鋳鉄|鋳造で作られる鉄合金

鋳鉄

鋳鉄とは、鉄に2.14%~6.67%程度の炭素およびケイ素を主成分としたの鉄合金(Fe-C-Si)である。鋳鉄は融点が低く、鋳造(高温で溶かして流し込む加工方法)によって加工される。鋳鉄は圧縮強さや耐摩耗性に優れているが、硬くてもろく、炭素鋼に対して引張強さ、曲げ強さ、粘り強さなどの機械的性質は劣る。代表的な鋳鉄は、ねずみ鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄、可鍛鋳鉄などがある。

鋳鉄品の分類
鋳鉄品の分類

目次

鋳造のメリット

同じ形状の部品の量産や複雑な形状の部品の製造を目的とする場合、素材から鍛造や切削加工で造るより、鋳造によるほうが容易で経済的に優れている。

炭素鋼との比較

鋳鉄は炭素鋼に比べてはるかに多くの炭素量が含まれており、大部分の炭素は黒鉛(graphite)として存在している。また、炭素鋼が主に棒材や板材として成形されるのに対して、鋳鉄は融点が低いため鋳造によって作られる。

平衡状態図

平衡状態図は、鋳鉄の組織を表した図であり、炭素鋼の状態図を横軸にとり、炭素量の上限まで目盛をとっている。鋳鉄では冷却速度の違いによって、炭素(C)がセメンタイトや黒鉛に変わることが知られており、状態図では両者を表しているため、これを複平衡状態図という。同図の実線で表された鉄-セメンタイト系を準安定状態図、破線で表された鉄-黒鉛系を安定状態図と呼ぶ。

Fe-c系複平衡状態図
Fe-c系複平衡状態図

白鋳鉄

白鋳鉄は、硬くてもろいセメンタイトが主成分となる鋳鉄であり、破面は白く見える。

炭素(C)とケイ素(Si)の含有量と冷却速度

炭素(C)とケイ素(Si)の含有量と冷却速度が鋳鉄の組織に大きな影響が見られる。マウラーの組織図では、炭素(C)とシリコン(Si)に注目して、鋳鉄の組織変化を表したものである。例えば、CとSiの量が少ないと白鋳鉄、多いと黒鉛を含んだねずみ鋳鉄になることがわかる。

マウラ―組織図
マウラ―組織図

ねずみ鋳鉄

ねずみ鋳鉄(普通鋳鉄)(FC)は、黒鉛(グラファイト)が灰色に見えることから、ねずみ鋳鉄と呼ばれるようになった。FC100~350が規定されている。(数字は引張強さ(MPa)を表している。)一般に鋳鉄といえば、ねずみ鋳鉄のことである。組織は、やわらかいフェライトやフェライトとセメンタイトの層状組織であるパーライトが主成分となっている。また、鋳鉄中に分散する黒鉛が三日月状であることから片状黒鉛鋳鉄とも呼ばれる。ねずみ鋳鉄の特性は、片状黒鉛によって固体潤滑効果、高減衰能、圧縮強さなどが大きく影響される。また注意点として、ねずみ鋳鉄では、片状黒鉛が応力集中を受けて割れの起点となりやすい。

まだら鋳鉄

まだら鋳鉄とは、白鋳鉄とねずみ鋳鉄が混合した組織のものである。

球状黒鉛鋳鉄

ねずみ鋳鉄の応力集中による割れの発生を抑えるために、溶融時にMgやCeを添加し、鋳造のままで球状の黒鉛としたものが球状黒鉛鋳鉄(nodular graphite cast iron)と呼ばれる。形状が球状に近いほど機械的性質(引張強さや伸び)に優れている。延性に優れているので、塑性変形に対応でき、ダクタイル鋳鉄(ductile cast iron)とも呼ばれ、FCD370~700が規定されている。

鋳鋼

鋳鋼は、鋳鉄に比べ炭素量が少ない(0.02~2.1%)素材のため、融点が高く、凝固収縮の際、引け巣などの欠陥が生じやすい。しかし、強度や延性には優れている。

黒心可鍛鋳鉄

黒心可鍛鋳鉄(black heart malleable cast iron)とは、原料の白鉄(white pig iron)を熱処理によってフェライト組織中に割れの発生になりにくいテンパーカーボンを生成させたものである。

白心可鍛鋳鉄

白心可鍛鋳鉄は、黒心可鍛鋳鉄を鋼の成分に近づけ、延性を与えたものである。

パーライト可鍛鋳鉄

パーライト可鍛鋳鉄は、パーライト素地の中に黒鉛を分布させ、引張強度や耐摩耗性を向上させたものである。


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