鋳鉄炭素含有量が 2% を超える鉄と炭素の合金のグループです。その有用性は、比較的低い融解温度に由来します。合金成分は、破壊時の色に影響します。白鋳鉄には炭化物不純物が含まれており、これにより亀裂がまっすぐに通過します。ねずみ鋳鉄には、通過する亀裂を逸らし、材料が破損するときに無数の新しい亀裂を引き起こすグラファイト片が含まれています。また、ダクタイル鋳鉄には球状の色が含まれています。グラファイトの「ノジュール」が亀裂のさらなる進行を阻止します。

1.8 ～ 4 wt% の炭素 (C) と 1 ～ 3 wt% のシリコン (Si) が鋳鉄の主な合金元素です。炭素含有量の少ない鉄合金は鋼として知られています。

可鍛鋳鉄を除いて、鋳鉄は脆くなる傾向があります。鋳鉄は、融点が比較的低く、流動性、鋳造性、被削性、耐変形性、耐摩耗性に優れているため、パイプ、機械、シリンダーなどの自動車産業部品など、幅広い用途を持つエンジニアリング材料となっています。ヘッド、シリンダーブロック、ギアボックスケース。酸化によるダメージを受けにくいのが特徴です。

最古の鋳鉄製の工芸品は紀元前 5 世紀に遡り、現在の中国の江蘇省で考古学者によって発見されました。鋳鉄は古代中国で戦争、農業、建築に使用されました。15 世紀、フランスのブルゴーニュ地方や宗教改革中のイギリスでは鋳鉄が大砲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な生産を必要としました。最初の鋳鉄橋は 1770 年代にエイブラハム 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州にある鉄の橋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。

元素の合金化

鋳鉄の特性は、さまざまな合金元素または合金剤を添加することによって変化します。シリコンは炭素を溶液から押し出すため、炭素の次に最も重要な合金です。シリコンの割合が低いと、炭素が溶液中に残り、炭化鉄が形成され、白鋳鉄が生成されます。シリコンの割合が高いと、溶液から炭素が強制的に除去され、グラファイトが形成され、ねずみ鋳鉄が生成されます。他の合金化剤、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に対抗し、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、形成されるグラファイトの量は変わりません。グラファイトの形の炭素は鉄を柔らかくし、収縮を減少させ、強度を低下させ、密度を低下させます。硫黄が存在すると主に汚染物質となり、硫化鉄を形成してグラファイトの形成を防ぎ、硬度を高めます。硫黄の問題は、溶けた鋳鉄を粘稠にし、欠陥を引き起こすことです。硫黄の影響に対抗するためにマンガンが追加されます。マンガンは硫化鉄ではなく硫化マンガンを形成するからです。硫化マンガンは溶融物よりも軽いため、溶融物から浮遊してスラグ中に入る傾向があります。硫黄を中和するために必要なマンガンの量は、1.7 × 硫黄分 + 0.3% となります。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、硬度と冷えが増加します。ただし、ねずみ鉄の場合は、最大 1% のマンガンで強度と密度が向上します。

ニッケルは最も一般的な合金元素の 1 つです。ニッケルはパーライトとグラファイトの構造を微細化し、靭性を向上させ、断面の厚さ間の硬度の差を均一にするためです。クロムは遊離黒鉛を減らし、冷却を生成するため、また強力な炭化物安定剤であるため、少量添加されます。ニッケルも一緒に添加されることが多いです。0.5% クロムの代わりに少量のスズを添加できます。銅は取鍋または炉内に 0.5 ～ 2.5% 程度添加され、冷えを軽減し、黒鉛を精製し、流動性を高めます。モリブデンは、冷却を増加させ、グラファイトとパーライトの構造を微細化するために 0.3 ～ 1% のオーダーで添加されます。高強度の鉄を形成するために、ニッケル、銅、クロムと組み合わせて添加されることがよくあります。チタンは脱気剤、脱酸剤として添加されていますが、流動性も高めます。セメンタイトを安定させ、硬度を高め、耐摩耗性と耐熱性を高めるために、鋳鉄に 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、グラファイトの形成、脱酸、流動性の向上に役立ちます。

