鋳鉄

鋳鉄は、炭素含有量が 2% 以上、シリコン含有量が 1～3% 程度の鉄と炭素の 合金の一種です。 ^[1]鋳鉄の有用性は、比較的低い融点に由来します。合金元素によって炭素の出現形態が決まります。白鋳鉄は炭素がセメンタイトと呼ばれる炭化鉄と結合しており、非常に硬いものの脆く、亀裂がそのまま通り抜けてしまいます。ねずみ鋳鉄には黒鉛片があり、通過する亀裂をそらし、材料が破損すると無数の新しい亀裂を引き起こします。ダクタイル鋳鉄には球状の黒鉛「結節」があり、亀裂がそれ以上進行するのを防ぎます。

炭素（C）は1.8～4重量％、ケイ素（Si）は1～3重量％で、鋳鉄の主な合金元素です。炭素含有量の少ない鉄合金は鋼と呼ばれます。

鋳鉄は、可鍛鋳鉄を除いて脆い傾向があります。比較的低い融点、良好な流動性、鋳造性、優れた機械加工性、変形に対する耐性、耐摩耗性を備えた鋳鉄は、幅広い用途のエンジニアリング材料となり、パイプ、機械、シリンダーヘッド、シリンダーブロック、ギアボックスケースなどの自動車産業の部品に使用されています。一部の合金は酸化による損傷に耐性があります。一般に、鋳鉄は溶接が難しいことで有名です。

最も古い鋳鉄製の遺物は紀元前5世紀に遡り、現在の中国江蘇省で考古学者によって発見されました。鋳鉄は古代中国で戦争、農業、建築に使用されていました。 ^{[2] 15世紀には、フランスの}ブルゴーニュや宗教改革中のイギリスで大砲に鋳鉄が使用されるようになりました。大砲に使用される鋳鉄の量は、大規模生産を必要としました。^[3]最初の鋳鉄製の橋は1770年代にエイブラハム・ダービー3世によって建設され、イギリスのシュロップシャーにあるアイアンブリッジとして知られています。鋳鉄は建物の建設にも使用されました。

鋳鉄は、高炉で鉄鉱石を溶かした銑鉄から作られる。鋳鉄は、溶けた銑鉄から直接作ることもできるし、銑鉄を再溶解して作ることもできる。^[4]多くの場合、大量の鉄、鋼、石灰石、炭素（コークス）と一緒に、望ましくない汚染物質を除去するためのさまざまな手順を踏む。リンと硫黄は溶けた鉄から燃え尽きるかもしれないが、炭素も燃え尽きてしまうので、補充する必要がある。用途に応じて、炭素とケイ素の含有量は、それぞれ 2～3.5% と 1～3% の範囲で、望ましいレベルに調整される。必要に応じて、最終的な形が鋳造によって製造される前に、他の元素が溶融物に加えられる。^[要出典]

鋳鉄は、キューポラと呼ばれる特殊なタイプの高炉で溶かされることもありますが、現代の用途では、電気誘導炉または電気アーク炉で溶かされることが多いです。 ^[5]溶解が完了すると、溶けた鋳鉄は保持炉または取鍋に注がれます。^[要出典]

鋳鉄の特性は、さまざまな合金元素、つまり合金剤を加えることで変わります。炭素の次に重要な合金剤はシリコンです。シリコンは炭素を溶解物から追い出すからです。シリコンの含有率が低いと炭素が溶解物に残り、炭化鉄を形成して白色鋳鉄になります。シリコンの含有率が高いと炭素が溶解物から追い出され、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、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働きを打ち消し、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機械加工性を高めますが、形成される黒鉛の量は変わりません。炭素が黒鉛になると鉄が柔らかくなり、収縮が少なくなり、強度と密度が低下します。硫黄は存在すると大部分が汚染物質となり、硫化鉄を形成して黒鉛の形成を妨げ、硬度を高めます。硫黄は溶融鋳鉄を粘性にし、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。なぜなら、この2つは硫化鉄ではなく硫化マンガンを形成するからである。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ってスラグに入る傾向がある。硫黄を中和するために必要なマンガンの量は、1.7 × 硫黄含有量 + 0.3%である。この量を超えるマンガンを添加すると、マンガンカーバイドが形成され、硬度と冷却性が向上する。ただし、ねずみ鋳鉄では、マンガンを最大1%添加すると強度と密度が向上する。^[6]

