鋳鉄が炭素鋼より耐食性が優れている理由?

1. エグゼクティブサマリー

鋳鉄は、その化学的性質と微細構造により、多くの一般的な腐食環境において普通の炭素鋼よりも優れた性能を発揮することがよくあります。 二重の保護効果: 不活性グラファイト相により、電気化学的に活性な金属領域が減少します。, 一方、マトリックス中のシリコンはシリカを豊富に含む緻密な表面膜を形成し、腐食スケールを密閉して安定化します。.

これら 2 つの効果により、母材金属への酸素とイオンの輸送が遅くなり、中性および軽度の攻撃性環境における全体的な腐食速度が低下します。.

利点は状況に依存します: 強酸性の中で, 強く減少させる, または高塩化物含有媒体の耐炭素合金 (例えば, ステンレス鋼, デュプレックス) または裏地付きの素材が望ましい場合があります.

2. 短い答え

鋳鉄は、以下に比べて腐食性能が向上しています。 炭素鋼 主に 微細構造と化学 — グラファイトは物理的な性質を提供します, 分散シールド, シリコンは、SiO₂ に富んだ緻密な膜を形成し、多孔性の酸化鉄スケールを安定化して引き締めます。.

これら 2 つのメカニズムにより、多くの使用条件下で鉄の電気化学的酸化が遅くなります。.

3. 冶金的基礎 - 組成と微細構造の違い

代表的な組成 (代表的な範囲)

含意: 鋳鉄には、炭素鋼に比べて桁違いに多くの炭素とかなり多くのシリコンが含まれています.
重要です, 鋳鉄では、ほとんどの炭素は次のように存在します。 黒鉛 フェーズ; 鋼中の炭素は鉄マトリックス内で化学的に結合しています (フェライト/パーライト) またはセメンタイトとして.

微細構造のコントラスト

鋳鉄

鉄のマトリックスに埋め込まれた黒鉛の小塊または薄片 (フェライト/パーライト). グラファイトは化学的に不活性であり、導電性があります; その形態 (フレーク vs 回転楕円体) 機械的挙動や腐食挙動にも影響します.

炭素鋼 (低炭素 / 軟鋼)

• 微細構造: 主に フェライト + 真珠 (フェライト＝柔らかい, 延性のあるα-Fe; パーライト = 層状Fe + Fe₃c).
• 炭素の位置: フェライトに少量溶解し、濃縮します。 セメンタイト (Fe₃c) パーライトのラメラ.
  金属表面は本質的に連続した鉄です; 不活性な分散炭素相は存在しない.
• 典型的な結果: 均一な電気化学的活性を備えた均質な金属表面; 保護されていない場合、肉眼で見える急速な酸化.

4. 鋳鉄の二重腐食保護 - グラファイトバリアとシリカ (sio₂) 不動態化

鋳鉄のさまざまな形態の腐食に対する優れた耐性は、微細構造レベルで機能する 2 つの相補的なメカニズムから生じます。: (1) ある 物理的バリア効果 黒鉛相から, そして (2) ある 化学的不動態化 シリカが提供する (sio₂) 形成.
これらのメカニズムが連携して、金属損失を引き起こす電気化学プロセスを遅らせ、多くの屋外および水環境での耐用年数を延ばします。.

グラファイト — 物理的なもの, マイクロスケールシールド

• 化学的安定性と不活性. グラファイトは化学的に不活性な炭素の同素体です.
  一般的な環境条件下では容易に酸化しません。 (空気, 水分), そのため、金属マトリックスに埋め込まれたグラファイト粒子は陽極サイトとして機能せず、活発な腐食に寄与しません。.
• マイクロスケールのシールド. 鋳鉄ではグラファイトはフレークとして現れます (ねずみ鉄) または回転楕円体 (延性鉄).
  これらのグラファイトの特徴は、表面と地下全体に分布し、反応性鉄マトリックスの露出面積を減らす無数の微細なシールドのように機能します。.
  鉄と腐食性種との直接接触を遮断することにより (酸素, 水, 塩化物イオン), グラファイト相により、酸化に利用できる有効電気化学領域が減少します。.
• 正味効果 vs. 炭素鋼. 炭素鋼にはこの内部構造がありません, 分散不活性相; 炭素鋼の鉄マトリックスが実質的に露出している, そのため、酸化攻撃は金属表面全体でより均一かつより積極的に進行します。.

