鋳鉄完全ガイド：種類、成分、不純物の影響、特性、用途
鋳鉄とは
鋳鉄は、ピグ鉄をコークスと石灰石とともにキュポラ炉で再溶解して得られます。鉄と炭素の合金で、鋳鉄中の炭素含有量は1.7%～4.5%です。また、シリコン、硫黄、マンガン、リンを微量含みます。
炭素は以下の2形態で存在します：
-
遊離炭素（グラファイト）
結合炭素（セメンタイト）
工学的に価値ある鋳鉄の重要特性：
- 低コスト
- 優れた鋳造性
- 高い圧縮強度
- 耐摩耗性
- 優れた切削加工性
鋳鉄の圧縮強度は引張強度より大きいです。
鋳鉄の極限強度値：
- 引張：100～200 N/mm²
- 圧縮：400～1000 N/mm²
- せん断：120 N/mm²
鋳鉄の種類
工学目的で使用される鋳鉄の種類は以下の通りです：
- 灰鋳鉄
- 白鋳鉄
- チルド鋳鉄
- まだら鋳鉄
- 可鍛鋳鉄
- ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）
- 合金鋳鉄
灰鋳鉄
灰鋳鉄は市販鋳鉄で以下の組成を持ちます：
炭素：3～3.5%、シリコン：1～2.75%、マンガン：0.40～1%、リン：0.15～1%、硫黄：0.02～0.15%、残部鉄。
灰色は炭素が遊離グラファイトとして存在するためです。灰鋳鉄は高圧縮強度、低引張強度、延性なしで容易に機械加工できます。
灰鋳鉄の優れた特性は、組織中の遊離グラファイトが潤滑剤として働くことです。このため、摺動作用が求められる部品に最適です。
灰鉄鋳物は工作機械本体、管および管継手、自動車シリンダーブロック、農業機械などに広く使用されます。
白鋳鉄
白鋳鉄は白色破面を示し、以下の相対的組成を持ちます：
炭素：1.75～2.3%、シリコン：0.85～1.2%、マンガン：0.10～0.40%、リン：0.05～0.20%、硫黄：0.12～0.35%
炭素がセメンタイト（セメンタイト）の形で存在するため白色になります。セメンタイトは鉄の最硬成分で、溶湯の急冷を引き起こします。白鋳鉄は高引張強度・低圧縮強度のため機械加工できません。
劣った鋳物や硬い表面が必要な場所（自動車車輪の外周など）に利用されます。可鍛鋳鉄と錬鉄の製造原料としても使用されます。
チルド鋳鉄
溶湯の急冷によって生産される白鋳鉄です。急冷を一般にチルと呼び、こうして生産された鉄をチルド鉄と呼びます。全ての鋳型は外皮の冷却砂で溶湯と接触しますが、ほとんどの鋳物ではこの硬化層はごく浅い（1mm未満）です。
意図的にチルさせる場合もあれば、偶然かなりの深さまでチルになる場合もあります。意図的チルは、鋳型に鉄または鋼のインサートを挿入して行います。溶融金属がチルと接触すると熱が急速に伝導され、硬い表面が形成されます。
チルは摩耗と摩擦に耐える必要がある鋳物面に使用されます。チル処理は穀物粉砕ロールやジョークラッシャープレートの鋳造、鉄道車輪の走行面にも用いられます。
まだら鋳鉄
灰鋳鉄と白鋳鉄の中間的な組成、色、特性を持ちます。特定の摩耗面がチルされた鋳物で得られます。
可鍛鋳鉄
可鍛鋳鉄は、白鋳鉄を適切な熱処理（焼鈍）によって得られます。焼鈍プロセスで白鋳鉄の結合炭素が遊離グラファイトの結節に分離されます。
可鍛鋳鉄は延性があり、破断や断面の割れなしに曲げ可能です。引張強度は灰鋳鉄より高く、優れた機械加工性を持ちます。
鋼鍛造品が高価で、ある程度の金属精度が必要な機械部品の製造に使用されます。
例：貨車車輪ハブ、鉄道車両小部品、ブレーキサポート、農業機械部品、管継手、ドアヒンジ、錠前など。
ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）
球状黒鉛鋳鉄（S.G.鋳鉄）または高強度鋳鉄とも呼ばれます。溶湯鋳鉄にマグネシウムを添加して生産します。マグネシウムにより鋳鉄のグラファイトが片状から球状・結節状に変化します。
これにより機械的特性が大幅に改善されます。ダクタイル鋳鉄は鋼のように振る舞います。通常、耐圧鋳物、油圧シリンダー、シリンダーヘッド、圧延ロール、遠心鋳造品に使用されます。
合金鋳鉄
上記で説明した鋳鉄は普通鋳鉄と呼ばれます。合金鋳鉄はニッケル、クロム、モリブデン、銅、シリコン、マンガンなどの元素を添加して生産されます。
これらの合金元素により強度が向上し、特性が改善されます。
合金鋳鉄の組成：
- 炭素：0.02%
- シリコン：0.15%
- マンガン：0.03%
- リン：0.12%
- 硫黄：0.02%
- スラグ：3%（重量比）、残部鉄
不純物が鋳鉄に与える影響
鋳鉄にはシリコン、硫黄、マンガン、リンが少量含まれます。これら不純物の影響は以下の通りです：
- シリコン
- 硫黄
- マンガン
- リン
シリコン
鋳鉄中に最大4%存在します。遊離グラファイトの形成を促進し、鉄を軟らかくして切削加工しやすくします。酸素に対する親和性が高いため、材料中のブローホールのない健全な鋳物を生み出します。
硫黄
鋳鉄を硬く脆くします。過剰な硫黄は不健全な鋳物を生むため、ほとんどの鋳造目的では0.1%未満に抑えるべきです。
マンガン
鋳鉄を白く硬くします。通常0.75%以下に抑えられます。硫黄の有害影響を制御するのに役立ちます。
リン
鋳鉄の融解性と流動性を助けますが、脆性を引き起こします。1%を超えることは稀です。リン酸鉄は複雑な設計の鋳物や、安価さが必須な軽工学鋳物に有用です。
鋳鉄の特性
鋳鉄の特性：
- 耐食性が良好で、給水管などに使用可能
- 磁石に吸着されない
- 融点は約1250℃
- 比重は7.5
- 引張強度約150N/mm²、圧縮強度約600N/mm²で圧縮に強い
- 塩水中で軟化し、冷却時に収縮する
- 塑性がないため鍛造作業には不向き
鋳鉄のメリット
- 機械加工性と鋳造性に優れる
- 耐摩耗性と振動減衰性に優れる
- 大きな荷重に耐え、耐食性も良好
- 引張強度と伸びは低い
- 高価な機械加工なしで複雑な形状・寸法に成形可能
- 低コストで入手可能だが耐久性は低い
鋳鉄のデメリット
- 引張強度が低い
- 厚肉部の徐冷却により断面感受性がある
- 破壊が突然かつ全面的で、降伏点を示さない
- 鋼と比較して機械加工性が劣る
- 脆性が高い
鋳鉄の用途
- 流体輸送用パイプの製造
- 各種機械の製造
- 自動車部品の製造
- 船舶アンカーの製造
- 鍋、フライパン、調理器具などの調理用具
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産業技術