ホワイト鋳鉄の発見：特性、用途、メリット

鋳鉄は、質量比2〜4%の炭素、1〜3%のシリコン、および少量の微量成分を含む鉄合金です。対照的に、鋼はより低い炭素含有量と、最大質量比2%のシリコン含有量を持ちます。鋳造前にマンガン、モリブデン、セリウム、ニッケル、銅、バナジウム、チタンを限定量で合金化することで、鋳鉄をさらに最適化できます。鋳鉄中のシリコン含有量に基づき、ホワイト鋳鉄またはグレー鋳鉄として知られ、特定温度下でさらに加工することで可鍛鋳鉄やダクタイル鋳鉄を作れます。

ホワイト鋳鉄の一般的特性

鋳鉄は、溶融時に複雑な形状に容易に鋳造できることと低コストで強く支持されています。さらに、製造プロセスに大きな変更を加えることなく、組成と冷却速度を調整することで特性を容易に変更できます。鋳鋼に対するその他の主な利点は、切削加工性の良さ、振動減衰、圧縮強度、耐摩耗性、耐食性です。鋳鉄の耐食性は、シリコン、ニッケル、クロム、モリブデン、銅などの微量元素添加によって強化されます。

鋳鉄の形態と用途

鋳鉄は組成により、グレー鋳鉄、ホワイト鋳鉄、可鍛鋳鉄、ダクタイル鋳鉄に分類されます。グレー鋳鉄はグラファイト微細構造により暗灰色の破断面を持ちます。グラファイト片の存在は、セメントライト（炭化鉄）とは対照的に、シリコンの含有により炭素がグラファイトの形で安定化されるためです。一般的に、グレー鋳鉄の組成は質量比2.5〜4.0%の炭素と1.0〜3.0%のシリコンです。

グレー鋳鉄の用途

鋳鉄の最も一般的な色はグレーです。内燃機関シリンダーブロック、フライホイール、ギアボックスケース、マニホールド、ディスクブレーキローター、調理器具など、高剛性、優れた切削性、摩擦減衰、高熱出力、高熱伝導性が有益な用途で使用されます。ASTMインターナショナル標準A48はグレー鋳鉄の広く使用される分類です。この体系ではグレー鋳鉄は引張強度で格付けされ、例えばグレード20グレー鋳鉄は最小引張強度20,000psi（140MPa）を持ちます。

ホワイト鋳鉄

セメンタイト（炭化鉄Fe3C）の存在により、ホワイト鋳鉄は白色の破断面を持ちます。グラファイトとは対照的に、この形での炭素の存在は、グレー鋳鉄に比べてシリコン含有量が低いことの結果です。通常、ホワイト鋳鉄は質量比1.8〜3.6%の炭素、0.5〜1.9%のシリコン、1.0〜2.0%のマンガンを含みます。ホワイト鋳鉄は耐摩耗性が高く脆いです。微細構造に大量の炭化鉄片を含む結果、高硬度を示し、容易には切削加工できません。

ホワイト鋳鉄の用途

脆性があまり重要でない耐摩耗部品、例えばシェルライナー、スラリーポンプ、ボールミル、リフターバー、押出ノズル、セメントミキサー、管継手、フランジ、クラッシャー、ポンプインペラーなどでホワイト鋳鉄が使用されます。高クロムホワイトアイアン（ASTM A532）はホワイトアイアンの典型的なグレードで、ニッケルとクロムを含み、低衝撃の強力な耐摩耗用途に適しています。

可鍛鋳鉄

ホワイト鋳鉄の緩やかなアニーリング熱処理により、可鍛鋳鉄が形成されます。これにより、ホワイトアイアンの炭化鉄中の炭素がグラファイトに変換され、残りのマトリックスはフェライトまたはパーライトで構成されます。グラファイトは円形または結節状の形で存在します。可鍛鋳鉄は強い可鍛性と良好な延性を示します。他の鋳鉄に比べてシリコン含有量が低いため、低温での優れた亀裂耐性を示します。

可鍛鋳鉄の用途

可鍛鋳鉄は、高引張強度と延性により、電気継手と機械、手工具、管継手、ワッシャー、ブラケット、農業機器、建設ハードウェア、機械部品に使用されます。ASTM A47は可鍛鋳鉄の一般的な分類です。

ダクタイル鋳鉄

可鍛鋳鉄と同様に球状結節の形でグラファイトが存在することが特徴のダクタイル鋳鉄は、ノジュラ鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄としても知られます。可鍛鋳鉄とは異なり、ダクタイル鋳鉄はホワイトアイアンの熱処理ではなく、特定の化学組成によって形成されます。質量比3.2〜3.6%の炭素、2.2〜2.8%のシリコン、0.1〜0.22%のマンガン、さらにマグネシウム、ヒ素、銅、硫黄の低濃度を含み、グラファイト内包物の球状構造がマンガンの存在を担っています。

ダクタイル鋳鉄の実装

この鋼は微細構造により、グレーまたはホワイト鋳鉄より延性が高いです。この目的で、水道と衛生インフラ用のダクタイル鉄管として使用されます。また、熱サイクリングに耐えられるため、自動車のギアとサスペンションモジュール、ブレーキとバルブ、ポンプと油圧部品、風力タービンハウジングにも使用されます。ASTM A536は一般的にダクタイル鋳鉄として知られています。

ホワイト鋳鉄の保管と生産

鋳鉄を製造するには、鉄鉱石から鉄を除去する必要があります。高炉で鉱石を溶解し、銑鉄とスラグに分離します。炉は酸素雰囲気で約1800℃に加熱され、生成されたスラグが表面に浮上し除去できます。溶融銑鉄は質量比約3〜5%の炭素を生成します。これに鉄、石炭、コークス、石灰石を混合します。不純物がこの鉄から選択的に分離されるまで炭素含有量を低下させます。この段階でシリコンを添加して、炭素含有量をグラファイトまたはセメンタイトに変換します。その後、鉄をさまざまな形状に鋳造し、これがホワイト鋳鉄となります。