鋳鋼の特性と主要な用途の概要

鋳造鋼は、鉄と合金元素を溶融して生産され、さまざまな形状や部品を作成するために型に注ぎ込まれる鋼の一種です。このプロセスにより、他の製造方法で達成することが難しい複雑な形状の作成が可能になります。鋳造鋼は、使用される特定の合金元素によって、一般に炭素鋼または合金鋼の分類に該当します。鋳造鋼の主要な合金元素には、炭素（C）、マンガン（Mn）、シリコン（Si）、時折クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）が含まれます。これらの元素は、鋼の機械的特性、耐腐食性、および全体的な性能に大きく影響します。

包括的概要

鋳造鋼は、その優れた加工性、溶接性、高い応力および衝撃荷重に耐える能力が特徴です。炭素の存在は、その硬度と強度を高め、マンガンは靭性と耐摩耗性を向上させます。シリコンは、溶融プロセス中に脱酸を助け、鋳造にとって重要な流動性を高めます。これらの元素の組み合わせにより、重機から自動車や航空宇宙産業の複雑な部品に至るまで、幅広い用途に適した多目的な材料が得られます。

鋳造鋼の利点：
- 多用途性：複雑な形状やサイズに鋳造できる。
- 強度と耐久性：高い引張強度と衝撃耐性。
- 良好な加工性：鍛造鋼と比較して加工しやすい。
- 溶接性：さまざまな溶接プロセスに適している。

鋳造鋼の制限：
- 脆さ：鍛造鋼よりも脆くなる可能性があり、特に炭素含量が低い場合。
- 孔隙率：適切に鋳造されないと、孔隙や不純物などの欠陥のリスクがある。
- コスト：鋳造プロセスにより、他の鋼種よりも一般的に高価である。

歴史的に、鋳造鋼は産業機械やインフラの発展において重要な役割を果たしており、エンジニアリング用途では基幹素材となっています。鋳造技術や材料科学の進歩に伴い、市場の地位は依然として強固です。

代替名、基準および同等物

標準組織	指定/グレード	発生国/地域	備考/注意事項
UNS	G3500	アメリカ	一般的な鋳造鋼用途に広く使用される。
ASTM	A216	アメリカ	バルブ、フランジ、継手用の鋳造鋼の仕様。
EN	1.0503	ヨーロッパ	ASTM A216 Gr. WCBに相当。
DIN	1.0570	ドイツ	ASTM A216に類似した特性で、組成の違いがわずかにある。
JIS	G3106	日本	圧力容器用の鋳造鋼の基準。
GB	Q235B	中国	類似の特性を持つ一般構造鋼。

これらのグレード間の違いは、機械的特性、耐腐食性、および用途の適合性などの特定の要件に基づいて選択に影響を与える可能性があります。たとえば、G3500とA216は同等と見なされることがありますが、特定の熱処理プロセスや機械的特性は異なる可能性があり、重要な用途における性能に影響を与えることがあります。

主な特性

化学組成

元素（記号および名称）	割合範囲（%）
C（炭素）	0.10 - 0.60
Mn（マンガン）	0.30 - 1.00
Si（シリコン）	0.10 - 0.50
Cr（クロム）	0.00 - 0.30
Ni（ニッケル）	0.00 - 0.50
Mo（モリブデン）	0.00 - 0.20

鋳造鋼における炭素の主な役割は硬度と強度を向上させることであり、マンガンは靭性と耐摩耗性を改善します。シリコンは、溶融プロセス中の脱酸を助け、クロムとニッケルは特に特化した鋳造鋼において耐腐食性と靭性を向上させることがあります。

機械的特性

特性	状態/温度	試験温度	典型的な値/範囲（メートル法）	典型的な値/範囲（インペリアル）	試験方法の参考基準
引張強度	焼ならし	室温	370 - 550 MPa	54 - 80 ksi	ASTM E8
降伏強度（0.2%オフセット）	焼ならし	室温	250 - 400 MPa	36 - 58 ksi	ASTM E8
伸び	焼ならし	室温	20 - 30%	20 - 30%	ASTM E8
硬度（ブリネル）	焼ならし	室温	150 - 250 HB	150 - 250 HB	ASTM E10
衝撃強度（シャルピー）	焼ならし	-20°C（-4°F）	30 - 50 J	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

これらの機械的特性の組み合わせにより、鋳造鋼は重機、自動車部品、構造用途など、高い強度と靭性を必要とする用途に適しています。重要な環境下での構造的完全性を確保するためには、 significante loads and impactsに耐える能力が不可欠です。

物理的特性

特性	状態/温度	値（メートル法）	値（インペリアル）
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	34.5 BTU·in/h·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	0.0001 Ω·m	0.0001 Ω·in

鋳造鋼の密度はその重量と強度に寄与し、重荷重用途に適しています。融点は高温に耐える能力を示し、熱伝導率と比熱容量は熱伝達を伴う用途において重要です。

耐腐食性

腐食性物質	濃度（%）	温度（°C/°F）	抵抗評価	備考
塩化物	3-5	20-60 °C（68-140 °F）	普通	浸食のリスク。
硫酸	10-20	25 °C（77 °F）	悪い	使用が推奨されません。
海水	-	25 °C（77 °F）	普通	腐食に対して脆弱。
アルカリ溶液	-	25 °C（77 °F）	良好	中程度の抵抗。

