鋳鉄入門：歴史、種類、特性、用途

用途の広い金属である鋳鉄は、商業および産業の世界で多くのユニークな用途があります

日常生活における鉄の存在は紀元前1200年頃に始まり、農具から戦争の武器まで幅広い用途を網羅していました。鍛冶屋は重要な職業になり、鉄を使ってその特性を変え、材料を道具に形作りました。すべての村や町には鍛冶屋があり、鎌、鋤の刃、釘、剣、燭台ホルダーなどが生産されていました。

鉄の価値の発見は、社会的および軍事的用途におけるこの材料の優位性のために、鉄器時代として知られるようになったものにつながりました。金属のもう1つのマイルストーンが続きます。産業革命により、金属の製造方法と鉄を含む製品への加工方法が変わりました。

鉄の種類

生産される鉄には、錬鉄と鋳鉄の2つの主要なタイプがあります。その中に、鋳鉄には独自の金属ファミリーが含まれています。

錬鉄

鍛冶屋によって生産され、加工された最初のタイプの鉄は錬鉄でした。アンビル上でハンマーで鍛造（加工）される前に、炉で加熱されるのは事実上純粋な元素鉄（Fe）です。ハンマーで鉄を打つと、スラグの大部分が材料から排出され、鉄の粒子が溶接されます。

産業革命とそれに伴う建設活動の加速の間に、錬鉄の新しい用途が発見されました。その高い引張強度（張力下での破損に対する耐性）により、橋や高層ビルなどの大規模な建設プロジェクトでの梁の使用に最適です。しかし、この目的での錬鉄の使用は、建設用途の鉄よりも優れた性能を備えた鉄鋼製品が開発された20世紀初頭にほとんど放棄されました。

錬鉄は装飾品で有名になりました。 15世紀と16世紀の教会には、熟練した職人によって製造された細かい錬鉄片があります。現代の世界では、手すり、ドア、ベンチは今でもカスタムピースとして錬鉄で作られています。

鋳鉄

鋳鉄は、炭素含有量が2％を超える鉄-炭素合金を製錬することによって製造されます。製錬後、金型に金属を流し込みます。錬鉄と鋳鉄の生産における主な違いは、鋳鉄はハンマーや工具では機能しないことです。組成にも違いがあります。鋳鉄には2〜4％の炭素とその他の合金が含まれ、1〜3％のシリコンが含まれているため、溶融金属の鋳造性能が向上します。少量のマンガンと、硫黄やリンなどの不純物も存在する可能性があります。錬鉄と鋳鉄の違いは、化学構造と物理的性質の詳細にも見られます。

鋼と鋳鉄はどちらも微量の炭素を含み、類似しているように見えますが、2つの金属の間には大きな違いがあります。鋼の炭素含有量は2％未満であるため、最終製品を単一の微結晶構造に固化させることができます。鋳鉄の炭素含有量が高いということは、鋳鉄が不均一合金として固化することを意味します。したがって、材料に複数の微結晶構造が存在します。

鋳鉄に優れた鋳造性を与えるのは、高炭素含有量とシリコンの存在の組み合わせです。ねずみ鋳鉄、白鉄、可鍛鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、圧縮黒鉛鋳鉄など、さまざまな種類の鋳鉄がさまざまな熱処理および処理技術を使用して製造されています。

ねずみ鋳鉄

ねずみ鋳鉄は、金属中のグラファイト分子のフレーク形状が特徴です。金属が破砕されると、グラファイトフレークに沿って破砕が発生し、破砕された金属の表面が灰色になります。ねずみ鋳鉄という名前は、この特徴に由来しています。

冷却速度と組成を調整することにより、製造中のグラファイトフレークのサイズとマトリックス構造を制御することが可能です。ねずみ鋳鉄は他の鋳鉄ほど延性がなく、引張強度も低くなります。しかし、それはより良い熱伝導体であり、より高いレベルの振動減衰を持っています。鋼の20〜25倍の減衰能力があり、他のすべての鋳鉄よりも優れています。ねずみ鋳鉄は、他の鋳鉄よりも機械加工が容易であり、その耐摩耗性により、最も大量の鋳鉄製品の1つになっています。

当社のハードスケープ製品はねずみ鋳鉄で作られています。振動減衰と耐摩耗性は、これを多くのストリートアプリケーションに適した材料にする特性です。生のねずみ鋳鉄はまた、屋外でも破壊的な腐食から安全に保つ緑青を生成します。

白鉄

適切な炭素含有量と高い冷却速度により、炭素原子は鉄と結合して炭化鉄を形成します。これは、固化した材料に遊離のグラファイト分子がほとんどまたはまったくないことを意味します。白鉄を剪断すると、黒鉛がないため、破断面が白く見えます。セメンタイトの微結晶構造は硬くて脆く、高い圧縮強度と優れた耐摩耗性を備えています。特定の特殊な用途では、製品の表面に白鉄を付けることが望ましい。これは、金型の一部を作るために優れた熱伝導体を使用することによって達成できます。これにより、溶融金属からその特定の領域から急速に熱が奪われ、残りの鋳造物はより遅い速度で冷却されます。

