鉄の種類：定義と性質

鉄は私たちの生活に欠かせないものであり、実際、多くの産業を支えている。鉄は様々な用途に使われている。建物、インフラストラクチャー、乗り物、設備などだ。鉄の種類は多様で、特殊な性質を持っています。銑鉄、錬鉄、鋳鉄など、鉄の種類を知ることは、賢い選択に役立ちます。この記事では、鉄の種類とその特性についてご紹介します。

鉄とは何か？

鉄は化学元素のひとつである。ラテン語の "ferrum "に由来する。結晶構造を持つ。純鉄は銀白色の光沢のある金属である。密度は7.86 g/cm³。融点は1539℃。鉄は電気および熱伝導性がある。

鉄は地球上で最も豊富で万能な金属のひとつである。鉄は地殻の約5.1%を占め、酸素、ケイ素、アルミニウムに次いで第4位の存在量である。自然界では、遊離の鉄は隕石の中にしか存在せず、地球上では主に化合物の形で存在している。

主な鉄鉱石はヘマタイトとマグネタイトである。ヘマタイトは50～60%の鉄を持つ。マグネタイトには60%以上の鉄がある。他の重要な鉄鉱石はリモナイトとシデライトである。

鉄の種類

鉄は様々な形状で存在し、それぞれが特定の産業用途に適した独自の特性と組成を特徴としている。鉄の主な種類には、純鉄、錬鉄、銑鉄、鋳鉄の一種であるねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄などがある。

錬鉄

鍛鉄は、可鍛性と延性を特徴とする鉄の合金である。通常、炭素含有量は0.1%以下と非常に低く、成形や溶接が容易である。錬鉄は、装飾部材や構造用途など、高い引張強度と耐食性を必要とする用途によく使用される。

鋳鉄

鋳鉄は、炭素含有量が2%を超える一群の鉄-炭素合金である。銑鉄を溶かし、炭素やケイ素などの元素を加えて製造される。

純鉄

純鉄は鉄の最も基本的な形態で、通常、電気アーク炉での製錬など、高い純度が得られる工程を経て生産される。この形態は、約99.8%の鉄を含み、炭素とマンガンの含有量は最低限であるため、高純度を必要とする用途、特に電気用途に理想的である。

銑鉄

銑鉄は、高炉で鉄鉱石を高炭素燃料（通常はコークス）で製錬した中間生成物である。2%から4%の炭素と、さまざまな量のケイ素、マンガン、リン、硫黄を含む。銑鉄自体は、ほとんどの用途にはもろすぎるが、鋳鉄や鍛鉄を製造するための原料として役立つ。

組成による分類

鉄の組成による分類は、鉄の様々な形状とその用途を理解するための基本である。この分類は主に鋳鉄と鋼鉄の2つに分けられ、それぞれ炭素含有量とその他の合金元素に基づく明確な特徴を持つ。

鋳鉄

鋳鉄は炭素含有量が高いのが特徴で、通常2%から4%の範囲である。優れた鋳造特性で知られ、溶融状態では流動性があるため複雑な形状に適しています。

スチール

鉄は鉄のもうひとつの重要な形態であり、炭素含有量によって分類することができる：
低炭素鋼：0.03%から0.3%の炭素を含む。延性に優れ、建築や製造によく使用されます。

中炭素鋼：0.3%から0.6%の炭素からなるこの鋼種は、強度と延性のバランスが取れており、自動車部品や機械に適している。

高炭素鋼：炭素含有量が0.6%から2%の高炭素鋼は、その硬度と強度で知られ、一般的に工具や金型に使用される。さらに、様々な合金鋼は、耐食性、靭性、弾性などの特定の特性を強化するために、ニッケル、クロム、マンガンなどの他の元素を組み込んでいます。

微細構造による分類

微細構造による鉄の分類は、鉄の特性と用途を理解する上で極めて重要である。この分類は、主に黒鉛の形状と構造のマトリックスに基づくもので、鋳鉄の明確な形態につながります。

グラファイト形状

鋳鉄は、その組織内に存在する黒鉛の形状によって分類することができる。

ラメラ（薄片）黒鉛（FG）：この形状は、ねずみ鋳鉄によく見られる薄片状の黒鉛組織が特徴で、良好な機械加工性と減衰能力に寄与している。

球状（結節状）黒鉛（SG）：ダクタイル鋳鉄としても知られ、丸みを帯びた黒鉛のノジュールが特徴で、引張強度と延性を高め、大きな靭性を必要とする用途に適している。

圧縮（バーミキュラー）黒鉛（CG）：この分類は、黒鉛がラメラ状と球状との中間の形状をしており、両者の特性を併せ持つ構造を指す。

調質黒鉛（TG）：調質黒鉛は、マレハビライゼーションと呼ばれる固相反応によって形成され、最終鋳造品の柔軟性と靭性を向上させるユニークな機械的特性を示します。

構造のマトリックス

黒鉛の形状に加えて、鋳鉄はマトリックス構造に基づいて分類され、異なる材料特性につながる。

フェライト系：フェライトを主成分とするマトリックスを特徴とし、優れた延性と耐食性を持つ。

パーライト質：このマトリックスはフェライトとセメンタイトの交互層からなり、強度と硬度を高める。

オーステナイト系：母材がオーステナイト組織を維持すると、優れた耐食性と高温強度が得られる。

マルテンサイト系：急冷によりマルテンサイトマトリックスが形成され、高い硬度と強度が得られ、耐摩耗用途に適している。

ベイナイト (オーステンパー)：特定の熱処理工程を経て得られる組織で、強度と延性を併せ持つ。このような微細構造による分類は、様々な鋳鉄の機械的特性を理解するのに役立つだけでなく、様々な産業用途への適合性にも影響します。各形状は、設計や製造工程で利用できる独自の特性を示し、鉄の材料としての多様性を示している。

鋳鉄と錬鉄：その違いを理解しよう

鋳鉄も鍛鉄も鉄と炭素の合金である。しかし、その組成と性質は異なる。

構成

鋳鉄は鉄と炭素の合金で、炭素含有量は2%以上である。鋳鉄の種類によっては、炭素含有率が6.67%と高いものもある。鋳鉄に含まれる他の合金元素には、ケイ素、マンガン、リン、硫黄などがある。

一方、錬鉄は、銑鉄をさらに精錬して得られる比較的純度の高い鉄である。炭素含有量は極めて低く、通常は 0.05%未満である。銑鉄を溶かし、不純物を取り除くことで製造される。

物理的性質

鋳鉄は炭素含有量が多いため、硬くてもろく、塑性変形しにくい。靭性が低く壊れやすいが、そのことが高い圧縮強度と硬度を生み出している。鋳鉄の熱伝導率は中程度です。厚みがあるため、加熱時に熱を蓄えることができる。

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鍛鉄は炭素含有量が少ないため、柔らかく延性がある。強度と硬度は低いが、鍛造や溶接が容易である。錬鉄は熱伝導性に優れている。熱するのが速い。これは調理器具を作るのに便利です。

価格

錬鉄は不純物を取り除くための精錬工程が多いため、コストがかかり、価格も割高になる。一方、鋳鉄は精錬工程が単純なため、コスト面で割安になります。

さまざまな種類の鉄の用途

鉄は、その汎用性の高い特性により、様々な産業において基本的な材料となっている。様々な種類の鉄の用途は、様々な分野のニーズに対応するそれぞれの特性に基づいて分類されています。

製造・機械

鉄はその強度と可鍛性により、機械や工作機械の製造に欠かせない材料となっている。純鉄は比較的軟らかいが、合金化して特性を高めることができるため、高い耐久性と性能を必要とする用途に適している。銑鉄は主に中間製品であるが、鋳鉄や鋼鉄の生産に不可欠であり、幅広い製造工程で使用される。

自動車産業

自動車部門は鉄鋼の重要な消費者である。軽量で強靭な素材へのニーズが鉄合金の進歩をもたらし、自動車の安全性と燃費効率に貢献している。鉄はまた、構造要素や電気自動車のバッテリーケーシングを含む様々な自動車部品の生産に不可欠であり、急速に進化するこの産業における鉄の多用途性を示している。

建設業界

鉄は、特に鋼鉄の形で、建設業界で広く使用されている。鉄を主成分とする鋼鉄は、堅牢な建物の骨組みや鉄筋コンクリート構造、さまざまな建築要素を構築するために不可欠である。引張強度が高いため、高層ビルや橋のような安全なインフラの建設に適している。さらに、鉄は釘やネジのような締結部材の製造にも使われ、建築部材の組み立てや固定に欠かせない。

エネルギー部門

鉄はエネルギー分野、特に再生可能エネルギーのインフラにおいて重要な役割を果たしている。その特性は、風力タービンやソーラーパネルなどの部品を構成する上で極めて重要である。鉄ベースの技術革新は、エネルギー生産の効率と持続可能性を高めると予想され、現代のエネルギーシステムにおける鉄の重要性を際立たせている。

結論

中国 CNC機械加工メーカー様々なタイプのアイアンを使用する。特定のパフォーマンス・ニーズを満たすためには、適切なものを選ぶことが肝要だ。どちらのタイプの鉄もユニークな特性を持っています。鋳鉄は硬く耐摩耗性に優れています。鍛鉄は延性があります。それぞれ異なる用途に最適です。異なるタイプの鉄の特性を知ることが鍵です。これには引張強度や機械加工性などが含まれます。そうすることで、正しい判断ができるようになります。それがプロジェクトの成功と長寿命化につながります。