ダマスカス鋼
13世紀のペルシャで鍛造されたダマスカス鋼の剣のクローズアップ

ダマスカス鋼（アラビア語：فولاذ دمشقي、ローマ字：  fūlāḏ Damašqiyy ）は、近東でウーツ法を用いて鍛造された歴史的な剣の刃に用いられた高炭素るつぼ鋼である。流水を思わせる独特の縞模様や斑紋が特徴で、時には「梯子」や「バラ」模様となることもある。ダマスカス鋼は強靭で、破損しにくく、研ぎ澄まされた鋭く弾力のある刃先に仕上げることができるとされていた。[ 1 ]

もともとは南インドとスリランカから来ており、そこで最初に製鉄技術が開発されました。[ 2 ] [ 3 ]アラビア語では、新ペルシア語以前のpōlādから鋼鉄を意味する言葉を採用しました。

「ダマスカス鋼」という用語は、中世の都市ダマスカスに由来しており、おそらく初期の焼印の例として考えられます。しかし、現在では、多くの剣、あるいは少なくとも鍛造に使用された鋼塊は、他の地域から輸入されたという見解が一般的です。

ネーミング

「ダマスカス鋼」の名称の由来は議論の的となっている。イスラム学者のアル＝キンディー（フルネーム：アブ・ヤアクーブ・イブン・イシャク・アル＝キンディー、西暦800年頃～873年）とアル＝ビルニー（フルネーム：アブ・アル＝ライハン・ムハンマド・イブン・アフマド・アル＝ビルニー、西暦973年頃～1048年）は、どちらも剣や剣用の鋼について、表面の外観、生産または鍛造の地理的な場所、あるいは鍛冶屋の名前に基づいて著作を残しており、それぞれが「ダマスカス」または「ダマスカス」の剣についてある程度言及している。

アル・キンディーとアル・ビルーニーによると、鋼鉄の文脈における「ダマスカス」という用語の出典として考えられるのは 3 つあります。

  • 「ダマス」という言葉はアラビア語で「水をかけた」という意味の語源で[ 4 ]、「水」はアラビア語で「ma」[ 5 ]であり、ダマスカス鋼の刃は表面に水の模様が現れることが多いと表現され、多くの言語で「水をかけた鋼」と呼ばれることが多い。
  • アル・キンディーはダマスカスで生産され鍛造された剣をダマスカス剣と呼んだが[ 6 ]、これらの剣には鋼に模様があるとは記されていない。
  • アル＝ビールニーは、るつぼ鋼で剣を作ったダマスキという名の刀鍛冶について言及している。[ 7 ]

最も一般的な説明は、シリアの首都であり、古代レバント地方最大の都市の一つであったダマスカスにちなんで鋼鉄が名付けられたというものです。これらの剣の多くが販売されたダマスカスでは、るつぼ鋼が現地で生産されていたという証拠はありませんが、輸入鋼がダマスカスで剣に鍛造されていたという証拠があります。[ 8 ] [ 9 ]この名称は、初期のブランド化の形態であった可能性があります。

「ダマスカス鋼」は、ダマスカスで直接製造または販売されている刀剣を指す場合もあれば、ダマスク織物（これもダマスカスにちなんで名付けられている）[ 10 ] [ 11 ]と同様に、刀剣の表面に特徴的な模様がある刀剣を指す場合もあります。

歴史

ダマスカスの刀鍛冶、1900年頃

ダマスカス鋼の刃は、南インド（現在のテランガーナ州、タミル・ナードゥ州、カルナータカ州、ケララ州）から輸入されたウーツ鋼の塊から近東で初めて製造されました。 [ 12 ]アル・キンディーは、輸入された鋼に加えて、ホラーサーン地方[ 13 ]（ムハッラールとして知られる）でもるつぼ鋼が作られていたと述べています。 [ 14 ] [ 6 ]また、インド国外、例えばメルヴ（トルクメニスタン）やヤズド（イラン）でもるつぼ鋼の国内生産が行われていました。[ 15 ] [ 16 ]

ウーツ鋼/ウック鋼は、インド（特にゴルコンダ）とスリランカで刃物に加​​工されたほか、ホラーサーン、エスファハーンなどのさまざまな生産拠点にインゴットとして輸出され、刃物の製造に鋼が使用されました。また中東全域にも輸出されました。

アラブ人はダマスカスにウーツ鋼を持ち込み、そこでは武器産業が栄えました。[ 17 ] 3世紀から17世紀にかけて、鋼塊は南インドから中東へ輸送されていました。[ 18 ]

