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アルファ鉄(α鉄)   [a05]

鉄(Fe)は、高純度のものは製造が難しく、99.999%程度が最高純度の部類です。

一般的には、不純物が0.1%程度以下のものを「純鉄」と呼ばれています。ただし、炭素が混入すると、鋼となって、性質が変わりやすいので、炭素は0.02%程度以下のものが純鉄と考えるのがいいでしょう。

純鉄は「α鉄」「フェライト」とも呼ばれます。α鉄は、不純物の非常に少ない鉄(Fe)です。他の元素を含む場合も、フェライトと呼ばれます。

結晶構造は常温では体心立方晶で強磁性体です。


常温の純鉄(α鉄)は強磁性体のために、フェライト磁石などの優れた磁性材料になります。

その温度を徐々に高めると約800℃の手前から磁性がなくなり始めます。磁性が消失する温度をキュリー点と言います。(α鉄のキュリー点は約911℃)

さらに、高温になって約911℃のキュリー点を超えると面心立方晶のγ(ガンマ)鉄(オーステナイト)に変化します。

このような相変化を「熱処理」では変態(へんたい)といいます。

温度を上げてオーステナイト(γ鉄)の状態にする操作を「オーステナイト化」といい、焼入れなどの熱処理にはしばしば出てくる、重要な状態です。

磁性を失ってからγ鉄になるまでの温度域の鉄をβ(ベータ)鉄といいますが、鉄鋼の熱処理では、α鉄・γ鉄が特徴的で、よくこの言葉は出てきますが、β鉄(さらにδ鉄)については、あまり重要でないため、熱処理の説明ではほとんど出てきません。(熱処理ではなく「物理」の世界ではこれらが重要です)

だから、純鉄は、温度とともに、アルファ(α)鉄→ベータ(β)鉄→ガンマ(γ)鉄→デルタ(δ)鉄 ・・・と変化するのですが、これらについては、熱処理説明では取り上げられることはほとんどありません。

そしてもちろん、この純鉄は炭素をほとんど含みませんので、適当な強度、大きなじん性・延性がある低炭素の「構造用の鉄鋼製品」の需要は非常に大きいのですが、焼入れ硬化しませんので、熱処理的にもほとんど取り上げられません。

これらの低炭素低合金の構造用鋼材は「軟鋼」と言われます。

しかし、何よりの鉄の特徴は、炭素を含むことで熱処理によって広範囲に機械的性質を変えることができることにあります。

下の図は、鉄-炭素の平衡状態図と呼ばれるものです。

鉄―炭素系2元平衡状態図

約2%炭素以下の合金が「鋼」ですが、この図のように、成分と温度によって鋼の状態が変わるということが熱処理では重要です。

それを知って鋼の性質を変化させるのが焼入れなどの熱処理ですが、鋼はいろいろな元素を固溶し、それによって機械的性質が変わることから、いろいろな鋼種が販売され流通しています。

しかし、鉄炭素以外に元素を加えた3元素になると立体的な図(立体)にする必要がありますし、4元素以上では図や立体では表現できないこともあって、近年では、熱処理で「鉄-炭素」以外の関係の状態図を見ることもなくなりました。

この、鉄-炭素だけの2元状態図もわかりにくい図ですが、鉄に炭素が加わった合金の、およその温度・成分の状態を示している図としてみておく程度でいいでしょう。

例えば、0.5%Cの鉄合金(=鋼)は、1000℃の状態では、オーステナイトというものになっていて、1550℃では液体になっている・・・ということが示されています。

それでは、1500℃の状態は・・・というと、液体の中にオーステナイトのかたまりが浮いている状態になっていますし、500℃の状態はどうかと言うと、・・・ これは、温度の高い状態から、非常にゆっくりと温度を下げていって500℃にした場合は、フェライトと共析組織(下図の”S点”の成分の組織)になっている・・・ということなどがこの図からわかります。



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