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ここにまとめた研究に関して、貴重なコメント、アイデア、実用知識、助力をいただいたArtesis大学カレッジの教授兼金属保存修復学部長Patrick Storme、Seerp Visser、Dirk Anthierens、Gotscha Lagidse、Zaqro Nonikashviliに感謝します。

はじめに

1鉄は初めて使われて以来、人間の進化において非常に重要な役割を担ってきた。 冶金学の発展や、我々の祖先が持っていた鉄や鋼に関する知識は、国家の興亡に欠かせないものであった。 この素材の歴史的な種類としては、ダマスク鋼やダマスカス鋼が最も有名であり、興味をそそられるものである。 ダマスカス鋼は、魔法に近いと信じられたその特徴で有名になった。 7667>

2要するに、るつぼ鋼は硬いけれども柔軟で、特殊な外観を持っている。 その物理的性質は、本稿の2.1で詳述した特殊なミクロ構造によって説明できる。 外観の特徴は、研磨・エッチングされた鋼材の表面に形成される模様で、これらの微細構造によって構成されている。 ill.2, ill.1のルツボ鋼サーベルのダマスク模様 図1 KLM-MRA所蔵のるつぼ鋼製サーベル

3るつぼ鋼の歴史は長く、興味深いものであり、膨大な文献に網羅されている。 この伝説的な鋼は、インド（Verhoeven, 2003）またはパキスタン（TR Anantharamu, 1999）を起源とし、我々の時代の初め頃に初めて生産されたと一般に受け止められている。 その後、現在のトルクメニスタンやウズベキスタンなど、中央アジアの一部地域でも生産されるようになった。 るつぼ鋼の製造技術は、20世紀のどこかで失われたと一般に考えられている（Fedosov, 2007）。 筆者らの知る限り、完全に失われたと思われていた鋼の再現に成功した最初の人物は、旧ソ連に住んでいたはずである。 ロシア出身のV.I.バソフ（Fedosov, 2007）とグルジア出身のバドリ・アマグロベリ教授（Amaglobeli, 1984）である。 アマグロベリは、1984年にこのテーマで非常に詳細な、しかし西側諸国では知られていない博士号を書いた。 その少し後に、グルジアのDr. John Verhoevenと鍛冶屋のAlfred Pendrayは、おそらくソ連での研究を知らずに独自の研究を行い、大きな成功を収めた（Verhoeven and Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998）。

5 るつぼ鋼の歴史的証拠を集中的に研究することによって、元の生産方法に関する多くの情報が、誤りであるか、不完全であるか、信頼性がないという結論に達することができた。 今日、私たちが知っている製造技術に関するある種の事実は、主に19世紀の旅行者ブキャナン（Buchanan, 1829）、パーシー（Percy, 1864）、ボイジー（Voysey, 1832）などによる少数の歴史記述と、西洋科学者のジョン・バーホーベンやアルフレッド・ペンドレイによるこのテーマに関する膨大な研究（J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven and Pendray, 1992）からきているのです。 前者の旅行者はいずれもインドでの鋼の製造方法を記述しており、中央アジアでの製造方法については、筆者の知る限り、1841年のマサラスキーの記述（Khorasani, 2006）が唯一の個人的な記述であった。 その他の情報は、広く金属組織学（Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov and Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007）および考古学（TR Anantharamu, 1999; Rehren and Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994）研究によって見出されている。

6 この研究では、るつぼ鋼製造プロセスのうち、いくつかの決定的ステップについて詳しく検討した。 この古冶金学的研究のために、歴史的、観察的、実験的な実地手法が用いられた。

実験的な古冶金研究

7 実験考古学において、古冶金研究は比較的新しい分野である。 実験考古学は比較的新しい学問分野であり、通常、研究課題に答えるために実験を行う。 実験を行うことで、我々の祖先がどのように生活し、働き、考えていたのか、新たな情報を得ることができる。 重要なことは、これらの技術は、ある理論に対する実際の証明や確固としたデータを与えるものではないことが多いのですが、新しい洞察を与えることができるということです。 言い換えれば、実験が歴史的記述に対する考察を与えてくれるかもしれないのです。

