鋳鉄

塗装された鋳鉄製の装飾格子（左）と鋳鉄製の調理用フライパン（右）

鋳鉄は、炭素含有量が2%以上、ケイ素含有量が1～3%程度の鉄-炭素合金の一種です。 [ 1 ]鋳鉄の有用性は、比較的低い融点に由来します。合金元素によって炭素の形態が決まります。白鋳鉄は炭素が炭化鉄化合物セメンタイトと結合しており、これは非常に硬いものの脆く、亀裂が貫通するのを許します。ねずみ鋳鉄は黒鉛片を含み、通過する亀裂を逸らし、材料が破壊する際に無数の新しい亀裂を発生させます。球状黒鉛鋳鉄は球状黒鉛「ノジュール」を含み、亀裂のそれ以上の進行を阻止します。

炭素（C）は1.8～4重量％、ケイ素（Si）は1～3重量％で、鋳鉄の主な合金元素です。炭素含有量が少ない鉄合金は鋼と呼ばれます。

鋳鉄は、可鍛鋳鉄を除き、脆い傾向があります。比較的低い融点、良好な流動性、鋳造性、優れた被削性、耐変形性、耐摩耗性を有する鋳鉄は、幅広い用途を持つエンジニアリング材料となっており、パイプ、機械、そしてシリンダーヘッド、シリンダーブロック、ギアボックスケースなどの自動車部品に使用されています。一部の合金は酸化による損傷に耐性があります。一般的に、鋳鉄は溶接が非常に難しいことで知られています。

最も古い鋳鉄製の遺物は紀元前8世紀に遡り、現在の中国江蘇省で考古学者によって発見されました。古代中国では鋳鉄は戦争用、農業用、建築用の兵器を大量生産するために使用されていました。[ 2 ] 15世紀には、フランスのブルゴーニュや宗教改革時代のイギリスで鋳鉄は大砲や砲弾に利用されるようになりました。大砲に使用される鋳鉄の量は、大規模生産を必要としました。[ 3 ]最初の鋳鉄製の橋は1770年代にアブラハム・ダービー3世によって建設され、イギリスのシュロップシャーにあるアイアンブリッジとして知られています。鋳鉄は建物の建設にも使用されました。

生産

鋳鉄は、高炉で鉄鉱石を溶かした銑鉄から作られます。鋳鉄は、溶けた銑鉄から直接作ることも、銑鉄を再溶解して作ることもできます。[ 4 ]多くの場合、大量の鉄、鋼、石灰石、炭素（コークス）と一緒に再溶解し、さまざまな手順で不要な汚染物質を除去します。リンと硫黄は溶けた鉄から燃え尽きますが、炭素も燃え尽きてしまうため、補充する必要があります。用途に応じて、炭素とシリコンの含有量は、それぞれ 2～3.5% と 1～3% の範囲で必要なレベルに調整されます。必要に応じて、最終製品が鋳造される前に、他の元素が溶湯に加えられます。

鋳物工場で溶融鋳鉄を生砂型に注ぐ際に、流体中に接種を行う。

鋳鉄は、キューポラと呼ばれる特殊なタイプの高炉で溶解されることもありますが、現代の用途では、電気誘導炉または電気アーク炉で溶解されることが多くなっています。[ 5 ]溶解が完了すると、溶けた鋳鉄は保持炉または取鍋に注がれます。[ 6 ]

