(57)【要約】      （修正有）【課題】大気圧下で存在できないｈｃｐ鉄鋼とは異なる別の六方晶構造（原子配列）に変態させることにより大気圧で存在可能な新規な六方晶構造鉄鋼の提供。【解決手段】１３ＧＰａ以上の圧力下で、鉄を稠密六方構造に変態させると共に稠密六方構造の鉄に静水圧以外の力（例えば、引張力、せん断力、曲げ力）を加えることにより、得ることができる結晶格子に鉄原子が埋め込まれた新規な六方晶構造の鉄鋼。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
稠密六方構造の鉄鋼に静水圧以外の力を加えることにより結晶格子の隙間に鉄原子を埋め込むことを特徴とする新規な六方晶構造の鉄鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧で存在可能な新規な六方晶構造の鉄鋼の製造方法に関する。        
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼には、三種類の構造がある。そのうち、実用化されているのは、大気圧で安定なｂｃｃ（体心立方構造）とｆｃｃ (面心立方構造)だけである。ｈｃｐ(稠密六方構造)は、高圧でしか存在できないので、実用化されていない。ｈｃｐ鉄鋼は、大気圧で急速にｂｃｃ鉄鋼に変態する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、大気圧下で存在できないｈｃｐ鉄鋼とは異なる別の六方晶構造に変態させることにより大気圧で存在可能な新規な六方晶構造鉄鋼を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ｈｃｐ鉄鋼は一様な高い圧力(高静水圧、１３ＧＰａ以上の圧力）でしか存在しない（T. Takahashi, WA. Bassett, High-pressure polymorph of iron, Science,Vol.31, 1964, pp. 483-486 ）。本発明の新規な六方晶構造の鉄鋼の製造方法は、ｈｃｐ鉄鋼に静水圧以外の力を加えることにより結晶格子の隙間に鉄原子を埋め込むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
上記の製法により製造される新規な六方晶構造の鉄鋼は、ｈｃｐ鉄鋼の結晶格子の隙間に鉄原子が埋め込まれた六方晶構造により、大気圧で存在可能となり、その応用範囲が広がる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明による六方晶構造の鉄鋼から得られた透過Ｘ線回折パターンを示す。
【図２】図１を画像処理し、リングを明瞭にした透過Ｘ線回折パターンを示す。
【図３】ｂｃｃ鉄試験片がｂｃｃ鉄スライダーにより断続的に摩擦され、本発明による六方晶構造の鉄鋼が生じた摩擦面の透過電子回折パターンを示す。
【図４】本発明の六方晶構造の鉄鋼における、鉄原子がｈｃｐ構造鉄鋼に埋め込まれる隙間の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明によれば、鉄鋼を高圧下でｈｃｐに変態させると共に、ｈｐｃ鉄鋼に静水圧以外の力を加えることにより、結晶格子の隙間に鉄原子が埋め込まれた新規な六方晶構造の鉄鋼となり、大気圧下で、存在可能となる。（以後、本発明による大気圧で存在可能な六方晶鉄鋼を新六方晶鉄鋼と呼ぶ。尚ｈｃｐに存在する転位（原子配列の乱れ）によって微視的な力が生じた個所に鉄原子が埋め込まれる場合は、ｈｃｐの原子配列が維持されるので、本出願にいう新六方晶には含まれない。
【実施例】
【０００８】
新六方晶鉄鋼は、新たに見つけられた鉄鋼の構造であり、それを製造し、実用化することは、目新しい発想である。
鉄と鋼は、鉄以外の含有元素量の大小による分類である。ｈｃｐ構造の場合も、同様に定義される。多くの鋼の鉄以外の元素の含有量は、0.1%のオーダー（0.10％〜0.99％の範囲）である。したがって、新規な六方晶構造鋼の実用化の可能性も考えられる。 
新六方晶構造鉄鋼の構造
図１は、ｈｐｃ鉄鋼に静水圧以外の力（例えば、引張力、せん断力、曲げ力）を加えた後、防錆効果のあるシクロヘキサン中に約三か月間保管した新六方晶鉄から得られた透過Ｘ線回折パターンを示す（H. Furuichi, N. Fujii, Y. Kanno, E. Ito, S. Watanabe, H. Tanaka,Remaining of ε-iron structure at atmospheric pressure and superlattice formation by shearing at high pressure, High Pressure Research, Vol.24, 2004. pp. 385-389, Fig.2）。
