鋳鉄（Cast Iron）入門：組成、用途、長所・短所を徹底解説

この記事では、鋳鉄の定義、用途、特性、組成、種類について学びます。また、鋳鉄の利点と欠点も理解できます。

鋳鉄とは？

鋳鉄は、2〜4%の炭素とさまざまな量のシリカとマンガンを含む炭素合金のグループです。また、リンや硫黄などの不純物も含みます。高炉で鉄鉱石を還元して生産され、その主原料は炉で溶融した鉄鉱石から生産される銑鉄です。この鉄は、溶融銑鉄から直接作られるか、多くの場合、大量の鉄、石灰石、鋼、コークスとともに銑鉄を再溶融して作られます。

特殊な高炉であるキュポラ炉で溶かすことができますが、より一般的には電気誘導炉や電気アーク炉で溶かされます。

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前述の通り、鋳鉄は銑鉄、石灰石、コークスから生産されます。製造プロセスはキュポラ炉でこれら3材料を再溶融することで行われます。キュポラ炉は高炉とほぼ同じで、円筒形、直径約1m、高さ約5mです。材料は炉の上部から投入され加熱されます。この時点で銑鉄の不純物は酸化によってある程度除去され、溶融鉄が形成されます。スラグは溶融鉄の上部から定期的に除去されます。溶融鉄は所望の形状を得るために型に流し込まれます。

鋳鉄の用途

鋳鉄の用途は、機械工学、建設現場、木工工場などエンジニアリングの世界で一般的です。以下に鋳鉄の用途を説明します。

• ゲート、街灯、ブラケット、小規模覆い用の鉄柱などの装飾鋳造
• 圧縮部材として使用
• 貯水槽、水道管、ガス管、下水道、衛生設備、マンホール蓋の製造
• 鉄道鎖、車輪などの製造

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鋳鉄の種類別の一般的な用途には以下があります：

• 灰鋳鉄：耐摩耗性があるため、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、筐体、ハウジングの製造に使用
• 白鋳鉄：製造時のチルド工程により脆い材料。耐摩耗・耐摩耗性が必要な用途（ショットブラストノズル、ミルライニング、鉄道ブレーキシュー、圧延ロール、スラリーポンプハウジング、クラッシャー）に使用
• ダクタイル鋳鉄：グレードに細分化可能で用途が広大。機械加工容易、優れた疲労強度と降伏強度、良好な耐摩耗性。ステアリングナックル、クランクシャフト、重荷重ギア、自動車サスペンション部品、油圧部品、自動車ドアヒンジに使用
• 可鍛鋳鉄：グレードが異なる。潤滑剤保持能力、非研磨性摩耗粒子、多孔質表面で他の研磨デブリを捕捉。重荷重軸受面、チェーン、スプロケット、連結ロッド、駆動系・車軸部品、鉄道車両に使用

鋳鉄の機械的特性

以下は鋳鉄の機械的特性です：

• 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：破断せずに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：圧縮下で破裂せずに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：材料が破損せずに与えられたサイクル数で耐えられる最高応力

他の合金元素を添加して以下の特性を付与：

• マンガン：耐摩耗性向上
• クロム：焼入れ性、耐摩耗性、耐食性、耐酸化性向上
• ニッケル：引張強度向上
• タングステン：高温硬度と高温強度向上
• モリブデン：焼入れ性向上
• バナジウム：焼入れ性と高温硬度向上
• シリコン：焼入れ性と電気抵抗率向上
• アルミニウム：鋼中の脱酸剤として作用
• チタン：鋼中の脱酸剤として作用
• ニオブ：焼入れ性を低下させ延性を向上、衝撃強度向上につながる
• コバルト：焼入れ性を低下させ高温での軟化抵抗向上

鋳鉄の種類

灰鋳鉄：

グラファイト微細構造により灰色外観を示し、破面も灰色です。引張強度と抵抗は鋼より低いが、圧縮強度は低・中炭素鋼と比較可能。鋳鉄中のグラファイト片の大きさと形状に基づき分類されます。

白鋳鉄：

「セメンタイト」と呼ばれる炭化鉄を含むため白い破面を示します。低シリコン含有量と速い冷却速度により、白鋳鉄中の炭素はグラファイトではなく準安定相セメンタイト（Fe3C）として析出します。セメンタイトは溶融物から比較的大きな粒子として析出。炭化鉄が析出すると元の溶融物から炭素が引き抜かれ、共晶組成に近づき、残存相は低炭素オーステナイト（冷却時にマルテンサイトに変態する可能性あり）。

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可鍛鋳鉄：

白鋳鉄として鋳造され、約950℃で加熱後、1〜2日冷却。炭化鉄中の炭素がグラファイトとフェライト＋炭素（オーステナイト）に変化。緩やかなプロセスにより表面張力でグラファイトが片状ではなく球状粒子を形成。

ダクタイル鋳鉄：

球状黒鉛鋳鉄またはノジュラ鋳鉄とも呼ばれます。1948年に開発。非常に小さなノジュール状のグラファイトを持ち、同心層状にグラファイトがノジュールを形成。グラファイト片が生じる応力集中効果のないスポンジ状の鋼の特性を持ち、0.02〜0.1%のマグネシウムと0.02〜0.4%のセリウム添加でグラファイト析出の成長を遅らせます。

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鋳鉄の利点と欠点

利点：

鋳鉄の様々な用途における利点を以下に示します：

• 良好な鋳造特性
• 大量に入手可能
• 材料コストが低い
• 灰鋳鉄の良好な機械加工性
• 良好な感度（感受性）
• 優れた耐摩耗性
• 20〜350℃で一定の機械的特性
• 高い耐久性
• 変形抵抗性

欠点：

良い利点があるにもかかわらず、いくつかの制限があります。以下に鋳鉄の様々な用途における欠点を示します：

• 低い引張強度
• 錆びやすい
• 厚肉部の冷却が遅いため断面敏感性がある
• 高い脆性
• 白鋳鉄は機械加工不能
• 降伏点を示さない

以上で、鋳鉄の定義、用途、特性、組成、種類について議論したこの記事を終わります。また、鋳鉄の利点と欠点も学びました。この投稿から十分な知識を得られたなら、ぜひ他の学生とも共有してください。読んでいただきありがとうございました、また次回お会いしましょう！