西蛮（シーファン）が産出するビン鉄は特に良質である。『宝蔵論』にはこう記されている。「鉄には五種類ある…（最初の二種類は湖北省と江西省産である。）」ビン鉄はペルシャ（波斯）で産出され、非常に硬く鋭いため、金や玉を削ることができる…（最後の二種類は山西省と西南地方産である。）」[ 19 ]

— 李時珍

伝説

ダマスカス鋼の評判と歴史は、刃先を傷つけずに鉄の棒を切断する能力など、多くの伝説を生み出しました。また、関連するウーツ鋼で作られた剣は、刃に落ちる絹糸の束を切断できたと言われていました。[ 20 ]

『ベオウルフ』の中でベオウルフがグレンデルの母を殺すために使った刃は、いくつかの現代英語訳では「ダマスカスの刃」と表現されている。[ 21 ] [ 22 ]

かつては、鋼は奴隷の背中と太腿に6回突き刺すことで硬化する、という誤った考えがありました。この誤解は、1894年11月4日付のシカゴ・トリビューン紙に掲載された「ダマスカス鋼の焼き入れ」と題された記事に端を発しています。記事には、「フォン・オイレンシュピーゲル教授」という人物が「古代ティルスの遺跡の中で」巻物を発見したと記されています。「オイレンシュピーゲル」とは、中世ドイツの伝説的ないたずら者の名です。[ 23 ]

材料および機械的特性

工具製造に使われる鋼について書いた OM Becker は、1910 年に、古代のダマスカス合金は焼き入れの品質において彼の時代でさえ比類のないものであると主張しました。[ 24 ]しかし彼は、現代の電気鋼はダマスカス鋼を含むカテゴリーのるつぼ鋼よりも優れていると言われていると述べています。[ 25 ]ダマスカス鋼の製造工程と、ダマスカス鋼に含まれるタングステン、ニッケル、マンガンなどの微量の元素は、現代の高速鋼にも使われていますが、これらの元素により、刃は非常に柔軟で同時に非常に硬いものとなり、その年代を考えると並外れた品質となっています。[ 26 ]実際、現存する模様付きのるつぼ鋼の剣は、弾性限界を超えて曲げられた後も曲がりを維持するように焼き入れされていることがよくありました。

ヴァーホーヴェン、ピーターソン、ベイカーは、ダマスカス鋼の機械的特性評価を行い、引張試験と硬度試験を実施した。[ 27 ]彼らは、ダマスカス鋼の機械的特性は、1.0重量%炭素を含む熱間圧延鋼棒とほぼ同等であることを発見した。平均降伏強度は740MPaで、熱間圧延鋼の降伏強度550MPaよりも高く、平均引張強度1070MPaは熱間圧延鋼の引張強度965MPaよりも高かった。

これらの結果は、ダマスカス鋼のパーライト間隔が微細化され、微細構造が微細化されたためと考えられます。伸び率と絞り率も、熱間圧延鋼の平均値をわずかに上回りました。ダマスカス鋼のロックウェル硬度は62～67の範囲でした。これらの機械的特性は、材料を構成する鋼種から予想される特性と一致しており、元の鋼種によって設定された上限と下限の間にあります。

折りたたみ

別の研究では、1075鋼と15N20鋼から製造されたダマスカス鋼の特性を調査しました。これらの鋼は炭素含有量がほぼ同量ですが、15N20鋼には2重量%のニッケルが含まれています。[ 28 ] 1075鋼は高強度ですが靭性が低く、パーライト組織を持つことで知られています。一方、15N20鋼は高靭性で、フェライト組織を持つことで知られています。得られた積層ダマスカス鋼の機械的特性は、製造時に54折り曲げたサンプルと250折り曲げたサンプルで評価されました。

シャルピーVノッチ衝撃試験では、54折りサンプルの衝撃靭性は4.36 J/cm 2であったのに対し、250折りサンプルの衝撃靭性は5.49 J/cm 2であった。引張試験では、両方のサンプルの降伏強度と伸びはそれぞれ約475 MPaと3.2%で同様であった。しかし、54折りサンプルの最大強度は、250折りサンプルの最大強度よりも著しく低かった（750 MPa対860 MPa）。この研究は、折り畳みプロセスが鋼の機械的特性に大きな影響を与え、折り畳み数が増えるにつれて靭性が増加することを示しました。[ 28 ]この効果は、ミクロ組織の薄化と微細化によるものである可能性が高く、最適な特性を得るためには、鋼を数百回折り畳む必要があります。

