鋳鉄と鋼の違いは何ですか?

鋳鉄と鋼はどちらも主に鉄原子 (周期表では Fe と表示されます) で構成される鉄金属です。鉄元素は地球上に豊富に存在しますが、通常は酸化された形で存在し、抽出するには製錬と呼ばれる集中的な処理が必要です。

純鉄は高い磁気特性を備えており、電磁装置のコアの製造によく使用されます。ただし、質感が柔らかく、変形しやすいため、工業生産での直接使用は制限されます。したがって、特性を高めるために、通常は他の元素、特に炭素と合金化されます。たとえば、鋳鉄や鋼は、この改良された鉄合金から派生した金属材料として広く利用されています。

鋳鉄と鋼は外観が似ていますが、それぞれが特定の用途にとって重要な異なる特性を持っています。この記事では、プロジェクトに適切な金属を選択するのに役立つように、これら 2 つの金属を詳しく比較します。

鋳鉄とは何ですか?

鋳鉄は鉄と炭素の合金の一種で、炭素含有量が 2% ～ 4% と比較的高いです。これは、まず鉄鉱石を高炉で製錬して銑鉄を製造することによって作られます。次に、銑鉄を大量の鉄くずとともに溶かし、溶けた金属を型に流し込んで固めます。 「鋳鉄」という名前は、この鋳鉄の形状に由来しています。

炭素含有量に加えて、通常は 1% ～ 3% のシリコンと、微量のマンガン、リン、硫黄が含まれています。炭素とシリコンは鋳鉄の構造と特性に影響を与える重要な元素です。炭素含有量に由来する黒鉛の形状と分布は、鋳鉄の種類と特性を決定する上で重要です。炭素の形状と微細構造に基づいて、鋳鉄はさらに次のように分類できます。

• ねずみ鋳鉄: グラファイトはフレーク状に現れ、良好な鋳造性と振動減衰特性を提供しますが、非常に脆いです。
• 白鋳鉄: 炭素は炭化鉄 (Fe3C) として存在し、硬くて脆く、耐摩耗性が高くなります。
• ダクタイル（球状）鋳鉄：黒鉛は球状の小塊の形状をしており、高い強度と靭性を与えます。
• 可鍛鋳鉄: 焼きなましにより、炭素は塊状黒鉛として存在し、良好な靭性と機械加工性をもたらします。

スチールとは何ですか?

鋼は鉄の合金であり、炭素含有量はさまざまですが、通常は 2% 未満です。鋼は、溶解した銑鉄を塩基性酸素炉 (BOF) または電気アーク炉 (EAF) で精製して炭素含有量を減らし、不純物を除去し、それを型に流し込んで冷却して固体の鋼を形成することによって製造されます。

特定の特性を持つさまざまなグレードの鋼を製造するために、プロセス中に追加元素が追加され、炭素含有量が調整されます。たとえば、鋼は一般に腐食や錆びやすい傾向にありますが、ステンレス鋼は例外となり、炭素含有量が低く、クロムが 10.5% 以上含まれているため、耐腐食性と錆びに対する顕著な耐性を示します。

鋼は成分や用途の違いにより多くの種類に分類されます。一般的な鋼の種類を次に示します。

• 炭素鋼:A type of steel containing carbon as the main alloying element, which can be further divided into low carbon steel, medium carbon steel and high carbon steel.
• 合金鋼:Besides iron and carbon, it also contains other alloying elements, such as chromium, nickel, molybdenum, vanadium. Common alloy steels are stainless steel, tool steel, etc.

鋳鉄と鋼の違い

2 つの金属を区別するために、まず次の表を調べて予備比較を行ってみましょう。

上の表は、鋳鉄と鋼の一般的な比較を示しています。最初の列にリストされている主な項目に注目してください。ここからは、それらを 1 つずつ詳しく理解していきます。

炭素含有量と化学組成

2 つの金属の主な違いは炭素含有量です。通常、鋳鉄には 2% を超える炭素が含まれていますが、鋼には 2% 未満の炭素が含まれています。一般に、炭素含有量が高くなると、硬度と脆性が大きくなります。

さらに、鋳鉄中のシリコン含有量は鋳鉄の特性に大きく影響し、流動性が向上し、鋳造時の収縮が減少します。対照的に、鋼にはクロム、ニッケル、モリブデンなどの他の合金元素が含まれていることが多く、これらにより強度、靱性、耐食性が向上します。

融点

鋳鉄の融点は通常 1150°C ～ 1300°C (2100°F ～ 2370°F) の範囲ですが、鋼の融点は通常 1370°C ～ 1510°C (2500°F ～ 2800°F) です。 ）。

鋳鉄は融点が低いため、溶融状態での流動性が良く、複雑な金型形状への充填や緻密な鋳物の形成が容易になります。さらに、融点が低いため冷却速度が比較的遅くなり、鋳物内の液体金属が収縮によって生じる空隙を埋めるのに時間がかかります。その結果、鋳造プロセス中の気孔や亀裂の形成が最小限に抑えられ、密度が増加した鋳物が得られます。逆に、鋼の融点が高いため、機械加工や高温での熱処理中に強度と靭性を維持することができます。

