ダクタイル鋳鉄とは何ですか?特性、グレード、用途

ダクタイル鋳鉄とは何ですか?

ダクタイル鋳鉄 球状鋳鉄または球状黒鉛 (SG) 鉄とも呼ばれる - は、黒鉛が存在するタイプの鋳鉄です。 フレークではなく球状の結節 。この構造の違いが、ダクタイル鋳鉄に決定的な特徴を与えています。つまり、従来のねずみ鋳鉄のように突然壊れるのではなく、破断する前に塑性変形する能力です。

「ダクタイル鋳鉄とは何か」に対する簡単な答えは次のとおりです。これは、鋳鉄の鋳造性と被削性と、鋼に近い機械的特性を組み合わせた、高強度で耐衝撃性のある鉄系鋳鉄材料です。 引張強さの範囲は414 MPaから900 MPa以上です グレードに応じて、2 ～ 18% の伸び値が達成可能です。これは伸び率がほぼゼロのねずみ鋳鉄では達成できない数値です。

ダクタイル鋳鉄は、インターナショナル ニッケル カンパニーのキース ミリスによって 1943 年に開発されました。彼は、溶鉄に少量のマグネシウムを添加すると黒鉛が球状に凝固することを発見しました。ダクタイル鋳鉄は 1940 年代後半に商業生産が始まり、現在では 世界で最も広く生産されているエンジニアリング材料の 1 つ 、世界の生産量は年間2,500万トンを超えています。

ダクタイル鋳鉄とねずみ鋳鉄の微細構造レベルの違い

ダクタイル鋳鉄を理解する鍵は、その微細構造にあります。ねずみ鋳鉄では、グラファイトは金属マトリックス全体で相互に結合したフレークとして形成されます。これらのフレークは既存の亀裂として機能し、応力がかかるとフレークの先端で破壊が始まり、急速に伝播し、実質的に塑性変形を伴わない脆性破壊を引き起こします。

ダクタイル鋳鉄では、 マグネシウム 0.03 ～ 0.05 パーセント 溶融鉄に対する重量比の変化（ノジュライジングまたはマグネシウム処理と呼ばれるプロセス）により、グラファイトはフレークではなく個別の球体、つまりノジュールとして凝固します。各小塊は不連続な黒鉛粒子であり、亀裂を引き起こすような鋭い先端はありません。ノジュール間の鉄マトリックスは、亀裂が伝播する前に応力下で塑性変形し、材料に延性を与えます。

黒鉛小塊を取り囲む母材はフェライト系、パーライト系、またはその両方の組み合わせであり、この母材組成が主に特定のダクタイル鋳鉄グレードの機械的特性を決定します。熱処理により、マトリックスをパーライトからフェライトに変換したり (焼きなまし)、オーステンパ微細構造を生成して強度を最大化することができます。

ダクタイル鋳鉄の主要な機械的特性

ダクタイル鋳鉄の機械的特性は、他のグレードの鋳鉄とは一線を画すものであり、多くの用途において鋼に代わる真のエンジニアリング代替品となっています。以下の特性は ASTM A536 による標準グレードに適用されます。

• 引張強さ: グレード 60-40-18 の場合は 414 MPa (60,000 psi)、グレード 120-90-02 の場合は最大 827 MPa (120,000 psi)。オーステンパーダクタイル鋳鉄 (ADI) は、 1,400MPa .
• 降伏強度: 標準グレード全体で 276 MPa ～ 621 MPa (40,000 ～ 90,000 psi)、ADI は 1,100 MPa 以上に達します。
• 伸び： グレードに応じて、骨折時に 2 ～ 18 パーセント。グレード 60-40-18 のオファー 18パーセントの伸び - 延性の高い金属に関連するレベル。
• 硬度: 標準グレードのブリネル硬度数 (BHN) は 140 ～ 300。 ADI グレードは、オーステンパ温度に応じて 269 ～ 477 BHN に達します。
• 耐衝撃性: ねずみ鋳鉄よりも大幅に高い。シャルピー衝撃値 7～100J ねずみ鋳鉄ではほぼゼロであるのに対し、グレードと温度に応じて達成可能です。
• 疲労強度: 回転曲げ疲労における引張強度は約 45 ～ 49% であり、多くの中炭素鋼と同等です。
• 弾性率: 159 ～ 172 GPa - 鋼鉄 (200 GPa) よりは低いですが、アルミニウム (69 GPa) よりは大幅に高く、厚肉鋳造品で優れた重量剛性挙動を実現します。

ダクタイル鋳鉄のグレードと規格

ダクタイル鋳鉄は、引張強さ、降伏強さ、最小伸びによって定義される複数のグレードで製造されます。 ASTM A536 の命名規則は、次のプロパティを直接エンコードします。 グレード 65-45-12 最小引張強度 65,000 psi、最小降伏強度 45,000 psi、および最小伸び 12 パーセントを意味します。

国際的には、ダクタイル鋳鉄のグレードは次のように定義されています。 ISO1083 (例: EN-GJS-400-18、EN-GJS-500-7、EN-GJS-700-2) および欧州 EN 1563 規格。命名規則は異なりますが、特性範囲は ASTM A536 グレードとほぼ同等です。