他の鋼から作られたダマスカス鋼のさらなる研究でも同様の結果が示され、折り畳みの数が増えると衝撃強度と靭性が向上することが確認され、この発見は高温にも拡張されました。[ 29 ]また、ダマスカス鋼の機械的特性を元の材料と比較したところ、ダマスカス鋼の特性は2つの構成鋼の特性の中間に位置し、複合材料の特性と一致していることがわかりました。

ラミネート加工とバンド加工

積層体や帯材の加工と設計も機械的特性に大きな影響を与える可能性がある。焼戻し温度や鋼の焼入れ液の種類に関わらず、ダマスカス鋼の衝撃強度は、帯材の方向に対して垂直に衝撃を受けた場合の方が、帯材の方向に対して平行に衝撃を受けた場合よりも大幅に高くなる。[ 30 ]

これはダマスカス鋼の破壊メカニズムに起因しており、亀裂は2つの構成鋼の界面に沿って最も速く伝播します。衝撃が帯に平行に作用すると、亀裂は積層界面に沿って容易に伝播します。衝撃が帯に垂直に作用すると、積層界面は効果的に保護され、亀裂を方向転換させ、亀裂が材料を伝播するために必要なエネルギーを増加させます。帯の配向は、変形を防ぎ、靭性を高めるように選択する必要があります。

冶金プロセス

るつぼ鋼「ダマスカス」を冶金構造[ 5 ]に基づいて識別することは困難であり、るつぼ鋼を他の種類の鋼と1つの基準だけで確実に区別することはできないため、るつぼ鋼の以下の識別特性を考慮する必要があります。

これらの定義によれば、るつぼ鋼の現代の再現[ 8 ]は歴史的な例と一致している。

銑鉄：西夷人が産出する。螺旋状の模様を持つものもあれば、胡麻模様や雪の結晶模様を持つものもある。ナイフや刀を拭いて「金糸」ミョウバンで処理すると、この模様が現れる。その価値は銀よりも高い。[ 31 ]

— 曹昭

炭素の添加

るつぼ鋼のマクロ断面 (左) と擬似カラー ラベル (右)。炭化物形成元素 (CFE) が豊富なラフト (クラスター化したセメンタイト球状体、および分離したセメンタイト球状体の原因) を示しています。

ウーツ鋼のインゴットを得るための製錬工程では、木質バイオマスや葉が、微量合金元素を豊富に含む特定の種類の鉄とともに、浸炭添加剤として使われていたことが知られています。これらのインゴットはさらに鍛造され、ダマスカス鋼の刃へと加工されました。現在、研究により、カーボンナノチューブは植物繊維から得られることが示されており[ 32 ]、鋼の中でナノチューブがどのように形成されたかを示唆しています。専門家の中には、より詳細な分析が進むにつれて、より多くの遺物からこのようなナノチューブが発見されることを期待する人もいます[ 33 ] 。

ウーツ鋼は、ビルニによって「シャブルカン」（硬鋼、おそらく白鋳鉄）と「ナルマハン」（軟鋼）を使用した共融合プロセスで作られたとも言及されており、[ 34 ]どちらも高炭素および低炭素ブルーム鉄、または鋳鉄を含む低炭素ブルームのいずれかの形態であった。[ 35 ]このようなるつぼレシピでは、必要な炭素含有量を提供するために植物材料を追加する必要はなく、したがってセメンタイトのナノワイヤやカーボンナノチューブは植物繊維の結果ではなかったであろう。

現代の研究

ドイツの研究チームは2006年にダマスカス鋼で鍛造された刃物にナノワイヤとカー​​ボンナノチューブが含まれていることを明らかにする報告書を発表しましたが、 [ 36 ] [ 33 ] [ 37 ] 、アイオワ州立大学エイムズのジョン・ヴァーホーヴェンは、るつぼ鋼にナノワイヤが含まれていることを報告した研究チームは棒状に存在するセメンタイトを見ていたと示唆しており、棒状構造にはカーボンナノチューブは含まれていない可能性があります。[ 38 ]

技術の喪失

これらの模様付き剣の生産は徐々に減少し、1900年頃には停止した。最後の記録は1903年にスリランカでクーマラスワミによって記録されたものであった。[ 5 ] 18世紀と19世紀の銃工の中には、模様溶接された銃身を「ダマスカス鋼」と呼んだ者もいたが、るつぼ鋼は使用していなかった。この衰退を説明するために、いくつかの現代理論が提唱されている。

