8族元素 > 鉄
銀白色の金属、α、β、γ、σ等の同素体がある。 純鉄は比較的やわらかい。 地球上の金属としてはアルミニウムの次に多い。 強磁性体。
純鉄の結晶構造は温度範囲によって変化する。
| フェライト(α鉄) |
| オーステナイト(γ鉄) |
| デルタフェライト(δ鉄) |
鉄は同素変態が3つある。
反応性が高く、空気中では錆びてしまう。 まず赤錆(FeOOH)ができ、これが黒錆(Fe2O4)に変化する。
主な鉱石は赤鉄鉱、褐鉄鉱、磁鉄鉱、菱鉄鉱、硫化鉄鉱、 クロム鉄鉱等。
地球の核は鉄とニッケルでできていると考えられている。 核融合の終点は鉄となる。
必須元素で血液中のヘモグロビンに含まれる。鉄分が不足すると貧血となる。 体重70kgの成人の身体には約3〜4gの鉄が存在する。
室温では強磁性体(磁石)になるが、768度以上では常磁性になる。
0-6価の化合物を形成する。通常酸化数は2価と3価。
ヒトは食事により一日約10-20mgの鉄を摂取する。 吸収率は低く5-10%くらいとされる。 三価鉄(Fe3+)より二価鉄(Fe2+)の方が吸収されやすい。
食物に含まれる鉄は三価鉄だが胃液で還元されて二価鉄となる。 十二指腸、空腸で吸収される。
女性は月経があるため鉄が失われやすく、1日1.5mg以上必要とされる。 不足すると貧血となる。
体内の蓄積量は3000-4000mg。70%がヘモグロビン鉄として存在。 残りはフェリチンとして肝臓、脾臓に存在。 筋肉にもミオグロビン鉄として存在。
加齢が進むと組織への鉄蓄積が進むとされる。
ヘム鉄
吸収率が高い。肉、魚に含まれる。
非ヘム鉄
吸収率が低い。野菜、穀物に含まれる。
鉄を主成分とする合金は炭素含有量により分類される。
| 炭素 | ||
| 純鉄 | 0.02%以下 | |
| 鋼 | 0.02〜2% | |
| 鋳鉄 | 2〜4.5% | もろいが鋳造しやすい |
| 銑鉄 | 3%以上 | 鉄鉱石から直接製造された鉄 |
鉄鉱石の生産国(2013年 1480百万t)
| 中国 | 29% |
| オーストラリア | 25% |
| ブラジル | 17% |
| インド | 6% |
| ロシア | 4% |
| その他 | 19% |
日本の鉄輸入先はオーストラリア61%、ブラジル28%。
合金の一種。
成分は鉄64%、ニッケル36%、マンガン約0.7%、炭素0.2%未満。
熱膨張が非常に低く、精密機器に使われる。
鉄と塩素の化合物。
塩化鉄(II)。FeCl2。 白色または淡緑色の鱗片状結晶。
塩化鉄(III)。FeCl3。 赤褐色で潮解性がある結晶。
(0).γ鉄。 純鉄のfcc相。910度と1400度の間で安定。
(1). γ鉄と炭素の合金。温度727度以上で安定する。 合金元素により組成と温度の領域に違いが出る。 オーステナイト生成元素は領域を広げ、フェライト生成元素は狭める。
オーステナイト鋼、ニッケル合金等は室温以下でも オーステナイト状態を保持する。
徐冷するとフェライト、パーライトになる。 急冷するとマルテンサイトになる。
製鉄所の設備の一つ。
鉄鉱石から酸素を取り除く還元処理を行い、銑鉄を製造する。
鉄鉱石とコークスを交互に投入し、下部から熱風を吹き込む。
日本の粗鋼の約75%は高炉、残りは鉄くずを電気炉で溶かして作られる。
2020年現在は4社が高炉を保有する。
下記の種類がある。
Fe2O3は鉄さびの主成分。赤色。 顔料の原料となる。
高耐食性めっき鋼板の一つ。 めっき成分は亜鉛を主にアルミニウム約11%、マグネシウム約3%、微量のシリコンが使われる。
製鉄の工程。
(1).燃結。粉状の鉄鉱石を焼き固め燃結鉱を製造する。
(2).コークス。炉の中で石炭を蒸し焼きにしてコークスを製造する。
(3).高炉。炉の上部から焼結鉱とコークスを交互に入れて炉の下部から熱風を吹き込む。 これによりコークスから一酸化炭素や水素等の高温ガスが発生、 炉内を昇り、焼結鉱を溶かしながら酸素を奪う。 溶けた鉄分はさらにコークスの炭素と接触、還元され、銑鉄となる。
製鋼工程
転炉の中に銑鉄と鉄スクラップをいれ、高圧酸素を吹き込み不要な炭素を還元させる。 これにより鋼が製造される。
Fe3C. 鉄と炭素の化合物。セメントのように硬い。 斜方晶系。
鉄鋼材料の主要な構成相。
粒状にすると鋼の靭性が向上し折れにくくなる。
白鋳鉄は約半分がセメンタイト。
高透磁率合金。 ケイ素9.5%、アルミニウム5.5%を含む鉄合金。 1937年に増本量、山本達治によって発表された。
パーマロイに匹敵する透磁率をもつ。
非常にもろくて硬いため、鍛造、圧延等はできない。
粉にしやすく、粉を固めてコイルの磁心(ダストコア)として使われる。
日本独特の製鉄法のこと。 鉄原料は砂鉄。木炭を燃やした熱により砂鉄を還元する。
ケラ押し法は真砂砂鉄、ズク押し法は赤目(あこめ)砂鉄が使われる。
たたら作業の責任者は村下(むらげ)と呼ばれる。
純鉄のbcc相。1394度から融点の間までで存在。
鉄にニッケルを加え高透磁率材料としたもの。 ニッケルの量で初透磁率、飽和磁束密度が変わる。
(0).フェライトとセメンタイトが交互に重なり合った層状組織。
(1). 真珠岩等のガラス質火山岩を焼いて膨張させたもの。
Ferrite.
(0).鉄の同素体または固溶体。α鉄とも。 bccの安定構造。
(1).MO・Fe2O3 (Mは2価の金属)。 酸化鉄を主成分にコバルトやニッケル、マンガン等を 混合焼結した磁性体のこと。強い磁石になる性質を持つ。
セラミックスのため金属と比べると絶縁性が高く発熱が少ない。
東京工業大学の加藤与五郎博士と武井武博士が1930年に発明。 1935年にはフェライトの事業化を目的に東京電気化学工業(現TDK)が設立された。
ハードフェライト
強い磁界が加わると、永久磁石になる。
ソフトフェライト
磁界に触れると磁石になり、磁界を取りさると元に戻る。
用途
オーステナイト組織を急冷するとできる組織。 硬くてもろい。