鍛鉄 vs 鋳鉄：主な違いと用途

違いは何か？それぞれの用途を学ぶ

鋳鉄と鍛鉄は初期の鉄工における交換可能な用語だと考えがちですが、両者には天と地ほどの違いがあります。

鍛鉄は加熱して工具で加工した鉄です。

鋳鉄は溶かして鋳型に流し込み、凝固させた鉄です。

鋳鉄と鍛鉄の根本的な違いは製造方法にあります。違いは名前にも表れています：「鍛（wrought）」はwork（加工）の過去分詞（「加工された鉄」）、一方「鋳（cast）」は鋳造プロセスで形成されたものを表します。

異なる製造方法により、異なる長所と短所を持つ金属が生まれます。これが鋳鉄のフェンスや鍛鉄のフライパンを見かけない理由です。

鍛鉄とは？

鍛鉄は主に元素鉄で構成され、少量（1〜2%）のスラグ（製鉄の副産物、一般にシリコン、硫黄、リン、アルミニウム酸化物の混合物）が添加されています。鍛鉄は材料を繰り返し加熱し、工具で変形させることで作られます。

鍛鉄は高い延性を持ち、加熱・再加熱して様々な形状に加工できます。鍛鉄は加工すればするほど強くなり、繊維状の外観が特徴です。鍛鉄は鋳鉄より炭素含有量が少なく、より柔らかく延性があります。また疲労に強く、大きな圧力がかかっても破断前に大きな変形を示します。

「鍛鉄」という用語は今日しばしば誤用されています。歴史的な鍛鉄製品に似たデザインを、使用金属に関わらず指して使われることがよくあります。 コールド状態で機械曲げされた軟鋼や、黒く塗装された鋳鋼・鋳鉄製品も、鍛鉄製品として誤ってラベリングされることがよくあります。真に鍛鉄と指定されるには、鍛冶屋が加熱してハンマーで叩いて形作った金属片でなければなりません。

鍛鉄は紀元前2000年頃からアナトリア半島（現トルコ）で使用され、19世紀を通じて建設で広く使用されました。しかし、20世紀の冶金学の進歩により、機械加工と溶接による金属部品成形がより容易かつ安価になりました。比較的高価で時間のかかる鍛冶作業は、1970年代半ばには大規模商業実践として終了しました。つまり、今日存在する真の鍛鉄製品のほとんどはアンティークか、地元の職人によって鍛造された特注品です。

鋳鉄とは？

鋳鉄はさまざまな鉄合金を指すことができますが、最も一般的にはグレイ鋳鉄に関連付けられます。名前に「鉄」とありますが、純粋な元素鉄（周期表のFe）ではありません。実際には2〜4%の炭素、少量のシリコンとマンガンを含む合金です。硫黄やリンなどのその他の不純物も一般的です。

鋳鉄は鉄鉱石を製錬するか、銑鉄（鉄鉱石抽出の中間製品）を溶かし、スクラップ金属や他の合金と混合して形成されます。液体混合物を鋳型に流し込み、冷却凝固させます。

最終結果は強いが脆いです。より高い炭素含有量により、鋳鉄は不均質合金として凝固し、微細構造内に複数の構成要素、または異なる相の材料を含みます。

この混合微細構造が鋳鉄の独特な物理的特性を与えます。内部炭素粒子が破壊につながる内部応力ポイントを作ります。鋳鉄は鍛鉄より硬く、脆く、延性が低いです。曲げたり、伸ばしたり、ハンマーで形作ったりすることはできません。弱い引張強度のため、曲がったり歪んだりする前に破壊されます。しかし、優れた圧縮強度を備えています。

鋳造は鍛鉄製造よりはるかに労働集約度が低く、18世紀と19世紀を通じて主要な生産形態でした。鋼材と自動機械加工技術の登場により一部産業での鋳造の役割は減少しましたが、多くの分野でコスト効果的で広く使用されるプロセスであり続けています。鋼材が建設では鋳鉄をほぼ完全に置き換えた一方で、機械加工より鋳造の方が容易な複雑な形状の製品では鋳鉄が依然として人気です。鋳鉄は鋼材より鋳型材料との反応性が低く、融点が低いためより流動的です。

ダクタイル鋳鉄：強度と汎用性

ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄とも呼ばれる）は、1940年代に研究者たちによって開発された現代的で独自の鋳鉄形態です。選択的な合金（最初はマグネシウム-銅合金、最終的にセリウム）を添加することで、炭素原子を鋳鉄とは異なる微細構造に操作できることを発見しました。ダクタイル鋳鉄の微細構造は亀裂形成を防ぎ、脆さなしで鋳鉄の利点を持つ金属を生み出します。

ダクタイル鋳鉄は複数のグレードで製造可能で、高延性と引張強度を実現できます。オーステンパー・ダクタイル鋳鉄は追加熱処理により、さらに優れた機械的特性と耐摩耗性を持ちます。

ダクタイル鋳鉄は冷却時の収縮が比較的少なく、精密鋳造に最適です。ダクタイル鋳鉄は「鋳造のまま」で使用されることが多く、熱処理を必要としません。これは特に長期的に製造コスト削減に役立ちます。

腐食への配慮

鋳鉄と鍛鉄は、裸の表面が水分の存在下で酸素にさらされると両方とも腐食しやすくなります。これは降水と湿度へのほぼ恒常的な曝露がある屋外環境では課題となります。他の金属が保護的酸化被膜を形成するのとは異なり、鉄は十分な時間が与えられると完全に錆びて剥離します。

錆を防ぐには、鉄製品をコーティングして露出を防ぐ必要があります。塗料は裸金属のコーティングと保護に一般的に使用されます。粉体塗装は、人通りの多いエリアで摩耗しやすい屋外ファニシングに理想的なもう一つの方法です。粉体塗装は高耐久性で、長期間にわたって褪色、剥離、割れしません。

歴史的保存

マサチューセッツ州リンカーンからネブラスカ州リンカーン、オンタリオ州リンカーンまで、北米は歴史に富んでいます。すべての町には語るべき物語があり、これらの町の建物は人々と同様に過去を形作る上で重要な役割を果たしてきました。

建築用鉄と金属細工で歴史的建造物を修復する際、品質と真正性は極めて重要です。ボラード、門、フェンス、灯柱、公園ベンチなどの大型屋外要素は、歴史的時代に忠実な雰囲気を設定する上で重要な役割を果たします。現代の鋳造所は、歴史的図面やオリジナル構造物自体から設計の手がかりを得て、初期の金属細工を再現できます。

鋳鉄に関する詳細情報や、カスタムプロジェクトのお見積りについては、お気軽にお問い合わせください。

参考文献

• Encyclopedia Britannica. “Cast iron”.
• Encyclopedia Britannica. “Wrought iron”.
• Engineer's Handbook. “Cast Iron”.
• Ductile Iron Society. “Ductile Iron Data for Design Engineers”.