鋳鉄

鋳鉄の特性は、さまざまな合金元素、すなわち合金剤を添加することによって変化します。炭素に次いで、シリコンは最も重要な合金剤です。なぜなら、シリコンは炭素を溶液から押し出すからです。シリコンの割合が低いと、炭素は溶液中に残り、炭化鉄を形成して白鋳鉄になります。シリコンの割合が高いと、炭素が溶液から押し出され、黒鉛が形成されてねずみ鋳鉄になります。その他の合金剤であるマンガン、クロム、モリブデン、チタン、バナジウムはシリコンの作用を打ち消し、炭素の保持と炭化物の形成を促進します。ニッケルと銅は強度と被削性を向上させますが、形成される黒鉛の量には影響を与えません。黒鉛としての炭素は、より軟らかい鉄を生成し、収縮を減らし、強度を低下させ、密度を低下させます。硫黄は、存在する場合は主に不純物ですが、硫化鉄を形成し、黒鉛の形成を妨げ、硬度を高めます。硫黄は溶融鋳鉄の粘性を高め、欠陥の原因となります。硫黄の影響を打ち消すためにマンガンが添加される。これは、硫黄と硫黄が硫化鉄ではなく硫化マンガンを形成するためである。硫化マンガンは溶融物よりも軽いため、溶融物から浮き上がり、スラグに混入する傾向がある。硫黄を中和するために必要なマンガンの量は、硫黄含有量の 1.7 × 0.3% である。この量を超えるマンガンを添加すると、炭化マンガンが形成され、硬度と冷却性が向上する。ただし、ねずみ鋳鉄では、マンガンの添加量が 1% までであれば強度と密度が向上する。^{[ 7 ]}

ニッケルは最も一般的な合金元素の一つで、パーライトと黒鉛の構造を微細化し、靭性を向上させ、断面の厚さによる硬度の差を均一化します。クロムは遊離黒鉛を減らし、チルを生成するために少量添加され、強力な炭化物安定剤でもあります。ニッケルはしばしば一緒に添加されます。0.5%のクロムの代わりに少量の錫を添加することもできます。銅は、チルを減らし、黒鉛を微細化し、流動性を高めるために、取鍋または炉で0.5～2.5%程度添加されます。モリブデンは、チルを増やし、黒鉛とパーライトの構造を微細化するために0.3～1%程度添加され、高強度鋳鉄を形成するためにニッケル、銅、クロムと一緒に添加されることがよくあります。チタンは脱ガス剤および脱酸剤として添加されますが、流動性も向上させます。鋳鉄には、セメンタイトを安定化させ、硬度を高め、耐摩耗性と耐熱性を向上させるために、0.15～0.5%のバナジウムが添加される。0.1～0.3%のジルコニウムは、黒鉛の形成、脱酸、流動性の向上に役立つ。^{[ 7 ]}

可鍛鋳鉄の溶融物には、添加できるケイ素の量を増やすために、ビスマスが0.002～0.01%添加される。白鋳鉄には、可鍛鋳鉄の製造を助けるためにホウ素が添加される。また、ホウ素はビスマスの粗大化効果を低減する。^{[ 7 ]}

ねずみ鋳鉄は、黒鉛組織が特徴で、そのため材料の破断面は灰色に見える。最も一般的に使用されている鋳鉄であり、重量ベースで最も広く使用されている鋳造材料である。ほとんどの鋳鉄の化学組成は、炭素2.5～4.0%、ケイ素1～3%、残りは鉄である。ねずみ鋳鉄は鋼よりも引張強度と耐衝撃性が低いが、圧縮強度は低炭素鋼および中炭素鋼に匹敵する。これらの機械的特性は、組織中に存在する黒鉛片のサイズと形状によって制御され、 ASTMのガイドラインに従って特性評価することができる。^{[ 8 ]}

滑り摩擦中の構造用合金のトライボロジー挙動は、微細構造と相組成に大きく影響されます。オーステナイト系マンガン鋼とマンガン鋳鉄は、摩擦中の加工硬化、表面層の塑性変形、摩耗粉の形成に関連する複雑な摩耗メカニズムを示します。このような材料は、滑り接触中に硬化した表面層を形成する可能性があり、これは耐摩耗性と摩擦安定性に大きく影響します。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