ニッケルは、パーライトおよびグラファイト構造を微細化し、靭性を改善し、断面の厚さ間の硬度の差を均一化することから、最も一般的な合金元素の 1 つです。クロムは、遊離グラファイトを減らし、チルを生成するために少量添加されます。また、強力な炭化物安定剤であるため、ニッケルと一緒に添加されることがよくあります。少量のスズを0.5% のクロムの代替として追加できます。銅は、チルを減らし、グラファイトを微細化し、流動性を高めるために、取鍋または炉内に 0.5～2.5% 程度添加されます。モリブデンは、チルを増やし、グラファイトとパーライト構造を微細化するために 0.3～1% 程度添加されます。モリブデンは、高強度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、流動性も高めます。鋳鉄に0.15～0.5％のバナジウムを添加すると、セメンタイトが安定し、硬度が上がり、耐摩耗性と耐熱性が向上します。0.1 ～0.3％のジルコニウムは、グラファイトの形成、脱酸、流動性の向上に役立ちます。^[6]

可鍛鋳鉄の溶融物には、シリコンの添加量を増やすためにビスマスが0.002～0.01%添加される。白鉄では、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軽減する。^[6]

ねずみ鋳鉄は黒鉛の微細構造を特徴とし、このため材料の破損部分は灰色に見える。これは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、2.5～4.0%の炭素、1～3%のシリコン、残りが鉄である。ねずみ鋳鉄は鋼鉄に比べて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微細構造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徴付けることができる。^[7]

白鋳鉄は、セメンタイトと呼ばれる炭化鉄の析出物が存在するため、白い破面を呈する。シリコン含有量（黒鉛化剤）が低く、冷却速度が速いため、白鋳鉄の炭素は、黒鉛ではなく、準安定相のセメンタイト（Fe ₃ C）として融液から析出する。融液から析出したセメンタイトは、比較的大きな粒子として形成される。炭化鉄が析出すると、元の融液から炭素が引き出され、混合物は共晶に近い状態になり、残った相は鉄と炭素の比率が低いオーステナイト（冷却するとマルテンサイトに変化する）になる。これらの共晶炭化物は大きすぎて、析出硬化と呼ばれる効果が得られない（一部の鋼では、はるかに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を通る転位の動きを妨げることで[塑性変形]を阻害する可能性がある）。むしろ、それらはそれ自体の非常に高い硬度とかなりの体積分率によって鋳鉄のバルク硬度を高めるので、バルク硬度は混合則で近似できます。いずれにせよ、それらは靭性を犠牲にして硬度を提供します。炭化物が材料の大部分を占めるので、白鋳鉄はサーメットとして適切に分類できます。白鋳鉄は多くの構造部品に使用するには脆すぎますが、硬度と耐摩耗性が良好で比較的低コストであるため、スラリーポンプの摩耗面（インペラーと渦巻き） 、ボールミルと自生粉砕機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に使用されています。

厚い鋳物を、溶融物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、急速冷却を使用して白鋳鉄の殻を凝固させ、その後、残りの部分をよりゆっくりと冷却してねずみ鋳鉄の芯を形成することは可能です。結果として得られる鋳物は、チル鋳物と呼ばれ、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。^{[引用が必要]}

高クロム白鉄合金は、砂型鋳造による大型鋳物（例えば、10トンのインペラ）を可能にします。これは、クロムが材料の厚い部分を通し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です。クロムはまた、優れた耐摩耗性を備えた炭化物を生成します。^[8]これらの高クロム合金は、クロム炭化物の存在により優れた硬度を発揮します。これらの炭化物の主な形態は、共晶炭化物または一次M ₇ C ₃炭化物です。ここで、「M」は鉄またはクロムを表し、合金の組成によって異なります。共晶炭化物は、中空の六角形の棒の束として形成され、六角形の底面に対して垂直に成長します。これらの炭化物の硬度は、1500～1800HVの範囲です。^[9]

可鍛鋳鉄は、白鋳鉄から始まり、その後1 日か 2 日、約 950 °C (1,740 °F) で熱処理され、その後 1 日か 2 日かけて冷却されます。その結果、炭化鉄の炭素はグラファイトとフェライトおよび炭素に変化します。このゆっくりとしたプロセスにより、表面張力によってグラファイト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、伝播する亀裂またはフォノンに対する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の問題が軽減されます。一般に、可鍛鋳鉄の特性は軟鋼に似ています。可鍛鋳鉄は白鋳鉄から作られているため、鋳造できる部品の大きさには限界があります。^{[引用が必要]}

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、非常に小さな球状の黒鉛を持ち、球状の黒鉛は同心円状の層を形成して球状黒鉛を形成します。その結果、ダクタイル鋳鉄の特性は、黒鉛の薄片がもたらす応力集中効果のない海綿状の鋼の特性となります。炭素含有量は 3 ～ 4%、シリコン含有量は 1.8 ～ 2.8% です。これらの合金に添加された 0.02 ～ 0.1% の微量のマグネシウムと 0.02 ～ 0.04% のセリウムは、黒鉛面の端に結合して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、材料が凝固するにつれて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。^[要出典]

