鉄 この世で最も有用な金属

覚えておくと便利 鉄の比重は7.8

原子番号26、すなわち陽子の数が26で比重が7.8程度の金属元素です。

もっとも身近にある元素で、普通の人なら、鉄(鉄鋼)製品の重さの感覚は体で覚えているのではないでしょうか? 1cm角の鉄(または鋼)で約8gで、10cm角での重量は約8kgにもなります。

例えば、アルミニウムの比重は2.7程度と鉄の1/3程度ですので、フライパンを持つときにアルミ製のフライパンより鉄製の中華鍋は重たく、自然とその力の入れ方が身についている……というように、体に染みついているポピュラーな元素といってもいいかもしれません。

 

Feは核融合の成れの果て?

太陽系を構成する元素のほとんどが水素で、それが長い年月をかけて凝集して核融合反応がおこり、原子番号1の水素が2のヘリウムになり、3のリチウムができて・・・というような新しい元素ができてきました。(もちろんこんな簡単ではないのですがイメージです……)

そして、その核融合の「なれのはて」が鉄Feになってそれ以上の反応が進まないといいます。

 

その反対に、原子量の大きい元素は超新星爆発の強烈な圧力で生まれ、核分裂を繰り返しながら次第に原子番号の小さな元素に変わっていって、最終的には鉄Feになると説明されています。

 

核融合と核分裂による結合エネルギーが一番低くて安定しているのがニッケル・鉄あたりで、ニッケルもアルファ崩壊して最終的に鉄Feに落ち着くことになるといいます。これが138億年前から起こってきた今の状態のようです。

 

地球に目を向けると、地殻(地球の表面を覆う硬い層)の「鉄」は、酸素、ケイ素、アルミニウムに次いで多い元素ですが、鉄の金属単体で存在するのはほとんど「ない」といっていいでしょう。

「鉄」の単体で分離するのが非常に難しいのですが、逆に言えば、それが、鋼(鉄と炭素などの合金)として利用できるということかもしれません。

鋼は鉄と炭素の合金を言いますが、「焼入れして硬くなる」「焼きなましをして機械加工ができる」という性質が生まれることで、非常に広範囲の用途に用いられます。

炭素の量が増えて、およそ2%(重量%)以上になると、Feの組織中に炭素が溶け込まない状態になって、「鋳物(いもの)」に分類されるようになります。鋳物になると、熱処理による変化は利用できません。

逆に、炭素が0.01%程度以下のものは「純鉄」と言ってもいいのですが、耐食性容器や低温容器に使われるステンレス鋼(オーステナイト系ステンレス鋼)は、炭素量が低いほどその低温特性が高まります。

純鉄はフェライト磁石などで用いられるように、非常に高い強磁性を示しますが、ニッケルが入ったオーステナイト系のステンレス鋼では常磁性で、磁石にはつきません。

磁石につく鉄粉

この写真は砂鉄ですが、近年はほとんどが舗装されていて「土」というものを見る機会が減りましたが、永久磁石を道路上でひっかきまわすとこの写真のような砂鉄がとれます。

砂鉄は使い捨てカイロの原料ですが、このようにして子供のときに遊んだ方も多いでしょうが、これらはすでに鉄が酸化してしまっており、元の鉄が合金鉄(鋼)であれば、その他の元素を含むものになっていますので、カイロの材料にはなりませんが・・・。

このように、鉄は形を変えて、地球上に、広く広がっている状態になっているということでしょう。

「使い捨てカイロ」について

使い捨てカイロの主成分は鉄と活性炭・・・ということを知っている人は多いでしょう。

そして、上の写真のような鉄粉に、保湿剤として食塩水に浸した活性炭やバーミキュライトを混ぜると使い捨てカイロができるということを知っている人はかなりの「ハナタカさん」ですが、ここではもう少し説明を加えておきます。

使い捨てカイロは、鉄が水酸化鉄になるときの発熱反応を利用しています。つまり錆びるときに熱を発生するのですが、そのために、上記の土に中から得られた、酸化した鉄粉では発熱しないのです。