8 古冶金学の実験的手法を用いる学術機関としては、イギリスのハル大学やエクセター大学、スペインのマドリード自治大学、オランダのフローニンゲン王立大学がある。

るつぼ鋼と実験研究

9 鋼は純粋な状態では鉄と炭素の結合に過ぎないので「炭素鋼」と呼ばれる。 炭素は鋼の硬度と靭性に特別な影響を与え、一般に炭素が多いほど鋼は硬く（脆く）なると言えるが、その限界は炭素6,76%である。 この点を超えると、合金は割れて粉々になり、それ以上の一貫性を持たなくなる（Budinsky and Budinsky, 2005）。 るつぼ鋼は、炭素の割合が重量で1〜2％という極めて純度の高い高炭素鋼で、価値の高い武器や鎧、道具に好んで使われた。 図1：KLM-MRA所蔵のるつぼ鋼製サーベル（Klaas Remmen）は、るつぼ鋼からよく作られた武器である「シャムシール」を示している。 この典型的な超共沸鋼の組成は、特定のミクロ構造を形成することができ、これが鋼の優れた切削能力とエッチングされた表面の美観の両方を担っている。

10炭素の含有量が多いと、鋼の中にセメンタイトと呼ばれる非常に硬くてもろい組織が形成される。 るつぼ鋼は炭素が多いため、セメンタイトが多く、力を加えると刃が欠けてしまい、刃物の用途にはあまり適さない。 そこで古代の鍛冶職人は、複雑な鍛造サイクルを用いることで、硬いセメンタイト組織を球状にして線状にまとめ、その周りの軟らかい鋼のマトリックスを硬くすることに成功したのである。 その結果、鍛造品は強靭で打撃に強くなり、整列したセメンタイト粒子は刃先のマイクロソーのような働きをするようになった。 古代のるつぼ鋼の表面を研磨したり、エッチングしたりすると、セメンタイト粒子の集団が、白く蛇行した線を構成しているのがわかる。 この線は鋼のダマスクと呼ばれ（J.D. Verhoeven, 2001）、図2の図1のるつぼ鋼のダマスクに示されている。

11 るつぼ鋼を異なる手法で作る実験から始め、様々な段階と側面を研究してきた。 そのひとつが、いわゆる「ジョージアン」るつぼ鋼の技法である。 この技法は、10年以上にわたってるつぼ鋼の実験を行ってきたグルジアの名工、ザクロ・ノニカシュヴィリ博士によって開発された。 2010年11月、ベルギーのアントワープで開催された「るつぼ鋼シンポジウム」で、その技法を披露してくれたのです。 るつぼ鋼を得るための他のメカニズムと同様に、この技法も低炭素の鉄と炭素源が熱化学的な条件下で結合し、密閉されたるつぼの中で鋼を形成する。 しかし、グルジアの技術は、他の既知のるつぼ鋼の製造方法とは明らかに異なっている。 本論文では、この技術を紹介し、考古学的な発見をもとに歴史的な考察を行う。 続いて、実験的研究に使用された方法論について説明する。

Georgian crucible steel technique

12Georgian crucible steel techniqueでは、一定量の低炭素鉄を2等分して使用する。 実験では純鉄を使用した。 鉄片の半分を粘土質のルツボに入れ、平均融点1200℃前後の砂やガラスで覆った。 この上に木炭を重ねる。 鉄の残り半分も、鉄と炭を交互に重ねて坩堝に入れ、最終層または最上層は炭でなければならなかった。 そして、坩堝の真ん中に小さな穴を開けた蓋をして密閉する。 坩堝への装入方法は、図3: 坩堝の断面と装入の様子 (Seerp Visser). 図中の黒い部分は木炭、赤い部分は鉄、緑の部分はガラスや砂を表している。 3 るつぼの断面と装入物

この図は、ジョージアン様式のるつぼの装入物の断面を示しており、黒い部分は炭、赤い部分は鉄、緑の部分は砂またはガラスを表している

クレジット : Seerp Visser

13石炭やガスの炉で坩堝を焼くと、坩堝内の温度は1200℃に達し、砂やガラスが溶け始め、鉄のチャージの下半分の上に粘り気のある塊を形成する。 この粘着性のある塊は、基本的に溶けたガラスで、鉄の下半分が上の炭に浸炭するのを防ぐ。 鉄の上半分はガラスの上にあり、フィックの法則に従って、温度が上がるにつれて周囲の木炭から炭素をより速く拾い始める（Ashby, Shercliff and Cebon, 2007）。

