カヤバ技報論第64号

2022―４説

鋳鉄の組織と機械的性質
平

塚

貞人＊

１ ．はじめに鋳鉄は，我が国では2020年には，年間約300万ト

鋳鉄は鋼に比べてC含有量が高いため，凝固温度（融点）が著しく低く，流動性が良い．また，凝固時に黒鉛が晶出することで体積膨張が起こり，凝固ン生産されている重要な鋳造用構造材料である．その生産量の63.7％は輸送機械用（自動車用，鉄道用， 収縮が少なく，つまり引けが少なく，鋳造しやすい材料である．さらに，黒鉛の存在と高Siであるため，船舶用など），23.7％が一般・電気機械用（産業機振動吸収能，切削性，耐摩耗性，熱伝導性，耐食性，械器具用，建設機械用，金属工作・加工機械用，電気機械用など），7.8％が鋳鉄管，残り4.7％がその他用（継手，厨房品，工芸品など）として使用されている1）．
図 １ にカヤバ株式会社製ショベル・ミニショベル
用油圧機器の一例2）を示す．小型油圧ショベルのコントロールバルブのボディは，鋳鉄製である．
鋳鉄と鋼はともに鉄（Fe）と炭素（C）から構成されるFe-C系合金である．鋳鉄と鋼の違いは，それぞれのC含有量で区別されている．C含有量が約2mass％（以下mass省略）までが鋼，それ以上が鋳鉄として分類されている．実用鋳鉄のC含有量は ３～ ４ ％と多く，さらにケイ素（Si）が １ ～ ３ ％程度含有されているので，鋳鉄はFe-C-Si系合金として扱われている．C含有量が ２ ％を越えるとCは黒鉛としてFe中に現れる．したがって，鋳鉄は種々の形状の黒鉛と鋼が組み合わされた複合材料と見なすこともできる．

図１

＊

岩手大学

耐酸化性などの工業的に優れた特性を有している．
本稿では，鋳鉄の特性に影響を及ぼす鋳鉄の組織と機械的性質について論説する．
２ ．鋳鉄の組織
鋳鉄の組織は溶湯の化学組成，凝固条件や熱処理などによって大きく変化する．鋼は凝固後，圧延などの塑性加工や熱処理が施されるので，凝固組織はそれほど問題にされないが，鋳鉄はほとんどの場合鋳放し状態で使用されるので，凝固組織は極めて重要である．鋳鉄の組織は黒鉛組織及び基地組織に大別され，鋳鉄の機械的性質，物理的・化学的性質はこの両組織の組み合わせに大きく依存している．
2. 1 黒鉛組織
図 ２ は鋳鉄中に現れる黒鉛形態を分類したもので，1962年アメリカにおける国際鋳物会議技術委員会で提案された分類図である3）．

ショベル・ミニショベル用油圧機器の一例

教授

図２

鋳造技術研究センター―3―

黒鉛形態の分類

鋳鉄の組織と機械的性質

形態Ⅰは，片状黒鉛で，片状黒鉛鋳鉄はこの黒鉛が現れた鋳鉄でJIS規格（G5501）ではねずみ鋳鉄品

ⅱとして分類している．形態Ⅱは，球状黒鉛鋳鉄を製造した場合にマブネシウム（Mg）などの黒鉛球状化剤が過剰に添加されたときに現れやすい先端の尖った合物で，密度7.7，ブリネル硬さHB550である．鋳鉄組織の中で最も硬く，脆い組織である．
ⅲ パーライト

黒鉛である．形態Ⅲは，黒鉛球状化剤が不足したときに現れる擬片状黒鉛であり，CV黒鉛鋳鉄はこの黒鉛が現れた鋳鉄である．形態Ⅳは，可鍛鋳鉄や黒鉛

セメンタイトFe原子 ３ 個とC原子 １ 個で構成された斜方晶の化

準安定系共析変態でオーステナイトはフェライトとセメンタイトに分解（変態）するが，この両相は立体的に板状に交互に重なって生成し，光学顕微鏡鋼に現れる塊状黒鉛である．形態Ⅴは，球状に近い擬球状黒鉛である．形態Ⅵは，完全な球状黒鉛で，球状黒鉛鋳鉄に多く現れる黒鉛組織である．これらの黒鉛形態の中でⅡ～Ⅵまでの形態は鋳鉄の中では下では層状，縞状に見える．密度7.8，引張強さ800～900MPa，ブリネル硬さHB200～240程度の極めて強靱な組織である．
球状黒鉛鋳鉄では，通常図 ４ に示すようにブルス