カイロ用には微細化した(これをアトマイズといいます)酸化鉄粉を高温で還元した「還元鉄粉」(市販されている#300程度のもの)を使う必要があります。

還元鉄粉に食塩水をかけると発熱して、軽く100℃を越えて危険なために、カイロに使う混合粉はコーヒーフィルターなどに入れて、さらに、上からビニール袋をかぶせて、空気のふれ方(酸化速度)を加減する必要があります。【注意】還元鉄粉は、空気中においておくだけでも酸化が進み、発熱しますので危険です。

カイロに混ぜるバーミキュライトは「ひる石」とも呼ばれていて、園芸店などで販売されています。

活性炭も入手できますので、いろいろと配合を変えた実験なども面白いと思います。

再度ここで注意しないといけない点ですが、自分でカイロをつくろうとすると、安全対策について知っておくとともに、作り方にも、いろいろな工夫が必要になってくるでしょう。使い捨てカイロとして販売されている商品はいろいろな安全性を考えた工夫をしてありますので、自分でつくろうとすると、危険なこともたくさんありますので、注意ください。

どんな粉でも、発火しやすいので超危険

鉄に限らず、「粉」は非常に危険です。数年に一度程度ですが、小麦粉に着火して消せなかったり、小麦粉が爆発して火事になったというニュースがありますし、特に、金属粉末は火がつくと簡単に消えません。

消防車が来ても、手のつけられない危険なものだということを知っておいてください。

そのこともあって、個人的にはこのカイロを作ることもできますが、危険性を考えると、原理を知っているだけにとどめておいて、家庭で実験するのはやめたほうがいいと思います

 

製鉄業は「鋼」を作っている

鉄は鉄鉱石とコークスを溶鉱炉に入れてつくる・・・ということを、ほとんどの人が知っていますが、溶鉱炉から出てくるのは「粗鋼」といい、それを「鋼(はがね)」にして製品化するのが製鋼という工程ですが、製鉄所は製鋼までの工程を持っているのが普通です。

そのために、ここでは、鉄の話ですが、鉄はFeの元素ですので、製鉄とは「鋼(はがね)」をつくること・・・と考えているのが適切でしょう。

鉄鉱石の採石場

製鉄に使われる鉄鉱石は鉄分の含有量が多い石でないといけません。

原料は赤鉄鉱、磁鉄鉱と呼ばれる種類の石で、それを採掘して採算がとれるには、写真のような露天掘りができるところが採掘費用が安いので有利です。

現状では、オーストラリア(20%)、ブラジル(22%)、中国(17%)、インド(11%)、ロシア(7%)で世界の8割近くを算出しています。

この、オーストラリアとブラジルの鉱石は50%以上の鉄分を含む良質のものですが、鉄鋼生産量が急増した中国の鉄鉱石は純度が30%程度しか鉄分を含んでいない低品質のために、多くはオーストラリアやブラジルなどからの輸入に頼っています。

中国では国策のために急成長した鉄鋼(粗鋼)の世界一の生産国ですが、それでも、コスト高になってきたことや他国からの「作りすぎ」に対するブーイングがあって、生産量を減少させないといけない状況に来ているようです。(鉄鋼の需要が減っているということではありません)

JFE倉敷の高炉JFE倉敷高炉_JFEのHPから

かつて日本は世界一の粗鋼生産量を誇っていましたが、現在、溶鉱炉(高炉)を保有しているのは鉄鋼会社の再編もあって、日本製鐵、JFE-HD、神戸製鋼所、日新製鋼の4社に集約されていますが、ここ十年来、粗鋼生産は横ばいで、決して、生産量が急減しているのではないことを知っておいてください。

この、溶鉱炉から出る鉄を「粗鋼」といい、粗鋼生産量の順位は中国(48%)、欧州連合(10%)、日本(7%)となっていますが、日本が世界一の粗鋼生産量を誇った昭和48年ごろのシェアは17%程度で、近年も生産量自体は減っていないので、中国が突出している状況は異常とも言える過剰供給状態と言えます。

そのような状況ですので、国内メーカーは安価な製品では中国などに太刀打ちできないので、高級鋼を開発してそれにシフトして採算性を確保している状態です。

高級鋼としては、高張力鋼板、ケイ素鋼板、ホットプレス材などのほか、国内の製鋼メーカーでも工具鋼の分野などでも新しい鋼種が作られています。

鉄鋼製品が安すぎる?