  • この鋼の貿易は距離が遠いため、貿易ルートの長期間にわたる中断によりダマスカス鋼の生産が終了し、最終的にはその技術が失われる可能性があった。
  • 鋼の生産に必要な材料に含まれるタングステン、バナジウム、マンガンなどの炭化物形成元素の主要な微量不純物は、その材料が異なる生産地域から入手された場合、またはこれらの主要な微量元素が欠如している鉱石から製錬された場合、必要ない可能性がある。[ 8 ]
  • 特定の温度で最初の鍛造を行った後に制御された熱サイクルを行う技術も失われ、その結果、鋼に最終的なダマスク模様が形成されなかった可能性があります。[ 8 ] [ 9 ]
  • イギリス領インド帝国による生産税や輸出禁止といった形での鉱業と鉄鋼生産の混乱も、主要な鉱石源や主要な技術に関する知識の喪失につながった可能性がある。[ 39 ]

現代の推測

ダマスカス鋼の成分中にカーボンナノチューブが含まれているとされる発見が事実であれば、ウーツ鋼の生産は鉱石源の喪失や技術的知識の喪失により中止されたという仮説を裏付けるものとなる。カーボンナノチューブの沈殿は、生産技術や原材料が大幅に変更された場合、再現が困難な特定のプロセスによって生じたと考えられるためである。[ 40 ]カーボンナノワイヤが発見されたという主張は、その後の研究によって確認されておらず、観察されたナノワイヤが実際にはセメンタイト球状体から形成された引き伸ばされた筏なのかロッドなのかについては、学者たちの間でも議論がある。[ 38 ]

現代におけるこの金属の複製の試みは、原材料や製造技術の違いにより必ずしも完全に成功したとは言えないが、現代では、オリジナルのダマスカス鋼と一致する、表面に目に見える炭化物の縞模様を持つ過共析るつぼ鋼を製造することに成功した者が数人いる。[ 8 ] [ 9 ] [ 41 ]

現代の複製

ドイツで製造された現代の「ダマスカスナイフ」の模様。
現代の「ダマスカスナイフ」の模様のクローズアップ
現代の「ダマスカスナイフ」

考古学者たちは実験考古学を用いてダマスカス鋼の再現に取り組んできました。多くの人が、ダマスカス鋼の製造方法を 解明したり、リバースエンジニアリングしたりしようと試みてきました。

モラン：ビレット溶接

パターン溶接（複数の異なる部品を鍛接して刃を溶接する）というよく知られた技術は、ダマスカス刃に見られるような表面模様を生み出すため、現代の鍛冶屋の中には、オリジナルのダマスカス刃はこの技術を用いて作られたと誤解する者もいました。しかし今日では、ウーツ鋼とパターン溶接の違いは十分に文書化され、よく理解されています。 [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]パターン溶接鋼は、1973年に刃物職人ウィリアム・F・モランがナイフメーカーズ・ギルド・ショーで「ダマスカスナイフ」を発表して以来、「ダマスカス鋼」と呼ばれています。[ 45 ] [ 46 ]

この「モダン・ダマスカス」は、数種類の鋼と鉄のスライスを溶接してビレットを形成したもので、現在では「ダマスカス」という用語は（技術的には正しくないが）、業界では現代のパターン溶接鋼刃を指すのに広く受け入れられている。[ 47 ]パターンは、鍛冶屋がビレットをどのように加工するかによって異なる。[ 46 ]ビレットは引き伸ばされ、必要な数の層が形成されるまで折り畳まれる。[ 46 ]モランが設立したアメリカ刃物職人協会でマスタースミスの資格を得るには、鍛冶屋は最低300層のダマスカス刃を鍛造しなければならない。[ 48 ]

ヴァーホーベンとペンドレー：るつぼ

JD VerhoevenとAH Pendrayは、ダマスカス鋼の元素、構造、外観の特徴を再現する試みについて論文を発表しました[ 49 ] 。 [ 8 ]彼らは、インド産のオリジナルのウーツ鋼の特性と一致する鋼塊から始めました。この鋼塊は、VerhoevenとPendrayが入手できた数多くのオリジナルのダマスカス刀の特性とも一致していました。