シリコン - SiO₂ 膜形成による化学的不動態化

• 電気化学的基礎. 鉄の腐食は、Fe 原子が電子を失い、酸化物種を形成する電気化学的酸化プロセスです。.
  鋳鉄にシリコンが存在すると、酸化中の化学経路が変化します。.
• 優先酸化と皮膜形成. シリコンは鉄と同時に、または場合によっては鉄の前に酸化して緻密な組織を形成する傾向があります。, 付着シリカ (sio₂) 金属表面に膜を作る.
  このシリカ層は、最初の酸化鉄内の細孔や欠陥を埋めます。 (さび) 層を形成し、基材にしっかりと接着します.
• SiO₂のバリア特性. SiO₂ 膜は緻密で化学的に安定です; 金属中への酸素や攻撃的なイオンの拡散を減少させ、それによって鉄のさらなる酸化を遅らせます。.
  野外露出で, 鋳鉄の保護スケールは、多くの場合、酸化鉄とシリカの混合膜です。; シリカ成分が凝集力を高め、錆層の剥離を軽減します。.
• 炭素鋼の錆とのコントラスト. 炭素鋼の錆は通常、多孔質の酸化鉄で構成されています。 (FeO, Fe₂O₃, Fe₃o₄) タイトさが欠けている, シリカを多く含む膜の付着構造.
  炭素鋼の錆はもろくなりやすい, 多孔質で結合が不十分, そのため、剥がれ落ちて新鮮な金属が露出し、プログレッシブなサウンドが生成されます。, 加速腐食.

2 つのメカニズムがどのように連携するか

• 相乗効果. グラファイトは腐食に利用できる活性な鉄の表面積を減少させます, 一方、シリカ膜は鉄が腐食する場所で機能し、電気化学的攻撃を密閉して遅らせます。.
  複合的な効果として、普通の炭素鋼に形成される場合よりも遅い腐食速度と、より一貫性のある表面スケールの形成が行われます。.
• 実際の成果. 多くの大気環境および非攻撃的な水環境で, 鋳鉄は安定した成長をします, 深い浸透と構造の損失を遅らせる粘着性の保護層.
  これが、鋳鉄コンポーネントが地方自治体において長い耐用年数を示すことができる理由です。, 非常に攻撃的な化学反応を受けない場合、建築および多くの産業用途に使用可能.

制限と実際的な考慮事項

• 環境問題. シリカを豊富に含む保護膜は中性から軽度の腐食性環境で効果を発揮します。.
  強酸性条件下では, 高度に酸化する媒体, または攻撃的な塩化物溶液への連続浸漬, 受動的な利点が減少し、腐食が進行する可能性があります.
• 局所的なガルバニ電池. グラファイトは導電性がある; グラファイトの露出領域が導電性電解質と接触し、より陽極性の金属が存在する場合, 局所的な電気相互作用が発生する可能性があります. 設計では、複数の金属アセンブリにおける電気的リスクを回避する必要があります.
• 表面状態とコーティング. 保護コーティング, 鋳鉄が強力な化学薬品に耐える必要がある場合、ライニングまたは陰極防食が必要になることがよくあります。, 長時間の浸漬, または規制要件によりほぼゼロの浸出が要求される場合 (例えば, 飲料水システム).
  コーティングは、初期サービス期間中に有益な SiO₂ リッチなスケールを維持するのにも役立ちます。.
• 製造管理. シリコンレベル, マトリックス組成, グラファイトの形態と鋳造の完全性 (気孔率, 内包物) すべてが二重保護の有効性に影響します.
  優れた鋳造慣行と化学および微細構造の適切な仕様が不可欠です.

5. 電気化学および腐食機構の観点

活動領域と動態

• 腐食電流密度 電気化学的に活性な面積に比例します. 鋳鉄製, 単位見かけ表面あたりの活性鉄面積はグラファイト被覆により減少し、同様の環境下で陽極電流と正味金属損失率が低下します。.
• 耐スケール拡散性: より密度の高い, シリカを豊富に含むスケールにより、イオンおよび分子の拡散に対する抵抗が増加します。 (O₂, h₂o, cl⁻), 反応速度を効果的に低下させる.

