鉄鋳物の種類
鉄鋳物の種類
この章では、さまざまな種類の鉄鋳物について説明します。
ねずみ鋳鉄鋳物
ねずみ鋳鉄の特徴は、材料に破壊を引き起こし、灰色の外観をもたらすグラフィックな微細構造です。これは最も一般的に使用されるタイプの鋳鉄であり、重量に基づいて一般的に使用される鋳鉄材料でもあります。ねずみ鋳鉄の大部分は、2.5 ～ 4 パーセントの炭素、1 ～ 3 パーセントのシリコンの化学分解を持ち、残りは鉄の組成です。
このタイプの鋳鉄は、鋼に比べて引張強度が低く、衝撃に対する耐性が低くなります。圧縮強度は低炭素鋼および中炭素鋼に匹敵します。
これらすべての機械的特性は、ねずみ鋳鉄の微細構造に存在するグラファイトフレークの形状とサイズによって制御されます。
白鉄鋳物
このタイプの鉄は、セメンタイトと呼ばれる炭化鉄の沈殿物の存在により、破断面が白色になります。白鋳鉄に含まれる炭素は、黒鉛ではなく安定相セメンタイトとして溶湯から析出します。これは、黒鉛化剤としてのシリコン含有量を低くし、供給される冷却速度を速くすることで達成されます。この沈殿の後、セメンタイトは大きな粒子として形成されます。
炭化鉄の沈殿中に、沈殿物が元の溶融物から炭素を引き込み、混合物をより共晶に近い方向に移動させます。残りの相は鉄を炭素オーステナイトに低下させ、冷却されるとマルテンサイトに変態します。
これらの含有共晶炭化物は、析出硬化の利点を得るには大きすぎます。一部の鋼では、純鉄フェライト母材を通る転位の移動を妨げることにより、プラスチックの変形を引き起こす可能性のあるはるかに小さなセメンタイト析出物が存在する可能性があります。それらは、単にそれ自体の硬度と体積分率により、鋳鉄のバルク硬度を増加させるため、利点があります。この結果、バルク硬度は混合則で近似できるようになります。
いずれの場合でも、この硬度は靭性を犠牲にして提供されます。白鋳鉄は材料の大部分を炭化物が占めるため、一般にセメントとして分類できます。白鉄は構造部品に使用するには脆すぎるが、硬度が高く、耐摩耗性があり、低コストであるため、スラリーポンプの摩耗面として使用できます。
厚い鋳物を、溶湯を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が、急速冷却を利用して、大量の白鋳鉄を凝固させることができ、その後、残りの部分が固まります。ゆっくりとしたペースで冷却し、ねずみ鋳鉄のコアを形成します。このようにして得られた鋳物はチルド鋳物と呼ばれ、表面は硬いが内部はより丈夫であるという利点が含まれています。
高クロム白鉄合金は、約 10 トンのインペラの巨大な鋳物を砂型鋳造することができる能力を持っていました。これは、クロムが材料の厚さを厚くすることで炭化物を生成するのに必要な冷却速度を低下させるという事実によるものです。クロム元素によっても耐摩耗性に優れた炭化物が生成されます。
可鍛鋳鉄
可鍛鋳鉄は白鋳鉄として始まり、約 950°C の温度で 2 日または 1 日熱処理され、その後同じ時間冷却されます。
この加熱と冷却のプロセスにより、炭化鉄の炭素はグラファイト、フェライトと炭素に変化します。これは手間のかかるプロセスですが、表面張力によりグラファイトをフレークではなく球状の粒子に変えることができます。
回転楕円体は比較的短く、アスペクト比が低いため互いに離れています。それらには、下部断面、伝播する亀裂、および光子も含まれています。フレークとは対照的に、フレークには鈍い境界が含まれており、ねずみ鋳鉄に見られる応力集中の問題を緩和する役割を果たします。全体として、可鍛鋳鉄に含まれる特性は、性質が穏やかな鋼の特性に似ています。
ダクタイル鋳鉄鋳物
ノジュラー鋳鉄とも呼ばれるこの鋳鉄は、非常に小さなノジュールの形をした黒鉛を持ち、黒鉛は同心の層の形をしているため、ノジュールを形成します。このため、ダクタイル鋳鉄グラファイトの薄片によって生じる応力集中の影響がない海綿状鋼の鋼です。
