鋳鉄は、約2～4パーセントの炭素に加え、ケイ素、マンガン、および微量の硫黄とリンを含む鉄を主成分とする合金です。この炭素含有量が、鋳鉄と鋼の主な違いとなっています。 鉄合金が鋳鉄として分類されるためには、炭素含有量が2％以上でなければなりません。これに対し、鋳鋼の炭素含有量は通常0.1～0.5％です。
この名称は誤解を招きやすい。名前に「鉄」という文字が含まれているため、鋳鉄は純鉄に近いものと誤解されることがある。実際には、炭素鋼の方がほとんどの鋳鉄よりも鉄の含有率が高い。鋳鉄は単一の金属ではなく、一連の合金の総称であり、その名称が示唆する以上に、各合金の間には大きな違いがある。 この合金群には長い歴史があります。中国の鋳造所では早くも紀元前6世紀には鋳鉄が生産されており、今日でも産業用途で広く使用され続けています。
鋳鉄は何でできているのか？
鋳鉄は、鉄を母材とし、炭素を主要元素とする合金です。炭素含有量は通常2～4％で、シリコンやマンガンが少量添加され、硫黄やリンの含有量は低く抑えられています。これらの元素は、金属の挙動を変化させ、特定の特性を生み出すために意図的に添加されています。 鋳鉄のグレード.
実際には、炭素の結晶形態によって物事が決まります。黒鉛は金属を軟らかくし、加工しやすくしますが、炭化鉄は金属を硬くし、脆くします。シリコンは冷却時の黒鉛生成を促進するため、炭素とともにその含有量が調整されます。
| エレメント | 一般的な金額 | 役割 |
|---|---|---|
| 鉄（Fe） | バランス | 非鉄金属。強度と磁気特性を備えている。 |
| カーボン（C） | 2–4% | 黒鉛（より柔らかく、加工しやすい）または炭化鉄（より硬く、脆い）を形成する |
| ケイ素 (Si) | 1–3% | 凝固時のグラファイト形成を促進する |
| マンガン (Mn) | 0.5～1% | 硫黄による弱化作用を相殺する |
| 硫黄 (S) | 最大で約0.08% | 低めに保つ。硫黄分が多すぎると脆くなる |
| リン (P) | 最大で約1% | 流動性と剛性を高める |
組成が構造を決定し、構造が完成品の特性を決定します。「鋳鉄」という同じ名称を持つ2つの鋳物であっても、組成や冷却条件が異なれば、その挙動は大きく異なる場合があります。
鋳鉄はどのように作られるのか？
この名称は、その製造工程に由来しています。 鉄鉱石は高炉で還元され、溶鉄となり、これが粗鋳塊（歴史的には「ピッグ」と呼ばれていました）に鋳造されます。この鋳塊は、スクラップ鋼や合金元素とともにキューポラ炉で再溶解され、目標の品質基準に達するよう組成が調整された後、準備された溶湯が鋳型に注がれます。
溶融した鋳鉄は鋼よりも流動性が高く、融点も低い。これらの特性は鋳造に適しており、複雑な鋳型キャビティにもよりスムーズに充填されるほか、溶解に必要なエネルギーも管理しやすい水準に抑えられる。
凝固は工程の終わりではありません。鋳物が冷却された後、湯口、バリ取り、フラッシュが除去され、材質や図面に応じて、熱処理、機械加工、表面仕上げ、あるいは検査が行われる場合があります。金型は部品に形状を与え、その後の工程がその最終的な特性を決定づけるのです。
鋳鉄の種類
鋳鉄は、炭素の形態によって分類されます。この単一の構造的特徴が、被削性、靭性、耐摩耗性、および減衰特性に影響を与えるため、グレードを選定する前に、その種類を特定する必要があります。
グレー・アイアン
灰色の鉄 フレーク状の黒鉛を含んでいる。ねずみ鋳鉄の鋳物が破断すると、亀裂はこれらのフレークに沿って進み、破断面は灰色に見える。これがこの名称の由来である。このフレーク構造により、ねずみ鋳鉄は機械加工が容易であり、優れた振動減衰性を備えている。
この結晶粒には一長一短があります。ねずみ鋳鉄は他の鋳鉄に比べて延性が低く、引張強度も低くなります。主に圧縮荷重がかかる部品や、振動抑制が求められる部品に適していますが、繰り返し衝撃荷重を受ける部品については、他の鋳鉄種を検討した方が良いでしょう。