白鋳鉄は、セメンタイトと呼ばれる炭化鉄析出物の存在により、白い破断面を示します。シリコン含有量（黒鉛化剤）が少なく、冷却速度が速い場合、白鋳鉄中の炭素は、黒鉛ではなく、準安定相であるセメンタイト（Fe₃C）として溶融物から析出します。溶融物から_析出するセメンタイトは、比較的大きな粒子として形成されます。炭化鉄が析出すると、元の溶融物から炭素が引き抜かれ、混合物は共晶に近い状態へと変化し、残りの相は低炭素鉄オーステナイト（冷却時にマルテンサイトに変化する可能性がある）となります。これらの共晶炭化物は大きすぎるため、析出硬化と呼ばれる効果（一部の鋼では、より小さなセメンタイト析出物が純鉄フェライトマトリックス中の転位の移動を阻害することで塑性変形を抑制する可能性がある）は得られません。むしろ、炭化物はそれ自体の非常に高い硬度と相当な体積分率によって鋳鉄の全体的な硬度を単純に増加させ、全体的な硬度は混合則によって近似できる。いずれにせよ、それらは靭性を犠牲にして硬度を提供する。炭化物が材料の大部分を占めるため、白鋳鉄はサーメットとして分類するのが妥当である。白鋳鉄は多くの構造部品に使用するには脆すぎるが、硬度と耐摩耗性に優れ、比較的低コストであるため、スラリーポンプの摩耗面（インペラと渦巻き） 、ボールミルと自生粉砕ミルのシェルライナーとリフターバー、石炭粉砕機のボールとリングなどの用途で使用されている。

厚い鋳物を、溶融金属を白鋳鉄として完全に凝固させるのに十分な速さで冷却することは困難です。しかし、急速冷却によって白鋳鉄の外殻を凝固させ、その後残りの部分をよりゆっくりと冷却して灰色鋳鉄の芯を形成することができます。こうして得られる鋳物は、冷間鋳造と呼ばれ、表面が硬く、内部がやや強靭であるという利点があります。^{[ 13 ]}

高クロム白鉄合金は、クロムが材料の厚みが増すにつれて炭化物を生成するために必要な冷却速度を低下させるため、巨大な鋳物（例えば、10トンのインペラ）を砂型鋳造で製造することを可能にする。また、クロムは優れた耐摩耗性を持つ炭化物を生成する。^{[ 14 ]}これらの高クロム合金の優れた硬度は、クロム炭化物の存在によるものである。これらの炭化物の主な形態は、共晶炭化物または初晶M7C3炭化物_であり、「M」は鉄またはクロムを表し、合金の組成によって変化する。共晶炭化物は、中空の六角形の棒の束として形成され、六角形の基底面に垂直に成長する。これらの炭化物の硬度は1500～1800HVの範囲内である。^{[ 15 ]}

可鍛鋳鉄は、白鋳鉄を鋳物として製造され、約950 ℃（1,740 °F）で1～2日間熱処理した後、1～2日間かけて冷却されます。その結果、炭化鉄中の炭素が黒鉛とフェライト＋炭素に変化します。このゆっくりとしたプロセスにより、表面張力によって黒鉛が薄片ではなく球状粒子に形成されます。球状粒子はアスペクト比が低いため、比較的短く、互いに離れており、伝播する亀裂やフォノンに対して断面積が小さくなります。また、薄片とは異なり、境界が鈍いため、ねずみ鋳鉄に見られる応力集中問題が緩和されます。一般的に、可鍛鋳鉄の特性は軟鋼の特性に似ています。可鍛鋳鉄は白鋳鉄から作られるため、鋳造できる部品の大きさには限界があります。  

1948年に開発された球状黒鉛鋳鉄（またはダクタイル鋳鉄）は、黒鉛が非常に小さな球状粒子として存在し、その球状粒子は同心円状の層状構造を形成しています。そのため、ダクタイル鋳鉄の特性は、黒鉛片が引き起こす応力集中効果のないスポンジ鋼に似ています。炭素含有率は3～4%、ケイ素含有率は1.8～2.8%です。これらの合金に添加される微量のマグネシウム（0.02～0.1%）とセリウム（0.02～0.04%）は、黒鉛面の端に結合することで黒鉛析出物の成長を遅らせます。他の元素とタイミングを慎重に制御することで、材料が凝固する際に炭素が球状粒子として分離します。特性は可鍛鋳鉄に似ていますが、より大きな断面を持つ部品を鋳造できます。

鋳鉄を構造物として利用するようになったのは、1770年代後半にエイブラハム・ダービー3世がアイアン・ブリッジを建設した時である。ただし、コールブルックデールの溶鉱炉などではすでに短い梁が使われていた。その後、トーマス・ペインが特許を取得した発明品など、他の発明も続いた。産業革命が加速するにつれ、鋳鉄製の橋は一般的になった。トーマス・テルフォードは、上流のビルドワスに架けた橋にこの素材を採用し、その後、シュルーズベリー運河のロングドン・オン・ターンにある運河水路橋、ロングドン・オン・ターン水道橋にも採用した。これに続いて、チャーク水道橋とポンツィシルテ水道橋が建設され、どちらも最近の修復後も現在も使用されている。

