ねずみ鋳鉄とは何ですか?組成、特性および用途

ねずみ鋳鉄とは何ですか?

ねずみ鋳鉄 を含む鉄合金です。 2.5 ～ 4.0 パーセントの炭素と 1.0 ～ 3.0 パーセントのシリコン 重量比で、炭素の大部分は鉄マトリックス全体に分散されたグラファイトフレークとして存在します。破断面を検査すると、これらのグラファイト片により金属に特徴的な灰色が与えられ、これが名前の由来です。世界で最も広く生産されている鋳鉄の形態であり、 世界の全鋳鉄生産量の約 70 ～ 75 パーセント .

「ねずみ鋳鉄とは何か」に対する簡単な答えは次のとおりです。これは、優れた振動減衰、優れた圧縮強度、卓越した機械加工性、および固有の脆性を備えた、低コストで鋳造性の高いエンジニアリング材料です。 引張強度や衝撃靱性よりも減衰、耐摩耗性、複雑な形状が重要な場合に最適な材料です。 これは、産業、自動車、インフラストラクチャの膨大な範囲のアプリケーションをカバーします。

ねずみ鋳鉄は、中国では少なくとも紀元前 5 世紀から継続的に生産されており、18 世紀から 19 世紀にかけて工業製造のバックボーンを形成しました。ダクタイル鉄、鋼、アルミニウムとの競合にもかかわらず、その特定の特性の組み合わせが他の材料で経済的に匹敵できない用途では依然として代替不可能です。

ねずみ鋳鉄を定義する微細構造

ねずみ鋳鉄の特徴は、その微細構造です。 フェライト、パーライト、または両方の組み合わせの金属マトリックスに埋め込まれたグラファイトフレーク 。この微細構造を理解すると、材料が示すほぼすべての機械的および物理的特性が説明されます。

グラファイトフレーク：強さと弱さの源

ねずみ鋳鉄では、鉄マトリックスに溶解できない過剰な炭素が凝固中に黒鉛として沈殿します。高いシリコン含有量 (1.0 ～ 3.0 パーセント) により、炭化鉄 (セメンタイト) の形成が抑制され、この黒鉛化が促進されます。炭化鉄 (セメンタイト) は、硬くて脆く、ほとんど機械加工できない材料である白鋳鉄を生成します。

グラファイトフレークは、応力集中体の内部ネットワークとして機能します。引張荷重がかかると、フレークの鋭い先端から亀裂が発生し、マトリックスを通って急速に伝播し、ねずみ鋳鉄の特徴である低い引張強度とほぼゼロの伸びが得られます。しかし、これらの同じフレークは、周期的な振動 (減衰) 下での亀裂の伝播を遮断し、摩耗を軽減する自己潤滑効果を提供し、フレークがチップ ブレーカーとして機能するため、材料の機械加工を非常に容易にするという重要な利点を提供します。

グラファイトフレークのタイプ: ASTM A247 分類

ASTM A247 では、グラファイト フレークの形態を機械的特性に直接影響する 5 つのタイプに分類しています。

• タイプ A (均一分布、ランダム配向): 最も望ましいフレークタイプです。十分に接種された鉄を適度な冷却速度で生成します。強度、加工性、減衰性の最適な組み合わせを提供します。
• タイプ B (ロゼット グループ化): 適度な急速冷却によって生成されます。タイプ A に比べて機械的特性がわずかに低下します。薄肉鋳物によく見られます。
• タイプ C (重ねられたフレーク サイズ、キッシュ グラファイト): 過共晶組成に関連します。大きな一次黒鉛フレークは強度を大幅に低下させ、組成に問題があるか接種が不十分であることを示しています。
• タイプ D (樹枝状結晶間、過冷却): 急速冷却または接種不足によって生成される、細かくランダムな方向を向いたフレーク。硬度は高くなりますが、被削性は低下します。薄い部分や鋳肌の近くでよく見られます。
• タイプ E (樹枝状、優先配向): 急速に冷却すると、強亜共晶鉄で発生します。機械的特性に方向性が生じ、被削性が低下します。