オーステンパダクタイル鋳鉄: 高性能のバリエーション

オーステンパーダクタイル鋳鉄 (ADI) は、標準的なダクタイル鋳鉄に特殊な熱処理サイクルを施すことによって製造されます。 850℃～950℃ 、続いて塩浴中で等温急冷します。 230℃～400℃ 。これにより、針状フェライトと炭素安定化オーステナイトの混合物であるオースフェライト微細構造が生成され、強度、延性、靱性の優れた組み合わせが実現します。

ASTM A897 に基づく ADI グレードは、次の引張強度を達成します。 900～1,400MPa 1 ～ 10 パーセントの伸び値を持ち、中合金鋼と重複する特性を持ちますが、 密度が 10% 低下 棒材からの大規模な機械加工が必要となる複雑な形状で製造する場合、コストが大幅に削減されます。 ADI は、コストとパフォーマンスの比率が重要となるギア、クランクシャフト、トラックリンク、農業用構造部品に使用されています。

ダクタイル鋳鉄 vs. ねずみ鋳鉄 vs. 鋼: 直接比較

ねずみ鋳鉄や鋼と比較してダクタイル鋳鉄がどの位置にあるかを理解することは、エンジニアが材料を適切に選択する決定を下すのに役立ちます。各材料には、定義された性能範囲とコストプロファイルがあります。

この表は、ダクタイル鋳鉄がエンジニアリングにおいてこれほど支配的な地位を占める理由を示しています。ダクタイル鋳鉄は、鋼に近い強度と延性を実現し、鋳鉄の減衰能力と鋳造性の利点を維持し、複雑な形状が関係する場合、完成部品 1 キログラムあたりのコストが鋼鋳造よりも大幅に低くなります。

ダクタイル鋳鉄の作り方: 製造プロセス

ダクタイル鋳鉄の製造には、ねずみ鋳鉄よりも厳密なプロセス制御が必要です。マグネシウム処理ステップは、プロセスの中で最も重要で技術的に要求の高い部分です。

1. 基礎鉄の準備: ベースとなる溶鉄は、制御された組成で調製されます。 3.6 ～ 3.8 パーセントの炭素と 2.0 ～ 2.8 パーセントのシリコン 重量で。硫黄はマグネシウムと反応してマグネシウムを消費し、ノジュールの形成を防ぐため、マグネシウム処理の前に硫黄含有量を 0.02 パーセント未満に減らす必要があります。
2. マグネシウム処理（結節化）： マグネシウムは、激しい反応を緩和するために、通常はマグネシウム - フェロシリコン合金 (FeSiMg) として溶鉄に添加されます。処理は取鍋内でサンドイッチ法、プランジング法、ワイヤー射出法などにより行われます。処理された鉄中の残留マグネシウム含有量は、 0.03～0.05パーセント —少なすぎると不完全な結節形成が生じます。多すぎると炭化物の形成を引き起こします。
3. 予防接種： マグネシウム処理の直後に、グラファイトの核生成を促進し、凝固中の炭化物の形成を防ぐために、フェロシリコン接種剤が添加されます。接種は短い期間内 (通常は ) 以内に行う必要があります。 10～15分 —色褪せる前に効果を維持します。
4. キャスト: 処理された鉄は、部品の形状に応じて、砂型、永久型、または遠心鋳造装置に注入されます。ダクタイル鋳鉄はねずみ鋳鉄と比較して収縮率がわずかに高いため、内部の気孔を防ぐために慎重なライザー設計が必要です。
5. 熱処理（オプション）： 鋳放しダクタイル鉄は、マトリックスを完全にフェライト化するために焼き鈍し（延性の向上）、パーライトマトリックスを生成するために焼ならし（強度の向上）、または ADI グレードを生成するためにオーステンパー処理されます。
6. 品質検証: 球状性（球体として存在するグラファイトと不規則な形状として存在するグラファイトの割合）は金属組織学的に検証されます。 結節性が 85% 以上 ほとんどの構造用途に必要です。 80% を下回ると、機械的特性がグレードの要件を大幅に下回ります。

ダクタイル鋳鉄が使用される場所: 業界別の主な用途

ダクタイル鋳鉄は、強度、延性、鋳造性、コストの組み合わせにより、非常に幅広い業界でデフォルトの材料選択肢となっています。これはニッチな素材ではなく、主力素材です。

自動車と輸送

自動車用途は世界のダクタイル鋳鉄生産の最大のシェアを消費します。主要なコンポーネントには、クランクシャフト、カムシャフト、ディファレンシャル ハウジング、ステアリング ナックル、サスペンション コントロール アーム、ブレーキ キャリパーが含まれます。一般的な乗用車には次のものが含まれます。 ダクタイル鋳鉄 30～60kg 。この材料の疲労強度と機械加工性は、高価な鍛造鋼が必要となる回転および往復パワートレイン部品に最適です。

