鋳鉄鋼:特性と主要な応用

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鋳造炭素鋼は、高い炭素含有量と、溶融金属を型に流し込む製造方法で特徴付けられる鋼の一種です。この鋼グレードは、炭素含有量に応じて、主に低炭素鋼または中炭素鋼に分類され、通常0.05%から0.30%の範囲になります。鋳造炭素鋼の主要な合金元素は炭素(C)であり、これはその硬度、強度、延性に大きな影響を与えます。他の元素にはマンガン(Mn)、シリコン(Si)、微量の硫黄(S)およびリン(P)が含まれることがあり、これらは鋼の機械的特性や性能に影響を与えることがあります。

総合的な概要

鋳造炭素鋼は、その優れた機械加工性と溶接性で知られており、さまざまな工学用途で人気のある選択肢です。主な特性には、良好な引張強度、耐摩耗性、特性を向上させるために熱処理できる能力が含まれます。鋳造炭素鋼の固有特性により、強度と耐久性が重要な用途に使用することができます。

鋳造炭素鋼の利点:
- 高強度:優れた引張強度と降伏強度を提供し、構造用途に適しています。
- コスト効率:一般的に合金鋼やステンレス鋼よりも安価です。
- 多用途:複雑な形状に簡単に鋳造でき、広範な機械加工の必要性を減少させます。

鋳造炭素鋼の制限:
- 腐食感受性:適切に処理またはコーティングされていない場合、錆や腐食に対して脆弱です。
- 低い靭性:合金鋼と比較して、特に低温時に靭性が低い場合があります。
- 高温性能の限界:高温抵抗が必要な用途には適していません。

歴史的に、鋳造炭素鋼は産業機械やインフラの開発において重要な役割を果たし、ギア、シャフト、フレームなどの部品の製造に広く使用されてきました。

他の名称、規格、同等物

標準機関 指定/グレード 原産国/地域 備考/コメント
UNS C10, C20, C30 アメリカ 低炭素鋼および中炭素鋼に最も近い同等物
AISI/SAE 1020, 1045 アメリカ 成分のわずかな違い; 1020は低炭素、1045は中炭素
ASTM A216 アメリカ 炭素鋼の鋳造の仕様
EN 1.0402, 1.0503 ヨーロッパ 低炭素および中炭素鋳鋼の同等グレード
DIN G20Mn5, G40Mn2 ドイツ 特定のマンガン含有量を持つ鋳造炭素鋼の指定
JIS SCW 40 日本 炭素鋼の鋳造に関する日本の基準

同等グレード間の違いは、性能に大きな影響を与える可能性があります。例えば、AISI 1020と1045はしばしば類似と見なされますが、1045の高い炭素含有量は硬度と強度を向上させ、機械的特性を強化する必要がある用途により適しています。

主な特性

化学組成

元素(記号および名称) 割合範囲 (%)
C(炭素) 0.05 - 0.30
Mn(マンガン) 0.30 - 0.90
Si(シリコン) 0.10 - 0.40
P(リン) ≤ 0.04
S(硫黄) ≤ 0.05

鋳造炭素鋼における炭素の主な役割は、固体溶液強化と炭化物の形成を通じて硬度と強度を向上させることです。マンガンは硬化性と引張強度を改善し、シリコンは脱酸剤として機能し、鋼の酸化抵抗を高めることができます。

機械的特性

特性 状態/温度 典型的な値/範囲 (メトリック - SI単位) 典型的な値/範囲 (インペリアル単位) 試験方法の基準標準
引張強度 焼き戻し 370 - 480 MPa 54 - 70 ksi ASTM E8
降伏強度(0.2%オフセット) 焼き戻し 210 - 310 MPa 30 - 45 ksi ASTM E8
伸び 焼き戻し 20 - 30% 20 - 30% ASTM E8
硬度(ブリネル) 焼き戻し 120 - 180 HB 120 - 180 HB ASTM E10
衝撃強度 シャルピーVノッチ、-20°C 20 - 40 J 15 - 30 ft-lbf ASTM E23

これらの機械的特性の組み合わせにより、鋳造炭素鋼は、構造部品や機械部品など、良好な強度と延性が必要な用途に適しています。熱処理の能力により、過酷な環境での性能もさらに向上します。

物理的特性

特性 状態/温度 値 (メトリック - SI単位) 値 (インペリアル単位)
密度 室温 7.85 g/cm³ 490 lb/ft³
融点/範囲 - 1425 - 1540 °C 2600 - 2800 °F
熱伝導率 室温 50 W/m·K 29 BTU·in/(hr·ft²·°F)
比熱容量 室温 0.46 kJ/kg·K 0.11 BTU/lb·°F
電気抵抗率 室温 0.00001 Ω·m 0.00001 Ω·in

鋳造炭素鋼の密度はその強度に寄与し、熱伝導率は熱 transfer に関与する用途に不可欠です。比熱容量は温度を上昇させるのに必要なエネルギー量を示しており、これは熱的な用途において重要です。

腐食抵抗

腐食性試薬 濃度 (%) 温度 (°C/°F) 抵抗評価 備考
大気 変動 常温 悪い 保護なしでは錆が発生しやすい
塩素化合物 変動 常温 不良 ピッティング腐食のリスク
変動 常温 推奨されない 高度に感受性があります
アルカリ性 変動 常温 悪い 中程度の抵抗

