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。
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。
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。
アイテム | 鋳鉄 | 鋼鉄 |
炭素含有量 | 2%~4% | 2%未満 |
融点 | 華氏2102~2372度 | 華氏2500〜2750度 |
キャスタビリティ | 収縮率が低く、流動性が良いため鋳造が容易です。 | 流動性が低く、収縮が大きいため、鋳造が困難です。 |
強さ | より高い圧縮強度 | より高い引張強度。優れた衝撃強度 |
耐摩耗性 | 良い | 鋳鉄ほどの耐久性はありません |
耐食性 | 耐食性が向上しますが、多くの場合、表面の防錆性に制限されます。 | 炭素鋼には劣りますが、ステンレス鋼は防錆性に優れています |
被削性 | 機械加工が容易になる | 時間がかかり、工具の準備も大変 |
溶接性 | 溶接が難しい | 低い溶接性から非常に良い溶接性までの優れた溶接性 |
料金 | 鉄鋼の製造に必要な材料コスト、エネルギー、労働力が低いため、多くの場合安価です。 | 購入にはより高価であり、キャストにはより多くの時間と注意が必要です |
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
利点 | 制限事項 | アプリケーション | |
キャスト鉄 | ▪ Cheaper and easier to cast than steel ▪ High compressive strength ▪ Excellent wear resistance ▪ Good machinability, especially softer cast irons like gray iron ▪ Offers high hardness ▪ Good properties for a low cost ▪ Good anti-vibration property | ▪ Low tensile strength ▪ High brittleness | ▪ Pipes and fittings in water and sewage systems ▪ Automotive components like engine blocks, cylinder heads, brake discs, etc ▪ Manhole covers, street furniture, residential fence gates, decorative light posts, fireplace elements, and other furnishings in construction ▪ Cast iron frying pans and other cookware ▪ Bases and frames for heavy machinery |
鋼鉄 | ▪ Higher tensile strength ▪ Higher toughness/ductility ▪ Excellent impact resistance ▪ Better weldability | ▪ More expensive ▪ Prone to corrosion and rust, especially low carbon steel | ▪ Structural beams, rebar, and building frameworks ▪ Automotive body panels, chassis components, and safety components ▪ Rail car wheels, frames, and bolsters ▪ Mining machinery, construction equipment, and heavy trucks ▪ Heavy duty pumps, valves, and fittings ▪ Turbines and other components in power station assemblies |
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ストレスとひずみは、材料が力にどのように反応するかを説明するための最も重要な概念の2つです。応力は、負荷下の材料内の単位面積あたりの内部力であり、ひずみは、適用された力から生じる材料の形状の変形または変化です。 ただし、ストレスとひずみの関係は理論をはるかに超えています。これは、健全なエンジニアリングの決定に不可欠です。それらを並べて比較することにより、材料のパフォーマンス、安全性がどれだけ安全に変形できるか、いつ失敗する可能性があるかをよりよく予測できます。この記事では、それらの定義、違い、関係、および実用的なアプリケーションについて説明します。 詳細に入る前に、ストレスと緊張に関するこの短い入門ビデオが役立つことがあります。 ストレスとは ストレスは、外部負荷に抵抗するために材料が発達する単位面積あたりの内部力です。顕微鏡的に、適用された負荷は、変形に反対し、構造を一緒に「保持」する原子間力を誘導します。この内部抵抗は、私たちがストレスとして測定するものです。 負荷の適用方法によっては、ストレスは次のように分類されます。 引張応力(σt)および圧縮応力(σc):これらは、断面領域に垂直に作用する正常な応力です。 せん断応力(τ):断面領域と平行に作用する接線力によって引き起こされます。 ねじれ応力(τt):トルクまたはねじれによって誘発されるせん断応力の特定の形態。 その中で、引張ストレスは、エンジニアリング設計における最も基本的なタイプのストレスです。計算式は次のとおりです。 どこ: σ=ストレス(Paまたはn/m²;時々psi) f =適用力(n) a =力が適用される元の断面領域(m²) 材料のストレスがどのように測定されるか 直接ストレスを測定することは不可能なので、代わりに、適用された力または結果として生じる変形のいずれかを測定する必要があります。