鋳鉄とは：定義、特性、種類、用途を徹底解説

鋳鉄とは

鋳鉄は、炭素含有量が2〜4%以上の鉄炭素合金の総称です。これにシリコン（1〜3%）、マンガン、および硫黄、リンなどの不純物が微量含まれます。鋳鉄は、高炉で鉄鉱石を還元することによって製造されます。

溶融した鉄は鋳型に流し込まれ、粗塊（ピッグアイアン）として凝固します。このピッグアイアンをスクラップや合金元素とともにキュポラ炉で再溶解し、再び鋳型に流し込んで様々な製品を製造します。

合金成分の違いにより、破断時の色が異なります。白鋳鉄はセメンタイト（炭化鉄）を含み亀裂が通りやすく、灰鋳鉄は片状グラファイトが亀裂を逸らし無数の微細亀裂を発生させ、ダクタイル鋳鉄は球状グラファイト（ノジュール）が亀裂の進展を阻止します。

可鍛鋳鉄を除き、鋳鉄は一般に脆性材料です。しかし、比較的低い融点、優れた流動性・鋳造性、優れた切削加工性、変形抵抗性、耐摩耗性を備え、幅広い用途で使用される工学材料となっています。

主な用途は配管、機械部品、自動車部品（シリンダーヘッド、シリンダーブロック、ギアボックス）などです。酸化に強い反面、溶接は困難です。

鋳鉄の原料と製造プロセス

鋳鉄の原料は高炉で鉄鉱石を溶解して得られる銑鉄（ピッグアイアン）です。溶銑を直接使用するか、銑鉄をスクラップ、石灰石、コークス（炭素）とともに再溶解し、リンや硫黄などの有害不純物を除去して製造します。

脱リン・脱硫の過程で炭素も燃焼するため、用途に応じて炭素（2〜3.5%）とシリコン（1〜3%）を調整します。必要に応じて他の合金元素を添加し、鋳造によって最終形状を作ります。

溶解には従来キュポラ炉が用いられましたが、現代では電気誘導炉や電気アーク炉が主流です。溶解後は保持炉やレードルに湯注ぎされます。

鋳鉄と鋼の違い

最大の違いは炭素含有量です。鋼は炭素量を2%未満に制御した鉄合金であるのに対し、鋳鉄は約4%の炭素を含みます。鋳鉄は鋼より安価で、融点が低く、高い圧縮強度・硬度・耐摩耗性を持ちます。鋼が延性・展性を持つのに対し、鋳鉄は硬く高圧縮強度を持つ点が本質的な差異です。

また、鋼中の炭素はセメンタイト（Fe₃C）として存在しますが、鋳鉄ではグラファイト、セメンタイト、またはその両方として存在します。鋳鉄は優れた流動性を持ち、複雑形状の鋳造に適しています。

鋳鉄の機械的特性

• 硬さ： 加熱と急冷により硬化可能で耐久性に優れます。
• 靭性： エネルギーを吸収する能力。
• 延性： 破断せずに変形する能力。
• 弾性： 変形後に元の形状に戻る能力。
• 展性： 圧縮下で破裂せずに変形する能力。
• 引張強さ： 破断せずに耐えられる最大の縦方向応力。
• 疲労強さ： 所定サイクル数で破断しない最大応力。
• 融点： 約1,200℃（軟鋼の1,300〜1,400℃より低い）。
• 鋳造性： 炭素過剰により溶湯の流動性が高く、複雑形状の鋳造が容易。
• 切削加工性： 引張強さ付近までほぼ弾性的挙動を示し、不連続な切りくずを生成するため切削性に優れます。

鋳鉄の組成と各元素の影響

鋳鉄は鉄を基盤に、炭素2〜4%、シリコン、マンガン、および硫黄、リン、銅、ニッケル、クロムなどの微量元素を含みます。各元素の影響は以下の通りです。

• シリコン（〜4%）： グラファイト生成を促進し、軟化・切削性向上、焼入れ性・電気抵抗率を増大。
• 硫黄（〜0.1%）： 硬化と脆化を招く有害元素。
• マンガン（〜0.75%）： セメンタイト生成を促進し、硬度・耐摩耗性を向上。
• クロム： セメンタイト生成促進、焼入れ性・耐摩耗性・耐食性・耐酸化性向上。
• ニッケル： 引張強さ向上。
• タングステン： 高温硬度・高温強度向上。
• モリブデン： 焼入れ性向上。
• バナジウム： 焼入れ性・高温硬度向上。
• アルミニウム・チタン： 脱酸剤として作用。
• ニオブ： 焼入れ性低下、延性向上により衝撃強度増大。
• コバルト： 焼入れ性低下、高温軟化抵抗性向上。

鋳鉄の種類

基本的な4種類は、白鋳鉄、灰鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、可鍛鋳鉄です。このほか、斑鋳鉄、チルド鋳鉄、合金鋳鉄があります。

1. 灰鋳鉄

最も一般的で、微細な亀裂と片状グラファイトを持つ微細構造です。破断面が灰色に見えることからこの名があります。鋼ほどの強度・衝撃吸収性はありませんが、鋼と同等の圧縮強度を持ち、圧縮荷重が重要な用途に広く使われます。グラファイトにより優れた切削加工性と耐摩耗・耐ガリング性を発揮します。

2. 白鋳鉄

表面下にセメンタイトを持ち、灰白色を呈します。灰鋳鉄と同様に微細亀裂がありますが、グラファイトの代わりにセメンタイトがあるため白く見えます。非常に硬く、優れた耐摩耗性を持ちます。高圧縮強度、高硬度、良好な耐摩耗性が特徴です。

3. ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）

マグネシウムやセリウムを微量添加し、グラファイトを球状化させた高炭素鉄合金です。1940年代に発明されました。灰鋳鉄にこれらを添加することで高強度・高延性を実現しています。

4. 可鍛鋳鉄

白鋳鉄を長時間（最大2日間）加熱後冷却する熱処理で製造されます。曲げ加工などが可能で、白鋳鉄より高い延性を持ちます。

5. 斑鋳鉄