鋳鉄 vs 鋳鋼：主な違いと用途事例

鋳鉄と鋳鋼の違いは何ですか？

鋳造は設計ディテールに優れた能力を提供し、多くの場合、追加の製造と組み立ての必要性を排除します。合成材料を含む多くの材料を鋳造できますが、特に鉄と鋼は幅広い用途に優れた機械的特性を備えています。

鋳鉄と鋼は表面上は似て見えるかもしれませんが、生産から用途までそれぞれ明確な利点と欠点があります。これらを理解し適切に選択することは、容赦ない強度と耐久性と、すぐに光沢を失って破損や変形する部品の違いを生みます。

炭素含有量が主な違い

鉄と鋼はどちらも主に鉄原子で構成される鉄系金属です。しかし製造ではそれほど単純ではありません—生産には多くの異なる合金とグレードが使用されます。それらを理解するには、日常製品に使用される鉄と、科学的元素としての鉄（Fe）を区別することが重要です。元素鉄は自然界に通常酸化形で存在し、製錬と呼ばれる集中的な処理で抽出する必要があります。

純粋な元素鉄はほとんどの用途には軟らかすぎます。炭素と合金化（混合）すると硬くなり、より有用になります。実は、炭素組成が鋳鉄と鋼の主な区別です。鋳鉄は通常2%以上の炭素を含み、鋳鋼はしばしば0.1〜0.5%の炭素を含みます。

特性

以下の表は各材料の一般的な特性の概要を示しています。考慮すべき鉄と鋼には多くの種類がありますが、この表はグレー鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、炭素鋼に焦点を当てています。

特性	グレー鋳鉄	ダクタイル鋳鉄	鋼
切削性	★
鋳造性		★
振動減衰	★
耐食性	★	★
靭性			★
脆性	★
圧縮強度		★
引張強度			★
硬度	★
用途	エンジンブロック、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、ハウジング、屋外ハードスケープ製品、フライパン、電気ボックス、装飾鋳物、ストーブ部品、重り	ボラード、現場家具、ステアリングナックル、クランクシャフト、重荷重ギア、自動車・トラックサスペンション部品、油圧部品、自動車ドアヒンジ	ボラード、産業用ホイール、鋳造ギア、バルブボディ、鉱山機械、水力タービンホイール、鍛造プレス、鉄道車両フレーム、ポンプケーシング、海洋機器、エンジンケーシング、大型トラック、建設機械

鋳造性

ほとんどの人は鉄や鋼を溶融状態で目にしたことはありません—理解できる話です。鉄は約2300°F（1260℃）、鋼は2600°F（1427℃）で溶け、両者はさらに高温で型に注がれます。液体鉄と鋼を扱う人々は、それらが注ぎやすさと収縮率で劇的に異なることをすぐに発見します。

鋳鉄は比較的鋳造しやすく、スムーズに流れ、鋼ほど収縮しません。これにより複雑な型の空洞を容易に満たし、それを行うために必要な溶融材料が少なくて済みます。この流動性により、鋳鉄はフェンスやベンチなどの建築的または装飾的な鉄構造物に理想的な金属です。

鋼を注ぐのはずっと困難です。溶融鉄より流動性が低く、型材料に対してより反応しやすいです。冷却時に収縮も大きく、より多くの溶融材料を注ぐ必要があります—通常はライザーと呼ばれる余剰貯蔵庫に注ぎ、鋳造品が冷却時にそこから引き出します。

しかし鋳造品は通常、内部構造全体で均一に冷却されるわけではありません。外側の領域と薄い部分は、内側の領域と厚い部分とは異なる速度で冷却・収縮します—多くの場合、熱処理でしか緩和できない内部応力やストレスを生みます。鋼は鉄よりも収縮応力に対してはるかに敏感で、一部の状況ではこれらの緊張が著しい内部および/または外部のボイド、および最終的な破断につながる可能性があります。

これらの理由から、鋳鋼は鋳造プロセス全体でより多くの注意と検査を必要とし、生産がよりリソース集約的になります。

切削性

最終用途に応じて、鋳造部品は特定の公差を達成したり、望ましい仕上げを作ったりするために機械加工が必要な場合があります。最低限、ゲートとランナーを切り取り、研削する必要があります。

切削性は、与えられた材料を切削または研削する容易さの尺度です。一部の材料は他より機械加工が困難です。経験則として、機械的性能を向上させるための高合金添加を持つ金属は切削性が低くなります。

鋳鉄は通常、鋼よりはるかに切削しやすいです。鋳鉄のグラファイト構造はより容易に、より均一に剥離します。白鋳鉄のような硬い鋳鉄は脆さのために機械加工がはるかに困難です。

鋼は同じ一貫性で切削するのは容易ではなく、工具摩耗が大きく、生産コストが高くなります。硬化鋼や高炭素鋼も工具摩耗を増大させます。しかし低炭素鋼が必ずしも良いわけではありません—軟らかいにもかかわらず、粘着性があって加工しにくい場合があります。

振動減衰

鋳造材料選定時には減衰特性を考慮すべきです。減衰能力の欠如は過度な振動と騒音（鳴きやキーキー音）を引き起こす可能性があります。材料が使用される場所によって、効果的な減衰はより頑丈で信頼性の高い性能をもたらします。

