ダクタイルかねずみ鋳鉄か：鋳物の材質を選ぶ
ねずみ鋳鉄は振動を吸収し、球状黒鉛鋳鉄はなぜ吸収しないのか。EN-GJLとEN-GJSの材質記号が実際に保証する内容と、マシンベースに適した鋳物材質の選び方を解説します。
マシンベースを鋳物にすると決めたら、次の問いはどの鋳鉄にするかです。率直に言えば、ねずみ鋳鉄が標準である理由は、多くの人がおおまかには説明できても、正確に説明できる人は少ないものです。
違いは黒鉛の形にある
どちらも数パーセントの炭素を含む鉄であり、どちらでも炭素は化合したままではなく、黒鉛として析出します。違うのは、その黒鉛がとる形です。
ねずみ鋳鉄では、黒鉛は片状になります。この黒鉛片は実質的に内部の亀裂であり、金属の基地を分断します。そのためこの材料は引張に比較的弱く、ねずみ鋳鉄の鋳物は曲がるのではなく、灰色で粒状の破面を見せて破断します。
球状黒鉛鋳鉄（ダクタイル鋳鉄）では、マグネシウム処理によって黒鉛が球状になります。球状の黒鉛は基地をはるかに分断しにくいため、この材料は鋼の靭性の多くを保ち、破断する前に降伏して伸びます。
それ以外のことはすべて、この1つの違いから生じます。
弱い材料の方がたいてい正しい理由
引張強さを損なうその黒鉛片は、同時に膨大な内部界面でもあり、界面こそが振動が熱に変わる場所です。ねずみ鋳鉄が振動を吸収するのは、平たい黒鉛の不連続部に満ちているからです。球状黒鉛鋳鉄は、それを靭性と引き換えに手放しているため、減衰性が目に見えて低くなります。
マシンベースで引張強さが必要になることはまれです。構造は主に、控えめな応力のもとで圧縮と曲げを受けます。必要なのは、機械の振動を止めることです。したがって、技術者が弱くて脆いと評する材料こそがそこにふさわしく、靭性の高い材質の方が妥協案になります。
そのため、一方を他方で置き換えることは実質的な設計変更になります。ねずみ鋳鉄でびびりの余裕がなかった機械は、球状黒鉛鋳鉄では許容できなくなることがあります。
材質記号の読み方
EN 1561およびEN 1563に基づく欧州の表記は次のとおりです。
- EN-GJL-xxx は、Lamellar（片状）黒鉛を持つねずみ鋳鉄です。EN-GJL-200、250、300。
- EN-GJS-xxx-y は、Spheroidal（球状）黒鉛を持つ球状黒鉛鋳鉄です。EN-GJS-400-15、500-7、600-3。
数字はMPa単位の最小引張強さです。球状黒鉛鋳鉄の2つ目の数字はパーセント単位の最小伸びで、これこそがこの材質の要点です。旧ドイツ規格の表記、つまりEN-GJL-250に相当するGG25や、EN-GJS-400-15に相当するGGG40は今も日常的に使われており、図面上でも目にします。
おおまかに言えば、EN-GJL-250 / GG25 がマシンベースの主力材質です。微細な片状黒鉛を持つパーライト基地で、実用的な強度と硬さを持ちながら、ベースに必要な減衰性と優れた被削性を保っています。
落とし穴：強度は肉厚に依存する
大型の鋳物で多くの人がつまずくのがここです。
材質記号の数値は、EN 1561に基づき、規定寸法の別鋳込みの試験片で測定されたものです。お客様のマシンベースは試験片ではありません。厚肉部はゆっくり冷えるため黒鉛が粗大化し、試験片が示すよりも低い強度と硬さになります。
肉厚60 mmのベースでは、壁部の強度は材質の最小値を明らかに下回ります。これは正常で想定どおりのことであり、規格でも扱われていて、欠陥ではありません。ただし、次のことが必要になります。
- 材質と、支配的な断面の肉厚を指定する。
- 試験材をどこから採取するかを取り決める。別鋳込みの試験片、鋳付け試験片、または鋳物本体からの切り出し。これらは異なる数値を示し、その差は小さくありません。
- 機械加工や摺動面のために硬さの範囲が重要であれば、それを別途指定し、測定位置も明記する。
これを省くと、双方が同じ規格を正しく読んでいるのに、検査の場で揉めることになります。
球状黒鉛鋳鉄が適している場面
機械の部品がすべてベッドというわけではありません。球状黒鉛鋳鉄が適しているのは、次のような場合です。
- 部品が衝撃や繰り返しの引張荷重を受ける。
- 破損が危険につながり、脆性破壊ではなく降伏させたい。
- 断面が薄く、高い応力がかかる。
- 減衰用の構造体ではなく、ブラケット、アーム、レバー、ハウジング、台座である。
プレス機、破砕機、急激な荷重反転を伴うものには、まさにこうした理由で球状黒鉛鋳鉄がよく使われます。
鋳物図面に記載すること
- EN 1561またはEN 1563に基づく材質。工場が旧表記を使う場合は相当する旧記号も。
- 支配的な断面の肉厚。
- 試験材の採取位置と、合否判定に使う特性。
- 重要であれば、硬さの範囲と測定位置。
- 必要な非破壊検査と合格基準のクラス。
- 鋳物の補修を認めるかどうか、認める場合はその方法。
- 機械加工前の枯らしまたは応力除去と、チャートの要否。
最後の項目は、精密なベースでは省略できません。鋳物は型の中で不均一に冷えて残留応力を抱えています。荒加工でそれが解放されると部品が動きます。本記事とあわせて鋳造欠陥と不合格にすべきものおよび応力除去と平面度のガイドもお読みください。
よくあるご質問
なぜ工作機械のベッドには、より強い球状黒鉛鋳鉄ではなく、ねずみ鋳鉄が使われるのですか？
ねずみ鋳鉄を弱くしている黒鉛こそが、振動を吸収させている黒鉛だからです。片状黒鉛は金属の基地を分断して振動を散逸させます。球状黒鉛鋳鉄の球状黒鉛は基地をそれほど分断しないため、まさにそれゆえに球状黒鉛鋳鉄は靭性に優れます。工作機械のベッドでは、引張強さよりも減衰性の方が重要な場合がほとんどなので、弱い材料の方が正しい選択になります。
EN-GJL-250の250は何を意味しますか？
EN 1561に基づき、別鋳込みの試験片で250 MPa以上の引張強さを示すという意味です。これは保証された下限値であり、実際の鋳物を表すものではありません。実際の部品の厚肉部では冷却速度が異なるため、強度は試験片より低くなります。材質と断面の肉厚をあわせて指定し、試験片をどこから採取するかを取り決めてください。
鋳造工場がねずみ鋳鉄を鋳込めない場合、球状黒鉛鋳鉄で代用できますか？
機械の動特性を再確認した場合に限ります。強度と靭性は上がりますが減衰性は下がるため、びびりの面で余裕のなかった機械が許容できなくなることがあります。これは実質的な設計変更であり、発注書の上で素通りさせてよい材料の置き換えではありません。
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