鋳鉄の黒鉛について

長い歴史と幅広い用途を持つ一種の工学材料として、鋳鉄の性能は内部の黒鉛形態に大きく依存する。黒鉛は鋳鉄の両刃の剣のようなものです。鋳鉄に独特の性質を与えるだけでなく、その性質に複雑な影響を与えます。

鋳鉄の黒鉛とは何ですか？

グラファイト は、鋳鉄中に独立相として存在する炭素の同素体である。鋳鉄は、炭素含有量が2.11%以上（一般に2.5～4.0%）の鉄-炭素合金である。そして、凝固過程で炭素元素は黒鉛の形で析出します。鋳鉄中の黒鉛の形、大きさ、分布は、鋳鉄の性能に決定的な役割を果たします。

鋳鉄中の黒鉛の概要

グラファイトの基本特性

グラファイトは典型的な層状結晶構造を持ち、弱いファンデルワールス力によって層が結合している。この構造がグラファイトに多くのユニークな特性を与えている。その質感は柔らかく、モース硬度は1～2程度で、滑らかさが感じられる。黒鉛は電気伝導性と熱伝導性に優れ、電気伝導率は一般的な金属材料より低い。しかし、非金属材料では優れた導電性を示す。また、黒鉛の化学的性質は安定している。また、常温で他の物質と化学反応しにくく、耐食性に優れている。

鋳鉄における黒鉛の重要性

黒鉛は鋳鉄において重要な役割を果たしている。機械的特性の観点からは、黒鉛の存在は、金属マトリックス中に微小な「亀裂源」が多数形成されるのと同様である。これは鋳鉄の強度と靭性を低下させる。しかし、黒鉛は鋳鉄に特殊な特性も与えます。例えば、黒鉛の潤滑効果により、鋳鉄は優れた耐摩擦性と耐摩耗性を持つ。これは、すべり軸受や工作機械ガイドなどの部品製造に大きな意味を持つ。黒鉛の熱伝導性は、鋳鉄の加熱過程で熱を均一に放散させ、熱安定性を向上させるのに役立ちます。さらに、黒鉛の存在により、鋳鉄は良好な鋳造特性を得ることができる。例えば、液体鉄の表面張力を低下させ、流動性を向上させます。これは キャスティング 複雑な形状の部品の

鋳鉄に含まれる黒鉛の種類

球状黒鉛鋳鉄（ノジュラー黒鉛鋳鉄）

結節状黒鉛鋳鉄と球状黒鉛鋳鉄は同じ材料を指す。そして、この2つの間に本質的な違いはなく、違いの名称が異なるだけである。

球状黒鉛の生成メカニズム

液鉄に結節剤（マグネシウム、レアアースなど）と接種剤を加えるのがポイント。球状化剤は、液体鉄中の炭素の表面張力を低下させ、黒鉛を球状に成長させる。接種剤は黒鉛の核生成数を増やし、黒鉛球を微細化・均一化する。そして、適切な温度で鉄液を球状黒鉛に固化させる。

球状鋳鉄の特性

機械的性質に優れ、引張強さは400MPa-1000MPa以上で、ねずみ鋳鉄をはるかに超える。伸びは約2%-20%、靭性、延性がよく、衝撃や変形に耐えることができ、部分的に鋳鋼を置き換えることができる。耐摩耗性に優れ、疲労強度が高く、耐久性に優れている。

球状鋳鉄の組織

金属マトリックス（フェライト、パーライトまたは混合組織）中に均一に分散した球状黒鉛で構成される。フェライトマトリックスの靭性と可塑性は良好である。パーライトのマトリックスは強度と硬度が高い。小さく均一に分散した黒鉛球は、材料全体の特性を向上させることができる。

SGアイアンと鋳鉄の比較

ねずみ鋳鉄と比較して、機械的性質は大幅に改善されます。ねずみ鋳鉄の薄片状黒鉛は母材を著しく切断するため、強度と靭性が低くなります。ノジュラー鋳鉄の球状黒鉛は、マトリックスへの劈開がほとんどない。ノジュラー鋳鉄は、球状化処理と接種処理をより正確に制御する必要があるが、流動性と充填性に優れている。複雑な鋳物の製造にも対応できる。用途としては、工作機械のベッドなど、強度や靭性の要求が高くない場合は通常の鋳鉄を使用することができます。Sg鋳鉄は、自動車、機械、航空宇宙などの分野で主要部品を製造するために使用されます。

