Магнитные свойства чугуна¶

Чугун — это группа железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 4,5 %, относящихся к классу ферромагнитных материалов. Чугун обладает способностью намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, однако степень его магнитной реакции существенно зависит от химического состава, микроструктуры и содержания свободного углерода. В быту ответ на вопрос «магнитится ли чугун» обычно положительный, но с оговорками: не все марки чугуна магнитятся одинаково, а некоторые виды изделий из чугуна практически не притягиваются к магниту.

¶Физическая природа магнетизма чугуна

Железо, являющееся основой любого чугуна, относится к ферромагнетикам — материалам, способным к самопроизвольному намагничиванию. Ферромагнетизм обусловлен существованием магнитных доменов — микроскопических областей, внутри которых атомные магнитные моменты ориентированы параллельно. Под действием внешнего поля домены расширяются и ориентируются вдоль направления поля, в результате чего материал приобретает магнитные свойства.

Углерод в чугуне присутствует в двух формах: связанном (в виде цементита Fe₃C) и свободном (в виде графита). Обе формы влияют на магнитные свойства по-разному. Цементит, как и железо, ферромагнитен, но с более низкой температурой Кюри (около 210 °C). Графит же является диамагнетиком и практически не намагничивается, поэтому его наличие снижает общую магнитную восприимчивость сплава.

¶Виды чугуна и их магнитные свойства

¶Серый чугун

Серый чугун — самый распространённый тип, в котором углерод присутствует преимущественно в форме пластинчатого графита. Графитовые пластинки разрывают ферромагнитную матрицу из перлита и феррита, создавая «воздушные» прослойки с низкой магнитной проницаемостью. В результате серый чугун магнитится слабее, чем чистое железо или низкоуглеродистая сталь. Магнитная проницаемость серого чугуна составляет порядка 200–600 единиц СИ, тогда как у чистого железа она достигает 5000 и более.

¶Белый чугун

В белом чугуне углерод находится в связанной форме (цементит), свободного графита практически нет. Микроструктура белого чугуна — перлитная матрица с карбидной сеткой. Такой чугун магнитится заметно сильнее серого, поскольку ферромагнитная матрица не разрыхлена графитовыми включениями. Именно поэтому белый чугун используется для изготовления деталей, работающих в магнитных системах.

¶Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате чего цементит распадается на ферритную матрицу с включениями закруглённого графита («хлопьев»). Магнитные свойства ковкого чугуна близки к свойствам серого, но несколько выше за счёт большей доли феррита в структуре.

¶Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун содержит графит в форме сфероидов, получаемых модифицированием расплава магнием или церием. Сферическая форма графита меньше разрывает ферромагнитную матрицу, поэтому высокопрочный чугун магнитится сильнее серого, но слабее белого.

¶Факторы, влияющие на магнитные свойства

Температура Кюри для железа составляет 770 °C. При нагреве выше этого значения чугун теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. Это свойство используется в промышленности для размагничивания чугунных изделий.

¶Практическое значение

Магнитные свойства чугуна учитываются при проектировании электрических машин, трансформаторов, магнитных муфт и датчиков. Для сердечников трансформаторов чугун не применяется — его высокая магнитная гистерезисная потеря делает использование экономически нецелесообразным, вместо этого используют электротехническую сталь с низким содержанием углерода. Однако для элементов, где важны механическая прочность и коррозионная стойкость в сочетании с умеренными магнитными свойствами, чугун остаётся востребованным материалом.

В бытовых условиях простейший тест с неодимовым или ферритовым магнитом показывает, что чугунные предметы — сковороды, трубы, плиты — притягиваются к магниту, хотя и слабее, чем стальные. Исключение составляют чугунные изделия с толстым слоем графита на поверхности или сильно окисленные предметы.

¶Историческая справка

Исследование магнитных свойств чугуна связано с работами русских учёных. В 1830-х годах Эмилий Ленц провёл фундаментальные исследования магнетизма железа и его сплавов. В 1890-е годы Дмитрий Чернов установил зависимость свойств чугуна от его структуры, заложив основы металлографии. В советский период работы по магнитным свойствам сплавов железа развивались в Институте металлургии АН СССР под руководством А. С. Займовского и А. Г. Лесохина.

Источники:

• Буше Н. А. «Чугуноведение»
• Ленц Э. Х. «Опытное исследование магнетизма железа»
• Чернов Д. К. «Исследования о перегреве и перекалке стали»
• Гуляев А. П. «Металловедение»
• Курдюмов Г. В. «Превращения в железе и сталях»