種類

合金元素

鉄-セメンタイト準安定図

鋳鉄の特性は、さまざまな合金元素、つまり合金剤を加えることで変わります。炭素の次に重要な合金剤はシリコンです。シリコンは炭素を溶解から追い出すからです。シリコンの比率が低いと炭素は溶解したままになり、炭化鉄を形成して白鋳鉄になります。シリコンの比率が高いと炭素が溶解から追い出され、黒鉛を形成してねずみ鋳鉄になります。その他の合金剤、マンガン、クロム、モリブデン、チタン、バナジウムはシリコンの働きを打ち消し、炭素の保持と炭化物の形成を促進します。ニッケルと銅は強度と機械加工性を高めますが、形成される黒鉛の量は変わりません。黒鉛になった炭素は鉄を柔らかくし、収縮を減らし、強度と密度を下げます。硫黄は存在すると大部分が汚染物質ですが、硫化鉄を形成して黒鉛の形成を防ぎ、硬度を上げます。硫黄は溶融鋳鉄の粘性を増し、欠陥の原因となります。硫黄の影響を打ち消すためにマンガンが添加されます。これは、鉄と硫黄が硫化鉄ではなく硫化マンガンを形成するためです。硫化マンガンは溶湯よりも軽いため、溶湯から浮き上がってスラグに流れ込む傾向があります。硫黄を中和するために必要なマンガンの量は、硫黄含有量の1.7倍 + 0.3%です。この量を超えてマンガンを添加すると、マンガン炭化物が形成され、硬度と冷却性が向上します。ただし、ねずみ鋳鉄では、マンガンを最大1%添加することで強度と密度が向上します。[ 7 ]

ニッケルは、パーライトおよびグラファイト構造を微細化し、靭性を向上させ、断面の厚さ間の硬度の差を均一化することから、最も一般的な合金元素の 1 つです。クロムは、遊離グラファイトを減らしてチルを生成するために少量追加され、強力な炭化物安定剤であることから、ニッケルと一緒に追加されることがよくあります。 0.5% のクロムの代替として、少量のスズを追加できます。銅は、チルを減らし、グラファイトを微細化し、流動性を高めるために、取鍋または炉内に 0.5～2.5% 程度追加されます。モリブデンは、チルを増加させ、グラファイトとパーライト構造を微細化するために 0.3～1% 程度追加されます。モリブデンは、高強度鉄を形成するために、ニッケル、銅、およびクロムと一緒に追加されることがよくあります。チタンは、脱ガス剤および脱酸剤として追加されますが、流動性も高めます。鋳鉄には、セメンタイトを安定化させ、硬度を高め、耐摩耗性と耐熱性を向上させるために、0.15～0.5％のバナジウムが添加されます。0.1～0.3％のジルコニウムは、黒鉛の形成、脱酸、流動性の向上に役立ちます。[ 7 ]

可鍛鋳鉄の溶湯には、シリコンの添加量を増やすためにビスマスが0.002～0.01%添加されます。白銑には、可鍛鋳鉄の製造を促進するためにホウ素が添加されます。ホウ素はビスマスの粗大化効果も低減します。[ 7 ]

ねずみ鋳鉄

1576年、イギリスの火おこし器のペア。火おこし器付きのこれらは、金属の強度をあまり必要としなかったため、初期の鋳鉄の一般的な用途でした。

ねずみ鋳鉄は、黒鉛質の微細構造を特徴とし、材料の破壊は灰色の外観を呈する。これは最も一般的に使用される鋳鉄であり、重量ベースで最も広く使用されている鋳造材料である。ほとんどの鋳鉄の化学組成は、炭素2.5～4.0%、シリコン1～3%、残りは鉄である。ねずみ鋳鉄は鋼に比べて引張強度と耐衝撃性が低いが、圧縮強度は低炭素鋼および中炭素鋼に匹敵する。これらの機械的特性は、微細構造中に存在する黒鉛片の大きさと形状によって制御され、 ASTMのガイドラインに従って特性評価することができる。[ 8 ]

白鋳鉄

白鋳鉄は、セメンタイトと呼ばれる炭化鉄の析出物が存在するため、白い破面を呈します。シリコン含有量（黒鉛化剤）が低く、冷却速度が速いため、白鋳鉄内の炭素は、黒鉛ではなく、準安定相のセメンタイト（Fe 3 C）として融液から析出します。融液から析出したセメンタイトは、比較的大きな粒子として形成されます。炭化鉄が析出すると、元の融液から炭素が引き出され、混合物は共晶に近い状態へと変化します。残った相は、より低い鉄 - 炭素のオーステナイト（冷却するとマルテンサイトに変化する場合があります）です。これらの共晶炭化物は大きすぎて、析出硬化と呼ばれる利点を提供できません（一部の鋼では、はるかに小さなセメンタイト析出物が、純粋な鉄フェライトマトリックスを通る転位の動きを妨げることで、塑性変形を抑制する場合があります）。むしろ、それらはそれ自体の非常に高い硬度とかなりの体積分率によって鋳鉄のバルク硬度を高めるので、バルク硬度は混合則で近似できます。いずれにせよ、それらは靭性を犠牲にして硬度を提供します。炭化物が材料の大部分を占めるので、白鋳鉄はサーメットとして適切に分類できます。白鋳鉄は多くの構造部品に使用するには脆すぎますが、硬度と耐摩耗性が良好で比較的低コストであるため、スラリーポンプの摩耗面（インペラーとボリュート） 、ボールミルと自生粉砕機のシェルライナーとリフターバー、石炭粉砕機のボールとリングなどの用途に使用されています。