キャスタビリティ

上で述べたように、鋳鉄は融点が低く、一定のシリコンを含んでいます。凝固中にグラファイトが沈殿し、体積収縮を部分的に補償するため、優れた流動性を示し、冷却中の収縮が少なくなります。したがって、鋳鉄は鋼に比べて鋳造性に優れています。

対照的に、鋼は流動性が低く、成形材料に対する反応性が高く、冷却中の収縮が大きく、鋳造プロセス全体を通じてより多くの注意と検査が必要です。

強さ

鋳鉄と鋼はどちらも耐久性が高く評価されていますが、さまざまな強度面で大きく異なります。引張強さ、圧縮強さ、衝撃強さの違いを調べてみましょう。

引張強さ: 鋳鉄の引張強さは比較的低くなります。これは、その構造内に存在するグラファイトフレークまたは球状グラファイトが応力集中点となる傾向があり、引張力がかかると破損しやすくなるからです。逆に、鋼の微細構造はより均一であり、合金化と熱処理によって引張強度を大幅に向上させることができます。

圧縮強度: 一般に、鋳鉄は鋼に比べて優れた圧縮強度を持っています。圧縮応力下では、鋳鉄の黒鉛構造は応力集中には寄与せず、応力の分散に役立ち、高い圧縮強度が得られます。逆に、鋼は圧縮強度と引張強度の両方で同等の性能を示し、圧縮強度の範囲がより広くなります。

衝撃強度: どちらも優れた衝撃強度を示しますが、特に突然の衝撃や動的荷重に耐える能力において、鋼は鋳鉄よりも優れています。これは鋼の延性と均一な微細構造によるもので、衝撃荷重下でも破壊することなく大量のエネルギーを吸収できます。さらに、鋼は衝撃負荷時に加工硬化が起こり、強度がさらに向上します。一方で、鋳鉄は脆いため、衝撃を受けると割れやすくなります。しかし、鋳鉄の一種であるダクタイル鋳鉄は、ねずみ鋳鉄を大きく上回る高い衝撃強度を誇ります。それでも、ダクタイル鋳鉄は鋼の衝撃強さに匹敵することはできません。

耐摩耗性

鋳鉄は一般に鋼（炭素鋼）よりも機械的摩耗に対して優れた耐性を示します。これは、その硬度と天然の潤滑剤として機能する独特のグラファイト構造によるものです。ただし、鋳鉄は脆いため、動的摩耗環境での用途は制限されます。その結果、機械式ベッドフレーム、滑り軸受、摩擦ライニングなどの静的で低衝撃性の耐摩耗性コンポーネントの製造に最適です。

鋼は高い靭性を備えており、動的摩耗環境においても優れた耐摩耗性を維持し、破壊に耐えます。ギア、切削工具、高摩耗部品など、動的かつ高衝撃性の耐摩耗性コンポーネントの製造に適しています。

耐食性

どちらの金属も、酸素や湿気にさらされると腐食や錆びやすくなります。ただし、鉄は緑青を生成し、深い腐食を防ぎ、金属の完全性を保ちます。

腐食を防ぐ 1 つの方法は、保護を強化するためにペイントまたは粉体塗装を施すことです。あるいは、クロム、ニッケル、モリブデンなどの合金元素を鋼に組み込んで、鋼の耐食性を高め、さまざまな腐食環境に適応させることもできます。

被削性

鋳鉄は優れた被削性を持っています。グラファイトの存在は天然の潤滑剤として機能し、工具の摩耗を軽減し、工具の寿命を延ばします。さらに、鋳鉄 (特にねずみ鋳鉄) は脆いため、加工中に切りくずが小さな断片に簡単に砕けます。これにより、刃物への付着が防止され、よりスムーズな加工が可能になります。

対照的に、鋼の被削性はその成分によって大きく異なります。硬化鋼や高炭素鋼は、機械加工に対する耐性が高く、工具の摩耗を促進する可能性があるため、課題が生じます。一方、低炭素鋼は柔らかいものの、加工中に粘着性が生じる可能性があり、取り扱いが困難になります。したがって、鋼の機械加工を成功させるには、機械加工技術と工具の選択を慎重に検討することが不可欠です。

溶接性

鋼は鋳鉄と比較して著しく優れた溶接性を示します。鋳鉄は炭素含有量が高く脆いため、溶接中に割れが発生しやすくなります。さらに、溶けた鋳鉄は空気中の窒素や酸素を容易に吸収し、気孔の形成につながります。

鋼の炭素含有量が低いため、溶接プロセス中の制御が容易であり、アーク溶接 (SMAW)、ガスシールド溶接 (GMAW、TIG)、レーザー溶接などを含むさまざまな溶接方法に適しています。

料金

鋳鉄は鋼鉄よりも安価になる傾向があります。主な理由は、鉄鉱石などの原材料が、製鋼に使用される高級鉄や合金に比べて入手しやすく安価であるためです。さらに、鋳鉄の製造プロセスは鋼鉄の製造プロセスよりも単純で、エネルギー消費も少なくなります。

鋳鉄と鋼: どちらを選択しますか?

上記の詳細な紹介と比較に基づいて、これら 2 つの金属の違いを包括的に理解できるはずです。ニーズに最適な金属を選択するために、以下の表を参照して、金属特有の利点、制限、主な用途を確認してください。

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