитный чугун, а наибольшей — ферритный алюминиевый чугун, проницаемость которого не изменяется даже при высоком отпуске.

Режим термической обработки (температура и длительность выдержки, скорость охлаждения) может по-разному сказаться на проницаемости немагнитных чугунов. Во всех случаях, когда происходит распад или растворение карбидов, магнитная проницаемость понижается; выделение карбидов и превращение аустенита, наоборот, ведет к увеличению проницаемости. Так, например, закалка чугунов типа номаг при 1000° С приводит к образованию аустенитной структуры даже при наличии мартенсита, а выдержка при 650—700° C с последующим медленным охлаждением ведет, наоборот, к получению бейнита. Отпуск этих чугунов (после предварительной закалки) при 375°С не изменяет их структуры; при температуре 500—620° С происходит выделение карбидов, а при 900—1000° C происходит обратный процесс — растворение карбидов. Высокотемпературная закалка чугунов типа нирезист приводит к некоторому повышению магнитной проницаемости, причина которого не совсем выяснена.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна