ねずみ鋳鉄かダクタイル鋳鉄か？工業用鋳鉄の比較

鋳鉄は多くの産業で使用される多機能材料である。鋳鉄」という用語は、2%以上の炭素を含む鉄-炭素合金の総称である。鋳鉄のサブクラスは多数あり、その中にはねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄があります。この記事では、エンジニアがプロジェクトに適した材料を選択できるよう、ダクタイル鋳鉄、ねずみ鋳鉄、鋳鉄の違いを確認します。

鋳鉄の概要

鋳鉄は鉄と炭素の合金で、一般に2.11%以上の炭素を含む。また、ケイ素、マンガン、硫黄、リンなどの微量元素を含み、鋳造性、機械加工性、耐摩耗性、衝撃吸収性を高めている。鋳鉄の融点は比較的低く、流動性が高いため、型に流し込んで複雑な形状に加工するのが容易である。そのため、鋳鉄は多くの用途でどこにでもある材料となっている。

鋳鉄の種類

鋳鉄は、主に炭素含有量の構造と形態に基づいて、いくつかの種類に分類される。主な分類はねずみ鋳鉄とダクタイル鋳鉄で、それぞれ性質や用途が異なる。

その他の鋳鉄の種類には次のようなものがある：

• 可鍛鋳鉄：鋳鉄の一種で、白鋳鉄に焼きなまし熱処理を施して製造される。
• 白い鋳鉄：炭素含有量が高く、白く光沢のある外観が目を引く。
•  バーミキュラー黒鉛鉄：黒鉛はミミズのような、縁が丸みを帯びたずんぐりした形で存在する。

グレー・アイアンとは

ねずみ鋳鉄は、薄片状黒鉛の存在によって区別される。この黒鉛は、炭素が金属マトリックスに埋め込まれた大きな薄片状のシートとして存在する、かなり特殊な微細構造を形成している。ねずみ鋳鉄の主な元素は、鉄、炭素、ケイ素、マンガン、硫黄、リンである。

表1.ねずみ鋳鉄の組成

鉄	C	Si	ムン	P	S
残り	2.0%～4.0%	1.0%～2.0%	0.5%～1.4%	0.05%～0.50%	0.02%～0.20%

微細構造

ねずみ鋳鉄のマトリックスは、通常、以下の成分で構成されている。 フェライトパーライト、またはこれらの組み合わせ。グラファイトフレークが存在すると、金属マトリックスの連続性が破壊されるため、材料の引張強度が低下する。その結果、引張強度は低くなるが、圧縮荷重に対しては非常に優れた性能を発揮する。グラファイトフレークの先端には応力集中が生じ、これが亀裂に伝播して靭性を低下させる。

熱処理によってねずみ鋳鉄中の黒鉛の形態や分布を変えることはできないので、ねずみ鋳鉄の性能を向上させるために熱処理を使用する意義はない。ねずみ鋳鉄の熱処理は、主に鋳物の内部応力を除去し、安定した寸法を得、切削性能を向上させ、表面硬度と耐摩耗性を高めるために使用される。

機械的特性

主要な機械的特性をいくつか紹介しよう：

引張強さ。 ねずみ鋳鉄の引張強さは100～700MPaの範囲にあり、これは比較的中程度で、引き剥がされることに対するむしろ平均的な抵抗を反映している。強度はマトリックスの組成に依存し、フェライト系に比べパーライト系の方が高い引張強度を示します。

降伏強度。 ねずみ鋳鉄の降伏強度は65.5MPaから420MPaの間で変化し、塑性変形が始まる前の適度な応力に耐えることができることを示している。

破断伸度。普通、ねずみ鋳鉄の破断伸度は1.0-15.0%である。黒鉛片は脆性の原因となるため、破断までの変形はほとんど期待できない。

硬度。 ねずみ鋳鉄の硬度は150～300HBで、衝撃を与えない用途では耐摩耗性に十分な表面硬度を持つ。硬度は、マトリックスに含まれるパーライトの量に依存し、パーライト含有量が多いほど硬度が高くなる。

