1. 導入
鉄の鋳物は、現代のエンジニアリングで極めて重要な役割を果たします, 自動車のパワートレインから地方自治体のインフラストラクチャへのアプリケーションを支えています.
利用可能なさまざまなグレードの中, 延性鉄と鋳鉄 一緒に世界中の鉄鋳物の大部分を占めています.
灰色の鉄, その特徴的なフレーク状のグラファイト微細構造を備えています, 何世紀にもわたって使用されてきました, その優れた振動減衰とキャスティングの容易さで評価されています.
延性鉄, 20世紀半ばにマグネシウム治療を通じて開発されました, グラファイトを球状結節に変換します, かなり高い引張強度を伝えます, 延性, そして耐衝撃性.
2. 延性鉄とは何ですか?
延性鉄, とも呼ばれます 結節鋳鉄 または スフェロイドグラファイト鉄, は、その一種の鋳鉄です グラファイト粒子は球状結節を形成します フレークではなく (灰色の鋳鉄のように).
この微細構造の違いは、延性鋳鉄を大幅に与えます 強化された機械的特性 - 不可能です 高強度, 延性, そして耐衝撃性.
延性鉄材料が発明されました 1943 による キース・ミリス 国際ニッケルカンパニーで (インコ), 誰がその追加を発見しました マグネシウム 溶融鉄に、凝固中にグラファイトフレークを球状の形に変換します.
この革新は、冶金の革命的な進歩を示しました, で素材を提供します 鋼鉄のような靭性 と組み合わせる 鉄のしやすさをキャストします.
化学組成 (ASTM A536グレードの典型)
| 要素 | 典型的な範囲 (% 重量で) |
| 炭素 (C) | 3.2 – 3.8 |
| シリコン (そして) | 2.2 – 2.8 |
| マンガン (ん) | 0.1 – 0.5 |
| マグネシウム (マグネシウム) | 0.03 – 0.05 |
| 硫黄 (S) | < 0.02 |
| リン (P) | < 0.05 |
| 鉄 (鉄) | バランス |
重要な要素はです マグネシウム, グラファイトの球形を誘導するための結節剤として機能する.
セリウム そして 希土類金属 結節化を制御し、一貫性を改善するために一部のグレードでも使用されます.
延性鉄の特徴
- 高い引張強度: 通常 60,000 そして 100,000 psi (414–690 MPa)
- 良い降伏強度: 約40,000〜70,000 psi (275–483 MPA)
- 高い伸長: まで 18% グレードと熱処理に応じて
- 衝撃靱性: 他のキャストアイロンよりも優れています, 低温でも
- キャスタビリティ: 優れた流動性, 複雑なジオメトリに適しています
- 耐摩耗性: 合金化またはオーステンパーによって強化されました
- 耐食性: 良い, 特にシリコンが豊富なマトリックスで
- 疲労強度: 周期荷重下での高耐久制限
長所 延性鉄の
- 優れた強度と延性 他のキャストアイロンと比較して
- 優れた衝撃耐性, 寒い環境でも
- 良好な機械加工性 真珠の成績
- カスタマイズできます 高い摩耗または腐食抵抗のため
- スチールに代わる費用対効果の高い代替品, 特に大部分, 複雑な鋳物
- 高い信頼性 構造および圧力評価コンポーネントで
- 良好な疲労パフォーマンス 環状負荷アプリケーション用
短所 延性鉄の
- 灰色の鋳鉄よりも高価です 合金とプロセス制御のため
- より低い振動減衰 灰色の鋳鉄より
- 正確な制御が必要です 冶金の (マグネシウムフェージング, 結節性制御)
- 中程度の耐食性 攻撃的な環境にコーティングがありません
- わずかに低いマシン可能性 結節性グラファイトとより硬いマトリックスの位相による灰色の鉄より
3. 鋳鉄とは何ですか?
鋳鉄は、より大きい炭素含有量を持つ鉄炭素合金のグループです 2%, 通常は次の間で 2.5–4.0％, さまざまな量とともに シリコン, マンガン, およびトレース要素.
延性鉄とは異なります, 鋳鉄には一般にグラファイトが含まれています フレークまたは不規則な形, のような異なるプロパティを与える 脆さ, 優れたキャスティブ可能性, そして 高減衰容量.
歴史的に, 鋳鉄はさかのぼります 紀元前5世紀の中国, しかし、それはヨーロッパで広まっていました 14Th – 18世紀 爆風炉の開発により.
