導入
鋳鉄鋳造 工業製造における最も古く、最も重要な金属形成プロセスの1つです, 複雑な生産能力で知られています, 耐久性, 大規模な費用対効果の高いコンポーネント.
このプロセスでは、鋳鉄の合金を溶かし、溶融金属をカビに注ぐことが含まれます, 特定の機械的および構造的要件に合わせた設計された形状に固化する場合.
今日, 鋳鉄鋳造は、自動車全体の重要な材料のままです, 工事, 農業, エネルギーセクター - 優れた鋳造性のために価値があります, 優れた耐摩耗性, そして高い熱安定性.
1. 鋳鉄鋳造とは何ですか?
鋳鉄 鋳造は、鋳鉄のユニークな特性を活用します - 溶融点 (〜1,200–1,370°C), 溶けたときの高い流動性, そして、優れた金型充填機能 - 複雑な幾何学を持つ部品を生産する, 薄壁のパイプから重い機械フレームまで.
鍛造とは異なり (固体金属を形作ります) または機械加工 (素材を削除します), 鋳造は液体金属から始まります, 複雑な内部機能を可能にします (例えば。, 中空の空洞, アンダーカット) それは他の方法で達成するのには非現実的または費用がかかるでしょう.
その中心に, このプロセスは、鋳鉄の炭素含有量に依存しています: 炭素はグラファイトまたは炭化物として存在します, 合金の特性を決定します.
この柔軟性 - 組成と冷却による微細構造をテールする - は、さまざまな用途に適応可能な鋳鉄鋳鉄を鋳造する, 振動減衰エンジンブロックから耐摩耗性の産業用ツールまで.
2. 鋳造に使用される鋳鉄の種類
鋳鉄は単一の材料ではありません, むしろ、さまざまな特性を持つ鉄炭素合金のファミリー, 微細構造, およびパフォーマンス特性.
鋳鉄タイプの選択は、意図したアプリケーションに大きく依存します, 機械的要件, と作業環境. 以下は、鋳造プロセスで使用される鋳鉄の主なタイプです:
灰色の鋳鉄
灰色の鋳鉄は最も広く使用されている鋳鉄のタイプです, オーバーの会計 70% グローバルな鋳鉄製の生産の.
骨折表面の灰色からその名前を取得します, これは、フェライトまたはパーライトマトリックスに埋め込まれたグラファイトフレークの結果.
これらのフレークはストレス濃縮器として機能します, 引張強度が低いが、熱伝導率と振動減衰を強化する.
キャストのしやすさ, 低コスト, そして優れた機械性は、一般的なエンジニアリングの定番の素材になります.
- 注目すべき機能: フレークグラファイト構造は、その優れた減衰特性に貢献しています, 振動削減が重要なアプリケーションに最適です.
延性鉄 (結節鋳鉄)
延性鉄 で開発されました 1948 伝統的な灰色の鉄の改善として.
マグネシウムまたはセリウムの制御された添加により, 微細構造のグラファイトは、フレークではなく球状結節を形成します.
これにより、延性などの機械的特性が大幅に向上します, タフネス, と疲労強度. 延性鉄は、多くの構造および圧力アプリケーションで鋼に代わる費用対効果の高い代替品を提供します.
- 注目すべき機能: 灰色の鉄の鋳造性と、特に高負荷で特に役立つ鋼の特性に近づく機械的特性を組み合わせる, 周期的, または動的環境.
白い鋳鉄
白い鋳鉄は白にちなんで名付けられました, グラファイトの欠如と炭化鉄の存在によって引き起こされる結晶骨折表面 (セメンタイト).
これらの炭化物は、合金に例外的な硬度と耐摩耗性を与えますが、それを非常に脆くして機械加工するのが困難になります.
AS-CAST白色の鉄は、摩耗型のアプリケーションでよく使用されます, または熱処理による順応性鉄の前駆体として.
- 注目すべき機能: その硬度と摩耗に対する抵抗は、ライナーに最適です, 滝, 継続的な研磨接触の対象となる表面.