含まれる炭素濃度は3～4%程度、シリコンは1.8～2.8%程度です。少量の 0.02 ～ 0.1 パーセントのマグネシウムとわずか 0.02 ～ 0.04 パーセントのセリウムをこれらの合金に添加すると、グラファイト レーンのエッジへの結合によってグラファイトの析出が成長する速度が遅くなります。
プロセス中の他の元素の注意深い制御と適切なタイミングにより、カーボンは材料が凝固する際に球状粒子として分離する可能性があります。得られる粒子は可鍛鋳鉄に似ていますが、より大きな断面の部品を鋳造することができます。
元素の合金化
鋳鉄の特性は、鋳鉄中のさまざまな合金元素または合金剤によって変化および添加されます。炭素と並ぶ元素であるケイ素は、溶液から炭素を強制的に除去する能力を持っています。ケイ素の割合が少ないと、溶液中に炭素が残り、炭化鉄が形成され、白鋳鉄も生成されるため、これを完全に達成することができません。
シリコンのパーセンテージまたは濃度が高くなると、溶液から炭素が強制的に除去され、黒鉛が形成され、ねずみ鋳鉄も生成されます。記載されていない他の合金化剤には、マンガン、クロム、チタン、そしてバナジウムが含まれます。これらはシリコンに対抗し、炭素の保持を促進し、したがって炭化物の形成も促進します。ニッケルと銅という元素は、強度と機械加工性を向上させるという利点がありますが、形成される炭素の量を変えることはできません。
グラファイトの形態にある炭素は鉄を軟化させるため、収縮の影響が減少し、強度が低下し、含有密度が減少します。硫黄は含有されるとほとんどが汚染物質であり、硫化鉄を形成して黒鉛の形成を防ぎ、硬度を高めます。
硫黄の欠点は、溶けた鋳鉄を粘稠にし、欠陥を引き起こすことです。硫黄の影響に対応して排除するために、マンガンが溶液に追加されます。これは、2 つを組み合わせると硫化鉄ではなく硫化マンガンが形成されるためです。得られる硫化マンガンは溶融物よりも軽く、溶融物から浮遊してスラグに入り込む傾向があります。
硫黄の影響を打ち消すために必要なマンガンのおおよその量は、硫黄含有量 1.7 単位と、さらに 0.3 パーセントの硫黄分が追加されます。この量を超えてマンガンを添加すると炭化マンガンが形成され、これにより硬度と冷えが増加します。ただし、ねずみ鉄は例外で、最大 1% のマンガンで強度と含有密度が増加します。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傾向があるためです。
クロムは遊離黒鉛を減らして冷却を生成するために少量添加されます。これは、クロムが強力な炭化物安定剤であり、場合によってはニッケルと併用できるためです。クロムについても、少量の代替量のスズを添加することができます。銅は取鍋または炉に 0.5 パーセントから 2.5 パーセント程度添加され、冷却の低下、黒鉛の精製、および流動性の増加を実現します。モリブデンを０．３パーセントから１パーセント程度加えて、冷却を増加させ、黒鉛を精製し、パーライト構造を微細化することもできる。
通常、高強度の鉄を製造するために、ニッケル、銅、クロムと並行して添加されます。チタンという元素が添加されており、脱気剤、脱酸剤として働き、流動性を高めます。 0.15 パーセントから 0.5 パーセントの割合でバナジウム元素が鋳鉄に添加され、セメンタイトの安定化に役立ち、硬度を高め、摩耗や熱の影響に耐えます。
ジルコニウムはグラファイトの形成を促進し、約 0.1 パーセントから 0.3 パーセントの割合で添加されます。この元素は、脱酸と流動性の向上にも役立ちます。可鍛鉄の溶湯では、シリコンの添加量を増やすために、ビスマスが 0.002 ～ 0.01 パーセントのスケールで注入されます。白鉄にはホウ素元素が添加されており、可鍛性のある鉄の生成を助け、ビスマス元素による粗大化の影響を軽減します。