マトリックス: フェライト、パーライト、または混合

グラファイトフレークを取り囲む鉄マトリックスがねずみ鉄の強度と硬度を決定します。あ 完全にパーライト質の母材 パーライト (フェライトとセメンタイトの交互層) は本質的にフェライト単独よりも強いため、最高の引張強度と硬度 (通常 200 ～ 300 HB) を実現します。あ 完全フェライト系マトリックス 強度は低くても、より柔らかく、より容易に機械加工できる鉄が得られます。ほとんどの市販のねずみ鋳鉄グレードはフェライト系とパーライト系の混合マトリックスを持ち、パーライトの割合は合金組成と冷却速度によって制御されます。

ねずみ鋳鉄の化学組成

ねずみ鋳鉄の特性は、その化学組成によって直接制御されます。 5 つの元素が組成を支配しており、それぞれが特定の冶金学的役割を果たします。

炭素当量 (CE) は、ねずみ鋳鉄の挙動を予測するために広く使用されている単一の数値指数です。 CE = %C (%Si %P) / 3 。 CE が 4.3 の場合は共晶です。 4.3 未満の値は亜共晶 (より強く、より硬く、構造グレードに優れています) であり、4.3 を超える値は過共晶 (より流動性があり、複雑な鋳物に適していますが、強度が低い) です。

ねずみ鋳鉄の機械的性質

ねずみ鋳鉄は、特徴的で高度に非対称な特性プロファイルを持っています。その強みは、まさに、重量があり、振動が起こりやすく、摩耗が激しい用途で最も必要とされる特性です。その弱点である脆さと引張強度の低さは、適切な使用の境界を定義するだけです。

• 引張強さ: グレードにより100～400MPa。これはねずみ鋳鉄の最も弱い機械的寸法であり、ダクタイル鋳鉄や鋼をはるかに下回ります。ねずみ鋳鉄は、主要な張力に耐える構造上の役割には決して使用しないでください。
• 圧縮強度: 引張強度は3～5倍 — 通常は 570 ～ 1,380 MPa。このため、ねずみ鋳鉄は、圧縮荷重が支配的な工作機械のベース、エンジン ブロック、柱構造などの用途に優れています。
• 硬度: ブリネル硬度数 (BHN) 150 ～ 320。より高級なパーライト鉄は 300 BHN に近づき、優れた耐摩耗性を提供します。ねずみ鋳鉄の硬度は、ねずみ鋳鉄がブレーキ部品や機械の滑り面に使用される主な理由です。
• 伸び： 1% 未満 - 破断前の塑性変形は事実上ゼロです。ねずみ鋳鉄は本質的に脆いため、冷間加工したり、鋳造後に成形したりすることはできません。
• 振動減衰能力: 鋼鉄の20～25倍 ダクタイル鋳鉄よりも大幅に高い。グラファイトフレークは振動エネルギーを吸収および消散するため、ねずみ鋳鉄は、共振制御が重要な工作機械ベース、エンジンブロック、コンプレッサーフレームの主要な材料となります。
• 熱伝導率: 46 ～ 52 W/(m・K) - ほとんどの鋼よりも高く、ステンレス鋼よりも大幅に高くなります。これにより、ブレーキローター、シリンダーヘッド、調理器具の放熱が促進されます。
• 弾性率: 66 ～ 172 GPa - グラファイト フレークの体積、サイズ、および配向が剛性に及ぼす影響を反映する広い範囲。これは鋼 (200 GPa) よりも低く、ねずみ鉄の方が単位応力当たりのたわみが大きいことを意味します。

ねずみ鋳鉄のグレードと規格

ねずみ鋳鉄は、最小引張強度と、一部の規格では硬度範囲を定義する標準化されたグレードで製造されます。世界中で使用されている主な規格は、ASTM A48、ISO 185、および EN 1561 です。

ASTM A48 (北米)