ガルバニックに関する考慮事項 (注意事項)

• 黒鉛の導電性: グラファイトは導電性がある.
  黒鉛が表面に露出し、導電性電解質が存在する場合, グラファイトが陰極サイトとして機能し、近くの鉄が陽極になる場所で局所的なガルバニ電池が形成されることがあります。. 一部のジオメトリではこれは できる 局所的な腐食を引き起こす.
• 純残高: 多くの実際の状況では、保護膜とアクティブ領域の減少が、局所的なガルバニックリスクを上回ります。, ただし、グラファイトが貴金属の低い金属と電気的に結合した陰極性の高いパッチを形成するような構成は設計で避ける必要があります。.

6. 製造業, 腐食性能に影響を与える加工およびサービス要因

• シリコンレベル: より高いSi (鋳造工場の制限内で) より強力な SiO₂ 形成を促進します; 典型的な鋳鉄 Si ≈ 1 ～ 3 wt% 対 炭素鋼 ≈ 0.1 ～ 0.5 wt%.
• 黒鉛の形態と分布: 延性鉄 (スフェロイドグラファイト) そしてねずみ鉄 (フレークグラファイト) グラファイト相が表面とどのように交差するかが異なります; 罰金, 十分に分散されたグラファイト相により、より均一な保護が得られます。.
• 表面状態とスケール: 粉砕・熱処理, 溶融コーティング, 自然の風化は、有益なシリカ/酸化物のスケールが成長する速度に影響します。.
  新しく機械加工された表面は、安定したスケールが形成されるまで腐食する可能性があります.
• 鋳造工場の清浄度と気孔率: 内包物, 噴気孔や分離は局所的な攻撃の開始点になる可能性があります. 適切なキャスティングの実践により、これらのリスクが軽減されます.
• コーティング & 裏地: 鋳鉄にはコーティングが施されることがよくあります (エポキシ, セメントモルタル, ゴムの裏地) 攻撃的な環境での腐食寿命をさらに向上させます.

7. 環境および使用条件への依存

鋳鉄が炭素鋼よりも優れている傾向にある環境

• 大気暴露 (都会/田舎)- シリカ成分が緑青の接着を改善し、進行性の損失を遅らせます。.
• 飲料水と廃水—ライニング/コーティングされた場合、または安定した pH 範囲にある場合, 鋳鉄のパイプと継手は一般に、保護されていない軟鋼よりも長持ちします。.
• 中程度に酸化する水性環境—シリカを豊富に含むスケールは有益です.

鋳鉄が存在する環境 ない 優れた

• 強酸性培地 (低いpH) — シリカ膜は攻撃または溶解される可能性があります; バルク鉄は急速に腐食する.
• 強い塩化物環境 (海水, 塩水) — 局所的な攻撃や孔食により、保護フィルムが損なわれる可能性があります; ステンレス合金または二相合金が好ましい.
• 削減, 硫化物が豊富な土壌または水 — 微生物の影響を受けた腐食 (総務省) 硫化物種は鉄を激しく攻撃する可能性があります.

8. 材料選択のトレードオフ

なぜ鋼にはシリコン合金が多く含まれておらず、代わりに鋳鉄が選ばれるのか

鋼に高レベルのシリコンを添加すると、耐酸化性が向上し、シリカを豊富に含む保護膜の形成が促進されます。, しかし、合金の脆性も増大します.

可塑性が高い多くの構造用鋼用途向け, 靭性と信頼性の高い溶接性は必須であり、シリコン含有量の増加によって引き起こされる脆化は容認できません。.

結果として, 主流の炭素鋼はシリコンを低く抑え、他の手段に依存しています (コーティング, 阻害剤, Mn/Cr/Moとの合金化, またはステンレス合金を使用する) 腐食または酸化の要求を満たすため.

