鋳鉄 (cast iron)

の部分的な翻訳です。概観している箇所の一部と、「歴史的な使用」に関して訳しています。後者のほうが面白く読めます。

鋳鉄は鉄ないしは鉄の合金で、加熱して溶かし、型に流し込んで、固化させる。通常は銑鉄から製造される。合金の成分は破断した時の色に影響を与える：白鋳鉄はカーバイド (炭化カルシウム、carbide) の不純物があり、これによりまっすぐに破断する。灰色鋳鉄あるいは灰色鉄は黒鉛 (graphite) の断片があり、これにより、ひび割れをそらし、無数の新たなひび割れを生んで、材料が破壊される。

炭素 (C) とシリコン (Si) が合金の主な成分で、それぞれ重さで 2.1% から 4%、1% から 3% の比率である。炭素成分が少ない鉄の合金は鋼となる。技術的には Fe-C-Si の 3 つの成分を持つ合金であるが、鋳鉄の固体化の原理は鉄と炭素の相の図式から理解することができる。鋳鉄の大半の成分は「鉄 - 炭素システム」の共晶点 (eutectic point) の近くにあるため、融点は相互に密接に関係し、1150°C から 1200°C であり、純粋な鉄の融点よりは 300°C 低い。

鋳鉄はマリーアブル (槌で成形可能、malleable) な鋳鉄を除き、砕ける傾向がある。融点が比較的低く、流動性に優れ、鋳造しやすく、非常に削りやすく (machinable)、変形しにくく、摩損しにくいため、鋳鉄は幅広い応用面がある工業材料であり、使用されているものには、パイプ、機械、自動車部品、例えばシリンダー・ヘッド (使用が減少)、シリンダー・ブロック、ギア・ボックス (使用が減少) がある。

訳注

共晶点 (eutectic point) に関しては Eutectic point - Wikipedia を参考にして、かいつまんで説明することにします。

2 つ以上の固体の混合物 (例えば合金) の融点は構成比に依存する。2 つの物質 A, B がある場合に、 A, B が混在できる比率と温度の図式は、共晶点がある場合には次のような図式となる。

横軸は A, B の比率 (左端がすべて A, 右端がすべて B)、縦軸は温度、 α+βとあるのは A, B が混在した固体状態、 αとあるのは A のみの固体状態、L は A, B の混合物が液体の状態で存在できる場所、 L+αは液体の状態と A の固体が混在した状態などである。例えば B の比率が少ないとき A, B が混在できるのは温度が高いときと低いときであることがわかる。液体の状態 L でもっとも温度が低い点が共晶点で、この点よりもわずかに温度が下がれば、一瞬にして固体 (結晶) に変化する。これ以外の点で温度を下げると、徐々に固体が生じることがわかる。物質 A, B により共晶点がある場合とない場合がある。

鋳鉄は比較的にもろいので、鋭利な刃先や柔軟性が要求される目的には適していない。圧縮には強いが、引張りには弱い。鋳鉄は BC 6 世紀に中国で発明され (杜詩 (Du Shi) も参照のこと)、すきの刃、深鍋 (pot) はもとよりのこと、武器、パゴダに使用された。西洋では、鋳鉄は 14 世紀後半に至るまで利用可能ではなかったが、最も初期の使用には大砲 (cannon) と大砲玉 (shot) があった。ヘンリー 8 世が大砲の鋳造を始めた。まもなく、英国の製鉄業者は、高炉を使用して鋳鉄製の大砲を鋳造する技術を開発した。鋳鉄製の大砲は、当時一般的であった青銅製の大砲よりも重かったが、もっと安く製造でき、英国の海軍をより良く武装することを可能とした。ウィールドの鉄の名匠たち (ironmaster) は 1760 年代まで鋳鉄を製造し続け、王政復古以後は武器がその主な用途であった。

訳注

上で使用されているパゴダは通常の意味のものではなく、これのミニチュアで飾りのようなものと思われます。
ヘンリー 8 世は鋳造砲の製造のスポンサーでしたが、実際に製造したのはウィリアム・レヴェットです。