灰色の鋳鉄

ねずみ鋳鉄の組織

薄片状黒鉛と金属マトリックス（フェライト、パーライト、または混合構造）で構成され、薄片状黒鉛はマトリックスの連続性を弱め、機械的特性が劣る。

ねずみ鋳鉄の黒鉛フレーク

形状は不規則で、薄片状または帯状である。その大きさ、量、分布は性能に影響する。大きな黒鉛片は強度と靭性を低下させ、細かく均一な分布は性能を向上させる。 グラファイト・フレーク ねずみ鋳鉄に優れた衝撃吸収性を与えます。工作機械のベッドやエンジンのシリンダーブロックなど、衝撃吸収を必要とする部品の製造に適しています。

鋳鉄中の黒鉛薄片サイズ

長さと厚さで測ると、長さは数十～数百ミクロン、厚さは数～数十ミクロンである。大きさは鋳造プロセスと化学組成に影響される。炭素当量が高く、冷却速度が遅いため、グラファイトシートは大きくなり、合金元素（シリコンやマンガンなど）の添加によって精製することができる。

圧縮黒鉛鋳鉄

ワーム状黒鉛の生成メカニズム

液鉄の組成や処理工程を厳密に管理する必要がある。バーミキュレーター（マグネシウム、レアアースなどの複合元素）を適量添加し、接種して準備する。バーミキュレーターは、黒鉛を先端が滑らかなバーミキュラー状に成長させる。バーミキュレーターと無処理の中間に作用し、適当な凝固条件でバーミキュラー黒鉛を形成する。

圧縮黒鉛鋳鉄の特性

ダクタイル鋳鉄とねずみ鋳鉄の中間の性能。引張強さは300MPa～500MPaでねずみ鋳鉄より高い。靭性と延性はねずみ鋳鉄より優れているが、ノジュラー鋳鉄より若干劣る。熱伝導率が良く、ねずみ鋳鉄に近い。 ねずみ鋳鉄耐摩耗性、耐熱疲労性に優れ、高温、交番負荷の下で働くことができる。

圧縮黒鉛鋳鉄の組織

金属マトリックス（フェライト、パーライトまたは混合構造）中に均一に分散した虫食い状の黒鉛で構成されている。圧縮黒鉛のサイズ、量、分布は材料の特性に影響し、微細圧縮黒鉛鋳鉄の入手可能性を合理的に制御する。

鋳鉄組織解析

分析方法

鋳鉄の微細構造を調べるには様々な方法がある。通常は金属組織顕微鏡を使用します。鋳鉄サンプルを研磨し腐食させた後、黒鉛の形態、サイズ、分布、金属マトリックスの構造特性を観察することができます。走査型電子顕微鏡（SEM）は解像度が高く、黒鉛とマトリックスの界面などの微細構造を見ることができます。電子プローブマイクロアナリシス（EPMA）は、鋳鉄の元素を定量的に分析し、異なる相の化学組成を決定することができます。また、X線回折（XRD）を使って各相の結晶構造を分析することもできます。

微細構造と特性の関係

鋳鉄の微細構造はその性能を直接決定する。黒鉛の形態、大きさ、分布は機械的特性に大きく影響する。球状黒鉛はマトリックスの劈開に対する影響が最も小さく、強度と靭性が高い。ねずみ鋳鉄の薄片状黒鉛は強度と靭性を低下させるが、衝撃吸収性は高い。圧縮黒鉛は、バーミキュラー鋳鉄をその中間的なものにする。金属マトリックスの構造も非常に重要で、フェライトマトリックス鋳鉄の靭性は良好です。パーライト母材の強度と硬度は高い。バーミキュラー鋳鉄は キャスティング プロセスと化学組成でミクロ組織を制御することで、さまざまな性能要件を満たす鋳鉄材料を得ることができる。

結論

鋳鉄中の黒鉛には様々な形態があり、形態が異なると鋳鉄の性質も異なる。鋳鉄の組織をさまざまな分析方法で調べることで、組織と特性の関係を明らかにすることができる。今後、材料科学技術の発展に伴い、鋳鉄中の黒鉛に関する研究はさらに深化していくでしょう。そして、より優れた性能と幅広い用途を持つ鋳鉄材料の開発が期待される。