鉄鉱石をフラックスとして銅を精錬する際に、意図せず鋳鉄や錬鉄が生成されることがある。 ^{[11] : 47–48}

最も古い鋳鉄製の遺物は紀元前5世紀に遡り、中国戦国時代に現在の江蘇省洛河県で考古学者によって発見された。これは遺物の微細構造の分析に基づいている。^[2]

鋳鉄は比較的脆いため、鋭い刃や柔軟性が求められる用途には適していません。圧縮には強いですが、引張には弱いのです。鋳鉄は紀元前5世紀に中国で発明され、鋤や鍋、武器や仏塔を作るために鋳型に流し込まれました。^[12]鋼鉄の方が望ましかったのですが、鋳鉄の方が安価だったため、古代中国では道具には鋳鉄の方が一般的に使用され、錬鉄や鋼鉄は武器に使用されました。^[2]中国人は、表面層が脆くなりすぎないように、表面近くの炭素を燃やすために、熱い鋳物を1週間以上酸化雰囲気に置くことで鋳鉄を焼きなます方法を考案しました。^{[13] : 43}

中央アフリカの森林地帯コンゴ地方の奥地では、1000年以上も前に鍛冶屋が高温に耐えられる精巧な炉を発明した。溶接、はんだ付け、るつぼで鋳鉄を作り、鋳型に流し込むといった例は数え切れないほどある。これらの技術は、鋳鉄または鋼の刃と柔らかく柔軟性のある錬鉄製の内部を持つ複合工具や武器の使用に用いられた。鉄線も製造された。ルバ族が鋳鉄を鋳型に流し込んで鍬を作っていたという、初期のヨーロッパの宣教師による証言が数多くある。これらの技術革新は、ヨーロッパやアジアでそのような技術革新を展開するための前提条件であった高炉の発明なしに達成された。^[14]

鋳鉄の技術は中国から西洋に伝わりました。^[15] 13世紀のカズヴィニとその後の他の旅行者は、カスピ海の南にあるアルブルズ山脈の製鉄産業について言及しています。ここはシルクロードに近いため、中国由来の技術が使用されたと考えられます。^[15] 15世紀に西洋に導入されると、鋳鉄は大砲や砲弾に使用されました。ヘンリー8世（在位1509-1547年）は、イギリスで大砲の鋳造を開始しました。すぐに、イギリスの製鉄工は高炉を使用して鋳鉄製の大砲を製造する技術を開発しました。これは、当時普及していた青銅製の大砲よりも重いものでしたが、はるかに安価で、イギリスの海軍をよりよく武装させることができました。

当時、イギリスの多くの高炉では鋳鉄製の鍋が作られていました。1707 年、エイブラハム ダービーは、従来の方法よりも鍋 (およびケトル) を薄くして安価にする新しい方法の特許を取得しました。これにより、彼のコールブルックデール高炉は鍋の供給元として主流となり、1720 年代と 1730 年代には、他の少数のコークス燃焼高炉もこれに加わりました。

1743年に始まり1750年代に増加した英国における蒸気機関による送風ふいごの動力化（間接的に水車に水を送ること）は、その後数十年間に急増した鋳鉄生産量の増加の重要な要因となった。水力の限界を克服したことに加えて、蒸気ポンプ水力による送風は炉の温度を高くし、より高い石灰比率の使用を可能にし、木炭（木材の供給が不十分だった）からコークスへの変換を可能にした。^{[16] : 122}

ウィールドの鉄工所は1760 年代まで鋳鉄の生産を続け、王政復古後は武器が鉄の主な用途の 1 つとなった。

鋳鉄が構造目的で使われるようになったのは、1770年代後半、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ときからである。ただし、コールブルックデールの高炉などではすでに短い梁が使用されていた。トーマス・ペインが特許を取得した発明など、他の発明も続いた。産業革命が加速するにつれ、鋳鉄製の橋が普及した。トーマス・テルフォードはビルドワス上流の橋に鋳鉄を採用し、続いてシュルーズベリー運河のロングドン・オン・ターンにある運河トラフ水路橋、ロングドン・オン・ターン水路橋にも採用した。その後、チャーク水路橋とポントカサルテ水路橋が建設され、どちらも最近の修復後も引き続き使用されている。