鋳鉄製の深鍋 (pot) は当時は多くの英国の高炉で作られた。 1707 年にエイブラハム・ダービーは深鍋 (やヤカン) を薄く作る方法の特許を得て、ここから競争相手よりは安く作ることができた。これにより、彼のコールブルックデールの溶鉱炉は深鍋の支配的な供給者となり、 1720 年代、1730 年代にはコークスを燃料とする他の高炉もそれに加わったのである。

トーマス・ニューコメン (Thomas Newcomen) による蒸気エンジンの開発は鋳鉄の更なる市場を提供した、というのは蒸気エンジンのシリンダーは元々真鍮で造られていたが鋳鉄は真鍮よりもはるかに安かったためである。鋳鉄の代表人物はジョン・ウィルキンソン (John Wilkinson) で、彼は色々なものを鋳造したがその中に、ジェームズ・ワット (James Watt) の改良された蒸気エンジンのシリンダーも含まれている。これは 1795 年にソーホー鋳造工場 (Soho Foundry) ができるまで続いたのである。

構造目的のための鋳鉄の大規模な使用は、エイブラハム・ダービー 3 世がアイアンブリッジを建設した 1770 年代に始まる。もっとも、短い梁であれば橋を作る以前に使用されており、コールブルックデールのような溶鉱炉にも見受けられる。これに多くの発明が続き、トーマス・ペイン (Thomas Paine) による特許も含まれている。産業革命が急速になるにつれ、鋳鉄の橋は一般的なものとなった。トーマス・テルフォードは (セヴァーン川でアイアン・ブリッジよりも) 上流にあるビルドワス (Buildwas) の橋、更にはロングドンでターン川を越えるシュルーズベリー運河の水道橋の材料に鋳鉄を使用した。

訳注

トーマス・ペインは日本語版の Wikipedia に記載がありますが、彼が橋の設計をしたことに関しては記述がありません。鉄と鋼によるせり石 (voussoir, ヴスワール) の橋を設計し、これに続くせり石の橋のひな型となったようです (米国)。特許とはシングル・スパン・ブリッジに関してのもので、英国で手に入れている。

チャーク水道橋、ポントカサルテ水道橋がそれに続いた、どちらも最近の修復によりまだ使用されている。鋳鉄製の「桁橋」(beam bridge) は初期の鉄道では幅広く使用された、例えばリバプール・マンチェスター鉄道 (Liverpool and Manchester Railway) のマンチェスター駅のウォーター・ストリートの橋などがある。問題が発生したのはチェスター・ホリーヘッド鉄道の新しい橋が崩壊した時である。この橋はチェスターでディー川に懸かるもので、崩壊したのは開通後 1 年もたたない 1847 年 5 月のことであった。ディーの橋 (The Dee bridge) の大惨事は列車の通過時に中心部に負荷がかかりすぎたことが原因で、多くの類似の橋が取り壊されて、多くは錬鉄で再建築された。この橋のデザインは間違っており、錬鉄のストラップで固定すれば構造が補強されると誤って考えられたのである。梁の中心は曲がる方向に力が働き、梁の下側では張力が働いたのである、張力に関しては鋳鉄は、石造りと同様に非常に弱いのである。

訳注

この橋をデザインしたのは蒸気機関車の製造で有名なロバート・スティーブンソンあるいはそのグループです。しかし、この橋の崩壊後に錬鉄を使用した橋を最初に作るのもロバート・スティーブンソンのグループで、ブリタニア橋、ハイ・レベル橋が建設されます。

鋳鉄を橋に使う最もよい方法はアーチを使うことで、こうすればすべての材料は圧縮方向に力が加わり、鋳鉄は、石造りと同様に随分強固なのである。錬鉄は、鋳鉄以外の鉄と同様に、実の所は大抵の金属と同様に、張力には強く、タフであり、破断しにくいのである。錬鉄と鋳鉄の関係は、構造材料としては、木と石の関係に類似していると考えることができる。

いずれにせよ、鋳鉄は不適切な方法で構造に使用され続け、 1879 年のテイ鉄道橋 (Tay Rail Bridge) の大惨事が起きて、材質に関しての深刻な疑惑が生じた。テイ鉄道橋の結合板 (tie bar) と支柱 (strut) を固定するための決定的な突起 (lug) は柱と一体鋳造されており、事故の初期段階で崩壊 (fail) している。更にボルトの穴も鋳造されており、ドリルで穴を開けられていたわけではなかった。そのため、結合板 (tie bar) からの張力は穴の周り全体に広がるのではなく、一点に集中した。代わりの橋は錬鉄と鋼で建設された。

