鋳鉄とは? 鋳鉄の用途や種類ごとの特性、加工時のポイントを解説

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鋳鉄とは? 鋳鉄の用途や種類ごとの特性、加工時のポイントを解説

鋳鉄(ちゅうてつ)はエンジンブロックやヘッド、フライホイールやブレーキローターのような自動車部品や、身近なものだと家庭用の鍋、道路のマンホールなど、幅広く活用されている金属です。しかし一言で鋳鉄といってもいくつか種類があり、それぞれ特性も異なります。 ここでは、鋳鉄の種類と特徴、加工の際のポイントなどをご紹介します。

鋳鉄とは

鉄を主成分として炭素含有量が2.1~6.7%と、多量の炭素を含んでいて、鋼に比べて硬くもろい性質を持つ鉄の合金を鋳鉄といいます。 含有する炭素量が多いほど溶ける温度は低くなるため、鋳鉄は比較的容易に型に流し込んで成形することができます。これは、純粋な物質に別の物質が加わることで液体と固体の境目の温度が下がる、凝固点降下という作用によるものです。 鋳鉄は機械部品や工業品、水道管やマンホールの蓋などにも使われていて、身の回りのものから工業品まで幅広く使われています。

鋳鉄と鋳物の違い

「鋳物(いもの)」といえば多くの人が鋳鉄を想像するほど、鋳鉄は生産量が高く使用される機会が多い鋼材ですが、鋳物のすべてが鋳鉄というわけではありません。 鋳物とは、溶かした材料を型に流し込んで作られたものを指す言葉です。例えば、鋼を1500℃まで加熱すれば溶かして型に流し込んだものは鋳鋼(ちゅうこう)と呼ばれ、アルミニウムや銅、マグネシウムなども鋳物の材料に使われています。

鋳鉄の種類

鋳鉄は添加物や炭素の状態によって大きく3つの種類に分けられ、それぞれ異なる特性を持っています。鋳鉄の種類と、それぞれの特徴をご紹介します。

・白鋳鉄

鋳鉄に含まれる炭素やケイ素が少ない場合、炭素は黒鉛(グラファイト)として析出せずに、炭素化合物のセメンタイト(Fe3C)になります。このセメンタイトの結晶により、破面が白くなるため白鋳鉄(はくちゅうてつ)と呼ばれています。 白鋳鉄は硬く耐摩耗性に優れますが、被削性が悪く加工が困難で、もろく割れやすいのが特徴です。

・ねずみ鋳鉄

鋳鉄にある程度の炭素量があると、炭素がセメンタイトよりも黒鉛の形で多く結晶化します。黒鉛が点在し破面がねずみ色に見えるもののが、ねずみ鋳鉄や普通鋳鉄と呼ばれる鋳鉄です。ねずみ鋳鉄が混在していて、破面が白黒の斑点状に見える状態はまだら鋳鉄と呼ばれます。 ねずみ鋳鉄は強度や靭性には乏しいですが、鋳造しやすく被削性が高い、耐摩耗性や耐食性にも優れているのが特徴です。振動吸収性という特有の性質も持ち、機械本体や部品、水道管など幅広い場面で使用されています。

・球状黒鉛鋳鉄(ダクタイル鋳鉄)

マグネシウム(Mg)、セリウム(Ce)などを加えることで、組織中の黒鉛の形状を球状にしたものが球状黒鉛鋳鉄です。球状化により引張強さ・延性などを得ていて、ねずみ鋳鉄の数倍の強度を持ちます。 「伸ばしやすい/しなやか」という意味のダクタイル鋳鉄や、「球状の」という意味でノジュラー鋳鉄と呼ばれることもあります。 機械的強度や耐摩耗性、耐熱性に優れ、熱処理によって靭性と耐食性を得ることもできますが、マグネシウムを添加するため引けやピンホールが生じやすいので注意が必要です。

鋳鉄の被削性や加工時のポイント

鋳鉄は一般的な被削性を持ち、切削加工は容易な金属です。鋼やステンレス鋼に比べると切削抵抗は低く、切削熱も控えめで切り屑処理においても有利ですが、適切な工具と加工法の選定は必要になります。 切削加工に使う工具を選定する際のポイントや加工時の注意点をご紹介します。

・鋳鉄に適した切削工具

鋳鉄は含まれている黒鉛の組織によって切り屑が細かく分断されるため、切り屑排出性は良好です。黒鉛が潤滑作用を持つため、切削抵抗も小さくなります。 しかし鋳鉄は全般的に硬度があり、すくい角が大きく刃先が鋭い工具は欠けが起こりやすいです。欠けを防ぐために、すくい角が小さいネガチップを選ぶと良いでしょう。

・鋳鉄を加工する際のポイント

鋳鉄の切削加工では、切削油を使わないドライ加工が一般的です。粉塵による影響を最小限にする目的でウェット加工を行う場合もありますが、浸潤した切り粉が溝やすくい面に詰まることがあるので注意が必要です。 同じ鋳鉄でも、種類によって機械的特性が異なるため、切削条件を変えるようにします。一般的にねずみ鋳鉄は加工が容易ですが、球状黒鉛鋳鉄は構成刃先が起こりやすく、白鋳鉄は特に硬度が高く耐摩耗性があるため加工が難しいです。

鋳鉄の特徴を理解したうえで加工することが大切

鋳鉄は脆く割れやすいというイメージがありますが、硬さや耐摩耗性に優れ、振動吸収性といった性質も持っています。 切削が容易といわれる鋳鉄ですが、種類によって特徴が異なるため、切削加工時には注意が必要です。広く使われているねずみ鋳鉄は、被削性がよく加工しやすい材料ですが、球状黒鉛鋳鉄とは機械的性質が異なるので、切削工具の選定方法や切削条件も変えなければなりません。 全般的に硬くもろいという性質があるため、刃先の欠けや材料のコバ欠け対策を考慮した工具の選定と条件設定、粉塵による工作機械の劣化や作業環境の悪化対策などが大切です。 鋳鉄の切削加工の際は、特徴を理解したうえで適切な工具を使って加工を行いましょう。