橋梁建設において鋳鉄を最も効果的に利用する方法は、アーチ構造を採用し、材料全体に圧縮力を加えることであった。鋳鉄は、石材と同様に、圧縮強度に非常に優れている。一方、錬鉄は、他の多くの種類の鉄、そして一般的に多くの金属と同様に、引張強度に優れ、かつ靭性にも優れている。つまり、構造的な観点から見ると、錬鉄と鋳鉄の関係は、木材と石材の関係に例えることができる。

鋳鉄製の梁橋は、初期の鉄道で広く使用されていました。例えば、1830年にリバプール・マンチェスター鉄道のマンチェスター終着駅に架けられたウォーター・ストリート橋などが挙げられます。しかし、チェスター・ホーリーヘッド鉄道がチェスターのディー川を渡るために建設した新しい橋が、開通から1年も経たない1847年5月に崩落し、5人が死亡したことで、その使用上の問題点が明らかになりました。ディー橋の災害は、通過する列車による梁の中央部への過大な荷重が原因でした。同様の橋の多くが解体され、多くの場合錬鉄で再建されました。この橋は、構造を強化すると誤って考えられていた錬鉄製のストラップでトラス構造にされていたため、設計が不十分でした。梁の中央部は曲げ応力を受け、下端は引張応力を受けていましたが、鋳鉄は石造と同様に、この部分が非常に弱いのです。

それにもかかわらず、鋳鉄は不適切な構造用途で使用され続け、 1879年のテイ鉄道橋の事故によって、その材料の使用に深刻な疑問が投げかけられることになった。テイ橋では、タイバーと支柱を固定するための重要なラグが柱と一体鋳造されており、事故の初期段階で破損した。さらに、ボルト穴もドリルで開けられたものではなく鋳造されていた。そのため、鋳造の抜き勾配によって、タイバーからの張力が穴の全長にわたって分散されるのではなく、穴の縁に集中してしまった。代替の橋は錬鉄と鋼で建設された。

しかし、その後も橋の崩落事故は続き、 1891年のノーウッド・ジャンクション鉄道事故で頂点に達した。イギリスの鉄道網における鋳鉄製鉄道橋梁への懸念が広まったため、1900年までに数千もの鋳鉄製鉄道橋梁が鋼鉄製のものに置き換えられた。

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  イングランド、コールブルックデールにあるセヴァーン川に架かる鉄橋（1779年完成）
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  エグリントン・トーナメント橋（1845年頃完成）、スコットランド、ノース・エアシャー、鋳鉄製
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  北側から見たオリジナルのテイ橋（1878年完成）
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  北側から見た崩落したテイ橋

製粉所の建物で初めて採用された鋳鉄製の柱は、建築家が、高さのある石造建築に必要な非常に厚い壁を必要とせずに、多層階の建物を建てることを可能にしました。また、工場の床面積を広げ、教会や講堂の視界を遮らないようにしました。19世紀半ばには、鋳鉄製の柱は倉庫や工業用建物で一般的になり、錬鉄製または鋳鉄製の梁と組み合わされ、最終的には鉄骨造の超高層ビルの開発につながりました。鋳鉄は、特に米国では装飾的なファサードにも使用されることがあり、ニューヨークのソーホー地区には数多くの例があります。また、ニューヨーク州ウォーターブリートにある歴史的なアイアンビルディングのように、プレハブ建築にも時折使用されました。

もう1つの重要な用途は、繊維工場でした。工場内の空気には、紡績中の綿、麻、羊毛から出る可燃性の繊維が含まれていました。その結果、繊維工場は火災に遭う危険性が非常に高かったのです。解決策は、工場を完全に不燃性の材料で建てることであり、可燃性の木材の代わりに、主に鋳鉄製の鉄骨フレームを建物に採用するのが便利であることがわかりました。そのような最初の建物は、シュロップシャー州シュルーズベリーのディザリントンにありました。^{[ 22 ]}他の多くの倉庫も鋳鉄製の柱と梁を使用して建てられましたが、設計の欠陥、梁の欠陥、過負荷などが原因で、建物が倒壊したり、構造上の欠陥が生じたりすることがありました。

産業革命期には、鋳鉄は紡績機や後に織機などの機械のフレームやその他の固定部品にも広く使用されました。鋳鉄は広く使用されるようになり、多くの町に工業用および農業用機械を製造する鋳造所がありました。 ^{[ 23 ]}