鋳鉄は、炭素含有量が 2.11％を超える鉄炭素合金です。
鋳鉄は、人類が最も早く使用した金属材料の一つであり、製造方法が簡単でコストが低く、性能が優れているため、現在でも広く使用されています。欠点は、硬くてもろいため加工が難しく、鋳造しかできないことです。
典型的な部品には、機械のベッド、シリンダーブロックとシリンダーライナー、カムシャフト、クランクシャフトなどがあります。
鋳鉄の種類：
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白鋳鉄：炭素が主にセメンタイト（$Fe_3C$）の形で存在する鋳鉄。
- 硬くてもろく、部品としてはほとんど使用されず、原料として使用されます（生鉄）。
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灰鋳鉄：炭素が主にグラファイト（G）の形で存在する鋳鉄。
-
黒鋳鉄：白鋳鉄と灰鋳鉄の中間に位置する鋳鉄。
鋳鉄のグラファイト化#
$Fe-C $ と $Fe-Fe_3C$ の二重相図#
鋳鉄のグラファイト化過程#
冷却（結晶）時のグラファイト化過程#
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液相からのグラファイト析出
- $L$ → $G_I$
- $L$ → $\gamma + G$（共晶反応）
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オーステナイトからのグラファイト析出
- $\gamma$ → $G_{II}$
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共析反応によるグラファイト生成
- $\gamma$ → $\gamma + G$
加熱時のグラファイト化過程#
$Fe_3C$ → $3Fe + C$
鋳鉄のグラファイト化過程は 2 つの段階に分けられます：
- 第一段階のグラファイト化：P'S'K' 線より上で起こるグラファイト化過程。
- 第二段階のグラファイト化：P'S'K' 線より下で起こるグラファイト化過程。
鋳鉄組織の形成条件#
2 つの段階のグラファイト化の程度によって、鋳鉄の組織が異なります。
一般的な鋳鉄の規格と性能特性#
一般的に、白鋳鉄と黒鋳鉄はあまり使用されず、灰鋳鉄がより多く使用されます。
灰鋳鉄の種類#
グラファイトの形態に基づいて、灰鋳鉄は 4 つのタイプに分類されます。
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灰鋳鉄：グラファイトがフレーク状
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球墨鋳鉄：グラファイトが球状
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蠕墨鋳鉄：グラファイトがワーム状
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鍛造可能鋳鉄：グラファイトが塊状
グラファイトの状態は、鋳鉄の化学組成と製造プロセスに影響を受けます。フレーク状、球状、ワーム状は鋳造後に形成され、塊状は白鋳鉄の焼鈍によって得られます。
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灰鋳鉄の組織#
組織の特徴：鋼基体上に異なる形状のグラファイトが分布しています。
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F＋G 鋼基体（フェライト）とグラファイト
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F＋P＋G 鋼基体（フェライト＋パーライト）とグラファイト
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P＋G 鋼基体（パーライト）とグラファイト
灰鋳鉄の性能#
主にグラファイトの形状、サイズ、数量によって決まります。
灰鋳鉄#
最も安価で、最も広く使用されています。
灰鋳鉄の規格#
HT×××。“HT” は “灰鉄” を表し、“×××” は最低引張強度値を表します。
- 例：H200
- HT は灰鉄の漢字の頭文字
- 200 はこの灰鋳鉄の引張強度が 200MPa 以上であることを示します
灰鋳鉄の性能特性#
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機械的性能が低い
- フレーク状のグラファイトは鋼基体を分割する作用が大きく、先端部分で応力が集中します。
-
耐摩耗性と減振性が良い
- グラファイトの存在は、潤滑やオイル保持、振動エネルギーの吸収に役立ち、炭素鋼よりも減衰性能が優れています。
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加工性が良い
- 融点が低く、液体の流動性が良く、注ぎ込みが容易であり、特に複雑な構造の鋳造部品に適しています。切削時には破片が容易に切れます（鋼よりも切削性能が優れています）。
孕育処理#
変質剤（孕育剤）を添加することで、結晶核が増え、グラファイトフレークのサイズがより小さく均一になります。
応用#
機械のベッド、ベース、エンジンシリンダーブロックなど。
球墨鋳鉄#
グラファイトの形状を変えて機械的性能を向上させます。球化剤と孕育剤を添加し、球化処理と孕育処理を行います。
球化剤：マグネシウム、希土類、希土類マグネシウム。
球墨鋳鉄の規格#
QT×××-××。“QT” は “球鉄” を表し、“×××” は最低引張強度値、“××” は最低伸び率を表します。
- 例：QT500-05
- QT は球鉄の漢字の頭文字
- 500 はこの球墨鋳鉄の引張強度が 500MPa 以上であることを示します
- 05 はこの球墨鋳鉄の伸び率が 5％以上であることを示します
球墨鋳鉄の性能特性（灰鋳鉄と比較して）#
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機械的性能が高い
- 球墨鋳鉄の引張強度と曲げ疲労限界が高く、塑性と靭性が良いです。
- 球状のグラファイトは鋼基体を分割する作用が最小限に抑えられ、鋼基体の連続性が良く、応力集中が軽減されます。
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減振性が低い
- 減衰性は灰鋳鉄よりも劣ります。
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鋳造性が低い
応用#
一定の条件下では、鋳鋼や鍛鋼の代替として使用できます。複雑な負荷を受ける耐摩耗部品の製造に使用されます。例えば、内燃機関のクランクシャフト、カムシャフト、自動車のリアアクスルハウジングなど。
蠕墨鋳鉄#
鉄液に変質処理と孕育処理を行います。
変質元素（蠕化剤）：希土類シリコン鉄マグネシウム合金、希土類シリコン鉄マグネシウム合金、希土類カルシウム鉄合金など。