上下水道インフラ

ダクタイル鉄管は、世界中の配水システムおよび下水システムにおいてねずみ鉄やコンクリート管に大きく取って代わりました。高い引張強度、地盤の動きに対する柔軟性、耐食性（特にセメントライニングの場合）、および長寿命の組み合わせ - 50年から100年 予想通り、都市の水道本管、圧力管、継手に最適な材料となります。 AWWA C151/A21.51 は、北米におけるダクタイル鉄管の仕様を規定しています。

農業および建設機械

トラクターの車軸ハウジング、油圧シリンダー本体、ギアボックスのケーシング、および作業用ヒッチコンポーネントは、通常、ダクタイル鋳鉄で鋳造されます。この材料は、ねずみ鋳鉄の亀裂を引き起こす起伏の多い地形や現場での作業による衝撃荷重に耐えると同時に、同等の鋼鋳物よりも優れた機械加工性と低コストを実現します。

オイル、ガス、バルブ

産業用パイプラインのゲート バルブ、グローブ バルブ、チェック バルブ、およびバルブ本体は、通常、グレード 65-45-12 または 80-55-06 のダクタイル鋳鉄で鋳造されます。この材料の圧力保持能力、精密な座面のための機械加工性、および耐食性により、バルブ本体の破損が安全事象となるあらゆる用途にはねずみ鋳鉄よりも適しています。

風力エネルギー

大型ダクタイル鋳鉄鋳物は、風力タービンの重要な構造部品です。マルチメガワットタービン用のハブ鋳造品の重量は、 10～30トン 、ナセルフレーム、メインベアリングハウジング、ローターロック鋳物もダクタイル鋳鉄で製造されています。高強度、耐疲労性、および複雑な中空形状を大きな断面厚で鋳造する能力の組み合わせにより、ダクタイル鋳鉄はこの用途において代替不可能なものとなっています。

ダクタイル鋳鉄を使用する場合の制限と考慮事項

ダクタイル鋳鉄は万能な解決策ではありません。その制限を理解することで、コストのかかる設計エラーや材料の誤用を防ぐことができます。

• セクションの感度: 非常に厚い断面 (75 ～ 100 mm 以上) では機械的特性が低下し、中心での冷却速度が遅いため球状化が減少し、パーライトまたは炭化物の形成が促進されます。大型の鋳物には慎重な合金調整が必要であり、全体的に均一な特性を実現するために熱処理が必要になる場合があります。
• 低温での延性の低下: 鋼とは異なり、ダクタイル鋳鉄は氷点下の温度ではシャルピー衝撃値を維持しません。以下およそ -20℃ 、標準的なフェライト系ダクタイル鋳鉄は、延性から脆性への転移を起こします。低温用途には、特別な低シリコンまたはニッケル合金グレードが必要です。
• 溶接は難しいです： ダクタイル鋳鉄 is weldable but requires careful preheat (typically 250℃～400℃ ）、適切な溶加材（ニッケルベースまたは高ニッケル電極）、および亀裂を防ぐための制御された溶接後の冷却。溶接は、ほとんどのダクタイル鋳鉄部品の接合方法ではなく、修理技術です。
• 耐食性は中程度です: ダクタイル鉄は、攻撃的な環境、特に塩化物が豊富な土壌や酸性条件で腐食します。保護コーティング (セメントライニング、エポキシ、亜鉛) は埋設インフラ用途の標準です。保護されていないダクタイル鋳鉄は、腐食を軽減せずに浸漬または埋設用途で使用しないでください。
• 密度はアルミニウムよりも高い： で 7.1g/cm3 アルミニウムの 2.7 g/cm3 と比較して、ダクタイル鋳鉄はより重いです。ダクタイル鋳鉄の強度上の利点が必要とされない、重量が重要な用途には、アルミニウムまたはマグネシウム鋳造の方が適している可能性があります。

ダクタイル鋳鉄の被削性と仕上げ加工

ダクタイル鋳鉄は鋼と比べて優れた機械ですが、緻密な黒鉛塊のためねずみ鋳鉄よりも若干摩耗性が高くなります。ねずみ鋳鉄のグラファイトには潤滑効果が組み込まれており、工具の摩耗をわずかに軽減します。ダクタイル鋳鉄の球状黒鉛には同じ利点がありません。

• 切断速度: フェライト系グレード (60-40-18、65-45-12) の切削速度で加工します。 150～250m/分 超硬工具付き。パーライトグレード (80-55-06、100-70-03) は、硬度が高いため、速度を 100 ～ 180 m/min に下げる必要があります。
• 表面仕上げ： ダクタイル鋳鉄は、標準的な超硬工具を使用して Ra 0.8 ～ 1.6 μm の表面仕上げまで機械加工でき、研削することなくほとんどのシールおよびベアリング表面に適しています。
• コーティングと表面処理: ダクタイル鋳鉄は、電気めっき、リン酸塩処理、塗装、粉体塗装、溶射塗装に適しています。パーライトグレードの火炎硬化および高周波焼入れにより、次の表面硬度を達成できます。 50～58HRC カムシャフト ローブやクランクシャフト ジャーナルなどの摩耗が重要な表面に使用されます。