白鉄の最も人気のあるグレードの1つはNi-HardIronです。クロム合金とニッケル合金を添加することで、この製品は衝撃の少ない滑り摩耗用途に優れた特性を発揮します。

ホワイトアイアンとニハードアイアンは、ASTMA532と呼ばれる合金の分類に分類されます。「耐摩耗性鋳鉄の標準仕様」。

可鍛鋳鉄

白鉄は、熱処理の過程でさらに可鍛鋳鉄に加工することができます。加熱と冷却の拡張プログラムにより、炭化鉄分子が分解され、遊離のグラファイト分子が鉄に放出されます。さまざまな冷却速度と合金の添加により、微結晶構造の可鍛鋳鉄が生成されます。

ダクタイル鋳鉄（球状鋳鉄）

ダクタイル鋳鉄、または球状黒鉛鋳鉄は、合金にマグネシウムを添加することでその特殊な特性を獲得します。マグネシウムの存在により、ねずみ鋳鉄のフレークとは対照的に、グラファイトが回転楕円体の形状に形成されます。組成管理は製造工程において非常に重要です。硫黄や酸素などの少量の不純物がマグネシウムと反応し、グラファイト分子の形状に影響を与えます。グラファイト回転楕円体の周りの微結晶構造を操作することにより、さまざまなグレードのダクタイル鋳鉄が形成されます。これは、下流の処理ステップとして、鋳造プロセスまたは熱処理によって実現されます。

ダクタイル鋳鉄は破片に砕けるのではなく、衝撃で変形するため、鋳鉄製のボラードを作るためにこの材料を使用しています。ダクタイル鋳鉄の衝撃プロファイルは、車両交通の近くのボラードに適した鋳鉄になります。

圧縮黒鉛鉄

圧縮されたグラファイト鉄は、灰色と白の鉄のブレンドであるグラファイト構造と関連する特性を持っています。微結晶構造は、相互接続されたグラファイトの鈍いフレークの周りに形成されます。チタンなどの合金は、回転楕円体のグラファイトの形成を抑制するために使用されます。圧縮黒鉛鋳鉄は、ねずみ鋳鉄に比べて引張強度が高く、延性が向上しています。微結晶の構造と特性は、熱処理または他の合金の添加によって調整できます。

鋳鉄組成の概要

エンジニアハンドブックによって作成された表は、さまざまな種類の鋳鉄のさまざまな組成範囲を示しています。

典型的な非合金鋳鉄の組成の範囲
パーセント値（％）

鉄の種類

カーボン

シリコン

マンガン

硫黄

リン

灰色

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.02 – 0.25

0.02 – 1.0

延性

3.0 – 4.0

1.8 – 2.8

0.1 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

コンパクトグラファイト

2.5 – 4.0

1.0 – 3.0

0.2 – 1.0

0.01 – 0.03

0.01 – 0.1

可鍛性（キャストホワイト）

2.0 – 2.9

0.9 – 1.9

0.15 – 1.2

0.02 – 0.2

白

1.8 – 3.6

0.5 – 1.9

0.25 – 0.8

0.06 – 0.2

鉄の種類

カーボン

灰色

2.5 – 4.0

延性

3.0 – 4.0

コンパクトグラファイト

2.5 – 4.0

可鍛性（キャストホワイト）

2.0 – 2.9

白

1.8 – 3.6

鉄の種類

シリコン

灰色

1.0 – 3.0

延性

1.8 – 2.8

コンパクトグラファイト

1.0 – 3.0

可鍛性（キャストホワイト）

0.9 – 1.9

白

0.5 – 1.9

鉄の種類

マンガン

灰色

0.2 – 1.0

延性

0.1 – 1.0

コンパクトグラファイト

0.2 – 1.0

可鍛性（キャストホワイト）

0.15 – 1.2

白

0.25 – 0.8

鉄の種類

硫黄

灰色

0.02 – 0.25

延性

0.01 – 0.03

コンパクトグラファイト

0.01 – 0.03

可鍛性（キャストホワイト）

0.02 – 0.2

白

0.06 – 0.2

鉄の種類

リン

灰色

0.02 – 1.0

延性

0.01 – 0.1

コンパクトグラファイト

0.01 – 0.1

可鍛性（キャストホワイト）

0.02 – 0.2

白

0.06 – 0.2

鋳鉄の機械的性質

材料の機械的特性は、特定の応力下でどのように応答するかを示し、さまざまな用途への適合性を判断するのに役立ちます。仕様は、米国材料試験協会（ASTM）などの組織によって設定されているため、ユーザーは、アプリケーションの要件を満たしていると確信して材料を購入できます。最も一般的に使用されるねずみ鋳鉄の仕様はASTMA48です。

鋳造製品を仕様に従って認定するための標準的な方法は、設計された鋳造品と一緒にテストバーを鋳造することです。次に、ASTMテストがこのテストバーに適用され、その結果が鋳造のバッチ全体を認定するために使用されます。

