鉄鋳物の種類

鉄鋳物の種類

この章では、さまざまな種類の鉄鋳物について説明します。

ねずみ鋳鉄鋳造

ねずみ鋳鉄の特徴は、その微細組織です。この組織は材料に亀裂を生じさせ、灰色の外観を呈します。これは最も一般的に使用される鋳鉄の種類であり、重量ベースでも最も一般的に使用される鋳物です。ねずみ鋳鉄の大部分は、2.5～4%の炭素、1～3%のシリコン、そして残りは鉄の組成で構成されています。

このタイプの鋳鉄は、鋼に比べて引張強度と耐衝撃性が低くなります。圧縮強度は低炭素鋼および中炭素鋼に匹敵します。

これらの機械的特性はすべて、ねずみ鋳鉄の微細構造中に存在する黒鉛片の形状とサイズによって制御されます。

白鋳鉄鋳造

このタイプの鉄の破断面は、セメンタイトと呼ばれる炭化鉄の析出物の存在により白色を呈します。白鋳鉄に含まれる炭素は、黒鉛ではなく、溶融安定相のセメンタイトとして溶湯から析出します。これは、黒鉛化剤としてのシリコン含有量を低くし、供給冷却速度を速くすることで実現されます。この析出後、セメンタイトは大きな粒子として形成されます。

炭化鉄の析出過程において、析出物は元の溶融物から炭素を引き込み、混合物を共晶組成に近づけます。残りの相は鉄を炭素オーステナイトに還元する過程で、冷却するとマルテンサイトに変態します。

これらの共晶炭化物は大きすぎるため、析出硬化の恩恵を受けることができません。一部の鋼種では、はるかに小さなセメンタイト析出物が存在する可能性があり、純鉄フェライトマトリックス中の転位の移動を阻害することで塑性変形を促進する可能性があります。これらの析出物は、それ自体の硬度と体積率によって鋳鉄のバルク硬度を高めるという利点があります。その結果、バルク硬度は混合則で近似することができます。

この硬度は、いずれにせよ靭性を犠牲にして得られるものです。白鋳鉄は、炭化物が材料の大部分を占めるため、一般的にセメント系に分類されます。白鋳鉄は構造部品として使用するには脆すぎますが、優れた硬度、耐摩耗性、そして低コストのため、スラリーポンプの摩耗面として使用することができます。

厚い鋳物を、溶湯を白鋳鉄として凝固させるのに十分な速度で冷却することは困難ですが、急速冷却を利用して白鋳鉄を凝固させ、その後、残りの部分をゆっくりと冷却することでねずみ鋳鉄の芯を形成することができます。この鋳物はチル鋳物と呼ばれ、表面は硬く、内部はより強靭であるという利点があります。

高クロム白鉄合金は、砂型鋳造で約10トンのインペラを大量生産する能力を有していました。これは、クロムが材料の厚い部分で炭化物を生成するために必要な冷却速度を低下させるためです。クロム元素は、優れた耐摩耗性を備えた炭化物も生成します。

可鍛鋳鉄鋳造

可鍛鋳鉄は、まず白鉄を鋳造し、その後 2 日間または 1 日間、約 950°C の温度で熱処理し、その後同じ時間冷却します。

この加熱と冷却のプロセスにより、炭化鉄中の炭素はグラファイトとフェライト、そして炭素へと変化します。これは低エネルギーのプロセスですが、表面張力によってグラファイトが薄片状ではなく球状粒子へと変化します。

球状体はアスペクト比が低いため、比較的短く、互いに離れています。また、断面積が小さく、伝播する亀裂と光子を含んでいます。片状体とは異なり、球状体は鈍い境界面を持ち、ねずみ鋳鉄に見られる応力集中の問題を軽減する役割を果たしています。全体として、可鍛鋳鉄に含まれる特性は、性質が軟らかい鋼に似ています。

ダクタイル鋳鉄

球状黒鉛鋳鉄とも呼ばれるこの鋳鉄は、黒鉛が非常に小さな塊状になっており、同心円状の層状構造をしています。このため、ダクタイル鋳鉄黒鉛片による応力集中効果のない海綿状鋼です。

