鋳造

機械材料の基礎：白鋳鉄

白鋳鉄は、鉄と炭素を主成分とする鋳鉄材料の一種であり、その破断面が金属光沢を持つ白色を呈することからその名が付けられました。工学的な定義としては、凝固過程において炭素が黒鉛として晶出せず、その大部分が鉄と化合してセメンタイトという極めて硬い炭化物を形成した鋳鉄を指します。一般的なねずみ鋳鉄やダクタイル鋳鉄が、組織内に黒鉛を分散させることで被削性や靭性を確保しているのに対し、白鋳鉄は黒鉛を排除し、炭化物の硬さを全面的に利用するという、対極の設計思想に基づいた材料です。その結果、白鋳鉄は金属材料の中で最高レベルの硬度と耐摩耗性を誇りますが、同時に極めて脆く、切削加工が困難であるという特性を持ちます。

機械材料の基礎：ダクタイル鋳鉄

ダクタイル鋳鉄は、鉄と炭素を主成分とする鋳鉄材料の一種であり、その組織中に含まれる黒鉛が球状化していることを最大の特徴とします。別名を球状黒鉛鋳鉄とも呼び、日本産業規格であるJISにおいてはFCD材として規定されています。ねずみ鋳鉄が、その組織内の片状黒鉛によって「もろさ」という宿命的な弱点を抱えていたのに対し、ダクタイル鋳鉄は、黒鉛を球状に変化させることによって、鋳鉄の持つ優れた鋳造性と、鋼が持つ強靭さを高い次元で両立させることに成功した、金属材料の歴史における革命的な発明です。

機械材料の基礎：ねずみ鋳鉄

ねずみ鋳鉄は、鉄と炭素を主成分とする鋳鉄材料の中で、破断面がねずみ色を呈することからその名が付けられた、最も歴史が古く、かつ現在でも産業界で最も広く利用されている金属材料の一つです。日本産業規格 JIS においては FC材として分類され、その生産量は全鋳物生産量の大半を占めています。最大の特徴は、凝固の過程で晶出する黒鉛が、薄片状あるいは片状という特異な形態をとって金属組織内に分散している点にあります。この片状黒鉛の存在こそが、ねずみ鋳鉄に優れた鋳造性、被削性、振動減衰能、そして耐摩耗性を与える一方で、強度や延性を制限する要因ともなっています。言い換えれば、ねずみ鋳鉄の工学とは、この片状黒鉛という介在物をいかに制御し、その長所を最大化しつつ短所を補うかという技術の体系であると言えます。

機械材料の基礎：亜鉛合金

亜鉛合金は、亜鉛を主成分とし、そこにアルミニウム、銅、マグネシウムといった他の元素を添加して、特定の機械的性質や物理的性質を改善した非鉄金属材料です。その最大の工学的特徴は、極めて融点が低いこと、そして卓越した流動性を持つことにあります。この二つの特性により、亜鉛合金は、他のいかなる金属材料よりも「ダイカスト（ダイキャスト）」という高圧鋳造法に最適化されています。その結果、亜鉛合金は、極めて複雑な形状や薄肉の製品を、高い寸法精度で、かつ驚異的な生産性で大量生産するための、最も重要な材料の一つとして確固たる地位を築いています。

機械加工の基礎：ダイカスト

ダイカストは、アルミニウムや亜鉛といった、融点の低い非鉄金属を溶かした溶湯を、金型と呼ばれる精密な鋼製の鋳型の中に、高圧かつ高速で射出して、鋳物を製造する鋳造法の一種です。ダイキャストとも呼ばれます。プラスチックの射出成形（インジェクションモールディング）の、金属版と考えると理解しやすいでしょう。この「高圧・高速で射出する」という原理により、ダイカストは、他の鋳造法では達成が困難な、極めて高い寸法精度、滑らかで美しい鋳肌、そして薄肉形状の成形を、驚異的な生産性で実現します。

機械加工の基礎：鍛造

鍛造は、金属材料をハンマーやプレスで叩いたり、圧力を加えたりして塑性変形させ、目的の形状に成形する金属加工法です。古くから刀鍛冶が鉄を叩いて刀剣を作り上げてきたように、金属を叩くことで形を作るだけでなく、その内部組織を改善し、強度を向上させるという極めて重要な目的を持っています。

機械加工の基礎：鋳造

鋳造は、人類が古くから利用してきた最も基本的な金属加工法の一つです。金属を融点以上に加熱して液体状態にし、それを目的の形状を持つ空洞に流し込み、冷却・凝固させて製品を得る加工方法です。一見単純な原理ですが、その背後には材料科学、熱力学、流体力学などが複雑に絡み合う奥深い加工方法です。

コラム加工学機械材料

機械材料の基礎：鋳鉄

鋳鉄は、鉄を主成分とし、炭素を多く含む鉄-炭素系の合金です。炭素量がこれより少ない鉄合金である「鋼（はがね、Steel）」とは明確に区別されます。鋳鉄には炭素の他に、ケイ素が通常1～3%程度、さらにマンガン、リン、硫黄などが不純物または合金元素として含まれます。その名の通り、鋳鉄の最大の利点は「鋳造」に適していることです。鋼に比べて融点が低く（約1150℃～1250℃）、溶けた状態での流動性が良いため、複雑な形状の製品でも型に流し込むことで比較的容易に製造できます。この優れた「鋳造性」により、古くから様々な製品の製造に用いられてきました。

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