るつぼ鋼

るつぼ鋼は、るつぼの中で銑鉄（鋳鉄）、鉄、場合によっては鋼を砂、ガラス、灰、その他のフラックスとともに溶かして作られる鋼です。るつぼ鋼は、紀元前1千年紀中頃に南インドとスリランカでウーツ法を用いて初めて開発されました。^{[1] [2] [3] [4]}

古代では、木炭や石炭の火で鉄や鋼を溶かすのに必要な非常に高い温度を作り出すことは不可能でした。しかし、炭素含有量が多く融点が低い銑鉄は溶かすことができ、錬鉄や鋼を液体の銑鉄に長時間浸すことで、銑鉄の炭素含有量がゆっくりと鉄に拡散して減少し、両方とも鋼に変わることができました。このタイプのるつぼ鋼は、中世に南アジアと中央アジアで生産されていました。

この方法では一般に非常に硬い鋼が生産されたが、炭素含有量が非常に高い鋼（旧銑鉄）と炭素含有量の低い鋼（旧錬鉄）からなる不均質な複合鋼も生産された。このため、鋼を鍛造、やすりがけ、または研磨すると複雑な模様が現れることが多く、最もよく知られている例は、ダマスカス剣に使用されたウーツ鋼である。この鋼はフラックスを使用しているため、当時の他の鋼生産方法と比較して炭素含有量（通常 1.5～2.0% の範囲）と品質（不純物が少ない）がはるかに高いことがよくあった。鋼は通常、脱炭、熱間鍛造による崩壊、または炭素の過剰な拡散を避けるため、加工はほとんど行われず、比較的低温で加工された。

炭素含有量が鋳鉄に近いため、通常、成形後に空冷以外の熱処理は必要なく、組成のみで適切な硬度が得られます。炭素含有量が多い鋼は非常に硬い刃先を提供しますが、炭素含有量の少ない鋼は靭性を高め、欠け、ひび割れ、破損の可能性を減らすのに役立ちます。^[5]

ヨーロッパでは、 18世紀にイギリスのベンジャミン・ハンツマンがるつぼ鋼を開発しました。ハンツマンは石炭や木炭ではなくコークスを使用し、鋼を溶かし鉄を溶かすのに十分な温度を実現しました。ハンツマン法は、鋼を溶かして冷却するのに長い時間をかけ、炭素の拡散に多くの時間をかけた点で、ウーツ法の一部と異なっていました。^{[6]ハンツマン法では、鋳鉄から直接変換する}パドリング法や後のベッセマー法ではなく、ブリスター鋼の形で鉄と鋼を原料として使用しました。

鋼を完全に溶かす能力によって、鋼の不均一性が取り除かれ、炭素が液体鋼に均一に溶解できるようになり、同じ結果を得るためにそれまでに必要だった大がかりな鍛冶作業が不要になった。同様に、鋳型に流し込んで鋼を鋳造することも可能になった。フラックスの使用により、液体から不純物をほぼ完全に抽出することができ、不純物は上部に浮かせて取り除くだけで済んだ。こうして、現代的な品質の最初の鋼が製造され、余剰の錬鉄を効率的に有用な鋼に変える手段がもたらされた。ハンツマンのプロセスにより、ナイフ、工具、機械などの用途に適した高品質の鋼のヨーロッパでの生産量が大幅に増加し、産業革命への道が開かれた。

鉄合金は、炭素含有量によって最も大まかに分類されます。鋳鉄には 2～4% の炭素不純物が含まれます。錬鉄では、炭素のほとんどが酸化されて 0.1% 未満になります。より価値の高い鋼は、中間の炭素分を持ち、その材料特性は炭素含有量によって異なります。高炭素鋼は低炭素鋼よりも強度がありますが、脆くなっています。るつぼ鋼は、熱源から原材料を隔離するため、浸炭(炭素含有量の増加) または脱炭(炭素含有量の低下) を正確に制御できます。石灰石などのフラックスをるつぼに追加すると、硫黄、シリコン、その他の不純物を除去または促進して、さらに材料の品質を変えることができます。