鋳鉄部品を溶接する場合も仕様が重要です。溶接は、一緒に溶接される材料の機械的特性を満たすか超える必要があります。そうしないと、破損や故障が発生する可能性があります。

鋳鉄の一般的な機械的特性には、次のものがあります。

硬度–摩耗やへこみに対する材料の耐性
靭性–エネルギーを吸収する材料の能力
延性–破壊せずに変形する材料の能力
弾性–変形後に元の寸法に戻る材料の能力
可鍛性–圧縮下で破裂することなく変形する材料の能力
引張強度–材料が裂けることなく耐えることができる最大の縦応力
疲労強度–材料が破損することなく特定のサイクル数に耐えることができる最大の応力

この表は、さまざまなグレードの鋳鉄の主要な機械的特性の一部をまとめたものです。詳細については、AmericanFoundrySocietyの優れたリファレンスドキュメントである「IronAlloys」を参照してください。

ブリネル硬さ

引張強度

弾性係数

％伸び（50 MM）

ねずみ鋳鉄クラス25

187

29.9 ksi

16.1 Msi

–

ねずみ鋳鉄クラス40

235

41.9 ksi

18.2 Msi

–

ダクタイル鋳鉄グレード60-40-18

130 – 170

60 ksi

24.5 Msi

–

ダクタイル鋳鉄グレード129-90-02

240 – 300

120 ksi

25.5 Msi

–

CGIグレード250

最大179

36.2ksi分

CGIグレード450

207 – 269

65.2ksi分

ブリネル硬さ

ねずみ鋳鉄クラス25

187

ねずみ鋳鉄クラス40

235

ダクタイル鋳鉄グレード60-40-18

130 – 170

ダクタイル鋳鉄グレード129-90-02

240 – 300

CGIグレード250

最大179

CGIグレード450

207 – 269

引張強度

ねずみ鋳鉄クラス25

29.9 ksi

ねずみ鋳鉄クラス40

41.9 ksi

ダクタイル鋳鉄グレード60-40-18

60 ksi

ダクタイル鋳鉄グレード129-90-02

120 ksi

CGIグレード250

36.2ksi分

CGIグレード450

65.2ksi分

弾性係数

ねずみ鋳鉄クラス25

16.1 Msi

ねずみ鋳鉄クラス40

18.2 Msi

ダクタイル鋳鉄グレード60-40-18

24.5 Msi

ダクタイル鋳鉄グレード129-90-02

25.5 Msi

CGIグレード250

CGIグレード450

％伸び（50 MM）

ねずみ鋳鉄クラス25

–

ねずみ鋳鉄クラス40

–

ダクタイル鋳鉄グレード60-40-18

–

ダクタイル鋳鉄グレード129-90-02

–

CGIグレード250

CGIグレード450

鋳鉄の一般的な用途

さまざまな種類の鋳鉄のさまざまな特性により、それぞれの種類が特定の用途に適しています。

ねずみ鋳鉄の用途

ねずみ鋳鉄の重要な特徴の1つは、潤滑油の供給が制限されている場合でも摩耗に耐える能力です（たとえば、エンジンブロックの上部シリンダー壁）。ねずみ鋳鉄は、エンジンブロックとシリンダーヘッド、マニホールド、ガスバーナー、ギアブランク、エンクロージャー、およびハウジングの製造に使用されます。

白鉄の用途

白鉄を作るために使用される冷却プロセスは、摩耗や摩耗に対して非常に耐性のある脆い材料をもたらします。このため、ミルライニング、ショットブラストノズル、鉄道ブレーキシュー、スラリーポンプハウジング、圧延機ロール、およびクラッシャーの製造に使用されます。

Ni-Hard Ironは、ミキサーパドル、オージェとダイ、ボールミルのライナープレート、石炭シュート、および伸線用のワイヤーガイドに特に使用されます。

ダクタイル鋳鉄の用途

ダクタイル鋳鉄自体は、それぞれ独自の特性仕様と最適な用途を持つさまざまなグレードに分類できます。機械加工が容易で、耐摩耗性を備えながら、優れた疲労性と降伏強度を備えています。ただし、その最もよく知られている機能は延性です。ダクタイル鋳鉄は、ステアリングナックル、プラウシェア、クランクシャフト、ヘビーデューティーギア、自動車およびトラックのサスペンションコンポーネント、油圧コンポーネント、自動車のドアヒンジの製造に使用できます。

可鍛鋳鉄の用途

さまざまなグレードの可鍛鋳鉄は、さまざまな微結晶構造に対応しています。可鍛鋳鉄を魅力的なものにする特定の属性は、潤滑剤、非研磨性の摩耗粒子、および他の研磨性の破片を閉じ込める多孔質表面を保持および保管する能力です。可鍛鋳鉄は、頑丈なベアリング面、チェーン、スプロケット、コネクティングロッド、駆動列と車軸のコンポーネント、鉄道車両、農業および建設機械に使用されます。