鋳鉄鋳物：基礎知識と産業的意義

鉄の価値の発見により、この材料が社会的・軍事的用途で優位を占めたため、いわゆる鉄器時代が到来しました。金属にとってもう一つのマイルストーンがあります。産業革命は、金属の生産方法と、鉄を含む製品への変換方法を変えました。

鋳鉄

鋳鉄は、炭素含有量が2%以上の鉄と炭素の合金を溶解して製造されます。溶解後、金属は金型に注がれます。鍛鉄と鋳鉄の製造上の主な違いは、鋳鉄がハンマーと工具で加工されないことです。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、1〜3%のシリコンが含まれ、溶湯の鋳造特性を改善します。少量のマンガンと、硫黄やリンなどの不純物も含まれる場合があります。鍛鉄と鋳鉄の違いは、化学構造と物理的特性の詳細にも見られます。

鋼と鋳鉄の両方に微量の炭素が含まれ、外観も似ていますが、両金属には大きな違いがあります。鋼は2%未満の炭素を含み、最終製品が単一の微細結晶構造で凝固することを可能にします。鋳鉄のより高い炭素含有量は、それが不均一合金として凝固することを意味し、したがって材料内に複数の微細結晶構造が存在します。

この高炭素含有量とシリコンの存在の組み合わせにより、鋳鉄は優れた鋳造性を持ちます。様々な熱処理と加工技術を用いて、グレー、ホワイト、マレーブル、ダクタイル、コンパクトグラファイトなど、様々な種類の鋳鉄が製造されます。

鋳鉄橋

鋳鉄建設部品は、金属を溶解して金型に注ぐことで製造されます。

グレー鉄

グレー鋳鉄は、金属中のグラファイト粒子のフレーク状の形状が特徴です。金属が破断すると、破断はグラファイトフレークに沿って発生し、破断した金属の表面に灰色の色を与えます。グレー鉄という名前はこの特性に由来します。

冷却速度と組成を調整することで、生産中にグラファイトフレークマトリックスのサイズと構造を制御することが可能です。グレー鋳鉄は他の形態の鋳鉄ほど延性ではなく、引張強度も低いです。しかし、より優れた熱伝導体であり、より高いレベルの振動減衰を持ちます。鋼の20〜25倍の減衰能力を持ち、他のすべての鋳鉄より優れています。グレー鋳鉄は他の鋳鉄より加工しやすく、耐摩耗性により最大級の鋳鉄製品の一つとなっています。

当社のハードスケープ製品はグレー鋳鉄製です。振動減衰と耐摩耗性は、多くのストリート用途に適した材料特性です。未加工のグレー鋳鉄は、外部でも腐食から保護するパティーナを生成します。

ホワイト鉄

適切な炭素含有量と高い冷却速度により、炭素原子が鉄と結合してセメンタイト（鉄炭化物）を形成します。これは、凝固した材料に遊離グラファイト粒子がほとんどまたは全くないことを意味します。ホワイト鉄がせん断されると、グラファイトの欠如により割れた表面が白く見えます。セメンタイトの微細結晶構造は硬く脆く、高い圧縮強度と良好な耐摩耗性を持ちます。一部の特殊用途では、製品表面にホワイト鉄があることが望ましい場合があります。これは、金型部品を作るために優れた熱伝導体を使用することで達成できます。これにより、溶湯からその特定領域の熱が速やかに除去され、鋳物の残りはよりゆっくりと冷却されます。

最も人気のあるホワイト鉄のタイプの一つはNi-Hard鉄です。クロムとニッケル合金の添加により、この製品は低衝撃滑り摩耗用途で優れた性能を発揮します。

ホワイト鉄とニハード鉄は、ASTM A532「耐摩耗鋳鉄の標準仕様」の合金分類に分類されます。

鋳鉄（マレーブル鋳鉄）

ホワイト鋳鉄は、熱処理プロセスによってさらにマレーブル鋳鉄に加工できます。広範な加熱と冷却プログラムにより、鉄炭化物粒子が分解され、遊離グラファイト粒子が鉄中に放出されます。異なる冷却速度と合金添加により、微細結晶構造を持つダクタイル鉄が得られます。

ダクタイル鉄（球状黒鉛鉄）

ダクタイル鉄、または球状黒鉛鉄は、合金にマグネシウムを添加することで特殊な特性を得ます。マグネシウムの存在により、グレー鉄のフレークとは対照的にグラファイトが球状に形成されます。製造プロセスでは組成制御が非常に重要です。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、グラファイト粒子の形状に影響を与えます。グラファイト球の周りの微細結晶構造を操作することで、様々なグレードのダクタイル鉄が製造されます。これは鋳造プロセスまたは次の加工ステップとしての熱処理によって達成されます。

ダクタイル鉄は衝撃で破片に砕けるのではなく変形するため、当社の鋳鉄柱の製造にこの材料を使用しています。ノジュラ鉄の衝撃プロファイルは、交通量の近くのボラードに適した鋳鉄です。

コンパクトグラファイト鋳鉄

コンパクトグラファイト鉄は、グレー鉄とホワイト鉄の混合であるグラファイト構造と関連特性を持ちます。微細結晶構造は、互いに付着した鈍いグラファイトフレークの周りに形成されます。チタンなどの合金が、球状グラファイトの形成を阻害する役割を果たします。コンパクトグラファイト鋳鉄は、グレー鋳鉄と比較してより高い引張強度とより良い延性を持ちます。構造と微細結晶特性は、熱処理や他の合金の添加によって調整可能です。

鋳鉄の機械的特性

材料の機械的特性は、特定の条件下でどのように反応するかを示し、異なる用途への適合性を判断するのに役立ちます。仕様は、米国試験材料学会（ASTM）などの組織によって設定され、ユーザーが自分の用途の要件を満たす材料を確信を持って購入できるようにしています。最も一般的に使用されるグレー鋳鉄仕様はASTM A48です。

仕様に従って鋳物を認定する標準的な方法は、技術的鋳造とともに試験棒を鋳造することです。ASTM試験はこの試験棒に適用され、結果は鋳物のバッチ全体を認定するために使用されます。

仕様は、鋳鉄部品を溶接する際にも重要です。溶接は、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、そうでなければ亀裂や損傷が発生する可能性があります。

鋳鉄溶接

溶接時、溶接が材料の機械的特性を満たすか超えることが極めて重要で、そうでなければ亀裂と故障を防止できません。

鋳鉄の一般的な機械的特性には以下が含まれます：

• 硬度 — 材料の耐摩耗性と耐圧痕性
• 靭性 — 材料のエネルギー吸収能力
• 延性 — 破断なしで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
• 展延性 — 破裂せずに圧縮下で変形する材料の能力
• 引張強度 — 材料が引き裂かれずに耐えられる最大の縦方向応力
• 疲労強度 — 与えられたサイクル数で破断せずに材料が耐えられる最高応力