るつぼ鋼の製造には様々な方法が使われた。タルスーシやアブ・ライハン・ビールニなどのイスラムの文献によると、間接的に鋼を製造する3つの方法が説明されている。^[7]中世イスラムの歴史家アブ・ライハン・ビールニ（973年頃 - 1050年）は、ダマスカス鋼の製造に関する最古の言及を提供している。^[8]最初の、そして最も一般的な伝統的な方法は、錬鉄の固体浸炭である。これは、錬鉄をるつぼまたは炉に木炭とともに詰め、加熱して鉄への炭素の拡散を促進し、鋼を製造する拡散プロセスである。 ^{[9]浸炭は、鋼の}ウーツ法の基礎である。2番目の方法は、鋳鉄から炭素を除去することによる鋳鉄の脱炭である。 ^[8] 3番目の方法は、錬鉄と鋳鉄を使用する。このプロセスでは、錬鉄と鋳鉄をるつぼで一緒に加熱し、溶融して鋼を製造することができる。^[9]この方法について、アブ・ライハン・ビルニは「これは炉床で使われた方法だ」と述べています。インドの方法はウーツ炭化法を指していると考えられています。^[8]つまり、マイソール法またはタミル法です。^[10]

共融合プロセスのバリエーションは主にペルシャと中央アジアで発見されていますが、インドのハイデラバードでも発見されており^{[11]、デカン法またはハイデラバード法と呼ばれています[10]}。炭素については、当時のイスラム権威者によって、ザクロの皮、ドングリ、オレンジの皮などの果物の皮、葉、卵白、殻など、さまざまな有機材料が指定されています。インドの資料の中には木の薄片について言及しているものもありますが、木炭について言及している資料はありません。^[12]

るつぼ鋼は、一般的にインドとスリランカの生産拠点で、いわゆる「ウーツ法」で生産されたと考えられており、他の場所に出現したのは遠距離貿易によるものと考えられています。^{[13]トルクメニスタンの}メルブやウズベキスタンのアフシケートなどの中央アジアの場所がるつぼ鋼の重要な生産拠点であったことは、ごく最近になって明らかになりました。 ^[14]中央アジアの発見物はすべて発掘調査によるもので、西暦8世紀から12世紀のものですが、インド/スリランカのものは紀元前300年頃のものです。インドの鉄鉱石には微量のバナジウムやその他の合金元素が含まれていたため、インドのるつぼ鋼の硬化性が高く、その刃持ちの良さで中東全域で有名でした。

るつぼ鋼は古くは中東で発見されたと考えられていますが、高炭素鋼、おそらくるつぼ鋼を使用した模様溶接の剣が、3^世紀以降、特にスカンジナビアで発見されています^。9世紀から11世紀初頭までの200年間に作られた、Ulfberhtというブランド名の剣は、この技術の代表的な例です。これらの刃物の製造工程は中東で始まり、その後ヴォルガ交易路の時代に取引されたのではない^{かと多くの人}が推測しています。^[17]

イスラム時代の最初の数世紀には、剣と鋼に関する科学的研究がいくつか発表された。最もよく知られているのは、8世紀のジャービル・イブン・ハイヤーン、 9世紀のアル・キンディー、 11世紀初頭のアル・ビルニー、12世紀後半のアル・タルスーシ、13世紀のファフル・イ・ムダッビルによるものである。これらのいずれにも、インド鋼とダマスカス鋼に関する情報が、古代ギリシャとローマの現存する文献全体に記載されている情報よりもはるかに多く含まれている。^[18]

インドのるつぼ鋼生産については多くの民族誌的記述があるが、るつぼ鋼生産の遺跡に関する科学的調査は、インド3地域とスリランカ1地域の計4地域についてのみ出版されている。^{[19]インド/スリランカのるつぼ鋼は一般に}ウーツと呼ばれ、これはウッコ（カナリア語）またはフックー（テルグ語）という英語の単語が訛ったものであると一般に認められている。^{[20] [21]}