しかしながら、更に橋が崩壊し、1891 年のノーウッド連絡鉄道 (Norwood Junction rail) の事故で頂点に達した。何千もの鋳鉄でできた「下から支える橋」 (under-bridge) が結果として鋼の橋で置き換えられた。

訳注

結合板 (tie bar) は 2 つの物を結合するためのもので、支柱 (strut) は 2 つの物を近づけないようにするためのものです。ちょうど反対の性質を持つ構造補強です。以上の意味に関しては間違っていないと思いますが、もっと適切な訳があるかもしれません。 lug は突起と訳しましたが、ナットの可能性があり、次のセンテンスで出てくるボルトの受けの可能性がありますが、実物を見てみないと適切な訳語がわかりません。

訳注

チャーク水道橋もポントカサルテ水道橋も、航行可能な水道橋 (navigable aqueduct) で、基本的には運河を通すための橋です。拡大すれば船が見えます。運河は恐らく英国産業革命の時の大量輸送の手段の一つだと思われます。次のグーグルマップ (航空写真) に 2 本橋が見えますが、左が鉄道の橋で右がチャーク水道橋です。拡大すると水道橋に船が見えます。

英国の運河は灌漑や輸送のために使用され、ローマ帝国の時代から航行可能な運河があった。産業革命の時は航行可能な運河は輸送に貢献し、蒸気汽船が通っていたが、現在では観光目的の船が通っているのみ。 (以上 Canals of the United Kingdom からの抜粋)

どのような高さのレンガ造り (あるいは石造り) の建物 (masonry building) の建設にも分厚い壁が必要であったが、鋳鉄により建築家は分厚い壁のない高い建物を作ることができるようになった。これにより高い建物には広い窓を作ることが可能となった。大きな都市では製造業の建物や初期の百貨店では鋳鉄の柱を使用して、日の光が差し込むように作られた。実例がニューヨーク市のソーホー鋳鉄歴史地区 (Soho Cast Iron Historic District) に見受けられる。建築家が鋳鉄を好んだもう一つの理由は、分厚いレンガ造り (あるいは石造り) の柱 (masonry building) が支えることができる重さを、細い鋳鉄の柱が支えることができたためであり、これにより工場のような実用的な建物のフロアスペースを開放し、礼拝や講堂の建物を広々させたのである。ニューヨーク州のウォーターヴリート (Watervliet) の歴史的な「アイアン・ビルディング」(Iron Building) は鋳鉄製の建物である。

訳注

別の重要な用途は繊維工場であった。綿、麻、羊毛を紡ぐため、ここの空気には燃えやすい繊維が漂っていたのである。その結果、繊維工場は焼け落ちる傾向が極めて高かったのである。解決方法は、工場を全く燃えない材料で建設することであり、建物を鉄の枠組み、多くは鋳鉄、で建設することが都合がよいことがわかった。これによって燃えやすい木材に取って代わった。このような最初の建物がスロップシャー (Shropshire) のシュルーズベリー (Shrewsbury) のディザーリントン (Ditherington) にあった。多くのそれ以外の倉庫が鋳鉄の柱と梁で建設された。しかしながら、デザイン上の欠陥、梁の欠陥、あるいは過積載によって、多くの崩壊があった。

訳注

ディザーリントンの昔の亜麻糸工場、鉄骨 (iron frame) で建設。

ディザーリントンの Google マップ

産業革命の間、鋳鉄は機械のフレーム等の固定部に広く使用された。これには繊維工場 (textile mill) の紡績機と後には織機が含まれる。鋳鉄は幅広い材料となり、多くの町には産業用の機械や、農業用の機械を作るための鋳造工場があった。


テイ鉄道橋、崩壊前	テイ鉄道橋、崩壊後	テイ鉄道橋、現代


コールブルックデールのアイアンブリッジ	シュルーズベリー運河の水道橋


チャーク水道橋	ポントカサルテ水道橋