ウーツ鋼は柔らかく焼きなましされた状態にあり、過共析状態に起因する結晶構造とセメンタイト球状体中の純粋な炭化鉄の粒を有していた。バーホーベンとペンドレーは既に、鋼の表面の結晶粒が炭化鉄の結晶粒であることを突き止めていた。彼らの目標は、ダマスカス鋼の刃に見られる炭化鉄の模様をウーツ鋼の結晶粒から再現することだった。

このような材料は低温加工することで、模様溶接されたダマスカス鋼と同様に、フェライト／パーライトとセメンタイトの球状帯が混在する縞模様のダマスカス模様を形成できるものの、炭化物を溶解させるほどの熱処理を加えると、この模様は永久に破壊されると考えられていた。しかし、ヴァーホーヴェンとペンドレーは、真のダマスカス鋼のサンプルにおいて、熱サイクルと中温での熱操作によってダマスカス模様を回復できることを発見した。[ 50 ]

研究者たちは、炭化物形成元素（その一つであるバナジウム）は、鋼が炭化物を溶解するのに必要な温度よりも高い温度に達するまで分散しないことを発見した。したがって、高温処理によって炭化物に関連する模様の視覚的証拠は除去できたものの、炭化物形成元素の根底にある模様は除去できなかった。

その後、炭化物が再び安定する温度で低温熱処理を施すと、それらの元素が炭素と結合し、その場所にセメンタイト球状体が偏析することで、構造を回復できる可能性がある。

鍛造後の熱サイクルは、炭素が炭化物形成体よりもはるかに速く移動するため、これらの炭化物形成体上に炭素を凝集させる。熱サイクルの進行は、オストワルド成長を介してセメンタイト球状体の粗大化をもたらす。セメンタイト／球状化帯を利用したパターン形成の代替形態は、2022年に同じ研究者と鉄鋼メーカーのニコ・ヒュニネンによって共同で説明された。[ 51 ]

アノソフ、ワズワース、シャービー：ブラート

ロシアの年代記には、ブラット鋼と呼ばれる素材が剣、ナイフ、斧などの高価な武器の製造に使用されていたことが記録されています。ロシア皇帝ミハイルは1621年にブラット鋼製の兜を製作させたと伝えられています。ブラット鋼の正確な起源や製造工程は不明ですが、ペルシャやトルキスタンを経由してロシアに輸入されたと考えられており、ダマスカス鋼と類似しており、おそらく同じものだったと考えられます。パベル・ペトロヴィッチ・アノソフは19世紀半ばにこの工程を再現することに成功しました。ワズワースとシャービーもブラット鋼の再現について研究し[ 9 ]、1980年にその結果を発表しました。

セメンタイトの結晶構造。鉄原子は青、炭素原子は黒で示されています。

追加調査

ドレスデン工科大学の研究チームは、 X線と電子顕微鏡を用いてダマスカス鋼を調べた結果、セメンタイトナノワイヤ[ 52 ]とカーボンナノチューブ[ 36 ]の存在を発見した。ドレスデンチームのメンバーであるピーター・パウフラー氏は、これらのナノ構造は鍛造プロセスの結果であると述べた。[ 33 ] [ 53 ]

サンダーソンは、鍛造と焼きなましのプロセスがナノスケールの構造の原因であると提案している。[ 53 ]

ドイツの研究者たちは、従来の折り曲げや鍛造ではなく、レーザー積層造形技術によって高強度ダマスカス鋼を製造する可能性を調査しました。 [ 54 ]得られたサンプルは、引張強度1300MPa、伸び10%と、古代のダマスカス鋼よりも優れた機械的特性を示しました。

銃の製造において

20 世紀初頭より前は、散弾銃の銃身はすべて、細い鉄鋼片を加熱し、心棒の周りに成形することで鍛造されていました。[ 55 ] [ 56 ]この工程は「ラミネート」または「ダマスカス」と呼ばれていました。[ 55 ] [ 56 ]このタイプの銃身は脆弱であるという評判があり、現代の無煙火薬や中程度の威力の爆薬と一緒に使用することは想定されていませんでした。[ 56 ]ダマスカス鋼に似ていることから、ベルギーとイギリスの銃器メーカーによって高級銃身が製造されました。[ 55 ] [ 56 ]これらの銃身には証明マークが付いており、軽い圧力の弾薬で使用することを目的としています。[ 55 ]現在の銃器メーカーは、コルト M1911ピストルのスライドアセンブリやトリガー、セーフティなどの小部品を、渦巻状のツートン効果を生み出す粉末スウェーデン鋼で製造しています。これらの部品はしばしば「ステンレスダマスカス」と呼ばれます。[ 57 ]

参照

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出典

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