17世紀以降のヨーロッパの文献には、南インドのゴルコンダ、マイソール、セーラムの各州で特に作られていた伝統的なるつぼ鋼である「ウーツ」の評判と製造について言及されている。発掘調査と地表調査の規模がまだ限られているため、文献の記述を考古冶金学的証拠と結び付けることはできない。^[22]

南インドでるつぼ鋼生産の跡地として確認されているもの、例えばコナサムドラムやガティホサハリは、少なくとも中世後期の16世紀に遡る。^[23]最も古い可能性のある遺跡の一つで、タミル・ナードゥ州コインバトール近郊のコドゥマナルにおける鉄るつぼ法に関係する可能性のある有望な予備的証拠が示されている。^[24]この遺跡は紀元前3世紀から紀元後3世紀の間に遡る。^[25] 17世紀までには、るつぼ鋼生産の中心地はハイデラバードにあったようである。その工程は、他の場所で記録されているものとはかなり異なっていたようだ。^[26]ハイデラバードのウーツ鋼、または水冷ブレードを作るためのデカン法では、2種類の異なる鉄を融合させた。1つは炭素の少ない鉄で、もう1つは炭素の多い鋼または鋳鉄であった。^[27]ウーツ鋼は古代ヨーロッパ、中国、アラブ世界に広く輸出・取引され、特に中東ではダマスカス鋼として知られるようになり有名になった。^{[28] [29]}

近年の考古学的調査によると、スリランカは古代の鉄鋼生産の革新的な技術も支援していたことが示唆されている。^[30]スリランカのるつぼ鋼製造システムは、インドや中東のさまざまなシステムから部分的に独立していた。^[31]彼らの方法は、錬鉄の炭化方法に似たものであった。^[30]るつぼ鋼の最古の遺跡は、スリランカ中央高地の北部にあるナックルズ山脈にあり、紀元6世紀から10世紀にさかのぼる。 ^[32] 12世紀には、スリランカのセレンディブの地がるつぼ鋼の主な供給地であったようだが、数世紀の間に生産は衰退し、19世紀までには中央南部高地のバランゴダ地区に小さな産業が残るのみとなった。 ^[33]

サマナラウェワでの一連の発掘調査により、西向きの製錬所という、予想外でこれまで知られていなかった技術が明らかになった。これは、異なるタイプの鉄鋼生産である。^{[30] [34]}これらの炉は、鋼鉄への直接製錬に使用された。^[35]これらは、製錬プロセスで卓越風を利用するために丘の西側に位置していたため、「西向き」と名付けられている。^[36]スリランカの炉鋼は、9世紀から11世紀、あるいはそれ以前に知られ、取引されていたが、それ以降ではなかったようだ。^{[37]これらの遺跡は7世紀から11世紀のものとされている。この年代が、9世紀のイスラム教のサランディブへの言及[36]}と一致することは非常に重要である。るつぼ法は、スリランカで西向きの技術が稼働していたのと同じ時期に、インドに存在していた。^[38]ヨダウェワ（マナール近郊）遺跡の発掘調査（2018年）では、スリランカで7世紀から8世紀にかけてるつぼ鋼の製造に使用された底部球形炉の下半分とるつぼの破片が発見されました。この遺跡で発見されたるつぼの破片は、サマナラウェワの細長い管状のるつぼに似ていました。^[2]

中央アジアには、西暦1千年紀後半から始まるるつぼ鋼生産の豊かな歴史があります。^[39]現代のウズベキスタンとトルクメニスタンのメルブの遺跡からは、るつぼ鋼の大規模生産を示す優れた考古学的証拠が見つかります。^[40]これらはすべて、西暦8世紀後半または9世紀前半から12世紀後半までの同じ初期中世に属し、 ^[41]初期の十字軍と同時期です。^[40]