すべてのリングは従来のｈｃｐ鉄のものと一致する（表１）。このことは、ｈｃｐの構造が保持されていることを示す。しかし、ｂｃｃ鉄から新六方晶構造鉄に変態した場合の体積減少率は、ｂｃｃ鉄からｈｃｐ鉄に変態した場合より大きい（前者：１４ＧＰａで作成されたものを大気圧で測定し86%（H. Furuichi, N. Fujii, Y. Kanno, E. Ito, S. Watanabe, H. Tanaka,Remaining of ε-iron structure at atmospheric pressure and superlattice formation by shearing at high pressure, High Pressure Research, Vol.24, 2004. pp. 385-389）。
後者：密度の変化から換算すると、19GPaで86%（T. Takahashi, WA. Bassett, High-pressure polymorph of iron, Science,Vol.31, 1964, pp. 483-486 ）。 これらの結果から、新六方晶はｈｃｐ鉄の結晶格子に鉄原子が埋め込まれた状態と考えられる。類似の現象として、高圧せん断により金原子が金の結晶格子に埋め込まれたとの報告がある。（H. Furuichi, E. Ito, N. Fujii, Y.Kanno, N. Torii, Transformation of gold by shearing at highpressureand at room temperature, Solid State Communications Vol.144, 2007, pp.475-477）。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
図３（H. Furuichi, S. Nakamura, J. S. Xuan, K. Yamazaki, Structure and state of repeatedly rubbed pure iron, Wear, Vol. 184, 1995, pp. 99-105, Fig.5.）は、bcc鉄試験片がｂｃｃ鉄スライダーにより断続的に摩擦された場合の摩擦面の透過電子回折パターンである。撮影順番待ちのため、シクロヘキサン中に約三か月間保管した後に名古屋大学の超高圧電子顕微鏡で撮影された。表１に示すように、パターンはｈｃｐ鉄に対応する。ただ、通常現れない(300)面からのリングが認められる。
どのようにきれいに仕上げた金属面でも、微視的に見れば、多数の微小突起が存在する。摩擦過程で、試験片摩擦面の微小突起先端がスライダー摩擦面の微小突起先端と接触する際に、高圧が生じ、両面の微小突起先端が凝着し、試験片とスライダーの相互移動により凝着部は引張破断され、摩耗粉になる（岩井義郎、摩耗理論、トライボロジスト、Vol.45, 2000, pp. 870-825）。試験片がスライダーの下にあれば、断続摩擦の繰返しにより、摩耗粉は試験片摩擦面に堆積層を形成する（H. Furuichi, S. Nakamura, J. S. Xuan, K. Yamazaki, Structure and state of repeatedly rubbed pure iron, Wear, Vol. 184, 1995, pp. 99-105, Fig.5.）。図３は、この堆積層からの回折パターンである。
この電子回折の結果も、ｈｃｐ鉄の場合と同じリングが生じているので、ｈｃｐ構造が残存していることを示している。しかし、前述のように、試験片は大気圧で約三か月保管されている。ｈｃｐ鉄ならばｂｃｃ鉄に戻っていなければならない。なんらかの構造変化が生じていることが必要である。
前述の凝着部先端が引張破断される際の、試験片内部の原子レベルでの引張応力はｈｃｐの軸方向、側面方向などの弾性定数が異なるため、結晶方位（向き）が千差万別の試験片内部で、外部から引張力が加わると微視的応力が発生すること、また、硬い結晶粒界と柔らかい結晶内部の変形に対する抵抗の差などから、機械工学などで定義される巨視的応力と異なる。原子レベルでの材料内部の各個所の微視的応力の測定は、事実上、不可能である。結晶方位は、無限とも言える組み合わせがあるので、算定も事実上不可能である。