鋳鉄のグラファイト構造、特にグレー鋳鉄のフレーク状形成は、振動吸収に特に優れています。これにより鋳鉄はエンジンブロック、シリンダーハウジング、工作機械ベッド、頑丈さと精度が重要なその他用途に理想的です。振動を減らすことで応力を最小化し、可動部の摩耗を防止できます。

圧縮強度

圧縮強度は、物体のサイズを縮小させようとする力に材料が耐える能力です。これは材料を引き離す力とは逆です。圧縮強度は圧力と封じ込めが要因となる機械用途で有益です。通常、鋳鉄の方が鋼より圧縮強度が優れています。

衝撃抵抗

ここまでのところ、鋳鉄の方が鋼より利点が多いように見えるかもしれませんが、鋼には一つの重要な利点があります：衝撃抵抗。鋼は曲がったり、変形したり、破断したりすることなく、突然の衝撃に耐えるのに優れています。これはその靭性、高応力とひずみ力に耐える能力によるものです。

延性のない強度は、破断しやすい脆い材料を生みます—鋳鉄は延性のない強度の代表格です。脆さのため、鋳鉄の用途範囲は限られています。

同時に、失敗せずに変形できる高延性も、大きな衝撃に耐える強度がなければあまり役立ちません。例えばゴムバンドは破断せずに大きな変形を経験できますが、耐えられる力は非常に限られています。

鉄はほとんどの鋳造用途で扱いやすいかもしれませんが、鋼は多くの用途に最適な強度と延性のミックスを持ち、鋳鋼は非常にタフです。衝撃抵抗性と全方向の荷重支持特性により、鋼は多くの機械的・構造的用途で望ましく、それが鋼が世界で最も広く使用される金属である理由です。

耐食性

鉄は鋼より耐食性が優れています。両金属は水分の存在下で酸化しますが、鉄は金属の完全性への深い腐食を防ぐパティナを形成します。

腐食防止のもう一つの方法は塗装や粉体塗装、またはIronArmorによる追加保護です。基盤金属を露出させるチップや亀裂は腐食を招くため、コーティング金属には定期的なメンテナンスが重要です。

銀色の生地金属外観を維持しながら耐食性が重要な場合、合金鋼がより良い選択肢となります—特にクロムや他の合金を添加して酸化を防ぐステンレス鋼です。

耐摩耗性

鋳鉄は通常、特に摩擦摩耗状況で鋼より機械的摩耗への耐性が優れています。鋳鉄マトリックス内の一定量のグラファイト含有量がグラファイト乾式潤滑剤を生み、固体表面同士が表面品質を劣化させずに互いに滑れるようにし、摩耗しにくくします。

鋼は鉄より容易に摩耗しますが、特定の種類の摩耗には耐性がある場合もあります。特定の合金添加で鋼の耐摩耗特性を改善することもできます。

コスト

鋳鉄は、最終製品を生産するために必要な材料コスト、エネルギー、労働が低いため、鋳鋼より安価なことが多いです。生の鋼は購入コストが高く、鋳造により多くの時間と注意を要します。しかし鋳造製品を設計する際は、長期的な使用と交換コストを考慮する価値があります。製造コストが高い部品でも、長期的にはコストが安くなる場合があります。

鋼はシート、ロッド、バー、チューブ、ビームなど多くのプレファブリケート形態でも入手可能で、特定の用途に合わせて機械加工や組み立てが可能です。製品と必要数量によっては、既存鋼製品の加工がコスト効率の良い選択肢となる場合があります。

鋳鉄と鋳鋼のさまざまなタイプ

最も基本的な鋳鉄（グレー鉄）と鋳鋼（マイルドまたは炭素鋼）の特性を比較しましたが、鉄と鋼の具体的な組成と相構造は機械的特性に大きく影響します。例えば、標準的なグレー鉄の炭素は鋭いグラファイトフレークの形を取りますが、ダクタイル鉄はより球状のグラファイト構造を持ちます。フレーク状グラファイトがグレー鉄を脆くし、ダクタイル鉄の球状グラファイト粒子が靭性を向上させ、衝撃抵抗用途に適しています。

マンガンは靭性を高め、クロムは耐食性を改善するなど、合金を鉄と鋼の両方に添加して所望の特性を設計できます。炭素含有量の変化も、低炭素、標準、高炭素鋼の区別となり、量が多いほどはるかに硬い材料になります。

最終的に、鋳鉄と鋳鋼の選択は最終設置のタイプと用途に依存します。

鉄や鋼の詳細、またはカスタムプロジェクトのお見積もりについては、お気軽にお問い合わせください。

参考文献

• American Foundry Society. "Machining Cast Iron Components". afsinc.org
• American Foundry Society. "Understanding Material Specifications for Steel Castings". afsinc.org
• Machine Design. "Cast Iron". machinedesign.com
• Nickel Institute. "Cast Irons & Cast Alloys". nickelinstitute.org
• Hosford, William F. Iron and Steel. Cambridge University Press. 2012.
• Woodford, Chris. "Iron and steel". explainthatstuff.com