ウズベキスタン東部でフェルガナ法を伝える最も有名なるつぼ鋼の遺跡は、フェルガナ渓谷のアフシケトとパプの2つで、シルクロードにおけるその位置は歴史的にも考古学的にも証明されている。^[42]物的証拠は、9世紀から12世紀にかけての製鉄に関連する多数の考古学的発見物であり、数十万個のるつぼの破片の形で、しばしば大量のスラグケーキが付着している。^[39]アフシケトでの考古学的調査により、るつぼ鋼法は鉄金属の炭化法であったことが判明した。^[12]この方法はウズベキスタン東部のフェルガナ渓谷に典型的かつ限定的に見られることから、フェルガナ法と呼ばれている。^[43]この方法はその地域で約4世紀にわたって続いた。

るつぼ鋼の生産の証拠は、シルクロードの主要都市であるトルクメニスタンのメルヴで発見されています。イスラム学者のアル・キンディー（紀元801-866年）は、紀元9世紀にはホラーサーン地方、ニシャプール、メルヴ、ヘラート、バルフの各都市が属する地域が鉄鋼製造の中心地であったと述べています。^[44]メルヴの冶金工房からの証拠は、紀元9世紀から10世紀初頭にさかのぼり、るつぼでの共溶融法による鋼生産の例を示しており、これは明らかに異なるウーツ法よりも約1000年も前のことです。^[45]メルヴのるつぼ製鋼法は、1820年代にヴォイジーが記録した製鋼法の場所にちなんで、ブロンソン（1986、43）がウーツ法のバリエーションであるハイデラバード法と呼ぶものと技術的に関連していると考えられる。^[46]

中国におけるるつぼ鋼の生産は紀元前1世紀頃、あるいはそれ以前に始まった。中国人は紀元前1200年頃に銑鉄の製造方法を開発し、鋳鉄の製造に使用した。紀元前1世紀までに、軟鋼を製造するためのパドリング法と、硝石の上で溶解した鋳鉄をかき混ぜて急速に脱炭して錬鉄を製造する方法（ヒートン法と呼ばれ、1860年代にジョン・ヒートンが独自に発見）を開発していた。この頃、中国人は鋳鉄と錬鉄の余剰分を刀や武器に適した鋼に変換するため、るつぼ鋼の生産を開始した。^{[47] [48]}

1064年、沈括は著書『夢潭随筆』の中で、鋼の模様、刀剣の製造方法、およびその背後にある理由について、最も古い文書による説明を与えました。

古代人は刃にチカン（複合鋼）を使い、背にジョウティー（軟鉄）を使った。そうでないと、よく折れてしまうからだ。武器が強すぎると、刃自体が切れて壊れてしまう。だから複合鋼だけを使うのが賢明だ。魚腸効果については、現在では「蛇の巻いた」鋼剣、あるいは「松の木模様」と呼ばれている。魚を完全に調理して骨を取り除くと、その内臓の形が「蛇の巻いた剣」の線のように見える。^[49]

ヨーロッパでるつぼ鋼についての最初の言及は、中世後期より前には見られないようである。^[50]ヨーロッパでの「ダマスカス」鋼の実験は少なくとも16世紀に遡るが、実験室の研究者がインド/ウーツ鋼であると特定される鋼を扱い始めたのは1790年代になってからであった。^[51]当時、ヨーロッパ人は、南インドのいくつかの場所でその製造過程を観察した旅行者が持ち帰った報告書から、インドでるつぼ鋼を製造する能力があることを知っていた。

17世紀半ば以降、インド亜大陸を訪れたヨーロッパの旅行者は、そこでの鋼鉄生産について数多くの生々しい目撃証言を残した。これには、1679年のジャン＝バティスト・タヴェルニエ、1807年のフランシス・ブキャナン、1832年のHWヴォイジーによる証言が含まれる^。[52] 18世紀、19世紀、20世紀初頭は、ウーツ鋼の性質と特性を理解しようとするヨーロッパ人の関心が高まった時期だった。インドのウーツ鋼は、最も著名な科学者の何人かの注目を集めた。^[53]ウーツ鋼に魅了された科学者の一人はマイケル・ファラデーだった。ヨーロッパの科学者の間でウーツ鋼への関心をかき立てるという点で最も広範囲にわたる影響を与えたのは、おそらく1795年に王立協会で報告されたジョージ・ピアソンの研究だっただろう。^[54]彼はこれらの科学者の中で最初に研究結果を発表した人物であり、偶然にも「ウーツ」という言葉を印刷物で使用した最初の人物でもあった。^[55]