鋳造鋼は環境に応じてさまざまな程度の耐腐食性を示します。大気条件下では、適切に保護されていないと錆が発生する場合があります。塩化物が豊富な環境、特に海洋用途では、浸食に脆弱です。ステンレス鋼と比較すると、鋳造鋼は一般的に耐腐食性が低く、十分にコーティングまたは処理されない限り、高腐食環境には適していません。

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	長期間の使用に適している。
最大間欠的使用温度	500 °C	932 °F	短期的な露出のみ。
スケーリング温度	600 °C	1112 °F	この温度を超えると酸化のリスク。
クリープ強度の考慮は約	400 °C	752 °F	持続的な荷重下でクリープが発生する可能性。

高温では、鋳造鋼はその強度を維持しますが、酸化やスケーリングの影響を受ける可能性があります。高温を伴う用途には、材料選択と保護コーティングが不可欠です。

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	薄い部分に適している。
TIG	ER70S-2	アルゴン	クリーンな溶接を提供。
スティック	E7018	-	厚い部分に適している。

鋳造鋼は一般に良好な溶接性を持ちますが、ひび割れを防ぐために予熱が必要な場合があります。溶接後の熱処理は、溶接の特性を向上させ、残留応力を減少させることができます。

加工性

加工パラメータ	[鋳造鋼]	AISI 1212	備考/アドバイス
相対加工性インデックス	70	100	鋳造鋼はAISI 1212よりも加工しにくいが、まだ好ましい。
典型的な切削速度（旋盤）	30 m/min	50 m/min	工具と条件に基づいて速度を調整してください。

鋳造鋼は良好な加工性を提供しますが、他の一部のグレードと比較してより堅牢な工具が必要な場合があります。最適な切削速度と送りは、特定の用途と使用する工具に基づいて決定する必要があります。

成形性

鋳造鋼は、熱間成形および冷間成形などのさまざまな方法を用いて成形できます。ただし、脆さのために、冷間成形は一般的に制限されています。熱間成形プロセスは、延性を向上させ、ひび割れのリスクを減少させることができます。

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	主な目的 / 期待される結果
焼きなまし	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1-2時間	空気冷却	硬度を減少させ、延性を改善。
焼入れ	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	30分	水/油	硬度を上げ、マルテンサイトを生成。
焼戻し	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1時間	空気冷却	脆さを減らし、靭性を改善。

熱処理プロセスは、鋳造鋼の微細構造と特性に大きな影響を及ぼします。焼きなましは内部応力を解放し、焼入れと焼戻しは硬度と靭性を高め、材料を demandingな用途に適したものにします。

典型的な用途および最終用途

業界/部門	具体的な応用例	この応用で利用される主要鋼特性	選択理由
自動車	エンジンブロック	高強度、衝撃耐性	ストレス下での耐久性と性能。
建設	構造部品	耐荷重能力、加工性	複雑な形状を形成する能力。
石油＆ガス	バルブボディ	耐腐食性、靭性	厳しい環境下での信頼性。
重機	ギアボックス	耐摩耗性、強度	荷重下での長寿命と性能。

• 鋳造鋼は、その強度と耐久性から、自動車業界でエンジンブロックやその他の部品に広く使用されています。
• 建設においては、構造部品の材料として利用され、その複雑な形状に鋳造できる能力が利点となります。
• 石油およびガスセクターは、バルブボディや継手に鋳造鋼を用いており、耐腐食性と靭性が重要です。

重要な考慮事項、選択基準、およびさらなる洞察

特徴/特性	鋳造鋼	AISI 4140	AISI 316L	簡潔な利点/欠点またはトレードオフのノート
主要な機械特性	高強度	より高い靭性	優れた耐腐食性	鋳造鋼は強固ですが、合金鋼と比べて靭性に欠けるかもしれません。
主要な腐食特性	普通の抵抗	中程度	優れた	鋳造鋼は腐食環境に対して適していません。
溶接性	良好	中程度	優れた	鋳造鋼は溶接可能ですが、ひび割れを避けるために注意が必要です。
加工性	良好	中程度	悪い	鋳造鋼は一部の合金よりも加工しやすいです。
概算の相対コスト	中程度	高い	高い	鋳造鋼は一般的に高合金鋼よりもコスト効率が良いです。
典型的な入手可能性	一般的	一般的	あまり一般的ではない	鋳造鋼は広範な使用により広く入手可能です。

特定の用途のために鋳造鋼を選択する際には、コスト、入手可能性、および必要な機械的および腐食特性などの考慮事項が重要です。鋳造鋼はその強度、加工性、および多用途性のバランスから選択されることが多く、幅広いエンジニアリング用途に適しています。しかし、高腐食リスクのある環境には、ステンレス鋼などの代替材料がより適切かもしれません。

結論として、鋳造鋼はその特有の特性と適応力からさまざまな業界で重要な材料であり続けています。その特性、利点、および制限を理解することは、エンジニアおよび設計者が材料選択の決定を行う際に不可欠です。