少し荒っぽい計算になりますが、銑鉄1kgを製造するためには鉄鉱石が1.5kgと石炭が500g必要で、そこから得られる鋼材は900g程度になるといいます。

昨今の鋼材の販売価格は1kg85円程度(普通鋼材)と100円/kg以下ですが、原材料費などが35円程度かかっています。

「鉄鋼は大根より安い」と比喩される状態ですが、やはり、鉄鋼はいろんな技術面を考慮すると安すぎる感じがしますが、これが日本を支えていると言われると、難しい問題になります。

・・・といって、急に中国が減産して鉄鋼価格が上昇してしまうなども困りますし・・・。

製鋼でいろいろな鉄鋼製品が生まれる

溶鉱炉から取り出された粗鋼(そこう)は炭素が多くて硬くてもろく、このままでは使い物にならない状態のものですが、それを転炉という装置で、酸素で高炭素状態を還元することで、粗鋼中の炭素量を下げて、鋳物用の銑鉄(せんてつ)や鋼(はがね)にすることを製鋼(せいこう)といいます。

製鋼段階では、いろいろな合金元素を加えたり、それらの成分調整をして目的の鋼が製造されます。

その他の鉄の製造法としては、環境対策などで、銑鉄の過程を経ない「直接製鋼法」や水素を使って製鉄する方向に変わっていくでしょう。

島根県に行ったら和鋼博物館の見学を・・・

島根県の安来の和鋼博物館を見学した際に、「たたら」による「和鋼」の製鋼法が紹介されていました。

付近でとれる砂鉄などを加熱して半溶融状態にして海綿状の鉄塊を作り、それを再加熱して精錬・鍛造などで不純物を少なくして強靭な鋼を得る方法で鋼が作られていたようで、その鋼(玉鋼:たまはがね)を使って刀鍛冶がよく切れる日本刀を作ったようです。

そのほかの鋼の製造法には電気分解を利用して製造する方法があります。

私が学生の頃に99.9999%(これをシックスナインの純度といいます)の電解鉄を金属学の教授に触らせてもらったことがあります。10mm程度の丸棒でしたが、それが鉛棒のように柔らかくて簡単に曲がることにびっくりしたことを覚えています。純粋の鉄になると柔らかいのです。

シリコンの単結晶はイレブンナインという高純度のものが製造できるのですが、その時に、鉄の純度を上げるのは非常に難しいということを教わりました。

製造費用の安さでは通常の間接製鋼法(粗鋼から製鋼する現在主流の方法)にかなわないませんので直接製鋼法などは、現状では商売的には難しいのでしょうが、これらの研究は利益の面で滞っていましたが、カーボンニュートラルの要請などもあるので、また研究されて、日本の製鉄業が世界をリードしてほしいものです。

鋼の合金成分

鋼の性質は加える合金によって変わってきます。

焼入れ性(焼入れしたときの硬くなりやすさ)を増したり強靭性(耐衝撃性など)を増すマンガン、クロム、モリブデンなどと炭素の成分量を調節することで、非常に広範囲の用途に用いられる鋼種ができます。

この熱処理は非常に重要で、硬く強くする「焼き入れ」(JISでは「焼入れ」と書きます)や柔らかくする「焼きなまし」(同様に「焼なまし」と書きます)の他に、耐食性、耐熱、耐薬品性を高める「溶体化処理」など、様々な鉄鋼に対する熱処理法があります。

また反対に、よい性質を阻害する元素(リン、硫黄、銅などの不純物や介在物や酸素など)は極力少なくするのが望ましいので、それらは真空技術などを含めた製鋼技術が向上しており、近年では非常に不純物の少ない(清浄度の高い)鋼が作られています。

