灰鋳鉄
鋳鉄の中でも特に広く利用され、フレーク状のグラファイトを含む組織が特徴的なものを灰鋳鉄と呼ぶ。亀裂を起こしやすいと誤解される場合もあるが、その片状黒鉛組織が機械的衝撃を緩和し、振動を吸収する効果を有している。そのため工作機械のベッドやエンジンブロックなど、剛性や減衰性が必要な部位に頻用される。成分中の炭素とケイ素の含有量が比較的高いため、鋳造時の流動性が良く、複雑な形状の製品を一度に成形しやすい点も特徴である。
灰鋳鉄の特徴
片状黒鉛(フレークグラファイト)が金属基に分散しており、この独特の組織が生む高い振動減衰能が灰鋳鉄の最大の強みである。また、軟質のグラファイトが切削時の摩擦を低減するため、機械加工性が優れている。一方、強度面ではダクタイル鋳鉄などの球状黒鉛鋳鉄に及ばないケースが多く、衝撃荷重や引っ張り荷重を受ける部品には不向きとされるが、実使用環境では剛性や減衰特性のメリットが大きく評価されている。
組織と機械的性質
組織中のマトリックスはpearliteやferriteを含むが、炭素量や冷却速度によりその割合が変化する。pearlite基なら強度が増し、ferrite基なら柔らかく加工性が向上する。これらに加え、フレーク状の黒鉛が割れの起点となりやすい側面もあるが、同時に振動や熱応力を吸収する機能も担っている。一般的にUTS(Ultimate Tensile Strength)は200～300MPa程度で、ダクタイル鋳鉄よりは低いものの、圧縮強度や曲げ強度は比較的高い。
生産と加工プロセス
溶解炉で銑鉄やスクラップなどを溶融し、炭素・ケイ素含有量を管理しながら鋳型へ注入するのが基本的な流れである。凝固時には黒鉛がフレーク状に析出し、これが灰鋳鉄の機械的特性を形作る。凝固後は砂落としや湯口切断、ショットブラストなどの仕上げ工程を経て最終製品となる。機械加工を行う際は、黒鉛が自己潤滑の役割を果たすため、切削性に優れた面を活かして量産ラインでも安定した加工が可能である。
用途と事例
- 工作機械のベッド：剛性と振動減衰性により高精度な切削を実現
- 自動車エンジンブロック：遮音性と加工性の両立で多くの量産車に採用
- 圧縮機のシリンダー：シール特性と耐摩耗性を活かし長寿命化に貢献
強靭化処理
火戻しや熱処理を組み合わせることで、マトリックス中のperlite量を制御し、ある程度の強度向上を図る手法が存在する。とはいえ黒鉛形状自体は変化しないため、強度強化には限界がある。仮に衝撃に強い材質を得たいならば、同じ鋳鉄系統でも球状黒鉛鋳鉄(ダクタイル鋳鉄)を選ぶほうが合理的だが、灰鋳鉄の加工性や減衰性は失われることになる。
他の鋳鉄との比較
ダクタイル鋳鉄は強度や延性に優れるが、振動吸収能力では灰鋳鉄が勝っている。またマレブル鋳鉄は可鍛性を得るために長時間の熱処理を要し、製造工程が複雑でコストが高い。一方、灰鋳鉄は製造工程が比較的容易で、流動性も確保されるため、大型かつ複雑形状の部品でも量産しやすいメリットを持つ。このように目指す特性とコストバランスに応じて最適な鋳鉄を選択する必要がある。
注意点と品質管理
- 鋳造欠陥：収縮やガス欠陥を防ぐため湯口設計と適切な温度管理が重要
- 金属組織：炭素・ケイ素含有量や冷却速度が組織中の黒鉛形態を左右
- 仕上げ加工：黒鉛粉塵が発生しやすいため、切削時の排出と環境対策に留意
機械産業との連携
産業機械や自動車部品などの大量生産ラインにおいては、灰鋳鉄を活用した一体鋳造が効率化に寄与している。大型マシニングセンタのベッドやフライホイールなど、剛性が求められる箇所で高評価を得ている一方、近年の軽量化や強度要求の高まりに伴い、ダクタイル鋳鉄やアルミ合金との競合が進んでいる。こうした中でも、振動吸収や加工性の良さは他の材料にない優位性として際立ち、今後も灰鋳鉄は適材適所で選ばれ続けると考えられる。