表2.ねずみ鋳鉄の機械的性質

材料	引張強さ	降伏強度	伸び	硬度
灰色の鉄	100-700 MPa	65.5-420 MPa	1.0-15.0 %	150-300HB

加工特性

キャスティング： 優れた鋳造特性を持ち、流動性が良く収縮率が小さいため、複雑な形状に最適。

機械加工性： グラファイトが天然の潤滑剤として作用し、工具の摩耗と切削抵抗が低減されるからだ。

外観

通常、ねずみ鋳鉄の破断面は暗灰色で、粗いテクスチャーを持つ。鋳造工程では、砂穴や気孔のような欠陥が生じることもあるが、管理された生産条件下では通常、最小限に抑えられる。

ダクタイル鋳鉄とは？

ダクタイル鋳鉄は、ノジュラー鋳鉄や球状黒鉛鋳鉄（S.G.アイアン）とも呼ばれ、溶融鉄（通常はマグネシウム）に少量のネブライザーを添加することで製造される。この処理により球状の黒鉛が形成され、黒鉛とマトリックスの界面で発生する応力集中が減少するため、材料の機械的特性が著しく向上する。

微細構造

ダクタイル鋳鉄の組織には、フェライト、パーライト、またはその両方の混合物であるマトリックス中に均一に分散した球状黒鉛粒子が含まれている。球状黒鉛の存在により、マトリックスへの悪影響が軽減され、機械的特性が向上し、性能のバランスが改善される。

機械的特性

ダクタイル鋳鉄の主な機械的性質を以下に示す：

引張強さ。 ダクタイル鋳鉄の引張強度は400～800MPaの範囲にあり、より大きな引張力に耐える能力を示す指標である。

降伏強度。 ダクタイル鋳鉄の降伏強度は250～500MPaで、どのような応力下でも永久変形しにくい。その延性も相まって、ねずみ鋳鉄に比べ荷重に対する耐久性が高い。

伸び。 ダクタイル鋳鉄は、2-18%の伸びを示し、他の鋳鉄に比べ、かなり高い延性を示す。構造中に球状黒鉛結節が存在するため、応力集中の影響が少なく、破断する前にさらに変形することができる。

硬度。 その硬度は、熱処理とマトリックス組成によって130～350HBである。硬度が高いほど耐摩耗性に優れ、低いほど被削性に優れる。

表3.ダクタイル鋳鉄の機械的性質

グレード	引張強さ	降伏強度	伸び	硬度	マトリックス
QT400-18	400 MPa	250 MPa	18%	130-180 HB	フェライト
QT400-15	400 MPa	250 MPa	15%	130-180 HB	フェライト
QT450-10	450 MPa	310 MPa	10%	160-210 HB	フェライト
QT500-7	500 MPa	320 MPa	7%	170-230 HB	フェライト+パーライト
QT600-3	600 MPa	370 MPa	3%	190-270 HB	フェライト+パーライト
QT700-2	700 MPa	420 MPa	2%	225-305 HB	パーライト
QT800-2	800 MPa	480 MPa	2%	245-350 HB	パーライト

加工特性

キャスティング： ダクタイル鋳鉄は良好な鋳造特性を持つが、加工はねずみ鋳鉄よりはるかに難しい。局部処理と接種処理の両方が必要で、この材料は凝固過程での収縮率が高い。

機械加工性： ねずみ鋳鉄と同様、ダクタイル鋳鉄も黒鉛の潤滑効果の恩恵を受けるが、強度が高いため、切削抵抗と工具摩耗はねずみ鋳鉄より大きくなる。

外観

ダクタイル鋳鉄は通常、破断面が銀灰色で、ねずみ鋳鉄に比べ滑らかな仕上がりになる。強度が高く、欠陥率が低いため、外観がより洗練され、高性能の用途でより優れた美観をもたらします。

ねずみ鋳鉄と鋳鉄の比較

鋳鉄の重要な一分野として、ねずみ鋳鉄は薄片状黒鉛の特徴を持ち、耐摩耗性と衝撃吸収の場面に適している。鋳鉄は 鉄の分類グラファイトには多くの種類があり、その性能と応用範囲はグラファイトの形状の違いによって大きく異なる。

表4.ねずみ鋳鉄と鋳鉄の比較

特徴	灰色の鉄	鋳鉄
定義	黒鉛は薄片状に分布し、破面は灰色である。	鉄-炭素合金は通常2%から4%の炭素を含み、多くの種類がある。
グラファイトフォーム	フレーク	種類によって、フレーク状、ボール状、ワーム状がある。
機械的性質	圧縮強度が高く耐摩耗性に優れるが、引張強度と靭性は低い。	鋳鉄の種類によって特性は大きく異なる。
加工性	良好な切断特性	処理性能は、グラファイトの形態とマトリックス構造によって異なる。
骨折の特徴	割れ目は灰色で粗く、黒鉛を含んでいる。	グラファイトやカーボンの形状によって、破断面の色は異なる。
価格	低コスト	費用はタイプによって異なる