以下は、重要な測定技術の簡潔な概要です。 方法 /テクノロジー原理測定デバイス /ツール精度と精度一般的なアプリケーションユニバーサルテストマシン(UTM))測定力(f)、ストレス= f/aを計算します統合されたロードセルを備えたUTM★★★★★(高精度)基本的な材料テスト:ストレス - ひずみ曲線、機械的特性評価ひずみゲージ測定ひずみ(ε)、σ= e・ε(線形弾力性を想定)を介して応力を計算する ひずみゲージ、データ収集システム★★★★☆(高)コンポーネント応力分析;疲労評価;組み込み構造監視拡張計測定値の長さの変化、εとσを計算します接触または非接触拡張メーター★★★★☆(高)標本の引張試験;弾性弾性率と降伏ひずみの検証デジタル画像相関(DIC)光学方法は、フルフィールドの表面変形を追跡します高速カメラシステム、DICソフトウェア★★★★☆(フルフィールド)フルフィールドひずみ分析。クラック追跡;物質的な不均一性研究超音波ストレス測定ストレス下での材料の波速度の変化を使用します超音波プローブとレシーバー★★★☆☆(中程度)残留応力検出;溶接されたジョイントと大きな構造における応力監視X線回折(XRD)内部応力によって引き起こされる格子歪みを測定しますXRD回折計、専門ソフトウェア★★★★☆(高精度、表面層に局在する)薄膜、溶接ゾーン、金属およびセラミックの表面残留応力光弾性透明な複屈折材料の光学干渉フリンジを介してストレスを視覚化します偏光のセットアップと複屈折ポリマーモデル★★★☆☆(半定量的な定性)教育デモ;透明モデルにおける実験的ストレス分析マイクロ/ナノスケールの特性評価技術 EBSD、マイクロラマン、ナノインデンテーションなどのテクニックは、マイクロまたはナノスケールのひずみ/ストレスマッピングを提供します 電子またはレーザーベースのシステム、画像分析ソフトウェア★★★★☆(高精度;ローカライズされたマイクロ/ナノスケール) マイクロエレクトロニクス、薄膜、ナノインデンテーション、複合界面の動作 ひずみとは ひずみは、外力にさらされると材料が受ける相対変形の尺度です。これは、単位のない量またはパーセンテージとして表現され、元の長さ(または寸法)の長さ(またはその他の寸法)の変化を表します。 ひずみのタイプは、適用されるストレスに対応します:引張ひずみ、圧縮ひずみ、またはせん断ひずみ。 通常のひずみの式は次のとおりです。 どこ: ϵ =ひずみ(無次元または%で表されます) ΔL=長さの変化 l0=元の長さ 材料の株が測定される方法 さまざまな方法を使用して、ひずみを測定できます。最も一般的に使用される手法は、ひずみゲージと伸筋です。以下の表は、材料のひずみを測定するための一般的な方法をまとめたものです。 方法センシング原則センサー /トランスデューサー測定シナリオ備考ひずみゲージ抵抗の変化フォイルタイプのひずみゲージ静的または低周波ひずみ;一般的に使用されます業界で広く使用されています。低コスト;接着剤の結合と配線接続が必要です拡張計変位クリップオン /コンタクト拡張計材料テスト;全セクション測定高精度;動的テストや高度に局所的な株に適していませんデジタル画像相関(DIC)光学追跡カメラ +スペックルパターンフルフィールドひずみマッピング。亀裂伝播;複雑な形の標本非接触; 2D/3D変形マッピング。高価なシステム圧電センサー圧電効果圧電フィルムまたはクリスタル動的ひずみ、圧力、衝撃、振動高周波応答;静的ひずみ測定には適さないファイバーブラッググレーティング(FBG)光学(ブラッグリフレクション)FBG光ファイバーセンサー長距離にわたる分布または多重化測定EMIの免疫;航空宇宙、エネルギー、スマート構造に適していますレーザードップラー振動計(LDV)ドップラー効果LDVレーザープローブ動的ひずみ/速度測定と表面振動分析非接触;高解像度;高い;表面条件に敏感です ストレスとひずみの重要な違い 以下は、直接の概要を提供するクイックテーブルです。 側面ストレス歪み式σ= f / aε=Δl /l₀ユニットPA(n/m²)、またはpsi(lbf/in²)無次元または%原因外力ストレスによって引き起こされる変形効果内部力を生成して、外部負荷に対抗します。高すぎる場合、塑性変形、骨折、疲労障害、ストレス腐食亀裂につながる可能性があります材料のジオメトリを変更します。降伏点を超えて永続的に弾性制限で回復可能行動材料が抵抗しなければならない領域ごとの内部力。分布に応じて、圧縮、張力、曲げ、またはねじれを引き起こす可能性があります適用された応力下で材料がどれだけ変形するかを説明します。弾性またはプラスチックにすることができます ストレスと緊張が互いにどのように関連するか ストレスはひずみを引き起こします。応力 - ひずみ曲線は、適用された応力に対してひずみ(変形)をプロットすることにより、材料が徐々に増加する荷重の下でどのように変形するかをグラフ化します。その重要なポイントを確認しましょう。 1。弾性領域(ポイントO – B) […]
合金鋼とステンレス鋼を比較すると、混乱の共通点が1つあります。ステンレス鋼は技術的には合金鋼の一種ですが、しばしば異なるカテゴリとして扱われ、材料選択中に他の鋼オプションと個別に比較されます。なぜそれが、プロジェクトのためにどの素材を選択すべきか?これらの質問に答えるために、まず合金鋼が何であるかを理解し、それが含むさまざまなタイプを探索するのに役立ちます。
無電解ニッケルめっきは 20 世紀半ばに始まりました。 1944 年、アブナー ブレナー博士とグレース E. リデル博士は、伝統的な電気めっきを研究中に、電流を使用せずに金属表面にニッケルを析出させる方法を偶然発見しました。この画期的な進歩が無電解ニッケルめっきの開発につながりました。それ以来、この技術は継続的に進化し、その用途はエレクトロニクスや航空宇宙から石油・ガス、自動車、防衛産業まで拡大しました。
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