鉄-鋼 状態図
異なる相の形成に必要な条件が表示されている
Steel - Wikipedia の図を日本語化したもの
以下は
Steel - Wikipedia
の部分訳です。「鋼製造の歴史」の部分を訳したかったのですが、 「材質」の中の「熱処理」の部分を訳す必要があったので、 「材質」の箇所を全訳しています。英語版の Wikipedia で訳していないのは 現代の鋼に関連する部分です。
鋼 (スティール)は鉄とそれ以外の元素 -- もっとも普通には炭素 -- を結合した合金である。 炭素が使用される場合には、鋼における含有率は 0.2% から 2.1% で、 品質に依存する。 他の合金成分として使用されるものに マンガン、クロム、バナジウム、タングステンがある。 炭素やそれ以外の元素は硬化させるために使用され、 鉄の原子の結晶格子が互いにずれる転位 (dislocation) を防止している。 鋼 (スティール)における合金を構成する元素の量とその存在形態 (溶解要素あるいは凝結相) が品質を制御し、鋼 (スティール)の硬さ、延性 (ductility) 、あるいは引っ張り強さ (tensil strength) などの品質に影響を与える。 鋼 (スティール)は炭素の量が増えれば鉄よりも硬く強くなる、しかし鉄よりは延性が低下する。
2.1% 以上の炭素を含む合金は 鋳鉄と呼ばれる。 このように呼ばれるの刃融点が低く、鋳造しやすくなるからである。 鋼は錬鉄とも非常に違っている。錬鉄には少々炭素が含まれているが、 これは (錬鉄に含まれる) スラッグの中に含まれている。 鋼の最も顕著な 2 つの点は、より錆びにくいことと、 より溶接がしやすいことである。
鋼 (スティール) はルネッサンスよりも随分以前に色々な非効率的な方法で生産されたが、 17 世紀にもっと効率のよい生産方法 (訳注： セメント工程のこと) が考案されてからは、より一般的なものとなった。 19 世紀中頃にベッセマー工程が発明されると、 鋼 (スティール) は比較的安価に大量生産されるものとなった。 更に塩基性酸素製鋼法 (basic oxygen steelmaking) などにより、製造法に磨きがかけられて 鉄の品質を上げると共に製造コストが下がった。 今日、鋼 (スティール) は世界で最も普通にある材質の一つであり、 建物、インフラ、道具、船、自動車、機械、装置そして武器の主要なコンポーネントと なっている。 現代の鋼 (スティール) は色々な標準化を推し進める組織により定義された 色々な鋼の等級により識別することができる。
鉄-鋼 状態図
異なる相の形成に必要な条件が表示されている
Steel - Wikipedia の図を日本語化したもの
鉄は地殻では鉱石の形でのみ見出され、 通常は鉄鉱石、例えば磁鉄鉱、赤鉄鉱の形で見出される。 鉄を鉄鉱石から抽出するには酸素を奪って、 炭素のような化学的に望ましいパートナーと結合させる。 この工程は精錬と呼ばれ、 最初はより低い融点を持つ金属に適用された。 例えば、スズはおよそ 250℃ で溶け、 銅はおよそ 1100℃ で解けた。 比較をすると、鋳鉄は 1375℃ で溶けた。 これらの温度は全て古代の方法で到達可能であり、 青銅器時代以来、使用された。 800℃ 以上では酸化率自身が 急速に増大するため、 精錬を低酸素状態で実行することが重大である。 銅やスズと違い、溶けた鉄はすぐにも炭素を吸収するため、 精錬によって得られる合金 (銑鉄) は炭素を吸収しすぎており、鋼とは呼べない。 次の段階で、余剰の炭素と不純物が除去される。
より望ましい性質をもった鋼を製造するために、 鉄と炭素の混合物に、しばしば他の物質も加えられる。 鋼に ニッケルやマンガンを加えると引っ張り強さ (tensile strength) が増大し、 オーステナイト (austenite) を化学的に安定なものとする。 クロムは硬さ (hardness) と融点を増大し、 バナジウムは硬さを増やすが、金属疲労の効果を減少する。 腐食を防ぐためには最低で 11 % のクロムを加えると、表面に硬い酸化物が 形成される、これはステンレス鋼と呼ばれる。 タングステンはセメンタイトの形成を阻害し、 マルテンサイトの形成を助長し、焼き入れの比率を遅くし、 高速度鋼 (high speed steel) となる。 その一方で、イオウ、窒素、リンは鋼をもろくする。 そのため、これらのありふれた元素は処理の間に鉱石から除去しなければならない。