チルド鋳鉄ロールの断面

厚い鋳物を、溶融金属を白鋳鉄として完全に凝固させるのに十分な速さで冷却することは困難です。しかし、急速冷却によって白鋳鉄の殻を凝固させ、その後、残りの部分をゆっくりと冷却してねずみ鋳鉄の芯を形成することは可能です。こうして得られた鋳物はチル鋳物と呼ばれ、表面は硬く、内部はやや強靭であるという利点があります。

高クロム白鉄合金は、砂型鋳造による大型鋳物（例えば10トンのインペラ）を可能にします。これは、クロムが材料の厚い部分に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。また、クロムは優れた耐摩耗性を持つ炭化物も生成します。[ 9 ]これらの高クロム合金は、クロム炭化物の存在によって優れた硬度を実現しています。これらの炭化物の主な形態は、共晶炭化物または一次M 7 C 3炭化物です。ここで「M」は鉄またはクロムを表し、合金の組成によって異なります。共晶炭化物は、中空の六角形の棒の束として形成され、六角形の底面に対して垂直に成長します。これらの炭化物の硬度は1500～1800HVの範囲です。[ 10 ]

可鍛鋳鉄

可鍛鋳鉄は、白鋳鉄から約 950 °C (1,740 °F) で 1 日か 2 日熱処理した後、1 日か 2 日かけて冷却することで作られます。その結果、炭化鉄内の炭素がグラファイトとフェライトおよび炭素に変化します。このゆっくりとしたプロセスにより、表面張力によってグラファイトが薄片ではなく球状粒子になります。球状体はアスペクト比が低いため、比較的短く、互いから離れており、伝播する亀裂やフォノンに対する断面積が小さくなります。また、薄片とは異なり境界が鈍いため、ねずみ鋳鉄で見られる応力集中の問題が緩和されます。一般に、可鍛鋳鉄の特性は軟鋼に似ています。可鍛鋳鉄は白鋳鉄から作られるため、鋳造できる部品の大きさには限界があります。

ダクタイル鋳鉄

1948 年に開発された球状黒鉛鋳鉄またはダクタイル鋳鉄は、黒鉛が非常に小さな結節状になっており、同心円状の層となって結節を形成しています。その結果、球状黒鉛鋳鉄は海綿状の鋼の特性を持ちますが、黒鉛の薄片が引き起こす応力集中の影響はありません。炭素含有量は 3～4%、シリコン含有量は 1.8～2.8% です。これらの合金に添加されるマグネシウムは 0.02 ～ 0.1% 、セリウムはわずか 0.02 ～ 0.04%で、黒鉛面の端に結合して黒鉛析出物の成長を遅らせます。他の元素とタイミングを慎重に制御することで、材料が凝固するにつれて炭素が球状粒子として分離します。特性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。