ほとんどの場合常に均一で，無秩序な分布を示す．しかし，形態Ⅰの片状黒鉛は鋳鉄の化学成分，溶解履

アイ組織と呼ばれるフェライトとパーライトが共存している組織となっている．

歴及び凝固時の冷却速度などの影響を受けて変化するので，図 ３ に示すようにASTM A247では，A型からE型までの形態に分類している．A型は無秩序で均一な分布で，片状黒鉛鋳鉄では最も望ましい分布である．B型はバラ状黒鉛と呼ばれている．C型は過共晶成分の場合で，粗大な初晶黒鉛が現れたものである．
D型は共晶状黒鉛と呼ばれ，チタン（Ti）を添加した溶湯や過冷された溶湯に現れやすい黒鉛である．E型は樹枝状晶間げき黒鉛と呼ばれる黒鉛分布である．

図４

球状黒鉛鋳鉄のブルスアイ組織

３ ．鋳鉄の機械的性質
材料の引張強さ，硬さ，伸び，疲労強度などの機

図３

械的性質を総称して，広義の「強さ」あるいは「強度」という．これらはいずれも「変形と破壊による抵抗の尺度」である．

片状黒鉛の分布状態〔ASTM A247〕

2. 2 基地組織
鋳鉄の基地組織は凝固時の冷却速度及び合金元素

金属材料の強度はその組織によって決まる．鋳鉄の場合も強度は，黒鉛組織と基地組織，その他の組織に支配される．

含有量や熱処理によって変化する．ここでは代表的な ３ つの基地組織を記述する．
ⅰ フェライト3. 1 片状黒鉛鋳鉄の強度
黒鉛の引張強さは20MPa程度であって，基地に比べて極めて小さい力で破壊する．このため，鋳鉄

α-Feあるいはα固溶体とも呼ばれ，極微量のCを含み，密度7.9，引張強さ200～400MPa，ブリネル
硬さHB90～150程度の体心立方晶の軟質Feである．の強度は黒鉛を除いた基地部の強度とその形態，連続性で決まる．
細かいA型あるいはE型黒鉛が高強度を実現する．

鋳鉄中のフェライトはSiを固溶しているので，シリコ・フェライトと呼ばれ，Si量が多いほど引張強さ，硬さは大きくなる．

長いA型やB型，C型の黒鉛は，基地の連続性が低いために低強度である．
図 ５ は，片状黒鉛鋳鉄の基地が延性的な場合⒜と―4―

カヤバ技報第64号

脆性的な場合⒝の引張荷重での破壊の進行の模式図である4）．⒜の基地が延性的な場合は，基地部の延性き裂，部分的な破断が多数生じ，黒鉛片沿いにこれらが連結することによって破壊が進行する．
一方，⒝の基地が脆性的な場合は，黒鉛片端からの脆性き裂の発生と伝播で破壊が進行する．

図５2022―４

おむね0.7以上）であれば，連続性の程度は黒鉛の僅かな形状（球状化率）や寸法の差によってほとんど変化しない．
図 ７ は，球状黒鉛鋳鉄の基地が延性的な場合⒜と脆性的な場合⒝の引張荷重での破壊の進行の模式図である6）．

図７

片状黒鉛鋳鉄の引張破壊の進行

図 ６ に片状黒鉛鋳鉄の応力－ひずみ曲線を示す5）．
曲線は連続的に湾曲した形状で，明瞭な降伏挙動を示さない．片状黒鉛鋳鉄では，0.2％降伏点（耐力）を求めても意味がなく，0.05％などより小さいひずみによる耐力を定義する必要がある．

