まず、鉄の温度を上げていったらどのようになるのか。
熱くなる。
正解。
熱くなるのですが、熱くなる以外にも、実は結晶の並びかたが変わってしまうのです。
炭素でも結晶の並びかたで炭になったり、ダイヤモンドになったりするのは有名な話ですが、鉄には、体心立法形、面心立方形、稠密六方形、の三つの結晶構造があるんです。
体心立方形結晶構造を簡単に説明すると、全部が４の目の透明なサイコロを想像してみてください。サイコロの目の一つ一つは鉄の原子です。その透明なサイコロの中心部分にもう一個、鉄の原子をを入れたら出来上がりです。
次に面心立方形ですが、全部の目が５のサイコロを想像してください。それが、面心立方形結晶構造です。
最後に稠密六方形ですが、これは非常に想像がしづらいシロモノですが・・・
まず７個のゴルフボールを一まとめに床に起きます。一つのボールを取り囲む形で六個のボールを配置する。その上に三個のボールを乗せて、そしてまた７個のボールでサンドイッチするという・・・
しかしこの稠密六方形結晶構造というのは、あまり登場しません。これは非常な高圧の中でのみ成長する特殊な結晶構造です。ちなみにコバルトやマグネシュウムはこの結晶構造をもつようです。
まず常温の鉄、は体心立方形結晶構造をとります。この鉄をα(アルファ)鉄と呼びますが、またの名を、フェライトといいます。
名前がやたらややこしいのが泣き所です。覚えられないときは、似た言葉を捜して覚えましょう。
フェライトに似た言葉・・・・あまり思いつきませんが、無理に探さなくても、フェライトとそのまま覚えてくれてもかまいせん。
さて、ややこしい名前にもめげずこの何の変哲もない鉄をじょじょにあたためて見ましょう。
今回は説明の都合上、純度の高い鉄をあたためます。
まず湯気や煙が出てきます。表面についた水が蒸発したり、ホコリが燃えたりします。
そのうち何だか色が青くなって来ました。
やがて鮮やかな青になります。この青は沖縄の熱帯魚のように鮮やかな青です。
このときの温度は３００度ぐらいでしょうか。
それからまだ加熱すると、青い色は消えだんだんと赤黒く光を放ちはじめます。
このときの温度はやく６００℃とされています。
段々と色が明るくなり、７３０度を超えたころから鉄の中で目には見えない一つの変化が起こります。
結晶構造の変化がじょじょに始まるのです。
それからもうすこし温度を上げ、温度が７８０℃になる。
７８０℃になったとたんに磁石に付かなくなります。
鉄は強磁性体と言って常温で磁石につく性質がありますが、７８０℃になったとたん、まるでスイッチを切るように磁石に付かなくなります。これは本当に面白い。今まではあんなに仲の良かった二人なのに、まるで金の切れ目が縁の切れ目みたいな別れ方をします。
９１１℃になって。
７３０℃で衣替えを始めた鉄の原子は、体心立方形結晶構造から面心立方形結晶構造へとすべての衣替えを終わらせました。
γ(ガンマ)鉄またの名、オーステナイトといいます。
もし鉄に興味があるという人には前のフェライトとこのオーステナイトというキーワードは外せないものです。
純度の高い鉄の場合、このガンマ鉄をもっと加熱すると、１３９２度でなぜだか、また再び体心立方形結晶構造をとります。δ(デルタ)鉄となるわけです。た だ、純粋なデルタ鉄と言うのは、炭素が０,１％入っただけでも現れなくなりますから、科学者でもない限り何に使えるというシロモノでもないと思います。今 のところ、無視します。
もうこのぐらいの温度の鉄というのは真っ白く輝いています。ちょっと神々しい感じがしますね。
そして１５３９℃で融点、つまりすべての結晶構造が崩れ、液体となります。
この結晶構造の組み換えは刃物などに使う炭素鋼でもおこりますが、温度は炭素量によって変わってきます。それから１５３９℃というのは純鉄の場合の融点 で、炭素などが入った場合、融点はだんだん下がってきます。炭素がたくさん入った鋳物のような鉄は１２００度ぐらいで溶けてしまいます。
それにしてもただ鉄を暖めてみるというだけでも、もうこのように次々に複雑怪奇な事件が起こっていたわけです。
やっぱりひやす