ASTM A48 では、ねずみ鋳鉄を ksi 単位の最小引張強さによって分類しています。等級番号は最小引張強さに直接等しくなります。 クラス 20 = 最小 138 MPa (20 ksi) 。クラスの範囲は 20 ～ 60 で、数値が大きいほど、より強く、より硬く、よりパーライト状の微細構造を示します。

ISO 185 および EN 1561 (国際)

ISO 185 およびヨーロッパの EN 1561 規格では、ねずみ鋳鉄のグレードは次のように指定されています。 EN-GJL-100 ～ EN-GJL-350 ここで、数字は最小引張強さを MPa で示します。 EN-GJL-250 (最小引張力 250 MPa) は ASTM クラス 35 ～ 40 とほぼ同等で、ヨーロッパとアジアの自動車および一般エンジニアリング用途に最も一般的に指定されているグレードです。

ねずみ鋳鉄の作り方

ねずみ鋳鉄の製造は、他のほとんどのエンジニアリング金属よりも簡単であり、これが低コストの大きな理由です。このプロセスは世界中の鋳造工場でほぼ一貫していますが、詳細は装置の種類やグレードの要件によって異なります。

1. 装薬の準備と溶解: 原料 - 銑鉄、鋼スクラップ、鋳鉄リターン (ゲート、ライザー、不合格鋳物)、および合金鉄 - は、電気誘導炉またはキューポラ炉に装入されます。コークスを燃料として使用するキューポラ炉は伝統的な方法であり、エネルギーコストが低いため、依然として大量生産に一般的です。誘導炉はより厳密な組成制御が可能であり、より高度な作業に適しています。
2. 化学調整: 溶鉄の組成は発光分光法 (OES) を使用して測定され、フェロシリコン、フェロマンガン、またはその他の母合金を添加することによって調整されます。カーボン含有量はカーボン（黒鉛）を添加するか、鉄スクラップで希釈することで調整します。目標CEは、鋳物の目的の品位と断面厚に応じて設定されます。
3. 予防接種： 注ぐ前に、フェロシリコン接種剤を取鍋に加えるか、直接鋳型の流れに加えます。接種によりタイプ A グラファイト フレークの形成が促進され、過冷却 (タイプ D) グラファイトが減少し、薄い部分でのチルの形成が最小限に抑えられます。 後期接種 これは、金属が鋳型に入るときに金属の流れに接種剤を加えるという最も効果的な方法であり、現代の鋳造工場では標準的な方法です。
4. 型の準備と流し込み: ほとんどのねずみ鋳鉄は、生砂型 (模様の周りに湿った砂を圧縮したもの) で鋳造されます。金属は次の温度で注入されます。 1,300℃と1,450℃ セクションの厚さと複雑さによって異なります。ねずみ鋳鉄の優れた流動性は鋼やダクタイル鋳鉄よりも優れており、薄い部分や複雑な形状を確実に充填できます。
5. 固化とシェイクアウト: ねずみ鉄は凝固中に黒鉛が析出するため共晶膨張を起こし、全体の体積収縮が部分的に補償されます。これにより、鋼鋳物と比較して収縮気孔の深刻さが軽減されます。固化後、型を振り落とし、鋳物を砂から分離します。
6. 洗浄と仕上げ: ゲート、ライザー、バリは研削またはショットブラストによって除去されます。寸法検査と硬度試験により、仕様への適合性が確認されます。応力除去焼鈍 500℃～600℃ 後続の機械加工中の寸法変化を最小限に抑えるために、精密工作機械の鋳物に対して実行されることがあります。

ねずみ鋳鉄が使用される場所: 業界別の用途

製造におけるねずみ鋳鉄の地位は、振動減衰、圧縮強度、耐摩耗性、鋳造性、機械加工性といった一連の特性の中核に基づいて構築されており、そのため、コストパフォーマンスの点で他のどの材料にも匹敵する、特定の大規模な用途に適した材料となっています。