ホワイトアイアン
白鋳鉄には黒鉛がほとんど含まれていません。炭素は主に炭化鉄として存在しており、これが破断面に白い外観を与え、この材料を硬く、脆くしています。白鋳鉄は高い圧縮強度と優れた耐摩耗性を備えているため、粉砕媒体、耐摩耗プレート、その他の摩耗の激しい部品に使用されています。
その脆さゆえに、用途が限られています。ホワイトアイアンは破損する前に変形することはありません。この材料を使用する用途では、より軟らかい材料よりも長い耐摩耗寿命を得る見返りとして、その特性を容認しています。
可鍛鉄
可鍛鋳鉄は、当初は白鋳鉄ですが、長時間の熱処理によって変質します。この処理により、炭化鉄が分解され、炭素が緻密な黒鉛粒子として放出されることで、元の脆い白鋳鉄とは異なる特性を持つ材料となります。
この加工法は18世紀にフランスで開発されました。可鍛鋳鉄は、ある程度の靭性を必要とする薄肉で形状の複雑な鋳物において、依然として有力な選択肢となっており、その特性はダクタイル鋳鉄の特性に近いものです。
ダクタイル鋳鉄
ダクタイル鋳鉄（ノジュラー鋳鉄とも呼ばれる）は、溶湯にマグネシウムを添加することで製造され、これによりグラファイトがフレーク状ではなく球状に凝固する。この球状のグラファイト構造により、ねずみ鋳鉄に比べて靭性と強度が著しく向上し、材料の耐衝撃性も高まる。
ダクタイル鋳鉄は1948年に米国と英国で開発され、歯車、金型、クランクシャフト、および多くの機械部品に使用される主要な工業用材料群となっています。これに関連する鋳鉄種である緻密黒鉛鋳鉄は、ワーム状の黒鉛を含み、その性能はねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄の中間に位置します。 量産レベルでダクタイル鋳鉄の強度を必要とする部品については、 ダクタイル鋳鉄ガイド 成績を確定する前に、再検討すべきである。
鋳鉄の特性
鋳鉄は、各グレードに共通して見られる一連の特性から選定されています：
- 圧縮強度。 鋳鉄は変形することなく大きな荷重に耐えるため、柱、機械の土台、構造物の支持部などに適しています。
- 硬度と耐摩耗性。 黒鉛と炭化物の両方が寄与しており、歯車、ピストン、摩耗プレートなど、継続的に接触する表面においてその効果が発揮されます。
- 減衰。 ねずみ鋳鉄は、鋼に比べて約20～25倍も振動を吸収しやすいという特性があり、工作機械メーカーは1世紀以上にわたりこの特性を活用してきた。
- 加工性。 特にねずみ鋳鉄は、黒鉛の薄片が切りくずの分離剤および乾式潤滑剤として機能するため、きれいに切削できます。
- 保温性。 鋳鉄は熱をよく蓄え、放出します。この特性は、調理器具、金型、ダイス、および炉の部品にも当てはまります。
- 費用。 合金元素は一般的であり、製造プロセスも経済的であるため、鋳鉄は依然として比較的安価な工業用材料の一つとなっています。
鋳鉄はどこで使われているのか？
鋳鉄は、引張靭性よりも硬度、耐摩耗性、減衰性、あるいは経済性が重視される場面で使用されます。その用途は、グレードによって自然に分けられます：
- 自動車・機械： ブレーキディスク、ギア、スプロケット、チェーン、ピストンリング、エンジンブロック。
- 流体の取り扱い： ポンプハウジング、バルブボディ、および配管継手（詳細は当社の バルブボディ鋳造の事例研究).
- 金型および摩耗部品： 金型、鋳型、工作機械のベッド、および耐摩耗性部品。
- 建築・都市計画： マンホールの蓋、装飾用鉄製部品、構造用土台、および格子。
- エネルギー・鉱業： 採掘機器、クランクシャフト、および大型ハウジング。
球状黒鉛鋳鉄 – 鋳鉄鋳造メーカー
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