順応性のある鋳鉄
順応性鉄は、アニーリングと呼ばれるプロセスで、850〜1000°Cの間の温度で長期間にわたって白い鋳鉄を熱処理することによって生成されます.
このプロセスは、鉄炭化物を炭素に分解します (グラファイトクラスター), 延性と耐衝撃性の大幅な増加.
多くのアプリケーションで主に延性鉄に置き換えられていますが, 小さい場合は重要です, 複雑な部分には、靭性と寸法精度が必要です.
- 注目すべき機能: 強度と柔軟性のバランスをとることができます, 特にハードウェア用の薄壁鋳物で, 自動車, およびパイプシステム.
圧縮されたグラファイト鉄 (CGI)
圧縮されたグラファイト鉄, またはCGI, 鋳鉄製冶金の現代の進化です, ショートのような形をしたグラファイト粒子を特徴としています, 厚いワーム.
この構造は、機械的性能と熱性能の両方で、灰色の鉄と延性鉄の間のギャップを橋渡しします.
CGIは灰色の鉄よりも高い強度を提供し、延性鉄よりも優れた熱伝導率を提供します. しかし, キャスト中にプロセス制御と特殊な接種技術が必要です.
- 注目すべき機能: バランス強度, 熱伝導率, と剛性, 高性能エンジンブロックとターボチャージャーコンポーネントに最適な材料にする.
3. 鋳鉄の化学組成と冶金
鋳鉄鋳造のユニークな性能特性は、化学組成と結果として生じる微細構造から生じます.
| 要素 / 側面 | 典型的なコンテンツ (%) | 役割 / 鋳鉄の効果 |
| 炭素 (c) | 2.0 - 4.0 | コア要素; 強度に影響を与えるグラファイトまたは炭化物を形成します, 硬度, および加工性 |
| シリコン (そして) | 1.0 - 3.0 | グラファイト形成を促進します, 流動性とキャスティブを改善します, フェライトを安定させます |
| マンガン (Mn) | 0.1 - 1.2 | デオキシジ剤として機能します, 硫黄を制御します, 筋力とパーライトの形成を改善します |
| 硫黄 (s) | < 0.1 | 不純物; 脆性と熱い短さを引き起こします, MNの追加によって制御されます |
| リン (p) | < 1.0 | 流動性を改善しますが、靭性と延性を低下させます |
| クロム (cr) | 0.5 - 2.5 | 硬度を高めます, 合金鉄の摩耗と腐食抵抗 |
| モリブデン (MO) | 0.2 - 1.0 | 高温強度とクリープ抵抗を強化します |
| ニッケル (で) | 0.5 - 2.5 | タフネスを改善します, 耐衝撃性, 耐食性, オーステナイトを安定させます |
| 銅 (cu) | 0.2 - 1.0 | 強度を向上させ、パーリンティック微細構造を促進します |
| マグネシウム (mg) | 0.02 - 0.06 | 結節に不可欠です (公爵) グラファイト形成 |
| セリウム / 希土類 | トレース量 | グラファイト結節を洗練し、延性鉄の結節数を改善する |
| チタン (の) / バナジウム (v) | トレースまで 0.5 | 耐摩耗性のための穀物の洗練と炭化物層 |
4. 鋳鉄鋳造プロセス
鋳造は、溶融鋳鉄が型に注がれ、他の手段で生成するのが難しいかコストがかかる複雑な形状を作成する多目的な製造方法です。.
キャストプロセスの選択は、コンポーネントサイズなどの要因に依存します, 複雑, 表面仕上げ, 機械的要件, および生産量.
以下は、鋳鉄に使用される一般的な鋳造プロセスの概要です:
砂鋳造
砂鋳造は最も古く、最も多用途の鋳造方法です, 小さなコンポーネントから大きな重機の部品までの範囲の部品を生産する能力のために広く使用されています.
