人们发现，将夹杂物元素减少到极限的超高纯铁表现出了超乎寻常的现象和不可思议的变化行为。本文将对超高纯铁的生产及其应用于苛刻环境下的可能性进行了探索研究。

1颠覆常识的超高纯铁生产的可能性

目前，工业用高纯铁的纯度为99%（2N）-99.99%（4N）。虽然对高纯铁的纯度没有明确定义，但一般将纯度高于上述的铁（5N以上）称为超高纯铁。超高纯铁的生产非常困难，难以批量生产，因此生产成本高，目前尚未达到工业化生产。

众所周知，纯度达到极限的铁的特性不同于普通钢材。

1）不容易生锈是其最大的优点。普通钢材在盐酸中会产生剧烈反应，发生大量的氢腐蚀，而超高纯铁极少或几乎不会发生氢腐蚀。

2）非常柔软。超高纯铁的屈服应力只有商用高纯铁的1/8，即使在极低温度下也能保持可塑性。尤其是，普通钢材经强化加工后奥氏体相区的等轴晶组织会细化，而超高纯铁的等轴晶组织则会形成大的柱状晶。

由于发现了超高纯铁具有以往常识不可理解的现象，因此它有可能从根本上改变人们以往对热力学、物理化学特性以及力学特性等的认知。

近年来，在工业上已将高纯度金属作为最先进电子设备的原材料使用。由于最先进电子设备通过许多物理现象实现产品的功能，因此必须最大限度地减少混入电子器件中的夹杂物。金属的特性会因夹杂物而变化，可以说目前对金属的特性尚未完全掌握。因此，在要求进一步提高材料功能的过程中，提高金属的纯度就变得更加重要。

2使用超高纯铁进行耐热合金开发

2017年3月日本开发了超高纯铁基耐热合金，它满足了新一代超超临界火力发电用高温材料的要求，并以此引出了超高纯铁的话题。该研究由日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）负责。

新一代超超临界火力发电的蒸汽压力超过35MPa、温度超过700℃，因此期待着开发出锅炉和涡轮用的耐高温高压材料。目前，镍基合金是候选材料，但它存在着高温加工性和焊接性的问题，因此不适用于涡轮箱等铸造结构件的制作。另外，镍基合金还有生产成本高、难以供货的问题。因此，超高纯铁引人注目。暴露于水蒸气中的锅炉和涡轮用的材料必须具有耐蚀性，由于超高纯铁具有非常高的耐蚀性，因此它是否具有良好的耐水蒸气氧化特性令人期待。

此外，材料的耐高温强度成为越来越重要的问题。最近，由于现有耐热合金长期使用出现了作为强化析出物的碳化物和氮化物不稳定的现象，且因长期使用而不能对耐热合金的夹杂物进行测定的状态令人担忧。从这点上来看，超高纯铁是一种夹杂物含量非常少的材料，它很有可能获得接近科学计算预测值的高温特性，因此是确保长期使用高可靠性的首选材料。

3采用高温强化新机理提高耐热性

采用电解精炼法生产的高纯铁被称作电解铁（图1），再通过熔融精炼进一步提高纯度后就成为超高纯铁。因此，在开发使用超高纯铁的耐热合金中，首先对电解精炼时的生产条件进行优化，以便能够在工业化规模下稳定生产高纯电解铁。采用本研究方法生产的阴极板的夹杂物含量比现有阴极板（Fe99.99%）少，而且可以简化生产工序，提高产品的合格率，降低生产成本。

由于作为原料的电解铁纯度已经很高，因此熔融精炼的目的就是减少合金化过程因添加合金元素所产生的夹杂物。此次熔融精炼对湿式精炼法、氢电弧等离子熔炼法和冷坩埚超高真空熔炼法进行了研究。

合金设计以纯度为99.99%-99.999%的铁为基础。根据Cr对耐水蒸气氧化特性影响的研究成果，在Fe-Cr-Ni合金系中添加了数种合金元素。在添加的合金元素中要尽量减少以往作为析出物形成元素的碳和氢的添加量，添加的合金元素必须是能够实现金属间化合物高温强化机理的元素，而不是依赖碳化物和氮化物进行强化的元素，所选择的添加元素群必须是能够抑制氧化和过氧化氢的元素群，以提高耐水蒸气氧化的特性。根据蠕变强度和水蒸气氧化劣化的机理，在选择添加元素时采用原子论的化学计算法对化学元素周期表中的所有元素进行数值计算后挑选出最佳的添加合金元素群。然后，一面根据试制材料的性能反映，一面优化合金元素的添加选择。

采用冷坩埚超高真空熔炼法试制了八种成分不同的合金锭（CCM1-CCM8）。CCM1和CCM2主要添加元素为固溶强化元素，减少Cr的添加量。CCM3-CCM6增加Cr的添加量，CCM8增加Ni的添加量。CCM3-CCM8是把作为最佳添加合金元素而选择出的四种元素进行组合后添加的合金锭。然后，对合金锭进行热处理、锻造和轧制等，并对加工过程中夹杂物是否有增加进行了分析，结果几乎看不到夹杂物的增加。接着，在试样加工后进行蠕变试验和水蒸气氧化试验。试验结果表明，在温度700℃和应力150MPa下，部分试制合金的蠕变强度和耐水蒸气氧化特性超过或与镍基合金HR6W相当。

在对试制合金组织进行观察时能看到微细的金属间化合物的析出，可以推测这有助于提高金属的蠕变特性（图2）。由于是超高纯铁，因此几乎看不到碳化物和氮化物。另外，令人惊奇的是在蠕变试验中发现即使金属间化合物接连不断地析出，材料受到载荷后发生劣化，也具有弥补材料劣化的特性。利用这种强化新机理提高耐热性属首次发现。尤其是，通常添加Cr后σ相会析出，σ相会成为使材料变硬脆化的脆化相，而试制合金的σ相则是细化分散，不会变为脆化相，反而具有作为强化相的功能。另外，微细的α′相也会析出，该相可能也具有提高强化的机理，这是今后要研究的课题。

在试制合金中发现虽然使用的是纯度非常高的铁，但即使是纯度稍低的高纯铁也具有相同的特性，通过控制生产成本，也有望用于大型构件的制作。而且，由于此次是采用少量的熔化材料进行试验，因此只要在大型构件上能够赋予大的锻造比，就有可能发现更加良好的高温特性。 （廖建国）