鋳鉄
| 鋼 |
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| 相 |
| ミクロ組織 |
| 分類 |
| その他の鉄系材料 |
鋳鉄は、炭素含有量が2%以上、ケイ素含有量が1～3%程度の鉄と炭素の 合金の一種です。 [1]その有用性は、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 物の セメンタイトと結合しており、これは非常に硬いですが脆く、亀裂が貫通してしまうためです。ねずみ鋳鉄は黒鉛片を持ち、通過する亀裂を逸らし、材料が破損すると無数の新しい亀裂を発生させます。ダクタイル鋳鉄は球状の黒鉛「ノジュール」を持ち、亀裂の進行を止めます。
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。炭素含有量の少ない鉄合金は鋼として知られています。
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。鋳鉄は古代中国で、戦争だけでなく農業や建築にも使用される兵器の大量生産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期のイギリスで、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）を溶かし、不要な汚染物質を除去するための様々な手順を踏んで作ります。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、炭素とケイ素の含有量はそれぞれ2～3.5％と1～3％の範囲で所望のレベルに調整されます。必要に応じて、最終製品が鋳造によって製造される前に、他の元素が溶湯に添加されます。[要出典]
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いです。[5]溶解が完了すると、溶湯は保持炉または取鍋に注がれます。[6]
種類
合金元素
鋳鉄の特性は、さまざまな合金元素、つまり合金剤を添加することで変化します。炭素に次いで、ケイ素は炭素を溶体から追い出すため、最も重要な合金剤です。ケイ素の割合が低いと、炭素は溶体中に残り、炭化鉄を形成して白鋳鉄になります。ケイ素の割合が高いと、炭素が溶体から追い出され、黒鉛を形成してねずみ鋳鉄になります。マンガン、クロム、モリブデン、チタン、バナジウムなどの他の合金剤はケイ素と相殺し、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。炭素は黒鉛としてより柔らかい鉄を生成し、収縮を減らし、強度を低下させ、密度を減少させます。硫黄は、存在すると大部分が汚染物質であり、硫化鉄を形成して黒鉛の形成を防ぎ、硬度を高めます。硫黄は溶融鋳鉄を粘稠にし、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追加されます。これは、この 2 つが硫化鉄ではなく硫化マンガンを形成するためです。硫化マンガンは溶融物よりも軽いため、溶融物から浮かび上がってスラグの中に入りやすくなります。硫黄を中和するために必要なマンガンの量は、1.7 × 硫黄含有量 + 0.3% です。この量を超えてマンガンを追加すると、炭化マンガンが形成されて硬度と冷却が増加します。ただし、ねずみ鋳鉄の場合は、マンガンが最大 1% まで強度と密度を高めます。[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高めるために、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、0.002～0.01%のビスマスが添加されます。白銑には、可鍛鋳鉄の製造を助けるためにホウ素が添加されます。また、ホウ素はビスマスの粗大化効果を軽減します。 [7]
ねずみ鋳鉄
ねずみ鋳鉄は、黒鉛の微細構造を特徴としており、材料の破損部分が灰色の外観になります。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％、ケイ素1～3％、残りが鉄です。ねずみ鋳鉄は鋼よりも引張強度と耐衝撃性が低いですが、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、微細構造中に存在する黒鉛片のサイズ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できます。[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、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ため、白鋳鉄はサーメットとして分類できます。白鋳鉄は多くの構造部品に使用するには脆すぎますが、優れた硬度と耐摩耗性があり、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） 、ボールミルや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。
厚い鋳物を、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ができます。こうして得られた鋳物はチル鋳物と呼ばれ、表面が硬く、内部がやや強靭であるという利点があります。[要出典]
高クロム白鉄合金は、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減するため、巨大な鋳物（例えば、10トンのインペラー）を砂型鋳造することを可能にします。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。[9]これらの高クロム合金の優れた硬度は、クロム炭化物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始まり、約950℃（1,740℉）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、炭化鉄中の炭素はグラファイトとフェライト、そして炭素に変化します。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は薄片ではなく球状粒子に形成されます。球状粒子はアスペクト比が低いため、比較的短く、互いに離れており、伝播する亀裂または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に似ています。可鍛鋳鉄は白鋳鉄から作られているため、鋳造できる部品の大きさには限界があります。[要出典]
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塊状になっており、同心円状の層状に塊を形成しています。その結果、球状黒鉛鋳鉄の特性は、黒鉛片がもたらす応力集中効果のない海綿状の鋼の特性を備えています。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たマグネシウムは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。[要出典]
鋳鉄の比較品質表
| 名称 | 公称組成 [重量%] | 形状および状態 | 降伏強度 [ ksi (0.2%耐力)] | 引張強度 [ ksi] | 伸び [%] | 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 | 鋳造 | — | 50 | 0.5 | 260 | エンジン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、工作機械ベース |
| 白鋳鉄 | C 3.4, Si 0.7, Mn 0.6 | 鋳物 (鋳放し) | — | 25 | 0 | 450 | 軸受面 |
| 可鍛鋳鉄 (ASTM A47) | C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55 | 鋳物 (焼鈍し) | 33 | 52 | 12 | 130 | 車軸軸受、トラックホイール、自動車クランクシャフト |