砂ベースの型を利用します, パターンの周りに簡単に形作ることができます, 迅速な変更と適応を可能にします.
この柔軟性により、砂鋳造はプロトタイピングに最適です, 低音量, そして大規模生産.
利点:
- 低い初期ツールと金型コスト
- 非常に大きな鋳物に対応できます
- 複雑なジオメトリと設計変更に柔軟に対応します
- さまざまな種類の鋳鉄グレードに適しています
アプリケーション:
- エンジンブロックとシリンダーヘッド
- ポンプハウジングとバルブボディ
- 農業および建設機器部品
- パイプフィッティングとマンホールカバー
シェル型鋳造
シェル型鋳造 樹脂でコーティングされた砂混合物を使用して薄い形を形成することにより、砂鋳造プロセスを強化します, 加熱されたパターンの周りの剛性シェル. これにより、より寸法の精度とより細かい表面仕上げが生じます.
従来の砂鋳造よりも耐性と表面の品質が向上する必要がある中程度から小型のコンポーネントに特に適しています.
利点:
- 砂の鋳造と比較して優れた表面仕上げ
- より良い寸法の精度と一貫性
- 機械加工要件の削減
- 中規模の鋳物のためのより速い生産サイクル
アプリケーション:
- ブラケットやハウジングなどの自動車コンポーネント
- 工業用バルブボディとポンプ部品
- 中〜中の精密機械部品
遠心鋳造
遠心鋳造 回転型によって生成された遠心力を活用して、溶融鋳鉄を均等に分布させる.
これにより、密度が高くなります, 優れた機械的特性を持つ欠陥のない鋳造, 特に外層で.
このプロセスは、対称的な円筒形の部分を生成するために最適化されており、強度と信頼性が重要な場合に好まれます.
利点:
- 高品質, 最小限の包含物を伴う密な微細構造
- 優れた機械的特性, 疲労抵抗を含む
- 円筒形および管状部の効率的な生産
- 収縮やガスの気孔率などの欠陥の減少
アプリケーション:
- 水用パイプとチューブ, ガス, 石油産業
- ベアリングスリーブとブッシング
- 油圧シリンダーとポンプコンポーネント
- 高圧産業用チューブ
インベストメント鋳造
インベストメント鋳造, または紛失したワックスキャスティング, 優れた表面仕上げの非常に複雑で正確な部品を生産することで有名です.
最小限の後処理を可能にし、複雑なジオメトリと薄壁コンポーネントに適しています.
より高価でサイズが限られていますが, 比類のない詳細と寸法制御を提供します.
利点:
- 例外的な表面仕上げと寸法精度
- 複雑で薄い壁の形状を鋳造する能力
- 最小限の機械加工と仕上げが必要です
- 小規模から中程度の生産量に適しています
アプリケーション:
- 緊密な許容範囲を必要とする航空宇宙コンポーネント
- 自動車ターボチャージャー部品
- 精密ポンプとバルブコンポーネント
- 小さな産業機械部品
比較概要
| キャスト方法 | 表面仕上げ | 寸法精度 | 典型的なアプリケーション | 利点 | 制限 |
| 砂鋳造 | 適度 (100–250μm) | 適度 (±0.5％) | 大きい, 複雑な形 | ツーリングコストが低い, フレキシブル | 粗い表面, 中程度の精度 |
| シェル型鋳造 | 良い (50–100μm) | 高い (±0.2％) | 中から小規模の正確な部品 | より良い仕上げ, 寸法制御 | より高い金型コスト |
| 遠心鋳造 | 中程度から良い | 高い | 円筒形, 対称部品 | 密な微細構造, 強い部分 | 中空の形に限定されています |
| インベストメント鋳造 | 素晴らしい (<50 μm) | 非常に高い | 小さい, 複雑なコンポーネント | 正確な, 複雑な形 | 高い, 限られたサイズ |
5. 機械的および物理的特性
鋳鉄製の鋳物は、さまざまな範囲の機械的および物理的特性に対して評価されています, 特定のタイプの鋳鉄によって大きく異なります, 微細構造, および使用された処理方法.