橋の建設に鋳鉄を使用する最良の方法は、アーチを使用することです。これにより、すべての材料が圧縮されます。鋳鉄は、石材と同様に、圧縮に対して非常に強力です。錬鉄は、他のほとんどの種類の鉄や、実際ほとんどの一般的な金属と同様に、引張に対して強く、また、破損しにくい強靭性があります。構造上の目的での錬鉄と鋳鉄の関係は、木と石の関係に似ていると考えることができます。

鋳鉄製の梁橋は、1830年にリバプール・アンド・マンチェスター鉄道のマンチェスター終点にあったウォーター・ストリート橋など、初期の鉄道で広く使用されていたが、開通から1年も経たない1847年5月、チェスターのディー川にかかるチェスター・アンド・ホーリーヘッド鉄道の新しい橋が崩落し、5人が死亡したことで、鋳鉄製梁橋の使用に伴う問題があまりにも明白になった。ディー橋の惨事は、通過する列車によって梁の中央に過度の荷重がかかったことが原因で、多くの同様の橋が取り壊されて、その多くが錬鉄で再建された。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化された悪い設計だった。梁の中央が曲がって下端が張力を受けていたが、鋳鉄は石積みと同様に、この点が非常に弱い。

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でこの素材の使用に重大な疑問が投げかけられました。テイ橋のタイ バーとストラットを固定するための重要な突起は柱と一体に鋳造されていましたが、事故の初期段階で破損しました。さらに、ボルト穴も鋳造されており、ドリルで穴を開けたものではありません。そのため、鋳造の抜き勾配により、タイ バーからの張力は穴の端にかかり、穴の長さ全体に分散されませんでした。代わりの橋は錬鉄と鋼で建設されました。

しかし、その後も橋の崩落が続き、1891 年のノーウッド ジャンクション鉄道事故に至りました。イギリスの鉄道網における鋳鉄製の鉄道橋梁に対する懸念が広まったため、1900 年までに何千もの鋳鉄製の鉄道橋梁が最終的に鋼鉄製のものに置き換えられました。

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  イギリス、コールブルックデールのセヴァーン川にかかる鉄橋（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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  北から見たオリジナルのテイ橋（1878 年完成）
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  北から見たフォールン・テイ橋

鋳鉄製の柱は工場の建物で開拓され、建築家は高さの異なる石造建築物に必要な極端に厚い壁を使わずに多階建ての建物を建てることができました。また、鋳鉄製の柱は工場の床面積を広げ、教会や講堂の視線を遮りました。19 世紀半ばまでに、鋳鉄製の柱は倉庫や工業ビルで一般的になり、錬鉄製または鋳鉄製の梁と組み合わせて、最終的に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使用されることもあり、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 ビルディングなど、完全なプレハブ建築にも時々使用されました。[^{出典が必要]}

もう一つの重要な用途は繊維工場であった。工場内の空気には紡がれる綿、麻、羊毛から出る可燃性の繊維が含まれていた。その結果、繊維工場は驚くほどの火災傾向にあった。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でできた鉄骨を建物に使うのが便利だとわかった。そのような建物が最初に建てられたのは、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であった。^[17]鋳鉄の柱と梁を使って建てられた倉庫は他にもたくさんあったが、設計ミス、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もあった。^[要出典]

産業革命の間、鋳鉄は紡績機や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ていました。鋳鉄は広く使用されるようになり、多くの町に産業機械や農業機械を生産する鋳物工場がありました。 ^[18]

• 鉄細工– 職人による金属細工（建築要素、庭園の特徴、装飾品用）
• 製鉄所– 鉄を加工する場所（史跡を含む）
• ミーハナイト
• 砂型鋳造
• 鋳鉄製調理器具

• ハロルド・T・アンガス著『鋳鉄：物理的および工学的特性』バターワース社、ロンドン（1976年）ISBN 0408706880 
• ジョン・グローグとデレク・ブリッジウォーター著『建築における鋳鉄の歴史』アレン・アンド・アンウィン社、ロンドン（1948年）
• ピーター・R・ルイス『銀色のテイ川の美しい鉄道橋：1879年のテイ橋災害の再調査』テンパス（2004年）ISBN 0-7524-3160-9 
• ピーター・R・ルイス『ディー川の惨事：ロバート・スティーブンソンの1847年の宿敵』テンパス（2007年）ISBN 978-0-7524-4266-2 
• ジョージ・レアード、リチャード・ガンドラック、クラウス・レーリッヒ著『耐摩耗鋳鉄ハンドブック』ASM International (2000) ISBN 0-87433-224-9 

ウィキメディア・コモンズには、鋳鉄に関連するメディアがあります。

• ケンブリッジ大学鋳鉄冶金学
• 法医学工学：テイ橋の惨事。Wayback Machineに 2023 年 3 月 23 日にアーカイブ。
• スペインの鋳鉄橋