鋼の密度 (density) は合金成分により変動するが、 通常は 7,750 -- 8,050 kg/m3 あるいは 7.75 - 8.05 g/cm3 である。
鋼となる狭い集中領域でさえも、炭素と鋼の混合物は幾つかの 異なる構造を取り、非常に異なる性質を持つ。 これらを理解することが質の高い鋼を作ることに本質的である。 室温では、鉄の最も安定した形は、 BCC (body centeric cubic, 体心立体格子) 構造の α フェライトである。 これは十分に柔らかな金属的な物質で、 炭素はほんの少ししか溶けることがなく、723℃では重量比で 0.021% を越えることはなく、 0℃ では高々 0.005 % である。 もしも鋼が製造過程の温度で 0.021 % 以上の炭素を含むと FCC (face-centered cubic, 面心立体格子) 構造に変化し、オーステナイトあるいは γ 鉄と呼ばれる。 これは同様に柔らかく、金属的であるが随分と炭素を吸収することができ、 1148 ℃では 2.1 % にまで達する。 これが鋼の炭素量の上限である。
最も重要なポリモルフ (polymorphic, 多形) な形態はマルテンサイト (martensite) である。これは準安定 (metastable) な相で、他の鋼の相よりは著しく強固である。 鋼がオーステナイト相の時に焼き入れをすると、マルテンサイトに変わる。 何故ならば、結晶構造が FCC から BCC に変化する時に 原子が一定の場所に「凍結」するためである。 炭素成分の量によりマルテンサイト相は異なる形をとる。 およそ 0.2 % 以下の炭素量では α フェライトの BCC 結晶となり、 より高い炭素量では BCT (body centric tetragonal, 体心正方) 結晶となる。 オーステナイトからマルテンサイトへの遷移には熱力学的なエネルギーは必要ではない。 それどころか、成分の変化がなく、原子は一般に隣同士の位置を保つことになる。
マルテンサイトはオーステナイトよりは密度が低く、相互に遷移することによって 体積が変化する。この場合には体積が増える。 この膨張による内部的なひずみ (stress) は一般的にはマルテンサイトの 結晶には圧縮 (compression) となり、残りのフェライトには伸張 (tension) となり、 どちらの成分にも、随分多くの「せんだん」(shear) を引き起こす。 もしも焼き入れが不適切であれば、内部的なひずみにより、 冷却するにつれ部分的に破壊が起きる。 最低限、内部的な加工硬化やそれ以外の顕微鏡的な欠陥を引き起こす。 水で焼き入れをすれば、ひび割れが起きるのは普通である。 もっとも常に目で見えるとは限らない。
鋼に利用可能な熱処理には色々なものがある。 最も普通なものは焼きなまし (annealing), 焼き入れ (quenching) そして焼き戻し (tempering) がある。 焼きなましは、鋼を十分に高温にして柔らかくする熱処理である。 この工程は 3 段階からなる： 回復 (recovery), 再結晶 (recrystallization) そして結晶粒成長 (grain growth)。 鋼の焼きなましに必要な温度は焼きなましの種類と合金の成分に依存する。
焼き入れと焼き戻しは、鋼をオーステナイト相に加熱して、水やオイルに焼き入れすることに始まる。 この急激な冷却により硬くてもろいマルテンサイト構造となる。 鋼は次に焼き戻し (これは単に焼きなましの特別な場合) をされる。 この適用によって、焼きなまし (焼き戻し) の工程はマルテンサイトの幾つかを セメンタイト (cementite) やスフェロイダイト (spheroidite) に変換して内部的なストレスや欠陥 (defects) を減少させ、究極的にはより延性 (ductile) をもった破損に強い (fracture-resistant) 金属となる。
鋼は古代において知られ、 「塊鉄炉」を適当に処理して -- 精錬できるようにして --- 「塊鉄」が炭素を含むようにした可能性がある。