鋳鉄鋳造の機械的特性
| 財産 | 灰色の鋳鉄 | 公爵 (結節) 鉄 | 白い鋳鉄 | 順応性のある鋳鉄 | 圧縮されたグラファイト鉄 (CGI) |
| 抗張力 (MPA) | 170 - 370 | 400 - 700 | 350 - 600 | 300 - 550 | 350 - 550 |
| 降伏強度 (MPA) | 100 - 250 | 250 - 550 | - | 200 - 400 | 300 - 450 |
| 伸長 (%) | 0.5 - 2 | 3 - 18 | <1 | 3 - 10 | 1.5 - 6 |
| 硬度 (HB) | 150 - 250 | 180 - 280 | 400 - 600 | 200 - 300 | 200 - 300 |
| 衝撃強度 (j) | 低い | 高い | 非常に低い | 適度 | 適度 |
| 弾性率 (GPA) | 100 - 170 | 160 - 190 | 180 - 210 | 160 - 180 | 170 - 190 |
鋳鉄鋳造の物理的特性
| 財産 | 典型的な範囲 / 価値 | メモ |
| 密度 (g/cm³) | 6.9 - 7.3 | 鋳鉄のグレードによってわずかに異なります |
| 熱伝導率 (w/m・k) | 35 - 55 | 良い熱放散, エンジンブロックと調理器具で役立ちます |
| 熱膨張係数 (×10⁻⁶ /°C) | 10 - 12 | 温度変化中の寸法の安定性に影響します |
| 減衰容量 | 高い (特に灰色の鉄) | 優れた振動吸収 |
| 耐食性 | 適度 | 合金化またはコーティングによって強化できます |
| 融点 (°C) | 〜1150 - 1300 | 組成とグラファイトの形に依存します |
6. 鋳鉄製の鋳物の用途
- 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, ギアハウジング, サスペンションパーツ - 建設とインフラストラクチャ:
パイプ, フィッティング, 列, 構造括弧, マンホールカバー - 農業機械:
フレーム, ハウジング, Plowshares, 耕作ツール - 産業用具:
パンプス, コンプレッサー, ギアボックス, バルブボディ - 調理器具と家庭用品:
フライパン, ストーブ, 装飾的なキャスティング - 市と水道:
ウォーターワークスフィッティング, 消火栓, ポンプケース, マンホールカバー
7. 鋳鉄鋳造の利点
鋳鉄鋳造は、何世紀にもわたって金属製造の定番となっている多くの利点を提供します.
これらの利点は、独自の微細構造に由来しています, 汎用性, および費用対効果.
優れた加工性
- 灰色の鋳鉄, グラファイトフレーク構造を備えています, 並外れた機密性を提供します, ツールの摩耗と機械加工時間を短縮します.
- 複合体の生産を可能にします, より低い製造コストでの正確なコンポーネント.
高い耐摩耗性
- 白い鋳鉄と硬い微細構造を持つ他のグレードは、優れた耐摩耗性を示します.
- 粉砕工場などの過酷な機械的摩耗にさらされるアプリケーションに最適, クラッシャーパーツ, および農業ツール.
優れた振動減衰
- 灰色の鋳鉄のグラファイトフレークは振動と騒音を吸収します, エンジンブロックやマシンベッドのような機械の性能と寿命を強化する.
大量生産の費用対効果
- 砂鋳造やその他の鋳造方法により、大規模な機械加工なしで複雑な形状の経済的な製造を可能にします.
- 原材料とエネルギーコストは、他の金属と比較して比較的低いです.
良好な熱伝導率と熱保持
- 鋳鉄は熱を効率的に放散します, 均一な熱分配を必要とするエンジンコンポーネントと調理器具に適しています.
リサイクル性と環境上の利点
- 鋳鉄製のスクラップは、品質を失うことなくリサイクル可能です.