14この過程で、るつぼの中の鉄はどんどん炭素を拾い、全体の温度は+-1500℃まで上昇する。 やがて元の低炭素の鉄片は、鋳鉄の範囲の高炭素合金になる。 鉄と炭素の合金は、炭素が多くなると融点が下がるため、鋳鉄の破片は溶けてしまう。 溶けた鉄合金は、炭やガラスの破片を伝って、さらにるつぼの底に滴り落ちていきます。 溶けた鋳鉄は、軽い炭とは異なり、溶けたガラスの「フィルター」を通過して、鉄の装入物の下部の周囲に沈む。 高温のため、鉄の下部は周囲の溶けた鋳鉄から炭素を拾い始め、やがて自らも溶けてしまいます。

15この焼成工程は1時間半で終了し、鉄の装入物の上部はすべてるつぼの底に位置するようになります。 このとき、るつぼの底には溶けた鉄があり、その上に溶けたガラスの層があり、これがやはり溶けた鉄が残った炭と反応しないように保護するカバーの役割を果たします。 冷却後、鋼は典型的なるつぼ鋼の構造を形成し、重量で0.8％以上の過共析炭素の割合からなる。 図4 冷却後のルツボ鋼の断面（Klaas Remmen）

Prills and metallographic studies

16 最初の実験の後、ノニカシュヴィリの技術は比較的容易に使えることがわかった。 製鋼残渣は、るつぼの残り、木炭の残り、鋼塊、鉄合金の微粒子が含まれるスラグ層の5つから構成され、このうちスラグ層は、鉄合金の微粒子が含まれる。 このうち、るつぼと木炭は廃棄し、他の部分に焦点を当てた。

17 試料は冷却したダイヤモンドソーで切断し、一般的なマウント樹脂に埋め込んだ。 標準的な金属組織学的手法で1μm級まで研磨し、ニタールでエッチングした。 インゴットから採取した試料は、図5:るつぼ鋼の組織に見られるように、パーライト母相と針状のウィドマンシュテッテンセメンタイトを有する過共析組成を明瞭に示している。

18これらの微細構造は原料るつぼ鋼に典型的であり、古代るつぼ鋼の金相研究（M L Wayman, 1999）と容易に比較することができる（図6：古代スリランカのるつぼ鋼のSEM像（M L Wayman））。

19この構造の試料を鍛造した後、鋼にはセメンタイトのバンディングが見られ（図7）、これがエッチング表面の白いマーク（図8に見られるダマスク）の原因である。

20凝固したインゴットの上には、ルツボ内に見出されたガラスの層が組織的に存在する。これは、材料を装填する際に意図的に加えられたものである。 このガラス層はしばしばインゴットに付着し、上部は灰や炭の破片で覆われているが、これは坩堝内の空気や鋼の浸炭に使われたものでもなく、消費されたものでもない。 また、ノニカシュヴィリ博士の技法では、どの実験でも、Fig.9に見られるように、ガラスの中に鉄合金のプリルが球状に閉じ込められたものが発見された

21これらの液滴は断面が0.1～5mmで、スラグ層全体とその上に位置していた。 ガラス層中の異なる部位から採取されたプリルを金相観察した。 これらのプリルの構造は、高炭素鉄合金であり、炭素の割合は鋳鉄の領域にかなり達していることがわかった。 図10：スラグから発見された鉄合金プリルの構造（Klaas Remmen） 鋳鉄の典型的な構造である灰色の黒鉛のラメラが見える。

討論

22Nonikashvili の手法に従った実験の結果は、特に興味深いものであった。 トルクメニスタンのメルヴにある古代のるつぼ製鉄所の考古学的発見（Feuerbach, 2002）と著しい類似性があることに気がつく。 客観的な比較を行い、古代メルヴの冶金学者がノニカシュヴィリの手法と同様の手法を用いた可能性を示唆した。 この比較は、フォイエルバッハが提供し、彼女の博士論文でアクセス可能なデータで行われる。