その使用量はその間に爆発しました 産業革命, 基礎的な資料になる 橋, 機械, 鉄道, そして 水インフラストラクチャ キャスティングの容易さと低コストのため.
化学組成 (典型的な範囲)
| 要素 | グレー/ホワイト/可鍛性鋳鉄の範囲 (% 重量で) |
| 炭素 (C) | 2.5 – 4.0 |
| シリコン (そして) | 1.0 – 3.0 |
| マンガン (ん) | 0.2 – 1.0 |
| 硫黄 (S) | < 0.12 |
| リン (P) | < 0.2 |
| 鉄 (鉄) | バランス |
鋳鉄の種類 & 起源
鋳鉄は単一の材料ではなく、異なる微細構造を持つ合金のファミリーです, それぞれが一意のプロパティを提供します:
-
- グラファイトは次のように表示されます フレーク
- 最も一般的なタイプ; エンジンブロックに使用されます, ハウジング, そして調理器具
- 素晴らしい 減衰 そして 被削性, しかし、脆い
- 白い鋳鉄
-
- グラファイトはありません; 炭素が存在します セメンタイト (Fe₃c)
- 非常に 硬くてもろい
- で使用されます 耐摩耗性 ミルライナーや爆破機器などのアプリケーション
- 順応性のある鋳鉄
-
- 熱処理された白い鉄 炭素結節を抑制します
- 改善 延性 そして 靭性 灰色の鉄の上
- パイプフィッティングと小さな鋳造コンポーネントで一般的です
- 圧縮されたグラファイト鉄 (CGI)
-
- グラファイトはaにあります バーミキュラー (ワームのような) 形状
- 灰色の鉄よりも高い強度と延性鉄よりも優れた減衰を組み合わせる
- モダンで広く使用されています ディーゼルエンジンブロック
鋳鉄の特徴
- 高いキャスト性: 低融点 (約. 1,200–1,300°C) そして優れた流動性
- 優れた耐摩耗性: 特に硬相白い鉄で
- 優れた減衰能力: 機械の振動制御に最適です
- 脆い性質: ほとんどのタイプで衝撃強度と骨折の靭性が低くなります
- 耐食性: 適度; コーティングまたは合金で改善します
- 熱伝導率: 灰色の鉄が高くなっています (まで 55 W/m・K), 調理器具やエンジンブロックに適しています
鋳鉄の長所
- 経済的 そして広く利用可能です
- 高い圧縮強度
- 優れたキャスティブ可能性 複雑な形の場合
- 優れた振動減衰 (特に灰色の鉄)
- 優れた熱特性 熱伝達アプリケーション用
- 被削性 グラファイトフレークのため、灰色の鉄に優れています
鋳鉄の短所
- 低延性 そして 脆さ ほとんどのタイプで (特に灰色と白の鉄)
- 耐衝撃性が低い
- 溶接性は限られています, 多くの場合、予熱および溶接後の熱処理が必要です
- 低い引張強度 鋼または延性鉄と比較して
- 亀裂の影響を受けやすい 動的または衝撃負荷の下
4. 延性鉄の機械的特性と. 鋳鉄
| 財産 | ダクタイル鋳鉄 (ASTM A536) | 灰色の鋳鉄 (ASTM A48) |
| 抗張力 (MPa) | 400–700 | 200–400 |
| 降伏強さ (MPa) | 250–500 | 150–250 |
| 伸長 (%) | 10–25 | 1–3 |
| ブリネル硬度 (HB) | 170–280 | 150–250 |
| 衝撃靱性 (J) | 10–25 | < 5 |
| 疲労耐久制限 (MPa) | 〜200–300 | 〜100–150 |
5. 熱 & 延性鉄と延性の物理的特性. 鋳鉄
| 財産 | ダクタイル鋳鉄 | 灰色の鋳鉄 | 備考 |
| 熱伝導率 | 25 – 36 W/m・K | 45 – 55 W/m・K | 灰色の鉄は、フレークグラファイトのために熱をより良く透過します. |
| 熱膨張係数 (CTE) | 11 – 13 μm/m・K | 10 – 11 μm/m・K | 延性鉄は熱とともにより膨張します. |
| 比熱容量 | 〜500 j/kg・k | 〜460 j/kg・k | 延性鉄は少し熱を貯蔵します. |
| 減衰容量 | 良い | 素晴らしい | 振動減衰のための灰色の鉄優れ. |
| 密度 | 〜7.1 - 7.3 g/cm3 | 〜7.1 - 7.3 g/cm3 | 似ている; 微細構造に依存します. |
| 被削性 | 中程度から良い | 素晴らしい | 灰色の鉄は、フレークグラファイトのために機械加工しやすい. |
6. 延性鉄の製造と処理. 鋳鉄
鋳造は、延性鋳鉄と伝統的な鋳鉄の両方のために最も一般的な製造方法です.