鋼の製造で最も古いものは アナトリア (Anatoria, カマン・カレホユック, Kaman-Kalehöyük) の考古遺跡で発掘された鉄器で 4000 年前のものである。それ以外の古代の鋼は東アフリカのもので紀元前 1400 年に遡る。 紀元前 4 世紀にはファルカータ (Falcata, 剣の一種) のような鋼の武器がイベリア半島で 製造され、一方、 ノリクム鋼 (Noric steel) はローマ帝国の軍隊で使用された。 戦国時代 (BC 403 BC - BC 221) の中国には焼入れして硬くした鋼があり、 漢時代 (BC 202 - AD 220) の中国では錬鉄と鋳鉄を溶融して、中間の炭素量を持つ 究極の製品 -- 鋼 -- が AD 1 世紀までに製造されている。 東アフリカの ハヤ族は、ある種の高温高炉[爆風炉]を発明し、 これにより1,802 °C で炭素鋼 (カーボン・スチール, carbon steel) をフォージすることができた。 およそ 2000 年前のことである。
1) 第一段落に関して 原文ではここで次の文書を参照しています。
Wagner, Donald B. "Earyl iron in China, Korea and Japan"
2) 第二段落に関して
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インドにおける高炭素鋼 (high carbon steel) の最も早い証拠が スリランカのサマナラウェア (Samanalawewa) 地方に見受けられる。 ウーツ鋼は紀元前 300 年頃のインドで製造された。 鋼をフォージする元々の方法と共に、 中国もウーツ鋼を作るための製造方法を採用した。 このアイデアは紀元 5 世紀にインドから中国に導入された。 スリランカでは、この初期の鋼の製造方法に独特な風炉 (wind furnace) を使用し、 ここに季節風 (モンスーン・ウィンド, monsoon wind) が吹きこまれ、 高炭素鋼を製造することが可能であった。 ダマスカス鋼としても知られるが、ウーツ鋼は、その耐久性と刃先を保持する能力で有名である。 元々は色々な微量元素を含む色々な物質から作られた。 基本的には鉄が主成分である複雑な合金である。 最近の研究で示唆される点はカーボン・ナノチューブもその構成に含まれ、 これにより、その伝説的な品質を説明できるかもしれない。 但し、当時利用可能であった技術を前提にすれば、これはデザインによるというよりは、 むしろ偶然の産物である。 鉄を含んだ土壌が木を燃やして加熱され、ここに自然の風が使用された。 古代のスリランカ人 (Sinhalese) は 2 トンの土壌から、どうにかして 1 トンの鋼を抽出した。 これは当時としては驚くべき快挙である。 このような炉の一つがサマナラウェア (Samanalawewa) に現存し、 考古学者は 2200 年前の古代人がはるか以前にしたと同じ方法で鋼を抽出できたのである。
るつぼ鋼 -- 純粋な鉄と炭素 (典型的には木炭) をゆっくり加熱し、冷却することで形成されるもの -- は 9 世紀から 10 世紀にかけてメルブで製造された。
11 世紀には、中国の宋で 2 つの技術を使用して鋼が製造された証拠がある。 1 つは質が落ちる均一ではない鋼を製造するためのバーガネスク (berganesque) 法、 もう一つは現代の ベッセマー工程の先駆で、 コールド・ブラストの下で繰り返しフォージ (forge) することによって、部分的な脱炭素を利用するものである。
Ancient Iron and Steel Production at Samanalawewa (PDF)
(サマナラウェアにおける古代の鉄と鋼の製造)
中には風炉の絵があります。実験では発掘された風炉と同じように忠実に炉を作り、 なるべく同じ条件で鉄を製造します (炉の向きも大切です)。 する作業は「塊鉄炉」や「たたら製鉄」とほぼ同じようなことです。 しかし、できるものは、およそ半分ほどが大量のスラッグが混じった錬鉄の塊 (塊鉄) で、 残りの半分が比較的スラッグの少ない均一で高品質な高炭素スティールです。
風炉では空気の供給は非常にユニークです。 粘土の羽口 (はぐち, tuyere, 送風管) が風が吹きつける方の炉の壁に取り付けられており、 ここから空気が吹き込むように見えるのですが、これが間違いなのです。 実験の結果わかったことは、 風が炉の上部を吹き通ることにより、 強い ベンチュリ効果が発生して炉の気圧が下がり、空気が羽口から吸引されのです。 しかも炉の上部を吹き抜ける風は炉の上部に泡を生成し、これで炉が密閉され、 還元ガスを炉の内部に閉じ込めるのです。従って、風炉は風を強制的に吹き込む形式の炉ではなく、 風を強制的に吸引する形式の炉で、 しかも極めて効率よく鋼を生成する。 但し、風が強くないといけないので、どこの場所でも同じ方法が適用できるわけではありません。