含まれる炭素濃度は約3～4%、シリコンは約1.8～2.8%です。これらの合金にマグネシウムを0.02～0.1%、セリウムを0.02～0.04%の少量添加すると、グラファイトレーンエッジへの結合によるグラファイト析出の成長速度が遅くなります。

プロセス中の他の元素の慎重な制御と適切なタイミングにより、材料が凝固するにつれて炭素が球状粒子として分離する可能性があります。結果として得られる粒子は可鍛鋳鉄に似ていますが、より大きな断面を持つ部品を鋳造できます。

合金元素

鋳鉄の特性は、様々な合金元素や合金化剤を添加することで変化します。炭素と並んで、シリコン元素も溶液から炭素を押し出す力を持っています。シリコンの含有量が少ないと、この効果を十分に発揮できず、炭素が溶液中に残留し、炭化鉄が形成され、白鋳鉄が生成されます。

シリコンの割合または濃度が高いと、溶液中の炭素が押し出され、黒鉛が形成され、ねずみ鋳鉄も生成されます。その他の合金剤としては、記載されていないマンガン、クロム、チタン、そしてバナジウムがあります。これらはシリコンと相殺するだけでなく、炭素の保持を促進し、炭化物の形成も促進します。ニッケルと銅は強度と切削性を向上させるという利点がありますが、生成される炭素の量を変えることはできません。

黒鉛状の炭素は鉄を柔らかくするため、収縮効果が低下し、強度と密度が低下します。硫黄は、含まれるとほとんどの場合汚染物質となり、硫化鉄を形成して黒鉛の形成を阻害し、硬度を高めます。

硫黄の欠点は、溶融鋳鉄の粘性を高め、欠陥の原因となることです。硫黄の影響を抑制し、除去するために、溶液にマンガンが添加されます。これは、硫黄とマンガンが反応すると、鉄硫化物ではなく硫化マンガンが生成されるためです。生成された硫化マンガンは溶融物よりも軽く、溶融物から浮き上がってスラグに混入する傾向があります。

硫黄の影響を打ち消すために必要なマンガンの量は、硫黄含有量の約1.7単位に、さらに0.3%を添加する程度です。この量を超えるマンガンを添加すると、マンガン炭化物が形成され、硬度とチル化が促進されます。ただし、ねずみ鋳鉄の場合は、マンガンを最大1%添加することで強度と密度を高めることができます。ニッケルは、パーライトと黒鉛の構造を微細化する性質があり、靭性を向上させ、断面の厚さによる硬度差を均一化するため、最も一般的な合金元素の一つです。

クロムは、遊離黒鉛を減少させ、チルを生成するために少量添加されます。これは、クロムが強力な炭化物安定剤であり、場合によってはニッケルと相乗効果を発揮するためです。クロムの代わりに、少量のスズを添加することも可能です。銅は、チルを低下させ、黒鉛を精製し、流動性を向上させるために、取鍋または炉に0.5～2.5%程度添加されます。モリブデンも0.3～1%程度添加することで、チルを増加させ、黒鉛を精製し、パーライト組織を微細化することができます。

通常、ニッケル、銅、クロムと併用して高強度鋳鉄を製造します。チタン元素は脱ガス剤、脱酸剤として作用し、流動性を高めます。バナジウム元素は鋳​​鉄に0.15～0.5%の割合で添加され、セメンタイトの安定化を助け、硬度を高め、摩耗や熱の影響に対する耐性を高めます。

ジルコニウムは黒鉛の形成を助け、約0.1～0.3%の割合で添加されます。この元素は脱酸作用と流動性の向上にも役立ちます。可鍛鋳鉄の溶湯では、シリコンの添加量を増やすために、ビスマスを0.002～0.01%の割合で添加します。白銑にはホウ素が添加されます。ホウ素は延性のある鉄の製造を助け、ビスマスによる粗大化作用を軽減します。