しかし, それらの冶金特性は、さまざまな処理ルートを決定します, 複雑さの程度, 特定の鋳造技術への適合性.
鉄合金の一般的な鋳造方法
| 鋳造法 | 説明 | 延性鉄に適しています | 鋳鉄に適しています (グレー, 等) |
| 砂型鋳造 | 結合した砂型を使用します; フレキシブル, 費用対効果の高い, 大きなコンポーネントに最適です. | 広く使用されています; 正確なゲーティング/ライザー制御が必要です. | 優れた流動性はこの方法に非常に適しています. |
| 金属型鋳造 | 再利用可能な金属型を使用します; 大量の精密部品に適しています. | Mgの収縮と反応性による挑戦. | 収縮率が低いため、グレーアイアンに適しています. |
| 遠心鋳造 | 回転を使用して、金型に溶融鉄を分散します; 円筒形の部品に最適です. | 延性のある鉄パイプと袖に適しています. | パイプおよびシリンダーライナーに使用されます. |
| シェル型鋳造 | 樹脂でコーティングされた砂を使用します; より良い表面仕上げと寸法制御を提供します. | 該当する, しかし、注入条件により敏感です. | 複雑で小さな灰色の鉄のコンポーネントに最適です. |
| ロストフォームキャスティング | 溶融金属が空洞に入ると、フォームパターンが蒸発します. | 延性鉄自動車部品での使用の増加. | フレークによる透過性が低いため、あまり一般的ではありません. |
| インベストメント鋳造 | ワックスパターンからのセラミックシェル型; 高精度と詳細. | 複雑さと結合感度のために制限されています. | 時折、小さな複雑な灰色の鉄部品に使用されます. |
融解と炉の慣行
延性鉄と灰色の鋳鉄の両方を使用して生産できます:
- キューポラ炉: 大量の伝統的で費用対効果が高い, しかし、化学に対するあまり正確な制御を提供します.
- 誘導炉: 現在、延性鋳鉄に広く採用されています; 高い熱効率と正確な温度/組成制御を提供します - マグネシウム治療のために重要.
グラファイトの形態制御
- ダクタイル鋳鉄:
-
- 必要 結節化, 通常、使用します マグネシウム, セリウム, または 希土類合金, フレークグラファイトを球状結節に変換します.
- 接種 フェロシリコンでは、均一なグラファイト形成を促進し、炭化物を抑制するために統合後に必要です.
- 灰色の鋳鉄:
-
- のみ 接種 均一なフレークグラファイトを確保するために必要です.
- グラファイトフレークを形成する自然な傾向は、処理を簡素化します.
熱処理オプション
| 処理 | 目的 | ダクタイル鋳鉄 | 鋳鉄 (灰色/順応性) |
| アニーリング | 硬度を低下させます, 延性を改善する | 一般, 特にフェライトグレードの場合 | 灰色の鉄では珍しい |
| 正規化 | 構造を改良します, 穀物を均質化します | 真珠の延性鉄に使用されます | 使用されています |
| 東部の抑制 (アディ) | 強度/靭性のためにベイナイトマトリックスを作成します | ADIを生産するために広く使用されています | 適用できない |
| ストレス緩和 | キャスティングからの残留応力を最小限に抑えます | 時々使用されます | 精密な灰色の鉄鋳物で一般的です |
7. 腐食 & 環境抵抗
酸化挙動と耐食性
ダクタイル鋳鉄:
フェライトまたはパールティックマトリックスに埋め込まれたグラファイト結節のため, 延性鉄は一般に、従来の灰色の鋳鉄よりも優れた腐食抵抗を示します.
結節グラファイト構造は、鋳鉄のフレークグラファイトと比較して、腐食の開始点の数を減らす傾向があります.
さらに, 延性鉄には、多くの場合、ニッケルなどの合金要素が含まれています, 銅, または酸化と一般的な腐食に対する耐性を高めるクロム.
鋳鉄 (灰色の鉄):
灰色の鋳鉄, 特徴的なフレークグラファイト構造を備えています, グラファイトフレークが微生物細胞を作成するため、腐食の影響を受けやすい, 局所腐食の加速, 特に湿った環境または酸性環境で.
フレークグラファイトはまた、腐食性剤の浸透を材料に深く促進します, 孔食と表面の劣化を引き起こします.