鋳鉄の比較品質表

鋳鉄の比較特性[ 11 ]
名前 公称組成[重量%] フォームとコンディション 降伏強度 [ ksi (0.2% オフセット)] 引張強度 [ksi] 伸長 [％] 硬度 [ブリネル硬度] 用途
ねずみ鋳鉄（ASTM A48） C 3.4、Si 1.8、Mn  0.5 キャスト — 50 0.5 260 エンジンの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、工作機械のベース
白鋳鉄 C 3.4、Si 0.7、Mn 0.6 キャスト（キャスト通り） — 25 0 450 ベアリング面
可鍛鋳鉄（ASTM A47） C 2.5、Si 1.0、Mn 0.55 鋳造（焼鈍） 33 52 12 130 車軸ベアリング、トラックホイール、自動車用クランクシャフト
延性鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄 C 3.4、P 0.1、Mn 0.4、Ni  1.0、Mg 0.06 キャスト 53 70 18 170 ギア、カムシャフト、クランクシャフト
延性鋳鉄または球状黒鉛鋳鉄（ASTM A339） — 鋳造（焼入れ焼戻し） 108 135 5 310 —
ニッケルハードタイプ2 C 2.7、Si 0.6、Mn 0.5、Ni 4.5、Cr 2.0 砂型鋳造 — 55 — 550 高強度アプリケーション
Niレジストタイプ2 C 3.0、Si 2.0、Mn 1.0、Ni 20.0、Cr 2.5 キャスト — 27 2 140 耐熱性と耐腐食性

歴史

中国江蘇省で紀元前8世紀の鋳鉄製の遺物が発見された。
漢代の高炉送風機のジオラマ模型
滄州の鉄獅子、中国に現存する最大の鋳鉄製芸術品、953年、後周時代
鋳鉄製の「ハブなし」排水・通気管（DWV）配管
グランドピアノの鋳鉄製「ハープ」

鉄鉱石をフラックスとして銅を製錬する際に、鋳鉄や錬鉄が意図せず生成されることがあります。 [ 12 ]：47–48

最古の鋳鉄製遺物は紀元前8世紀に遡り、中国戦国時代に現在の江蘇省蘆河県で考古学者によって発見されました。これは、遺物の微細構造の分析に基づいています。[ 2 ]

鋳鉄は鋳型に流し込むことで、他の伝統的な金属加工技術では困難あるいは不可能な複雑な形状を作ることができます。しかし、鋳鉄は比較的脆いため、鋭利な刃や柔軟性が求められる用途には適していません。圧縮には強いですが、引張には弱いのです。鋳鉄は紀元前8世紀に中国で発明され、鋤や鍋、武器や仏塔を作るために鋳型に流し込まれました。[ 13 ]鋼鉄の方が望ましいものでしたが、鋳鉄の方が安価であったため、古代中国では道具には鋳鉄の方が一般的に使用され、錬鉄や鋼鉄は武器に使用されました。[ 2 ]中国では、鋳鉄を焼きなます方法を開発しました。これは、高温の鋳物を酸化雰囲気に1週間以上置いて表面近くの炭素を焼き尽くし、表面層が脆くなりすぎないようにするものです。[ 14 ] : 43

中央アフリカの森林地帯コンゴ地方の奥地では、1000年以上も前に鍛冶屋が高温に耐えられる精巧な炉を発明しました。溶接、はんだ付け、そしてるつぼで鋳鉄を鋳型に流し込んだ例が無数に見られます。これらの技術は、鋳鉄または鋼鉄の刃と柔らかく柔軟な錬鉄製の内部を持つ複合工具や武器の製造に用いられました。鉄線も製造されました。初期のヨーロッパ人宣教師たちは、ルバ族が鋳鉄を鋳型に流し込んで鍬を作っていたという証言を数多く残しています。 [ 15 ]ルバ族の遺物の金属組織学的分析からも、鋳鉄の使用が示唆されています。[ 16 ]

鋳鉄の技術は中国から西洋に伝わった。[ 17 ] 13世紀のカズヴィニやその後の他の旅行者は、カスピ海の南にあるアルブルズ山脈の製鉄産業について述べている。ここはシルクロードに近いため、中国由来の鋳鉄技術の使用は考えられる。[ 17 ] 15世紀に西洋に導入されると、鋳鉄は大砲や砲弾に使用された。ヘンリー8世（在位1509-1547年）は、イギリスで大砲の鋳造を開始した。すぐに、イギリスの製鉄工は高炉を使用して鋳鉄製の大砲を製造する技術を開発し、これは当時普及していた青銅製の大砲よりも重いものの、はるかに安価であり、イギリスの海軍をより強力な武装にすることができた。