The prills

23Excavation evidence shows that the crucibles in Merv was particularly large and had a relatively thin layer of glass on top of the solid solid ingot is Solidified. 生成された鋼は過共析のミクロ組織を示した。 さらに、工房の残骸から、インゴットの上にあったガラス・スラグには、炭素の割合が高い鉄-炭素合金の微粉末が含まれており、過共析鉄と鋳鉄の間の組織であることがわかった。 古代の冶金学者たちは、炭素の割合が比較的低い鉄と、密閉されたるつぼの中で融解させるための炭素源を使ったのだろう。 A. M. Feuerbach博士によれば、他の既知のるつぼ鋼製造技術と異なり、炭素レベルの高い鋳鉄を炭素源として使用したかどうかは、非常に疑わしいとのことである。 フォイエルバッハは、鉄を捕捉した仮説として、スラグ層から見つかった鉄片が、「鋼のCO沸騰」によって溶融金属から投げ出された後、その過程でガラス層に捕捉された可能性を述べている。 この反応は、鋼鉄が凝固して酸素と結合しにくくなったときに起こるもので、よく知られているものである。 冷却されると酸素が炭素と結合し、COバブルを形成し、溶鋼を沸騰させる（Verhoeven, 2007）。 鉄片はスラグ層やるつぼの壁面に捕捉される。 多くの科学者やるつぼ鋼愛好家はこの説を支持している。

25 しかし、もしこれらのプリルが液体るつぼ鋼から発生したものであれば、液体塊から流出した後、鋳鉄構造を得るために炭素レベルを上げなければならないだろう。 つまり、るつぼ内の雰囲気は還元的でなければならず、スラグ層は溶鋼の酸化を防止するために付加されると言われている。 さらに、他のどの公知のるつぼ鋼法においても、るつぼに投入される炭素の量は、どのような形であれ、すべて鋼によって消費されるように計算されている。 理論的には、るつぼのこの部分にプリルを注入しても、反応する炭素はほとんど残っていないはずである。 一方、考古学的なプリルは非常に小さく、高炭素鋼から鋳鉄に変化するためにそれほど多くの炭素を必要としない。 スラグに巻き込まれたプリルは、上空の大気と反応することができなかったのでしょう。

26 実験のスラグ層から発見されたプリルは、おそらく別の起源を持つものであったと思われる。 論理的には、これらのプリルはルツボ装入物の上部に由来し、プロセスが終了して完全に固化する前に溶融ガラス中を移動することができなかったと推測される。

スラグ

27 発掘されたスラグは、周辺の製鉄残渣のスラグと非常によく似ていることが判明した。 このことから、るつぼ鋼に使用された鉄は、近くの製鉄所で得られたもので、その過程で分離したスラグが混入していたと考えられる。 また、スラグを意図的にるつぼに入れ、フラックスとして、あるいは上記のような自己完結型のプロセスでフィルターとして機能させたということも考えられる。 当時使われていたシャフト炉からは、定期的にスラグが採取されている。 シャフト炉スラグの再利用は、砂の使用と異なり、密度が高く、添加したときにルツボ内のスペースを取らないという利点がある。 さらに、シャフト炉スラグの融点は、炉内の鉄が半溶融状態である約1200〜1250℃のときに出銑されたので、前述のフィルターの役割を果たすのに適した範囲にある（Ouden、1988）＜7667＞＜8152＞Simplicity ＜1999＞＜7361＞28 るつぼ鋼製造の既知の技術はすべて、目的のインゴットの炭素レベルを正しい範囲にするための計算または量の経験則を必要としています。 高品質のるつぼ鋼と加工不可能な鋳鉄（炭素2％以上）の違いは、わずか数重量パーセントの炭素の違いにすぎない（Budinsky and Budinsky, 2005）。 ノニカシュヴィリ博士の自己調整システムは、使い方がむしろシンプルで、炭素レベルの正確な計算を必要としない。 7667>

結論

29今回の実験結果は、るつぼ鋼を作るための簡単な技術であり、高剪断の材料を得るのに適していることを示すものである。 実験から得られた冶金活動の跡は、メルヴの考古学的発見と非常によく一致している。 この観察から、古代のメルヴでは同様の自主規制の技法が使われていたかもしれないという印象がある。

30今回の研究は1年間のマスタープロジェクトの一環として行われ、パイロットプロジェクトとしてスタートしたため、異なる技術間の比較をさらに行うための十分な時間や資源がなかった。 例えば、るつぼのチャージの種類や焼成技術も重要な役割を果たすプロセスであり、材料の品質（物理的にも美的にも）に大きな影響を与えることが分かっています。 今後の研究によって、さまざまな理論について、より確かな事実が明らかになることでしょう

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