鉄鋼成分を表す場合は重量%が用いられ、鉄の%は表示されないのが普通ですし、また、検査成績書(ミルシート)にも、要求されていなければ、すべての元素が表示されていないのが普通です。

例えば炭素工具鋼という分類の鋼で、そこに1%の炭素を含む合金とすれば、C-Si-Mn-P-S の5元素がミルシートに表示される程度で、このうち、C-Si-Mnは鋼の性質を決める合金元素で、P-Sは不純物を示す指標として明示され、その残りが鉄(Fe)という見方を暗黙的にするのですが、実際には、様々な金属、非金属、気体などが合金の状態や混ざり込んだ状態になっています。

 

非常に重要な、良質の鉄スクラップ

昔に聞いたことがあるのですが、「日本の鉄はスクラップを混ぜて作っているので品質が良くない」という知ったかぶりをする人が少なくなかったようです。

これはとんでもない間違いです。

日本国内には「製鉄4社」のほかに「電炉メーカー」と呼ばれる製鋼メーカーがありますが、ここでは鋼を製造するために、フェロアロイという合金鉄や鉄スクラップから非常に良質の鋼材が製造されています。

高品質の鋼を作るためには良質の「鉄スクラップ」はなくてはならないものです。

ちなみに、鉄のリサイクル率を見ますと、スチール缶では90%近くなっていますが、その他を含めると70%強程度という数字が統計で発表されています。

この数字は向上する傾向にあるようですが、すぐに錆びてしまう鉄ですので、どういう統計の取り方になっているのかわかりませんし、また、鉄スクラップも需要と供給によって相場が形成されていますので、ちょっとした国際景気動向に左右される可能性が高いものです。

 

鉄のおもしろさ

強磁性

鉄は磁石にひっつきます。磁石にひっつく金属元素は鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)の3元素で、それらは鉄族元素と呼ばれています。

これらは、外から磁場を与えると磁気の方向(磁気モーメント)が同じ方向に向いて強い磁性を示す強磁性体です。

しかし、純鉄は常温では強磁性を示しますが、温度が高くなるとキュリー点と呼ばれる温度で常磁性に変化します。

また、合金を含む鋼は、常温で常磁性であるものもあり、非常に用途が広い鉄鋼製品が生み出されています。

強反応性

水を含む空気中では、鉄類はすぐに錆びてしまうなど、いろいろな元素と化合してその性質を変えます。

これについても、合金成分を調整することで耐熱鋼や薬品などに強いステンレス鋼などがあります。

 

人体の組成におけるFe

もちろん、人間の身体には大切な元素で、Wikipediaによると、70kgの人に含まれる鉄は6gと書いてあります。

血液中のヘモグロビンにはその2/3が含まれていて、鉄分は生命維持には不可欠なものです。

 

もっとも重要な炭素との化合

これまでに少し説明していますが、鉄の機械的性質に最も影響するのが炭素(C)です。

溶鉱炉から取り出された粗鋼は、製鋼された後に一部は鋳物として使用されますが、ほとんどは「鋼(はがね)」として製造されています。

鋼は2%程度までの炭素を固溶し、炭素の量によって性質の違った鋼になります。

さらに合金元素が加えられて様々な鋼種になります。

炭素量の比較的低い鋼は適当な強さと強靭さがあるので、圧延成形されて、構造用鋼としてたくさん使用されていますし、炭素量が高くなるとともに熱処理をすることで硬くなるので、様々な機械部品や工具として用いられます。

このように成分の違いと熱処理の仕方を変えると、様々な機械的・化学的性質を変えることができるのは、鉄(鉄鋼製品)の大きな特長です。

統計によれば、世界で様々な金属が使用されていますが、その金属の90%以上が鉄合金ですので、鉄は地球上では最も重要で有用な金属だといえます。

焼入れ 第一鋼業のHPから焼入れ作業:第一鋼業(株)のHPから

 

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