| ダクタイル鋳鉄またはノジュラー鋳鉄 | C 3.4、P 0.1、Mn 0.4、Ni 1.0、Mg 0.06 | 鋳造 | 53 | 70 | 18 | 170 | ギア、カムシャフト、クランクシャフト |
| ダクタイル鋳鉄またはノジュラー鋳鉄 (ASTM A339) | — | 鋳造（焼入れ焼戻し） | 108 | 135 | 5 | 310 | — |
| Ni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 | 高強度用途 |
| Niレジストタイプ2 | C 3.0、Si 2.0、Mn 1.0、Ni 20.0、Cr 2.5 | 鋳造 | — | 27 | 2 | 140 | 耐熱性と耐腐食性 |
歴史
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鋳鉄と錬鉄は、鉄鉱石をフラックスとして銅を精錬する際に、意図せず生成されることがあります。[12] : 47–48
最も古い鋳鉄製の遺物は紀元前8世紀に遡り、戦国時代に中国江蘇省蘆河県（現在の蘆河県）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]
鋳鉄は比較的脆いため、鋭い刃や柔軟性が求められる用途には適していません。圧縮には強いものの、引張には弱いからです。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]鋼鉄の方が好まれていましたが、鋳鉄の方が安価であったため、古代中国では道具として鋳物が多く使用され、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深くで、鍛冶屋たちは1000年以上前に高温に耐えられる高度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作り、鋳型に流し込んだ例は無数に存在します。これらの技術は、鋳鉄または鋼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使用に用いられました。鉄線も生産されました。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りました。[17] 13世紀のアル＝カズヴィニとその後の他の旅行者は、カスピ海南部のアルブルズ山脈に製鉄産業があることに気づきました。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ます。[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ました。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ました。すぐに、高炉を使用するイギリスの製鉄工は鋳鉄製の大砲を製造する技術を開発しました。鋳鉄製の大砲は、当時普及していた青銅製の大砲よりも重いものでしたが、はるかに安価で、イギリス海軍の武装強化を可能にしました
当時、多くのイギリスの高炉で鋳鉄製の鍋が作られていました。1707年、アブラハム・ダービーは、従来の方法よりも鍋（およびやかん）を薄く、したがって安価に製造する新しい方法の特許を取得しました。これは、彼のコールブルックデール製鉄所が鍋の供給元として主流になったことを意味し、1720年代と1730年代には、他の少数のコークス燃焼高炉 がこれに加わりました
1743年に始まり、1750年代に増加したイギリスにおける蒸気機関による送風ふいごの動力源としての応用（間接的に水車に水を送ること）は、その後数十年間で急増した鋳鉄生産量の増加に重要な要因となりました。水力の限界を克服したことに加えて、蒸気と水による送風は炉の温度を高め、より高い石灰比率の使用を可能にし、木炭（木材の供給が不十分だった）からコークスへの転換を可能にしました。[18] : 122
ウィールドの製鉄業者は1760年代まで鋳鉄の生産を続け、王政復古後、兵器は鉄の主な用途の1つでした。
鋳鉄橋
構造目的での鋳鉄の使用は、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に始まりました。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。その後、トーマス・ペインによる特許取得を含む他の発明が続きました。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、ビルドワスの上流にある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使用されています
橋の建設に鋳鉄を使用する最良の方法は、アーチを使用することです。これにより、すべての材料が圧縮されます。鋳鉄は、石材と同様に、圧縮に対して非常に強いです。錬鉄は、他のほとんどの種類の鉄、そして実際、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。構造上の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。
それでもなお、鋳鉄は構造上不適切な方法で使用され続け、 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生じました。テイ橋のタイバーとストラットを保持するための重要なラグは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、ボルト穴も掘削ではなく鋳造されていました。そのため、鋳造の勾配角により、タイバーからの張力は穴の長さ全体に分散されるのではなく、穴の端にかかることになりました。代替の橋は錬鉄と鋼で建設されました。
しかし、さらに橋の崩落が発生し、 1891年のノーウッド・ジャンクション鉄道事故に至りました。イギリスの鉄道網における鋳鉄製の橋梁に対する広範な懸念により、1900年までに数千の鋳鉄製の橋梁が最終的に鋼鉄製の橋梁に置き換えられました。
- 北から見た元のテイ橋（1878年完成）
- 北から見たフォールン・テイ橋
建物
鋳鉄製の柱は工場建築で開拓され、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を可能にしました。また、工場の床面積を広くし、教会や講堂の視線を広くしました。19世紀半ばまでに、鋳鉄製の柱は倉庫や工業ビルで一般的になり、錬鉄製の梁や鋳鉄製の梁と組み合わせられ、最終的には鉄骨造の超高層ビルの開発につながりました。鋳鉄は装飾的なファサードにも使用されることがあり、特にアメリカ合衆国では、ニューヨークのソーホー地区には多くの例があります。また、ニューヨーク州ウォーターヴィルにある歴史的なアイアンビルディングのように、完全なプレハブ建築にも時折使用されました。[要出典]
繊維工場
もう一つの重要な用途は繊維工場でした。工場内の空気には、紡績中の綿、麻、または羊毛から発生する可燃性繊維が含まれていました。その結果、繊維工場は驚くほどの焼失傾向を示しました。解決策は、工場を完全に不燃性材料で建設することであり、可燃性の木材の代わりに、主に鋳鉄製の鉄骨を建物に取り付けることが便利であることがわかりました。最初のそのような建物は、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にありました。[19]他の多くの倉庫も鋳鉄製の柱と梁を使用して建設されましたが、設計の欠陥、梁の欠陥、または過負荷により、建物の崩壊や構造上の破損が発生することもありました。[要出典]
産業革命の間、鋳鉄は繊維工場の紡糸機、そして後に織機を含む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。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ありました。[20]
参照
参考文献
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参考文献
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外部リンク
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