鋳鉄, 対照的に, 意図的に異なる妥協策です. 鋳造冶金では、特定の用途ではしばしば決定的な利点を得る代わりに、延性の低下を受け入れます。:

• 優れたキャスティブ可能性. 高炭素, 高シリコン溶融物はグラファイト相と複雑な型を満たす流体溶融物を生成します, ニアネットシェイプと統合機能を実現 (細い肋骨, ボス, 内部パッセージ) 製造が困難またはコストがかかるもの.
• 固有の腐食と摩耗の挙動. 鋳鉄の微細構造 (黒鉛 + 鉄マトリックスと増加したシリコン) グラファイトの被覆とシリカを多く含むスケールの形成という表面現象の組み合わせが生じ、多くの場合、中性または軽度の攻撃的な使用において腐食を遅らせ、耐摩耗性を向上させます。.
• より高い鋳放し硬度と耐摩耗性. 多くの鋳鉄グレードは、研磨粒子にさらされる部品の表面硬度を高め、摩耗寿命を向上させます。 (たとえばポンプの渦巻き, インペラハウジングとスラリー処理コンポーネント).
• 複雑な形状のコストと製造性. 少量から中量の複雑な形状向け, 鋳鉄は、多くの場合、溶接または機械加工された鋼製アセンブリよりも総部品コストが低くなります。.

要するに: 通常、靭性と延性が構造にとってより重要であるため、鋼は高シリコンを避けます。, 溶接アセンブリ;

鋳鉄は優れた鋳造性を得るために延性の低下を許容します, 摩耗性能とある程度の固有の耐食性を備えているため、多くのポンプ ハウジングに推奨されています。, 研磨媒体または水性媒体を扱うバルブ本体およびその他の鋳造部品.

代表的な材質比較

注記: 値は一般的な製品形態の典型的な工学範囲です (ダクタイル鋳鉄用そのまま鋳造, 炭素鋼用の正規化/圧延).

実際の特性はグレードによって異なります, 熱処理, セクションのサイズとサプライヤーの慣行. 常に材料証明書とアプリケーション固有のテストで確認してください.

9. 結論

鋳鉄は、冶金学的に 2 つの固有の保護機構を備えているため、多くの場合、炭素鋼よりも耐食性が優れています。:

分散した, 電気化学的に活性な鉄の表面を還元する化学的に不活性なグラファイト相, シリコン含有量が比較的高く、緻密な組織の形成を促進します。, シリカを豊富に含む表面膜, 腐食スケールを安定させ、さらなる酸化を遅らせます。.

これらの特徴により、鋳鉄は中性環境から中程度の攻撃的な環境において特に効果的になります。, 特に複雑な鋳造形状の場合, 耐摩耗性, コスト効率も重要.

 

よくある質問

鋳鉄は鋼のように錆びることはありません?

いいえ. 鋳鉄はまだ腐食します, しかし、多くの環境では、グラファイトのバリアとシリカが豊富なスケールのため、速度が遅くなることがよくあります。. 過酷な条件下では鋼と同じくらい急速に腐食する可能性があります.

ダクタイル鋳鉄はねずみ鋳鉄よりも腐食に優れていますか?

どちらもシリカ膜の恩恵を受けます; ダクタイル鋳鉄の球状黒鉛は、通常、ねずみ鋳鉄の片状黒鉛よりも均一な機械的挙動と腐食挙動を示します。.

コーティングはグラファイト/シリカの利点を打ち消します?

コーティング (エポキシ, ゴム, セメントライニング) 保護を追加し、一般的に使用されます - 本質的な利点を補完します.

しかし, コーティングが失敗した場合, 基板のメカニズムは依然として残りの寿命にとって重要です.

グラファイトは電解腐食を引き起こす可能性があります?

露出したグラファイトは導電性があり、陰極的に作用する可能性があります。; 特定の金属の組み合わせや形状では、局所的な攻撃が悪化する可能性があります. ガルバニック結合を回避したり、接点を絶縁したりする設計.

鋳鉄にはまだコーティングが必要ですか?

多くの場合、そうです. コーティングまたはライニング (エポキシ, セメントモルタル, ゴム, fbe) 本質的な保護を補完する, 早期の局所的な攻撃を防ぐ, 飲料水の標準です, 攻撃的な液体または埋もれたサービス.