当時、イギリスの多くの高炉で鋳鉄製の鍋が製造されていました。1707年、エイブラハム・ダービーは、従来の製法よりも薄く、したがってより安価な鍋（およびケトル）を製造する新しい方法の特許を取得しました。これにより、彼のコールブルックデール製鉄所は鍋の供給元として主流となり、1720年代と1730年代には、他の少数のコークス燃焼高炉もこれに加わりました。

イギリスでは、1743年に蒸気機関による送風ふいごの駆動（間接的に水車に水を送ること）が始まり、1750年代にはその利用が拡大しました。これは鋳鉄生産量の増加に大きく貢献し、その後数十年間で生産量は急増しました。水力の限界を克服しただけでなく、蒸気と水による送風は炉内温度を高め、より高い石灰比率の使用を可能にしました。これにより、（当時は木材の供給が不足していた）木炭からコークスへの転換が可能になりました。[ 18 ] : 122

ウィールドの鉄工たちは1760 年代まで鋳鉄の生産を続け、王政復古後は武器が鉄の主な用途の 1 つとなった。

鋳鉄橋

鋳鉄が構造目的で使用されるようになったのは、1770年代後半、エイブラハム・ダービー3世がアイアンブリッジを建設したときです。ただし、コールブルックデールの高炉などではすでに短い梁が使用されていました。トーマス・ペインが特許を取得した発明など、他の発明も続きました。産業革命が加速するにつれて、鋳鉄製の橋は一般的になりました。トーマス・テルフォードはビルドワスの上流の橋にこの素材を採用し、その後、シュルーズベリー運河のロングドン・オン・ターンにある運河トラフ水路橋であるロングドン・オン・ターン水路橋に採用しました。その後、チャーク水路橋とポントカサルテ水路橋が建設され、どちらも最近の修復後も引き続き使用されています。

橋梁建設において鋳鉄を使用する最良の方法は、アーチ構造を用いることでした。これにより、すべての材料が圧縮状態になります。鋳鉄は、石材と同様に、圧縮に対して非常に強い性質を持っています。錬鉄は、他のほとんどの種類の鉄、そして一般的なほとんどの金属と同様に、引張に対して強く、また、破損しにくい強靭性も備えています。構造用途における錬鉄と鋳鉄の関係は、木と石の関係に似ていると考えることができます。

鋳鉄製の梁橋は、1830年にリバプール・アンド・マンチェスター鉄道のマンチェスター終点のウォーター・ストリート橋など、初期の鉄道で広く使用されていたが、開通から1年も経たない1847年5月、チェスターのディー川にかかるチェスター・アンド・ホーリーヘッド鉄道の新しい橋が崩落し、5人が死亡したことで、鋳鉄製梁橋の使用に関する問題が極めて明らかになった。ディー橋の惨事は、通過する列車によって梁の中央に過度の荷重がかかったことが原因で、多くの同様の橋が取り壊されて錬鉄製の橋で再建されなければならなかった。この橋は構造を強化すると誤って考えられていた錬鉄製のストラップでトラス構造になっていたため、梁の中央が曲げられ、下端が張力を受けていたが、鋳鉄は石積みと同様にその部分で非常に弱い。

しかしながら、鋳鉄は構造上不適切な用途で使用され続け、 1879年のテイ鉄道橋の事故によってその使用に深刻な疑問が投げかけられました。テイ橋では、タイバーとストラットを固定するための重要なラグが柱と一体に鋳造されており、事故の初期段階で破損しました。さらに、ボルト穴もドリルで穴を開けるのではなく、鋳造で作られていました。そのため、鋳造の抜き勾配により、タイバーからの張力は穴の端に集中し、穴全体に分散されませんでした。代替橋は錬鉄と鋼で建設されました。

しかし、その後も橋の崩落が続き、 1891年にはノーウッドジャンクション鉄道事故に至った。イギリスの鉄道網における鋳鉄製の橋梁に対する懸念が広まったため、1900年までに数千の鋳鉄製の鉄道橋梁が最終的に鋼鉄製のものに置き換えられた。