Cold blast - Wikipedia
17 世紀以来、ヨーロッパの鋼製造の第 1 段階は高炉[爆風炉]で鉄鉱石を銑鉄に精錬することであった。 元々は木炭を使用したが、現代的にはコークスを使用し、これはとても廉価であることが判明した。
この工程では銑鉄が精製炉 (finery forge) で精製されて板鉄 (錬鉄) が製造され、 これが鋼の製造に使用される。
セメント工程による鋼の製造は 1574 年にプラハで出版された論文に記載され、 1601 年から ニュルンベルクで使用された。 表面硬化 (case hardening or surgace hardening) させるための類似の工程が 1589 年に ナポリで 出版された本にも述べられている。 この工程は 1614 年にイングランドにも導入され、 1610 年代に コールブルックデールでサー・バジル・ブルック (Sir Basil Brook) により使用された。 これの原料は錬鉄の板である。 17 世紀には、最も良い鋼はストックフォルムの北のスウェーデンの地方から産出された オアグラウンド鉄からのものであることが理解された。 これは 19 世紀に至っても、いまだに通常の原料であり、 工程が使用される限りにおいてほとんどそうであった。
るつぼ鋼はフォージされるのではなく、るつぼで溶融され、その結果より均質であった。 それ以前の溶鉱炉では鋼を溶かすことができるほど高温に達することがなかった。 近現代 (early modern) の「るつぼ」製鋼産業は 1740 年代の ベンジャミン・ハンツマンの発明の結果である。 気泡鋼 (blister steel) が (セメント工程で製造された後で) 「るつぼ」ないしは溶鉱炉で溶融されて、通常は インゴット (ingot) に鋳造された。
製鋼における現代は 1858 年の ヘンリー・ベッセマーによる ベッセマー工程で開始した。 彼の原料は銑鉄であった。これにより鋼が大量に安く生産されることが可能となり、 それ以前は錬鉄が使用されていた大半の目的に今やマイルド・スティールが使用されるようになった。 ギルクリスト・トーマス (Gilchrist Thomas) 工程 (あるいは塩基ベッセマー工程, basic Bessemer process) は ベッセマー工程の改良版である。何故ならばリンを除くために転炉[変換器]を塩基物で裏打ちしたためである。 製鋼における別の改良はシーメンス・マルタン (Siemens-Martin) 工程で、これはベッセマー工程を補完するものである。
これらは 1950 年代に開発された塩基性酸素製鋼法 (basic oxygen steelmaking) であるリンツ - ドナウィチ (Linz - Donawitz) 工程、 あるいはそれ以外の酸素製鋼法で時代遅れのものとなった。 塩基性酸素製鋼法がそれ以前の製鋼法よりもすぐれていたのは、溶鉱炉に純酸素が吹き込まれ、不純物が 制限されるためである。 今や、電気炉 (electric arc furnace) がスクラップの鉄から新しい鋼を作るための 普通の方法となった。電気炉では銑鉄から鋼を作ることもできるが、 電力を大量 (1 トンあたり 440 kWh) に使用するため、 一般に安い電力が潤沢に供給される場合のみ経済的である。
Carbon steel - Wikipedia ではマイルド・スティール (mild steel) を次のように述べています。
マイルド・スティールは最も普通の鋼の形態で、 価格が比較的安く、多くの用途に適した材質の性質を持っている。 ロー・カーボン・スティール (low carbon steel) はおよそ 0.05 - 0.15 % の炭素を含み、 マイルド・スティールは 0.16 - 0.29 % の炭素を含み、 もろくもなく、延性 (ductile) がない。マイルド・スティールは 引っ張り強さ (tensile strength) は比較的低いが、安く、malleable であり、浸炭すること (carburizing) によって 表面を強くすることができる。
malleable = mallet (つち) で色々な形にすることができる