- エネルギー効率の高い融解と鋳造プロセスは、持続可能な製造に貢献しています.
機械的特性の汎用性
- さまざまな鋳鉄タイプ (グレー, 公爵, 順応性, CGI) 強度のカスタマイズを許可します, 延性, 硬度, 多様なアプリケーションに合うタフネス.
8. 鋳鉄鋳造の課題と制限
脆さ
ほとんどのアイアン, 特に灰色と白の鋳造アイアン, 張力強度が低く、延性が制限されています.
この脆弱性により、衝撃や突然の負荷の下で割れる傾向があります, 動的またはショックロードされたアプリケーションでの使用を制限します.
延性と順応性のあるキャストアイアンは、タフネスを改善しますが、より高いコストで提供されます.
収縮と気孔率の制御
鋳鉄は、固化中に体積収縮を経験します, 適切に管理されていない場合、内部多孔性と表面欠陥を引き起こす可能性があります.
慎重な金型デザイン, ゲーティング, そして、これらの鋳造の欠陥を最小限に抑えるためには、リサリングが不可欠です.
体重と密度
周りに密度があります 7.2 g/cm³, 鋳鉄の部品は比較的重いです.
これは、減量が重要なアプリケーションでは不利な点になる可能性があります, 自動車の燃費や航空宇宙コンポーネントなど.
熱ショックと割れ
急速な温度変化は、鋳鉄の成分に熱衝撃を誘発する可能性があります, ひび割れや反りにつながります.
これは特に、変動する温度にさらされる調理器具とエンジン部品の懸念です.
限られた腐食抵抗
鋳鉄は多くの環境で適度に腐食耐性ですが, コーティングまたは合金化元素によって保護されていない限り、湿った状態または酸性状態で錆びることに対して脆弱です.
9. 結論
鋳鉄製の鋳造は、近代的な製造のリンクピンです, 古代の知恵を高度な冶金と融合させて、費用対効果を生み出します, 耐久性のあるコンポーネント.
グレーアイアンエンジンブロックから減衰振動をブロックするトルクに耐える延性鉄クランクシャフトまで, その汎用性は産業に及びます.
アルミニウムや高強度鋼などの軽量材料に挑戦している間, 鋳鉄のユニークな特性 - 服装抵抗, 加工性, およびリサイクル性 - その関連性を免除します.
合金の進歩 (例えば。, CGI) およびプロセス (例えば。, 3Dプリントされた砂型) その機能を拡大しています, この基礎技術が進化し続けていることを証明しています.
持続可能性と効率性を促進します, 鋳鉄製の鋳造は不可欠なままです, 伝統と革新を橋渡しします.
FAQ
鋳鉄の磁気です?
はい. すべての鋳鉄タイプは、鉄が豊富なマトリックスのために強磁気です, オーステナイトステンレス鋼とは異なり.
延性鉄は灰色の鉄とどのように異なりますか?
延性鉄にはマグネシウムが含まれています, グラファイトを球状化します, 2〜18％の伸びを与えます (vs. 灰色の鉄 <1%). これにより、延性があり、耐衝撃性があります, 高ストレス部品に適しています.
鋳鉄を溶接することができます?
延性鉄は予熱して溶接できます (200–300°C) ニッケルベースのフィラー, しかし、灰色の鉄は脆性のために困難です. 溶接はしばしばひび割れを引き起こします, したがって、機械的結合が推奨されます.
エンジンブロックに灰色の鉄が使用されるのはなぜですか?
そのフレークグラファイトは振動を放散します (ノイズの減少), 高い熱伝導率 (エンジンの熱を管理します), そして優れたキャスティブ (複雑なウォータージャケットとオイルパッセージを形成します).
圧縮されたグラファイト鉄の主な利点は何ですか (CGI)?
CGIは、グレーアイアンの熱伝導率と延性鉄の強度のバランスをとる, ディーゼルエンジンシリンダーヘッドに最適です (例えば。, 頑丈なトラックで) それは高温と圧力に耐える必要があります.