鋳造炭素鋼は大気腐食に対して中程度の抵抗を示しますが、適切にコーティングまたは保守されていない場合、錆びる可能性が高いです。塩素環境ではピッティングが発生しやすく、酸にさらされると急速に劣化する可能性があります。ステンレス鋼と比較すると、鋳造炭素鋼の腐食抵抗は著しく低く、海洋用途や化学用途には不向きです。

耐熱性

特性/限界 温度 (°C) 温度 (°F) 備考
最大連続使用温度 400 °C 752 °F これを超えると特性が劣化する可能性があります
最大間欠的使用温度 500 °C 932 °F 短時間のみの露出
スケーリング温度 600 °C 1112 °F この温度で酸化のリスク
クリープ強度に関する考慮事項 300 °C 572 °F 強度が低下し始める

高温では、鋳造炭素鋼は酸化と機械的特性の損失を経験する可能性があります。最大連続使用温度は長時間の露出の上限を示し、スケーリング温度は表面劣化のリスクを強調します。

加工特性

溶接性

溶接プロセス 推奨フィラー金属(AWS分類) 典型的なシールドガス/フラックス 備考
MIG ER70S-6 アルゴン/CO2 薄いセクションに適しています
TIG ER70S-2 アルゴン 高品質の溶接
スティック E7018 該当なし 厚いセクションに適しています

鋳造炭素鋼は一般的に良好な溶接性を持つと考えられており、特に適切なフィラー金属を使用する場合です。厚いセクションの場合、亀裂を避けるために予熱が必要な場合があり、溶接後の熱処理により溶接の完全性を向上させることができます。

機械加工性

加工パラメータ 鋳造炭素鋼 AISI 1212 備考/ヒント
相対機械加工性インデックス 70 100 良好な機械加工性を持ちますが、炭素含有量によって変動します
典型的な切削速度(旋削) 30-50 m/min 60-80 m/min 工具やセットアップに基づいて調整します

鋳造炭素鋼は、特に低炭素グレードで良好な機械加工性を提供します。最適な切削速度や工具を使用することで性能を向上させることができ、高炭素含有量の場合は硬度の増加によりより堅牢な工具が必要になる場合があります。

成形性

鋳造炭素鋼は、冷間および熱間プロセスの両方で成形できます。冷間成形は薄いセクションに適しており、熱間成形は厚い材料に好まれます。この材料は作業硬化を示し、曲げ半径や成形限界に影響を与える可能性があります。

熱処理

処理プロセス 温度範囲 (°C/°F) 典型的な浸漬時間 冷却方法 主目的 / 期待される結果
アニーリング 600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F 1 - 2時間 空気または水 軟化、延性向上
クエンチング 800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F 30分 油または水 硬化、強度向上
テンパリング 400 - 600 °C / 752 - 1112 °F 1時間 空気 脆さの軽減、靭性の改善

熱処理プロセスは鋳造炭素鋼の微細構造に大きな変化をもたらし、その機械的特性を向上させます。アニーリングは材料を軟化させ、クエンチングは硬度を増加させます。テンパリングはストレスを緩和し、靭性を改善するために重要です。

典型的な用途と最終用途

業界/セクター 特定の応用例 この応用で利用される主要な鋼の特性 選択理由(簡潔に)
自動車 エンジンブロック 高強度、良好な機械加工性 耐久性と性能
建設 構造ビーム 高引張強度、溶接性 荷重持ち運び用途
機械 ギアボックス 耐摩耗性、靭性 ストレス下での信頼性
石油&ガス パイプライン部品 腐食抵抗、強度 安全性と完全性

その他の用途には:
* - 重機部品
* - 農業機器
* - 工具や治具

鋳造炭素鋼は、強度、機械加工性、コスト効率のバランスが取れているため、広範な産業用途に適しています。

重要な考慮事項、選択基準、さらなる洞察

特徴/特性 鋳造炭素鋼 AISI 4140 ステンレス鋼304 簡潔な利点/欠点またはトレードオフノート
主な機械特性 良好な引張強度 より高い強度 低い強度 4140はより良い強度を提供しますが、コストは高くなります
主な腐食特性 中程度の抵抗 良好な抵抗 優れた抵抗 ステンレス鋼は腐食環境で優れています
溶接性 良好 中程度 優れた ステンレス鋼は専門的な技術が必要です
機械加工性 良好 中程度 不良 鋳造炭素鋼は機械加工が容易です
成形性 良好 中程度 不良 ステンレス鋼は成形性が劣ります
概算相対コスト 低い 中程度 高い コストは選択の重要な要素です
典型的な可用性 高い 中程度 高い 鋳造炭素鋼は広く入手可能です

鋳造炭素鋼を選択する際の考慮点には、コスト効率性、可用性、特定の応用要件が含まれます。良好な機械的特性と機械加工性を提供しますが、腐食に対する感受性には、特定の環境において保護コーティングや処理が必要となる場合があります。鋳造炭素鋼と代替材料との間のトレードオフを理解することは、工学的用途における最適な材料選択において重要です。

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