もう一人の研究者、デイヴィッド・マシェットは、ウーツが溶融によって作られたと推測することができた。^[56]デイヴィッド・マシェットは1800年にその製法の特許を取得した。^[57]彼は1805年に報告書を作成した。 ^[55]しかし、偶然にも、ヨーロッパで最初の成功した製法は、約50年前の1740年代にベンジャミン・ハンツマンによって開発されていた。 ^[58]

ベンジャミン・ハンツマンは時計のゼンマイに使うより良い鋼を探していた時計職人だった。彼はシェフィールド近郊のハンズワースで、何年も秘密裏に実験を重ねた後、1740年に鋼の生産を開始した。ハンツマンのシステムでは、1,600 °Cまで加熱できるコークス燃焼炉を使用し、その中に最大12個の粘土るつぼを配置した。各るつぼには約15 kgの鉄を入れることができる。るつぼまたは「ポット」が白熱したら、セメント化プロセスで生成される鉄と炭素の合金であるブリスター鋼の塊と、不純物を取り除くためのフラックスを投入した。ポットは炉内で約3時間後に取り出され、スラグの形の不純物がすくい取られ、溶けた鋼が鋳型に注がれて鋳造インゴットになった。^{[59] [60]}鋼を完全に溶融すると、冷却時に非常に均一な結晶構造が生成され、当時製造されていた他の鋼と比較して 金属の引張強度と硬度が向上しました。

ハンツマンの技術が導入される前、シェフィールドはスウェーデンの錬鉄から年間約 200 トンの鋼を生産していました (オレグラウンド鉄を参照)。ハンツマンの技術の導入により、この状況は劇的に変化しました。100 年後には、生産量は年間 80,000 トンを超え、ヨーロッパ全体の生産量のほぼ半分を占めるまでになりました。シェフィールドは小さな町からヨーロッパ有数の工業都市に発展しました。

鋼は「るつぼ炉」と呼ばれる専門の工房で生産され、地上の工房と地下の地下室から構成されていました。炉の建物は大きさや建築様式がさまざまで、19 世紀後半には技術の発達により、ガスを暖房燃料として複数の鍋を一度に「焼成」できるようになり、規模が拡大しました。各工房には、溶解穴の列、チーミング ピット、^{[説明が必要]屋根の通気口、るつぼ鍋用の棚の列、焼成前に各鍋を準備するための焼きなまし炉など、一連の標準的な}設備がありました。各装填物の計量と粘土るつぼの製造のための補助室は、工房に併設されているか、地下室の複合施設内にありました。もともと時計のバネを作るために作られた鋼は、後にハサミ、斧、剣などの他の用途にも使用されました。

シェフィールドのアビーデール工業村では、ハンツマンの時代から続く鎌製造工場を一般公開しており、その工場は、その場所で作られたるつぼ鋼を使用して水車で動いています。