球状黒鉛鋳鉄の引張破壊の進行⒜の基地が延性的で十分に塑性変形を伴う場合，黒鉛粒近傍に生じたき裂が変形の進行に伴ってボイドとなる．また，基地内の粒界部，介在物のまわりにもボイドが生じる．これらがお互いに連結，合体して最終的に破断に至る．
破壊の経路は，近傍の最も近接した，あるいは最も大きな黒鉛粒などの弱い部分をジグザクにたどることになる．
⒝の基地が脆性的な場合，黒鉛粒近傍に生じたへき開型のき裂が成長し，最終破断はき裂の急速伝播によって生じる．
図 ８ に，球状黒鉛，CV（芋虫状）黒鉛及び片状
黒鉛鋳鉄の引張強さとCE値の関係を示す7）．片状黒鉛鋳鉄の強度はCE値により大きく変化するが，球状黒鉛鋳鉄の引張強さはCE値にほとんど依存しないこと，CV（芋虫状）黒鉛鋳鉄は，両者の中間と

図６

3. 2なることがわかる．これは，片状黒鉛鋳鉄の強度は，基地の連続性（基地が分断されずに連続する度合）すなわち黒鉛片の形態や分布状態に大きく依存しているからである．しかし，球状黒鉛鋳鉄では球状黒片状黒鉛鋳鉄の応力－ひずみ曲線鉛（体積率で約10％）が互いに独立，分散しているので，残りの90％が基地であるので，基地の連続性

球状黒鉛鋳鉄の強度

球状黒鉛鋳鉄では基地部の連続性が片状黒鉛の場合よりはるかに高い．また，球状化率が一定以上（おは片状黒鉛鋳鉄に比べてはるかに大きい．そのため
球状黒鉛鋳鉄では基地組織に大きく依存し，CE値にはほとんど影響されないことになる．

―5―

鋳鉄の組織と機械的性質

図８

各種鋳鉄の引張強さに及ぼすCE値の影響

図10

図 ９ に，基地組織が異なる ４ 種類の球状黒鉛鋳鉄の応力－ひずみ曲線を示す8）．曲線 １ はフェライト
基地，曲線 ２ はフェライト＋パーライト基地（ブルスアイ組織），曲線 ３ はパーライト基地，曲線 ４ はベイナイト基地のオーステンパ球状黒鉛鋳鉄（ADI）である．曲線 １ のフェライト基地の場合，大きな伸びを示す．曲線 ２ ， ３ になるに従ってパーライト面積が増加するので，応力－ひずみ曲線全体は高応力側に移動する．

 状黒鉛鋳鉄のパーライト面積率と引張強さ，球伸びの関係

４ ．おわりに鋳鉄は，黒鉛と鋼が組み合わされた複合材料と見なすことができる．また，鋳鉄の強度は黒鉛組織と基地組織，その他の組織に支配されている．
片状黒鉛鋳鉄の強度は，第 １ に黒鉛片の形態つまり黒鉛片間の基地の連続性が影響し，第 ２ に基地組織が影響している．
一方，球状黒鉛鋳鉄の基地の連続性は片状黒鉛鋳鉄に比べてはるかに大きい．そのため球状黒鉛鋳鉄の強度は，基地組織に大きく依存することになる．
鋳鉄の機械的性質，物理的・化学的性質は，黒鉛組織及び基地組織を制御することにより優れた特性を発現するので，組織制御された高強度・高機能鋳鉄は，様々な用途の工業製品への適用が期待される．
本稿がそのための一助となれば幸いである．
参考文献１ ）令和 ２ 年の素形材産業年報：素形材62（2021） ８２ ）KYB油圧機器総合案内（詳細版）カタログ（建設機器・産業車両・農業機械・産業用）
３ ）A.B. Everest: Trans. Amer. Foundrym. Soc., 70（1962）
210

図９４ ）野口徹：鋳造工学，77（2005）794

球状黒鉛鋳鉄の応力－ひずみ曲線５ ）野口徹：鋳造工学，76（2004）333
６ ）原 田正治，野口徹：球状黒鉛鋳鉄の強度評価，アグネ

図10に，球状黒鉛鋳鉄のパーライト面積率と引張強さ，伸びの関係を示す9）．パーライト面積率が増技術センター（1999）52
７ ）日本鋳造工学会編：鋳造工学便覧（丸善）（2002）254

加すると引張強さは増加し，伸びはパーライト面積率が少し増えると急激に減少し，その後，緩やかな８ ）原 田正治，野口徹：球状黒鉛鋳鉄の強度評価，アグネ

減少傾向を示す．

９ ）中村幸吉，炭本治喜：鋳物，39（1967）480

技術センター（1999）50―6―