自動車: エンジンブロックおよびブレーキ部品

ねずみ鋳鉄は依然として主要な材料です ブレーキローター（ディスク）とブレーキドラム 複合材料やセラミックスとの競合にもかかわらず、乗用車や商用車に使用されています。高い熱伝導率 (ブレーキ熱を迅速に放散)、優れた摩擦特性 (ブレーキパッドに対する一貫した摩擦係数)、そしてキログラムあたりのコストが非常に低いため、この用途では機能的かつ経済的に無敵です。一般的な乗用車のブレーキローターの重量は 7～12kg クラス 30 またはクラス 35 ねずみ鋳鉄で製造されています。

ねずみ鉄エンジン ブロックは、商用車、ディーゼル エンジン、大排気量ガソリン エンジンで依然として一般的であり、材料の減衰能力によりアルミニウムに比べて騒音と振動が低減されます。アルミニウム ブロックのシリンダー ライナーも、ボア表面に必要な耐摩耗性を提供するためにねずみ鉄で作られることがよくあります。

工作機械・産業機器

旋盤、フライス盤、マシニング センター、研削盤のベッド、コラム、主軸台は、ほとんどの場合、主にクラス 30 ～ 40 のねずみ鋳鉄で鋳造されています。 ねずみ鋳鉄の減衰力が決め手 : 振動を効果的に減衰する工作機械ベースにより、同等の鋼製溶接物よりも優れた表面仕上げと長い工具寿命が得られます。また、ねずみ鋳鉄工作機械ベースは、溶接鋼構造に比べて残留応力緩和に対する感度が低く、長期にわたって優れた寸法安定性を備えています。

パイプ、バルブ、および水道インフラ

ねずみ鋳鉄管は、19 世紀以降、都市配水システムの根幹でした。新しい水道本管設備ではダクタイル鋳鉄がねずみ鉄に代わって大部分が使用されていますが、 数十万キロメートルに及ぶねずみ鉄の水道管が世界中で使用され続けています 、100歳を超える人もいます。ねずみ鉄製のバルブ、マンホール カバー、排水コンポーネントは、引張強度よりも圧縮荷重と耐食性が重要となるインフラ用途向けに大量生産され続けています。

調理器具および調理器具

鋳鉄製調理器具 (スキレット、ダッチ オーブン、グリドル) は、消費者が最も目にする用途ではねずみ鋳鉄です。この材料の高い熱容量と均一な熱分布により、持続的で均一な熱伝達が必要な作業では薄いステンレス鋼よりも優れています。よく味付けされたねずみ鉄のフライパンは、重合油の自然な焦げ付き防止層を形成し、素材の多孔性と表面の質感を機能的な調理面に組み合わせます。高品質の鋳鉄製調理器具は、適切にメンテナンスすれば何世代にもわたって長持ちします。

コンプレッサー、ポンプ、油圧コンポーネント

コンプレッサーのシリンダーとフレーム、ポンプ本体、および油圧バルブ ブロックは、一般的にクラス 30 ～ 40 のねずみ鋳鉄で鋳造されます。この材料は、圧縮フープ応力下での圧力保持能力に加え、精密なボアおよびシール表面の優れた機械加工性、および流体浮遊粒子によるかじりや摩耗に対する良好な耐性を備えているため、最大圧力で動作する流体動力機器にとって信頼性が高くコスト効率の高い選択肢となります。 250バール .

ねずみ鋳鉄と他の種類の鋳鉄: いつどちらを使用するか

鋳鉄は単一の材料ではなく、一種の材料です。そのファミリーの適切なメンバーを選択するには、各タイプが何を提供するのか、またねずみ鋳鉄の特性がどのような利点と欠点をもたらすのかを理解する必要があります。

ねずみ鋳鉄を選択してください 振動減衰、圧縮強度、機械加工性、低コストが優先され、引張荷重や耐衝撃性が設計要件ではない場合。引張強さ、伸び、耐衝撃性が必要な場合はダクタイル鋳鉄を選択してください。白銑は、機械加工性が要求されない極度の摩耗用途にのみ選択してください。