ハンツマン以前の最も一般的な鋼鉄製造方法は、せん断鋼の製造であった。この方法では、セメンテーション法で製造されたブリスター鋼が使用され、これは錬鉄の芯と、通常炭素含有量が 1.5 ～ 2.0% の非常に高炭素な鋼の殻で囲まれた構造であった。鋼鉄を均質化するため、鋼鉄は平らな板状に叩かれ、積み重ねられて鍛造溶接された。これにより、鋼鉄と鉄の層が交互になった鋼鉄が生成された。得られたビレットは平らに叩かれ、板状に切断され、再び積み重ねられて溶接され、層が薄くなり複合化されて、炭素がゆっくりと高炭素鋼から低炭素鉄に拡散するにつれて、炭素がより均一になった。しかし、鋼鉄は加熱されて加工されるほど脱炭する傾向があり、この外向きの拡散は層間の内向きの拡散よりもはるかに速く起こる。そのため、鋼を均質化するためのさらなる試みは、バネ、刃物、刀、または工具などの製品に使用するには炭素含有量が低すぎるという結果に終わりました。そのため、そのような製品、特に工具に使用することを意図した鋼は、主に、非常に少量で高コストの、時間と労力を要するブルームリー法によって製造されていました。この方法は、改善されたとはいえ、錬鉄から手作業で分離する必要があり、固体状態で完全に均質化することは依然として不可能でした。

ハンツマン法は、完全に均質な鋼を生産した最初の方法でした。それまでの鋼生産方法とは異なり、ハンツマン法は鋼を完全に溶かし、炭素を液体全体に完全に拡散させた最初の方法でした。また、フラックスを使用することでほとんどの不純物を除去することができ、現代的な品質の最初の鋼を生産することができました。炭素は融点が高く(鋼のほぼ 3 倍)、高温で酸化 (燃焼) する傾向があるため、通常は溶融鋼に直接添加することはできません。ただし、錬鉄または銑鉄を添加して液体に溶解させることで、炭素含有量を慎重に制御できます (アジアのるつぼ鋼に似ていますが、それらの鋼の特徴である著しい不均質性はありません)。もう 1 つの利点は、他の元素を鋼と合金化できることです。ハンツマンは、鋼から酸素などの不純物を除去するために、マンガンなどの合金剤の添加を実験し始めた最初の 1 人でした。彼の方法は後にロバート・ハドフィールドやロバート・フォレスター・マシェットなど多くの人々に使用され、マンガロイ、高速度鋼、ステンレス鋼などの最初の合金鋼が生産されました。

ブリスター鋼の炭素含有量のばらつきにより、生産される炭素鋼の炭素含有量はるつぼ間で最大0.18%異なることがあったが、平均して約0.79%の炭素を含む共析鋼が生産された。鋼の品質と高い硬化性のため、工具鋼、工作機械、刃物、その他多くの製品の製造にすぐに採用された。鋼に酸素が吹き込まれないため、品質と硬化性の両方でベッセマー鋼を上回ったため、ハンツマン法は工具鋼の製造に使用され、 20世紀初頭に電気アークを使用するより優れた方法が開発されました。^{[61] [62]}

1880年代にアメリカで開発された別の方法では、鉄と炭素を直接溶かしてるつぼ鋼を製造しました。^[63] 19世紀から1920年代にかけて、大量のるつぼ鋼が切削工具の製造に使用され、工具鋼と呼ばれていました。

るつぼ法は特殊鋼の製造に引き続き使用されていましたが、現在では廃止されています。現在、同様の品質の鋼は電気アーク炉で製造されています。工具鋼の用途の一部は、最初は高速度鋼^{[63]に、後には}タングステンカーバイドなどの材料に置き換えられました。

るつぼ鋼の別の形態は、1837 年にロシアの技術者パベル アノソフによって開発されました。彼の技術は、加熱と冷却よりも、適切な結晶構造が内部に形成されたときに溶融鋼を急速に冷却する急冷プロセスに頼っていました。彼はこの鋼をブラートと呼びましたが、その秘密は彼とともに失われました。米国では、るつぼ鋼はウィリアム メトカーフによって開拓されました。

• ダマスカス鋼
• ノリック鋼
• パターン溶接

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• トルクメニスタン、メルヴ 2012年8月4日アーカイブ、Wayback Machine
• 西暦1千年紀のCFD
• ウーツ鋼: 古代世界の先進的な素材
• 手作業による鋼の製造：シェフィールドでのるつぼ鋼の製造を示す 1949 年の英国パテのニュース映画

• 紀元前9000年からの金属加工の歴史