鋳鉄（CI）鋳造の基礎：組成、色、割れ防止

合金成分は割れ時の色に影響を与えます。白鋳鉄は炭化物不純物を含み、割れが通りやすいです。灰鋳鉄はグラファイト片状組織を持ち、割れを反射して無数の新しい亀裂を生じさせます。一方、ダクタイル鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄）は球状のグラファイト「ノジュール」を持ち、破壊の進行を抑制します。

主な合金成分は、炭素（C）1.8〜4 wt.%、シリコン（Si）1〜3 wt.%です。炭素量が少なく特定の鉄合金のみを「鋼」と定義します。鋳鉄は脆いですが、可鍛鋳鉄を除きます。融点が比較的低いため流動性が良く、優れた機械加工性、変形抵抗性、耐摩耗性を発揮します。

鋳鉄は幅広い用途を持つエンジニアリング材料として確立され、管材、機械部品、自動車部品（シリンダーヘッド、エンジンブロック、ギアボックス等）に使用されます。酸化損傷にも強く、用途をさらに広げています。

鋳鉄鋳造の歴史

• 紀元前5世紀：中国江蘇省で最古の鋳鉄製品が発見。中国大陸で農具、家庭用品、武器製造に使用されていたと推定。
• 15世紀：フランス・ブルゴーニュ地方とイングランドで大砲製造に使用。大量生産が必要とされた。
• 1770年：エイブラハム・ダービー3世によって世界初の鋳鉄橋「アイアンブリッジ」が英国シュロップシャーに建設。建築構造物への利用が拡大。

工業における大量生産での鋳鉄利用

鋳鉄は主に溶銑（ピグアイアン）から製造、またはピグアイアンを再溶解して作られます。多量の鉄、鋼、石灰石、炭素（コークス）を加え、不純物除去工程を経ます。用途に応じて炭素2〜3.5%、シリコン1〜3%に調整されます。

ピグアイアンは高炉で鉄鉱石を溶かした副産物です。リンと硫黄は溶湯中で酸化除去されますが、炭素も失われるため補充が必要です。必要に応じて他の元素を添加し、鋳造により最終形状へ。かつてはキュポラ炉（特殊な高炉）で溶解していましたが、現代では電気誘導炉や電気アーク炉が主流です。溶解後、保持炉やレードルへ注がれます。

鋳鉄の特性と合金元素の影響

炭素に次いでシリコンが最も重要な合金元素で、炭素を固溶から追い出す作用があります。

• 低シリコン：炭素が固溶し、セメンタイト（Fe₃C）を形成→白鋳鉄
• 高シリコン：炭素が析出し、グラファイトを形成→灰鋳鉄

マンガン、クロム、モリブデン、チタン、バナジウムはシリコンの作用を打ち消し、炭化物生成を促進。ニッケルと銅は強度と切削性を向上させますが、グラファイト量は変えません。グラファイト化した炭素は鉄を軟らかくし、収縮を減らし、強度を下げ、密度を低下させます。硫黄（不純物として）は硫化鉄を形成し、グラファイト生成を阻害して硬度を上げますが、溶湯を粘性高くし鋳造欠陥の原因になります。これを打ち消すためマンガンを添加し、マンガン硫化物（MnS）を形成させます。MnSは溶湯より軽くスラグへ浮上します。必要マンガン量は「1.7 × 硫黄含有量 + 0.3%」です。これを超えるとマンガン炭化物が生成し硬度と冷却速度が上がります（灰鋳鉄では1%までなら強度・密度向上）。

鋳造用改質材料

• ニッケル：パーライトとグラファイト組織を微細化、延性向上、断面厚による硬度差を均一化
• クロム：遊離グラファイト減少、冷却促進、強力な炭化物安定剤。ニッケルと併用されることが多い
• 銅：0.5〜2.5%添加でチル（白口）防止、グラファイト微細化、流動性向上
• モリブデン：0.3〜1%で冷却促進、グラファイト・パーライト組織改善。Ni、Cu、Crと併用で高強度鋳鉄に
• チタン：脱ガス・脱酸剤として機能し、流動性も向上
• バナジウム：0.15〜0.5%でセメンタイト安定化、硬度・耐摩耗・耐熱性向上
• ジルコニウム：0.1〜0.3%でグラファイト生成促進、脱酸、流動性向上
• ビスマス：可鍛鋳鉄溶湯に0.002〜0.01%添加でシリコン効果増大
• ボロン：白鋳鉄への添加で可鍛鋳鉄製造を助け、ビスマスの粗大化作用を抑制

最も一般的な灰鋳鉄

灰鋳鉄はグラファイト微細組織を特徴とし、破面が灰色に見えます。重量ベースで最も広く使用される鋳鉄・鋳造材料です。典型的な組成は炭素2.5〜4.0%、シリコン1〜3%、残り鉄です。引張強度と衝撃抵抗は鋼より低いですが、圧縮強度は低・中炭素鋼と同等です。これらの機械的特性はグラファイト片のサイズと形状により制御され、ASTM規格で特性評価されます。

結論として、CI鋳造とは単に鋳鉄のことです。鉄-炭素合金の特殊グループの一員で、炭素含有量が2%以上なら鋳鉄とみなされ、非常に低い融点を持つことを意味します。合金成分により割れ時の色が変わります：白鋳鉄は炭化物不純物で割れが貫通、灰鋳鉄はグラファイト片で割れが反射・分岐、ダクタイル鋳鉄は球状グラファイト「ノジュール」で破壊進行を抑制。これがCI鋳造の全てです。