建物

鋳鉄製の柱は工場建築で開拓され、これにより建築家はあらゆる高さの石造建築に必要な非常に厚い壁なしで多階建ての建物を建てることができるようになった。また、鋳鉄製の柱により工場の床面積が広がり、教会や講堂の視線も確保できた。19世紀半ばまでには、倉庫や工業ビルで鋳鉄製の柱が一般的になり、錬鉄製の梁や鋳鉄製の梁と組み合わされて、最終的に鉄骨造の超高層ビルの開発につながった。鋳鉄は、特に米国では装飾的なファサードに使用されることもあり、ニューヨークのソーホー地区には数多くの例がある。また、ニューヨーク州ウォーターブリートにある歴史的なアイアンビルディングなど、完全なプレハブ建築にも時々使用されることがあった。

繊維工場

もう一つの重要な用途は繊維工場であった。工場内の空気には紡がれる綿、麻、羊毛などの可燃性繊維が含まれていた。その結果、繊維工場は驚くほどの火災に見舞われていた。解決策は工場を完全に不燃性の材料で建てることであり、可燃性の木材の代わりに主に鋳鉄製の鉄骨フレームを建物に使うのが便利だとわかった。そのような建物が最初に建てられたのはシュロップシャー州シュルーズベリーのディザリントンであった。[ 19 ]鋳鉄製の柱と梁を使って建てられた倉庫は他にも数多くあったが、設計ミスや梁の欠陥、過積載などが原因で建物が倒壊したり構造上の欠陥が生じたりすることもあった。

産業革命期には、鋳鉄は機械のフレームやその他の固定部品にも広く使用されました。これには、繊維工場の紡績機、そして後に織機も含まれます。鋳鉄は広く使用されるようになり、多くの町に産業機械や農業機械を製造する鋳物工場が設立されました。 [ 20 ]

参照

鋳鉄製ワッフルメーカー、鋳鉄製調理器具の一例

参考文献

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  2. ^ a b cワグナー、ドナルド・B. (1993). 『古代中国の鉄と鋼』ブリル社. pp.  335– 340. ISBN 978-90-04-09632-5。
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  4. ^電気記録と購入者の参考資料。Buyers' Reference Company。1917年。
  5. ^ハリー・チャンドラー (1998).非冶金学者のための冶金学（イラスト入り）. ASMインターナショナル. p. 54. ISBN 978-0-87170-652-2。54ページの抜粋
  6. ^ Stefanescu, Doru M.編（2017年）「鋳鉄の分類と基本タイプ[1]」、鋳鉄科学技術、ASM International、pp.  12– 27、doi：10.31399/asm.hb.v01a.a0006294、ISBN 978-1-62708-179-5、 2025年11月10日閲覧{{citation}}: CS1 maint: ISBNによる作業パラメータ（リンク）
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  8. ^委員会、A04。「鋳鉄中の黒鉛の微細構造を評価するための試験方法」 doi ： 10.1520 /a0247-10。{{cite web}}: CS1 maint: 数値名: 著者リスト (リンク)
  9. ^コベルニク;パンクラトフ（2021年3月11日）。」「耐摩耗性コーティングにおける炭化クロム」.ロシア工学研究. 40 (12): 1013– 1016. doi : 10.3103/S1068798X20120084 . S2CID  234545510. 2022年9月29日閲覧。
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  19. ^ 「ディザリントン・フラックス・ミル：シュルーズベリーの紡績工場 – 1270576」。ヒストリック・イングランド。 2020年6月29日閲覧。
  20. ^

さらに読む

  • ハロルド・T・アンガス著『鋳鉄：物理的および工学的特性』バターワース社、ロンドン（1976年）ISBN 0408706880
  • ジョン・グローグとデレク・ブリッジウォーター著『建築における鋳鉄の歴史』アレン・アンド・アンウィン社、ロンドン（1948年）
  • ピーター・R・ルイス著『銀色のテイ川の美しい鉄道橋：1879年のテイ橋災害の再調査』テンプス社（2004年）ISBN 0-7524-3160-9
  • ピーター・R・ルイス著『ディー川の惨劇：ロバート・スティーブンソンの1847年の宿敵』テンパス社（2007年）ISBN 978-0-7524-4266-2
  • George Laird、Richard Gundlach、Klaus Röhrig、耐摩耗性鋳鉄ハンドブック、ASM インターナショナル (2000) ISBN 0-87433-224-9
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