環境抵抗とコーティング
両方の延性鉄と鋳鉄は、塩水などの攻撃的な環境にさらされると腐食が起こりやすいです, 工業用雰囲気, または酸性土壌. 耐久性を向上させる:
- 保護コーティング:
エポキシコーティング, 亜鉛メッキ, 塗料システムは、腐食を阻害するために鉄鋳物に広く適用されています.
延性鉄成分は、水や下水パイプなどの重要なインフラストラクチャでの使用により、しばしば優れたコーティング処理を受けます。. - 裏地とカソード保護:
パイプとバルブ用, ポリマーライニング (例えば, エポキシ, ポリエチレン) カソード保護システムは、腐食性媒体への直接暴露を減らすことにより、サービスの寿命を延ばすための一般的な慣行です.
8. 被削性 & 延性鉄の製造と. 鋳鉄
鋳鉄と延性鉄の間で選択する際の製造と機械性の特性は重要な要素です, 製造効率に影響を与えます, 工具の摩耗, 表面の品質, 全体的な生産コスト.
被削性
ダクタイル鋳鉄:
延性鉄は一般に、伝統的な灰色の鋳鉄と比較してより良い機密性を提供します.
結節状のグラファイト構造は、脆性を低下させます, カット操作中にツールの摩耗が少なくなり、チップ形成がスムーズになります.
延性鉄のマトリックス (通常、フェライトまたはパールティック) 熱処理により制御できます, 硬度と機械加工性のバランスをとることができます.
しかし, 灰色の鉄と比較してより高い引張強度は、機械加工パラメーターがしばしば調整が必要であることを意味します, 切断力の増加や最適化されたツール材料など.
灰色の鋳鉄:
灰色の鋳鉄は、フレークグラファイトが存在するため、機械の最も簡単な鉄材料の1つと考えられています, 切断中に天然の潤滑剤として機能します.
これにより、切断力とツールの摩耗が大幅に減少します.
しかし, 灰色の鉄の脆い性質は、不規則なチップを生成し、適切に処理されていないとマイクロクラックやエッジの欠けなどの表面欠陥を引き起こす可能性があることを意味します.
表面仕上げは延性鉄と比較して粗い傾向があります.
ツールの摩耗とチップ形成
- で 延性鉄, 機械加工はより長く生成されます, より丈夫なマトリックスと結節グラファイトのために連続チップ, ツールの詰まりと過熱を防ぐために適切なチップ避難が必要.
炭化物またはコーティングされたツールは、ツールの寿命を拡大するために一般的に採用されています. - で 灰色の鋳鉄, グラファイトフレークは、チップが小さなセグメントに侵入することを促進します, 熱の生成と長時間のツールの寿命を減らす.
これにより、ツールの変更が少なくなり、特定の操作の生産性が向上します.
表面仕上げおよびマシニング後の治療
- ダクタイル鋳鉄:
より細かい微細構造と丈夫なマトリックスのため, 延性鉄はしばしば優れた表面仕上げと寸法精度を達成します.
粉砕などのマシン後の治療, 研磨, 腐食抵抗と摩耗特性を高めるために、コーティングが一般的に適用されます. - 灰色の鋳鉄:
灰色の鋳鉄製の機械, その表面仕上げは一般的に粗いです, 厳しい許容値や滑らかな表面を要求するアプリケーションに追加の仕上げプロセスが必要です.
多孔質グラファイトは、表面の粗さの増加と潜在的な多孔性の問題にもつながる可能性があります.
溶接と考慮事項
- ダクタイル鋳鉄:
延性鉄は、MIGなどのさまざまな方法を使用して効果的に溶接できます, ティグ, または酸素アセチレン溶接.
その結節状のグラファイト構造は、亀裂感受性を低下させます, しかし、残留ストレスを最小限に抑え、機械的特性を維持するために、予熱および溶接後の熱処理をお勧めします. - 灰色の鋳鉄:
灰色の鋳鉄の溶接は、その高い炭素含有量とフレークグラファイトのために挑戦的です, これにより、ひびと歪みが生じやすくなります.
特殊な溶接手順, 予熱および制御された冷却を含む, 必要です.
頻繁, ろう付けまたは機械的留め具は、灰色の鋳鉄の成分のために優先される。.
9. 延性鉄と鋳鉄の用途
鋳鉄と延性鉄の選択は、パフォーマンスに大きく影響します, 耐久性, さまざまな業界のコンポーネントの費用対効果.