ｈｃｐ構造が残存し、ｈｃｐ鉄より大きな体積減少率が生じるには、ｈｃｐ鉄に鉄原子が埋め込まれて、原子密度が高くなること以外には考えられない。そして、その構造が大気圧で存在できなければならない。
原子が稠密に詰まっていると言われているｈｃｐ構造にも、原子と原子の間に隙間がある（長倉繁麿, 物質の構造, pp. 67-68）。
稠密に原子が配列しているｈｃｐ鉄鋼に鉄原子が埋め込まれる個所としては、上記隙間以外にはない。一様な高圧(静水圧状態での高圧)では、圧力を高くしても原子間距離が縮小するだけで、原子が埋め込まれることはない。一様な高圧状態で、さらに外部からｈｃｐ鉄に力を加え、原子レベルでの局所的な引張応力を発生させ、原子間隔を広げれば、ｈｃｐ鉄鋼の前記隙間に鉄原子を埋め込むことができる。ｈｃｐ鉄鋼に鉄原子が埋め込まれれば、別の六方晶の鉄鋼に変態することになる。 
ｈｃｐでは、六角柱状に原子が密に詰まって配列している。図４は  この原子配列の基本単位の底面の形状を示す。前記の、密に原子が配列されたｈｃｐにでも存在する原子と原子の間の隙間の位置を示すために、この底面に座標軸ＯＡ，ＯＢが付けられている。（底面が六角形なので、直行座標では説明が困難である）。さらに、原子配列は三次元的なので、原点Ｏから紙面に垂直方向に座標軸にＯＣを引く。隙間の個所は、通常の直交座標での点の位置の表示と同じように、三個の数字の組み合わせで、ＯＡ，ＯＢ，ＯＣの長さをそれぞれ１とすれば、原点ＯからＯＡ，ＯＢ，ＯＣ方向に1/3, 2/3, 18;/ 1/3,2/3,3/8; 2/3, 1/3,3/8; 2/3, 1/3,7/8で示される（長倉繁麿, 物質の構造, pp. 67-68）。 
【００１１】
(300)面は座標軸ＯＡをＯから1/3で切り、座標軸ＯＢおよびＯＣに平行な原子面からの回析によって生じる。このことは、鉄原子が上記隙間に埋め込まれたことを示唆している。 
ｈｐｃ鉄鋼は、ｂｃｃ鉄鋼のマルテンサイト変態により生じる。（P. M. Giles, M. H. Longenbach、A. R. Marder, 1422945844337_0, Journal of Applied Physics, Vol. 42 , 1971, pp. 4290-4295）。マルテンサイト変態は原子面のずれによる変態である(清水謙一、マルテンサイト変態、金属、Vol.66,1996, pp.459-460）。新六方晶鉄鋼では、ｈｃｐ鉄鋼の上記隙間に鉄原子が埋め込まれているので、ずれを元に戻しても、ｂｃｃの原子配列にならない。そのために、大気圧でｈｃｐ鉄とは別の六方晶構造のまま存在することになる。これも、新六方晶鉄の構造の正しさを証明している。
上記隙間に鉄原子が埋め込まれ、ｈｃｐ鉄と異なった原子配列になったとの報告は、元八幡製鉄（現新日鉄住金）の研究所に勤務したことがあり、その後も大学で新素材作成の研究を続けてきた出願者でも聞いたことがない。
本発明は、一様な高圧に静水圧以外の力を鉄鋼に加え、鉄原子をｈｃｐ鉄鋼に埋め込み新六方晶鉄鋼を作成、製造する技術である。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
先に述べたように、新六方晶鉄鋼は、ｈｃｐ鉄鋼と異なる新たに見出された構造をしている。大気圧で存在できる。したがって、実用化が可能である。現在実用化されているｂｃｃ鉄鋼ともｆｃｃ鉄鋼とも構造が異なる。そのため、新たな技術的利用が期待される。
【００１３】
最近ｈｃｐ鉄が超伝導性を示すことが報告された（K. Shimizu, T. Kimura, S.Furumoto, K. Takeda, K. Kontani, Y. Onuki, K. Amya, Superconductivity in the non-magnetic state of iron under pressure, Nature,Vol.412, 2001, pp.316-318）。しかし、ｈｃｐ鉄は高圧でしか存在せず、実用化が困難である。鉄は大量生産されており、他の超伝導材料に比べ、きわめて安価である。新六方晶鉄を超伝導材料として使用できれば、その経済的メリットは大きい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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