可鍛鉄の溶解物には、シリコンの添加量を増やすために、ビスマスが 0.002 ～ 0.01% のスケールで添加されます。白鉄には、可鍛鉄の生産を助けるためにホウ素が添加されています。また、ビスマスによる粗大化の影響も軽減します。

ねずみ鋳鉄

ねずみ鋳鉄は黒鉛状の微細構造を特徴としており、これにより材料の破面が灰色に見えます。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す。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%、残りが鉄です。ねずみ鋳鉄は、引張強度と耐衝撃性が鋼より劣りますが、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、微細構造に存在するグラファイトフレークのサイズと形状によって制御され、ASTM によって与えられたガイドラインに従って特徴付けることができます。

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、白い破断面が現れます。シリコン含有量（黒鉛化剤）が低く、冷却速度が速いと、白鋳鉄中の炭素が溶湯から準安定相セメンタイト、Fe として析出します。₃グラファイトではなくC。溶融物から沈殿するセメンタイトは、比較的大きな粒子として形成されます。炭化鉄が沈殿すると、元の溶融物から炭素が引き出され、混合物が共晶に近い方向に移動し、残りの相は低位の鉄-炭素オーステナイトになります（冷却するとマルテンサイトに変化する可能性があります）。これらの共晶炭化物は、いわゆる析出硬化の利点を提供するには大きすぎます（一部の鋼では、はるかに小さなセメンタイト析出物が純鉄フェライトマトリックスを通る転位の移動を妨げることにより[塑性変形]を阻害する可能性があります）。むしろ、それらは、単にそれ自身の非常に高い硬度とその実質的な体積分率のおかげで、鋳鉄のバルク硬度を増加させるので、バルク硬度は混合則によって近似することができる。いずれにしても、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ため、白鋳鉄はサーメットとして分類されるのが合理的です。白鉄は多くの構造部品に使用するには脆すぎるが、良好な硬度と耐摩耗性を備え、比較的低コストであるため、スラリーポンプの摩耗面（インペラとボリュート）、シェルライナー、ボールのリフターバーなどの用途に使用されています。ミルや自生粉砕機、石炭粉砕機のボールやリング、バックホーの掘削バケットの歯（ただし、この用途では鋳造中炭素マルテンサイト鋼の方が一般的です）。

厚い鋳物を、溶融物を完全に白鋳鉄として凝固させるのに十分な速さで冷却することは困難です。ただし、急速冷却を使用して白鋳鉄のシェルを凝固させ、その後残りをよりゆっくりと冷却してねずみ鋳鉄のコアを形成することができます。結果として得られるキャストは、冷却鋳造、表面は硬く、内部はやや硬いという利点があります。

高クロムの白鉄合金を使用すると、材料の厚さが厚くなると炭化物を生成するのに必要な冷却速度がクロムに​​よって低下するため、巨大な鋳物 (たとえば、10 トンのインペラ) を砂型鋳造することができます。クロムはまた、優れた耐摩耗性を備えた炭化物を生成します。これらの高クロム合金の優れた硬度は、炭化クロムの存在によるものです。これらの炭化物の主な形態は、共晶または初晶 M です。₇C₃炭化物。「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。共晶炭化物は中空六角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 の範囲内にあります。

可鍛鋳鉄

可鍛鉄は白鉄鋳物として始まり、約 950 °C (1,740 °F) で 1 ～ 2 日間熱処理され、その後 1 ～ 2 日間かけて冷却されます。その結果、炭化鉄の炭素はグラファイト、フェライトと炭素（オーステナイト）に変化します。ゆっくりとしたプロセスにより、表面張力によりグラファイトがフレークではなく球状粒子に形成されます。アスペクト比が低いため、回転楕円体は比較的短く、互いに離れており、伝播する亀裂やフォノンに比べて断面が小さくなります。また、フレークとは対照的に境界が鈍く、ねずみ鋳鉄に見られる応力集中の問題が軽減されます。一般に、可鍛鋳鉄の特性は軟鋼の特性に似ています。可鍛鉄は白鋳鉄で作られているため、鋳造できるサイズには限界があります。

ダクタイル鋳鉄