被削性: ねずみ鋳鉄が最も機械加工しやすい金属の 1 つである理由

ねずみ鋳鉄は、鉄金属の中での被削性のベンチマークです。グラファイトフレークはチップブレーカーとして機能し、鋼に特有の長くて糸状の切りくずではなく、短くて脆い切りくずを生成します。これにより、切削抵抗、工具温度、工具摩耗率が大幅に低減されます。グラファイトは工具とワークピースの間の乾性潤滑剤としても機能し、摩擦をさらに低減します。

• 切断速度: フェライト系グレード (クラス 20 ～ 25) は次の条件で機械加工できます。 200～300m/分 コーティングされた超硬工具付き。パーライトグレード (クラス 40 ～ 60) では、硬度と摩耗性が高いため、速度を 100 ～ 200 m/min に下げる必要があります。
• 乾式加工が標準です: 鋼とは異なり、ねずみ鋳鉄は日常的に乾式で機械加工されます。クーラントは、工具とワークピースの界面でねずみ鋳鉄に熱衝撃亀裂を引き起こす可能性があるため、旋削、フライス加工、ボーリング加工では一般に避けられます。
• 表面仕上げ： ねずみ鋳鉄加工では、標準的な超硬工具を使用して旋削加工やボーリング加工を行い、Ra 0.8 ～ 3.2 μm の表面仕上げを行うことができます。これは、追加の研削を行わなくても、ほとんどのベアリングおよびシール表面に十分です。
• 工具の摩耗: 容易に切断できるにもかかわらず、グラファイトフレークは、特にハイシリコングレードの場合、切削工具のエッジを若干摩耗させます。コーティングされた超硬 (TiN、TiCN、Al₂O₃) または CBN 工具は、一貫した工具寿命を維持するために大量生産に使用されます。

ねずみ鋳鉄の制限と使用しない場合

すべての素材には適切な使用の境界があります。ねずみ鋳鉄の限界を理解することで、致命的な設計エラーを防ぎ、材料の代替を正しく決定することができます。

• 主要な張力に耐える構造では使用できません。 ねずみ鋳鉄は、重大な引張応力または曲げ応力にさらされる構造物の主要な耐荷重部材であってはなりません。伸びがほぼゼロであるため、破断する前に警告が表示されず、過負荷の塑性再分配が行われないことを意味します。
• 衝撃や衝撃荷重がない場合: ハンマーヘッド、吊り上げフック、安全性が重要なブラケットなど、突然の衝撃荷重がかかる用途は、ねずみ鋳鉄の脆性破壊挙動とは根本的に相容れません。代わりにダクタイル鋳鉄または鋼を使用する必要があります。
• 溶接が難しい： ねずみ鋳鉄は炭素含有量が高く脆いため、溶接は技術的に難しく、信頼性が低くなります。予熱により補修溶接が可能 300℃～600℃ ただし、溶接されたねずみ鉄接合部は母材ほど信頼性が高くないため、圧力がかかる用途や構造用途には使用しないでください。
• 冷間加工はできません: ねずみ鋳鉄には室温では塑性変形能力がありません。曲げたり、成形したり、丸めたり、引っ張ったりすることはできません。すべての成形は鋳造または機械加工によって行う必要があります。
• 攻撃的な環境での腐食: ねずみ鉄は、湿った環境、酸性の環境、または塩分の環境では腐食します。屋外または埋設サービスには、保護コーティング (ペイント、エポキシ、アスファルトコーティング) が必要です。グラファイトフレークはガルバニ電池の陰極として機能し、保護なしで電解質を含む環境での鉄の溶解を促進します。
• セクションの感度: 特性は、同じ鋳造品でも断面の厚さによって大きく異なります。薄い部分はより速く冷却され、より細かく硬い微細構造が生成されます。厚い部分はゆっくりと冷却され、より粗いグラファイトとより柔らかいマトリックスが生成されます。設計ではこの変動を考慮するか、重要な位置での硬度の範囲を指定する必要があります。