ダクタイル鋳鉄と鋳鉄の比較

ダクタイル鋳鉄は鋳鉄の仲間である。高い強度と靭性、耐衝撃性が特徴。鋳鉄は鉄の大分類であり、その種類によって特性や用途が大きく異なる。

表5.ダクタイル鋳鉄と鋳鉄の比較

特徴	ダクタイル鋳鉄	鋳鉄
定義	グラファイトを球状に分散させることで応力集中を抑え、強度と靭性を向上させている。	鉄-炭素合金は通常2%から4%の炭素を含み、多くの種類がある。
グラファイトフォーム	球形	種類によって、フレーク状、ボール状、ワーム状がある。
機械的性質	高い引張強度と優れた靭性を持ち、普通鋼に近いか、それを上回る。	鋳鉄の種類によって特性は大きく異なる。
加工性	切削性能は良いが、硬度がやや高いため、工具の摩耗につながりやすい。	処理性能は、グラファイトの形態とマトリックス構造によって異なる。
骨折の特徴	破断面は明るく、表面は滑らかで、グラファイトは均一に分散している。	グラファイトやカーボンの形状によって、破断面の色は異なる。
価格	コストは高いが、優れた性能と長寿命を誇る。	費用はタイプによって異なる

ダクタイル鋳鉄とねずみ鋳鉄の比較

グラファイトの形態： ねずみ鋳鉄は、網目状のフレーク状黒鉛を有し、金属マトリックスを切断する。ダクタイル鋳鉄には球状黒鉛が含まれ、マトリックスの破壊を最小限に抑えることで、材料全体の強度を高めている。

マトリックス構造： ねずみ鋳鉄の母材は、黒鉛片の存在に大きく影響されるため、均一性と機械的特性が低下する。ダクタイル鋳鉄のマトリックスは、黒鉛の影響を受けにくいため、機械的特性をよりよく保つことができる。

引張強さ： ねずみ鋳鉄の引張強度は100～300MPaだが、ダクタイル鋳鉄の引張強度は400～800MPaとはるかに優れている。

圧縮強度： どちらの素材も優れた圧縮強度を持つが、ダクタイル鋳鉄は圧縮強度と引張強度の比が1.5～2.0とバランスが取れているのに対し、ねずみ鋳鉄は3～4程度である。

塑性と靭性:ねずみ鋳鉄は塑性と靭性が低い。しかし、ダクタイル鋳鉄では2%～18%の伸びと衝撃靭性が大きく向上する。

キャスティング： ねずみ鋳鉄は鋳造性に優れ、収縮が少なく複雑な形状に適している。ダクタイル鋳鉄は加工がさらに複雑だが、凝固時の収縮は大きくなる傾向があるものの、鋳造性は良好である。

機械加工： どちらの材料も加工性は良いが、ダクタイル鋳鉄は強度が高いため、通常、加工工程でより大きな力を必要とする。

破断面： ねずみ鋳鉄の破断面は濃い灰色で粗く、ダクタイル鋳鉄の破断面は銀灰色で滑らかである。

表面品質： 一方、鋳鉄は砂穴などの表面欠陥が多く、ダクタイル鋳鉄はよりコンパクトで洗練された表面仕上げとなっている。

結論

ダクタイル鋳鉄とねずみ鋳鉄の違いは、組織、機械的性質、技術的特徴にある。ダクタイル鋳鉄はねずみ鋳鉄に比べ、球状黒鉛のため強度や靭性に優れるが、鋳造性や機械加工性は弱く、逆にねずみ鋳鉄は鋳造性や機械加工性に優れる。ねずみ鋳鉄は、複雑な形 状や優れた衝撃吸収性が必要な用途に好 まれ、ダクタイル鋳鉄は、強度と靭性が優 先される高応力用途に適している。これらの違いを理解することは、特定の用途に適した材料を選択し、最大限の性能、長寿命、最小限のコストを保証する上で非常に重要である。

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