蠕墨鋳鉄の規格#
RuT×××。“RuT” は “蠕鉄” を表し、“×××” は最低引張強度値を表します。
蠕墨鋳鉄の性能特性#
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機械的性能は灰鋳鉄と球墨鋳鉄の間にあります
- 強度と靭性は灰鋳鉄よりも高く、球墨鋳鉄よりも劣ります。耐摩耗性は良好で、減衰能力は球墨鋳鉄よりも優れています。
- ワーム状のグラファイトの頭部は鈍く丸く、フレーク状鋳鉄よりも基体の分割作用が著しく低下します。
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鋳造性は球墨鋳鉄よりも良く、灰鋳鉄に近いです。
-
熱伝導性能は灰鋳鉄に近いです。
- 高温強度、耐熱疲労性能は灰鋳鉄よりも優れています。
- 交互熱負荷に耐える部品の製造に適しています。
可鍛鋳鉄#
可鍛鋳鉄の取得方法：
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白鋳鉄を取得する。
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白鋳鉄をグラファイト化する。
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可鍛鋳鉄は加熱時に Fe3C のグラファイト化によって得られます。
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灰鋳鉄、球墨鋳鉄、蠕墨鋳鉄は冷却時にグラファイト析出によって得られます。
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可鍛鋳鉄の規格#
- KTH×××-××。“KTH” は “可鉄黒” を表し、黒心可鍛鋳鉄と呼ばれます。フェライトが基体です。
- KTZ×××-××。“KTZ” は “可鉄珠” を表し、珠光体可鍛鋳鉄と呼ばれます。珠光体が基体です。
可鍛鋳鉄の性能特性#
性能は灰鋳鉄と球墨鋳鉄の間にあり、耐蝕性がより良いが、生産効率が低いです。
鋳鉄の熱処理#
鋳鉄の熱処理の目的：
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鋳鉄の性能を改善するために鋼基体の組織を変えること。
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鋳造品の応力を除去すること。
特記事項：
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熱処理は鋼基体の組織を変えることしかできず、グラファイトの形状や分布を変えることはできません。
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フレーク状または球状のグラファイトは熱処理によって他の形状に変わることはありません。
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グラファイトのサイズは熱処理によって大きくなることも小さくなることもありません。
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グラファイトの分布は熱処理によって変わることはありません。
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灰鋳鉄は強化型（例：焼入れ）の熱処理には適していません。
- 灰鋳鉄のグラファイトはフレーク状であり、基体を分割する作用が大きいため、強化型の熱処理でも明確な効果を得ることは困難です。
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球墨鋳鉄は鋼と同様のさまざまな熱処理を行うことができます。
- 球墨鋳鉄のグラファイトは球状であり、基体を分割する作用が小さいため、熱処理によってその力学的性能を大幅に改善することができます。
時効処理#
目的：鋳造品の応力を解放する。
工程：
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人工時効：鋳造品を 500～560°C まで加熱し、保温後、炉冷却します。
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自然時効：鋳造品を屋外に 6～18 ヶ月放置し、応力を自然に解放します。
人工時効は現在の生産で最も一般的に使用される方法です。
白口退火#
目的：白口組織を除去する。
鋳造過程で鋳造品の表面または薄肉部には冷却速度が速すぎて白口組織が発生し、硬度が高く、切削加工が困難になるため、除去する必要があります。
工程：
- 加熱温度：880～900°C。
- 保温時間：1～2 時間。
- 冷却方法：保温後、400～500°C まで緩やかに冷却し、炉外で自然冷却します。
表面熱処理#
目的：鋳造品の表面硬度、耐摩耗性、耐蝕性を向上させる。
工程：
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インダクション加熱による表面焼入れ
-
レーザー加熱による表面焼入れ
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窒化処理、メタル浸透処理
球墨鋳鉄の熱処理#
焼入れ#
目的：球墨鋳鉄部品の靭性を向上させる。
工程：
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880～900°C まで加熱し、600°C まで炉冷却します。
- 適応する鋳造品：白口組織を含む鋳造品。
- 焼入れ後の組織：$F＋G_{球}$ -
700～760°C まで加熱し、600°C まで炉冷却します。
- 適応する鋳造品：組織が $F＋P＋G_{球}$ の鋳造品。
- 焼入れ後の組織：$F＋G_{球}$
正火#
目的：基体を細かいパーライト組織に変え、強度、硬度、耐摩耗性を向上させる。
工程：850～900°C まで加熱し、炉冷却します。
- 適応する鋳造品：組織が F＋P＋G 球の鋳造品。
- 正火後の組織：$P＋G_{球}$
淬火と焼戻し#
目的：球墨鋳鉄の力学的性能を向上させる。
- 淬火（860～900°C）→ 低温焼戻し（250～350°C）
- 組織：$M_{戻}＋A'＋G_{球}$。ベアリングの製造に使用されます。 - 淬火（860～900°C）→ 中温焼戻し（500～600°C）
- 組織：$S_{戻}＋G_{球}$。軸部品の製造に使用されます。
等温淬火#
目的：$B_{下}$ を得て、球墨鋳鉄に優れた総合力学的性能を持たせる。
工程：830～870°C まで加熱し、280～350°C の溶融塩中に保持します。
組織：$B_{下}＋A'＋G_{球}$
この記事は Mix Space からの同期更新であり、元のリンクは https://nishikori.tech/posts/tech/cast-iron です。