延性鉄の応用 (そして、オーステンパーの延性鉄)
- 自動車産業: サスペンション部品, クランクシャフト, 歯車, エンジンブロック, コネクティングロッド
- 水および下水インフラストラクチャ: パイプ, 継手, バルブ, マンホールの蓋
- 重機: 歯車, フライホイール, ポンプ ハウジング, コンプレッサーコンポーネント
- 農業機器: トラクター部品, Plowshares, 頑丈なコンポーネント
鋳鉄の用途 (グレー, 白, 可鍛性のある)
- 自動車産業: エンジンブロック, シリンダーヘッド, ブレーキドラムとディスク
- 建設および都市インフラストラクチャ: マンホールカバー, 排水コンポーネント, 建築要素
- 産業機械: 機械ベース, フレーム, ハウジング
- 家庭用電化製品: 調理器具, ストーブ部品, 暖炉コンポーネント
10. 延性鉄と鋳鉄の包括的な比較
延性鉄と鋳鉄は、エンジニアリングで広く使用されている2つの鉄ベースの材料です, さまざまなアプリケーションに適した個別のプロパティを提供します.
| 側面 | ダクタイル鋳鉄 | 鋳鉄 |
| 微細構造 | 結節 (スフェロイド) 黒鉛 | フレークグラファイト (灰色の鋳鉄), 組み合わせた炭素 (白, 順応性のある鋳鉄) |
| 抗張力 | 400–700 MPa | 150–350 MPa |
| 伸長 | まで 18% | 通常、より少ない 1% |
| 耐衝撃性 | 高い (良いタフネスと延性) | 低い (脆い, 骨折しやすい) |
| 熱伝導率 | 適度 | より高い |
| 減衰容量 | 適度 | 素晴らしい (良い振動減衰) |
| 被削性 | 適度 (堅牢なツールが必要です) | 素晴らしい (グラファイトエイズチップブレイク) |
| 耐食性 | より良い, 特にコーティングで | 適度; 局所的な腐食が発生しやすい |
| 製造の複雑さ | 結節化治療が必要です, より複雑な | よりシンプルなキャストプロセス |
| 料金 | 処理と合金のために高い | より低い, 作成がより簡単です |
11. 結論
延性鉄と灰色の鋳鉄はそれぞれ、グラファイトの形態と結果として生じる微細構造によって駆動される明確な利点を提供します.
延性鉄 強さで優れています, 延性, 疲労寿命 - 高ストレスおよび動的アプリケーションのためのideal,
灰色の鋳鉄 振動が減衰するとき、選択した材料のままです, 費用効率, そして、機械加工の容易さが最重要です.
これらのトレードオフを理解し、機械に関するデータを活用します, 熱, および製造特性 - エンジニアは情報を提供できます, アプリケーション固有の重要な決定.
よくある質問
延性鉄と鋳鉄の主な違いは何ですか?
主な違いは、微細構造と機械的特性にあります.
延性鉄には、より高い延性を提供する球状のグラファイト結節が含まれています, 靭性, そして強さ, 鋳鉄は通常、フレークグラファイトを持っています, これにより、より脆く、延性が少なくなります.
延性鉄と鋳鉄は、機密性の観点からどのように比較されますか?
鋳鉄は通常、その脆性とグラファイトフレーク構造により、より良い機密性を提供します, カットしやすくします.
延性鉄, より厳しい, より堅牢なツーリングと機械加工技術が必要です.
延性鉄を熱処理できます?
はい, 延性鉄はさまざまな熱処理を受ける可能性があります, アニーリングやオーステンパーなど, その機械的特性を強化します, 強さと靭性を含む.
延性鉄はリサイクル可能です?
はい, 延性鉄と鋳鉄の両方はリサイクル可能な材料であり、一般的に新しい鋳物を生産するために再溶解しています, 持続可能な製造慣行に貢献する.
どちらが良いですか, 鋳鉄または延性鉄?
延性鉄は一般に強度のために優れています, 靭性, そして耐衝撃性, 鋳鉄は、費用対効果と機密性のために優れています. 選択はアプリケーションによって異なります.
延性鉄は鋳鉄よりも高価です?
はい, 延性鉄は通常、その合金要素によりコストがかかります, 処理要件, および優れた機械的特性.
鋳鉄と延性鉄のバルブ体の違いは何ですか?
鋳鉄製の体にはグラファイトフレークがあります, 脆くて延性が少なくなります, 延性鉄の体には、より大きな強度を提供する球状のグラファイト結節がありますが, 柔軟性, そして靭性.