話がややこしくなったついでに、焼きなましや焼入れの話もやってしまいましょう。
忙しくなると更新なんかそう簡単に出来なくなるから(予定)、今のうちにやれることはやっておきます。
鉄の最大の相棒といえば、炭素です。誰でも鋼(はがね)という言葉は聞いたことがあると思います。
この鋼というのは鉄と炭素の合金を指すわけです。ですからどんな種類の鉄でも焼入れすれば鋼になれるというわけではなく、必ず炭素、つまり炭が入っていなければならない。それも最低0,3％は入ってなければ焼入れしても硬くはなりません。
そんなに硬くなるのならバンバン入れたらどうなるのか。ところが、そんなに無限に硬くなるわけではない。0,765％以上が上限で、炭素が飽和状態になります。これを共析鋼と呼びます。それより少ない炭素量のものを亜共析鋼、多いものを過共析鋼と呼んでいます。
3％を超えたようなものは鋳鉄や銑鉄とよばれ、普通は鋳物に使います。
さて、ここまで何パーセントだ、何パーセントだ、と快調に飛ばして参りましたが。
この何％って、そもそも何でしょうか？
体重計で測った重さの％なんでしょうか。
それともカップで測った量の％なんでしょうか。
あるいは原子の集団を数えたモルなのでしょうか。
なんだかもっとも基本的な部分でつまづきが・・・
実は、はっきり分からないんで。
いや、山勘なら答えられます。多分、重さです。一度、何かで読んだ気がする。
けど、気がするだけですからねえ。
手元に資料もないし、はっきりとした記憶もない。
ええっと。考えても分からないので次いきます。
焼入れの話でした。
では焼入れとはどのような構造で起こるものなのでしょう。
まず、炭素の入った鉄をあたためます。
何度まででしょうか。
フェライト組織がオーステナイト組織になるまでです。
いえ、意地悪に答えているわけではありません。
この温度は炭素がどの位入っているかによって大きく違ってくるからです。例えば炭素約０,８% の共析鋼(炭素がきっちり飽和状態まで入った鉄)の場合は727度でオーステナイトになりますが、２％の過共析鋼(飽和状態を過ぎて炭素が入った鉄)の場 合は、1150℃です。ずいぶんと開きがありますが、この間に炭素が、オーステナイトの中に溶け込んでいくわけです。たくさん炭素が入っていると温度を上 げてやらないと、炭素が残ってしまいます。だから、何度までかはその中に入っているものによって大きく変わります。普通、僕が扱っている白紙などは、 ７８０℃から８００℃といわれて言われています。この温度設定については、語りたいこともあるのですが、今回は概略ですので次の機会に譲ります。
あまり高すぎると結晶が荒くなって割れやすくなり、あまり低すぎると炭素が溶け込まず焼入れの意味がありません。
さて、ここで、炭素を含んだ鉄が、適度に加熱され、オーステナイトの組織になったわけです。
まずはこれをゆっくり冷やしてみましょう。（一秒に３５℃以下）
ゆっくり冷やす作業を焼きなましといいます。こうするとオーステナイトの時に溶け込んでいた炭素がセメンタイトという組織となって現れてきます。α鉄の フェライトという組織とセメンタイトという組織がきれいに混ざり合ったパーライトという組織になる。この鉄は硬くありません。
では、オーステナイトから、急に冷やした場合、どうなるのでしょうか。
これを焼入れ、クエンチといいます。
この場合、ゆっくり冷やした時とは大きく事情が違います。
炭素をとかしこんだオーステナイトは、セメンタイトを形成する時間がなくって、炭素原子を抱えこんだまま無理やりフェライトに戻されてしまう。
これが、マルテンサイト組織です。
うまく言えないけど、これこそが！マルテンサイトなわけです。
かたいです。
つまり、ややこしく言うと、焼入れとは！炭素をオーステナイト組織に溶かし込み、急冷して炭素を抱えたままのフェライト、つまりマルテンサイト組織を作るという行為なのです。
今回の話、アップするのやめようかなー。やっぱりアップしようかなー。
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