純鉄・チョット気になる加工材

この頃、よく加工使用する材料で純鉄があります。こんな材料とは知らず使用していました。まめ知識ですが、よろしかったらご覧下さい。

純鉄

インド、デリー市郊外にあるクトウブには、高さ７．５メートル、重さ６トンの、紀元４１５年に建てられたと伝えられる鉄の柱が１５世紀の間錆びず屋外に立っている。この柱は純鉄製と言われていて、誰がどの様な技術でこの様な鉄を精錬し、大きな柱を造って建てたかは解明されていない。世界の七不思議の内に数えられている。

鉄は鉄鉱石から造られる。地球のコアはＮｉＦｅ核から成立ってており、地球には鉄とニッケルが多量にある。地球が成立した時点は鉄イオンが海中に溢れ、鉄イオンと酸素が反応して水に不溶な酸化鉄などの形で２５億年から２０億年位前に海底に徐々に堆積したのが現在の鉄鉱石の起源であると云われている。

鉄の道具はアッシリアなどでは紀元前二千年前から小規模に造られ始めていたといわれ、中国・インドでは紀元前から製造されていたが、西洋で造られ始めたのは１５世紀以降である。中国で製鉄技術が高められたのは宋時代、紀元１１，１２世紀で、この品物と技術が日本に持込まれ、頼朝幕府以降の武士の台頭に大いに影響を与えたと考えられる。

２０世紀になると鉄は大量生産が出来ると共に、同時に不純物を除く方式も確立し、多様な合金鋼の発明がなされ、秘めた潜在能力を限りなく引出し、過酷な条件に耐える要求に応えてきた。他の成文を添加することなどでも多くの能力を引出してきたのである。

東北大学金属材料研究所安彦兼次助教授は、不純物を完全に取除く純鉄の研究を行い、99.9995％の純鉄を造る技術を開発した。純鉄はこれまでは電気分解法で造られていたが、不純物をほぼ完全に取り除ける真空溶解炉法を開発したのである。真空溶解炉法は、炭素、窒素、酸素、硫黄など不純物を含む鉄のチップを真空の炉に入れ、高電圧の電磁波で１６００度に加熱して溶解し、沸騰状態になった鉄の溶液を炉内でかくはんし、不純物を真空中に飛び散らさせて純度を高める方法である。

この純鉄の化学的な性質

白金のように輝き、大気中に１年以上放置しても錆びない。
0.001モル濃度の食塩水に２時間浸した時,99.995％の鉄では錆びるが、99.999％の純鉄では錆びない。
塩酸や硫酸にも溶けず、王水のみに少しずつ溶ける。

純鉄の結晶構造

表面が欠陥の少ない最稠密面である。（体心立方格子の(110)面）
厚さ3nm程度のごく薄い酸化皮膜Fe2O3がある。

機械的な性質

室温付近で大変や軟らかく30％程度までは千切れずに延びる。（30％のせん断ひずみまでは加工軟化がおこる。）
炭素が150ppm濃度までとけ込んだ鉄は-73℃付近ではさらにもとの純鉄よりも30％程度も軟らかくなり（降伏応力が純鉄の30％減になる。）、炭素濃度がこれを越えると逆に硬くなる。（固溶軟化は体心立方格子の金属の見られる特徴的な現象である。）
一般の鉄では水素添加で硬くなるのに対して、純鉄では水素添加で軟らかくなる。（室温での引張応力は純鉄の30％減になる。）
炭素を固溶した純鉄では、150ppmまでは水素添加で軟らかくなるが、これより炭素濃度が高いと水素導入で硬くなる。しかし、固溶した炭素を炭化物として析出させて固溶炭素を十分に減らすと、それ自身はもとの純鉄より硬くなるが、水素添加で軟らかくなる。

超高純度の鉄をベースにすると、他の元素を添加したときの影響も変わってくる。一例がクロムと鉄の合金であるステンレス。鉄にクロムを加えると耐熱性が向上することが、知られているが通常加工性が悪くなり、クロム40％以上ではボロボロに脆くなってしまうが、高純度化によってクロム50％のステンレスを作り出すことに可能になった。

安彦助教授は「金属の純度を限りなく高めると、その金属本来の性質が現れてくる。超高純度金属の研究は、耐食性や耐熱性に優れた合金など、２１世紀を支える金属材料の創出につながる」と話している。