砂鉄から日本刀ができるまでの化学反応

質問

砂鉄から日本刀ができるまでの化学反応を教えてください。
あれって、熱して叩いて、鉄の純度上げてるだけじゃないですよね？

酸化したり還元したり、どういうわけで硬くなっていくのか知りたいです。
鍛冶の人が叩いたときに飛び散る炭素？も中にあるやつがどういうわけで出てくるのか教えてください。

よろしくおねがいします！

回答No.8

malaytrace

製鉄にあたる部分と、鍛造にあたる部分を分けておかれた方がよいかと思います。安来市の和鋼博物館に行かれると詳しい解説がなされているのですが、砂鉄（四酸化三鉄）と木炭を高温で反応させて、鉄を得る。原理的には高炉による製鉄と大差ないと思いますが、たたら製鉄では炉内に不均一な「けら」という塊の形で得る。これを砕いて、玉鋼、銑、スラグ（「スラグ」とは書いてなかったと思いますが、何と呼んでいたか忘れました）等々と手作業で分ける。
　そのうち玉鋼を鍛造して日本刀がつくられる。こちらは金属材料の本を読んでいただいた方がよろしいでしょう。確か層状の構造になって...記憶があやふやなので、詳しい方や書籍にお任せします。そうして作られた鍛鉄は粘りのある非常に優れた材料になります。不純物の除去に関しては化学反応でしょうが、結晶構造の変化は化学反応かな？同素体とみれば化学反応なんでしょうが。
　刃の部分と本体、というのかな。これらは別の性質が要求されるので、くっつけることになります。確か岐阜県の関で刀匠の方に伺った記憶があります。

お礼

ありがとうございます。
スラグ＝ノロ、ですね。余談ですが現場ではこれでパンケーキを作ります。
製鉄にあたる部分の化学反応をご存知でしたら、教えていただけますか。
砂鉄を鋼に変える還元剤が何なのか、鋼の靭性を担っている微量元素が何なのか、
まだよくわからない部分がありますので。

回答No.7

htms42

＃３
＞鳥取県　古事記の火の川辺の砂鉄
ＦｅＯ　　　　２６．６％
Ｆｅ2Ｏ3　　 ６１．５

ＦｅＯが含まれているという成分表示です。
Ｆｅ２Ｏ３の半分近い量です。
不思議でした。
鉄の酸化物として普通に出てくるのは３種類です。ＦｅＯ，Ｆｅ２Ｏ３，Ｆｅ３Ｏ４です。
鉱石として出てくるのはＦｅ３Ｏ４，Ｆｅ２Ｏ３の２つです。
二価の鉄の鉱石もありますが酸化物ではないと思います。

ふと気が付きました。
Ｆｅ３Ｏ４（四酸化三鉄）を二つに分けているようです。
Ｆｅ３Ｏ４は形式的にはＦｅＯとＦｅ２Ｏ３を１：１で含むとしたものになっています。
でも混合物ではありません。二価の鉄と三価の鉄を含む化合物です。結晶構造もはっきりしています。
鉱石で言うと磁鉄鉱の主成分がＦｅ３Ｏ４です。フェライト磁石の成分でもあります。Ｆｅ２Ｏ３は褐鉄鉱の主成分です。花崗岩の中にも褐色のＦｅ２Ｏ３の部分と黒いＦｅ３Ｏ４の粒の部分とがあるのが分かります。　
砂鉄の色は黒いです。磁石にくっつきます。鉄錆の色ではありません。
現代の製鉄原料は褐鉄鉱ですが「たたら」で作っていた玉鋼の原料は磁鉄鉱です。花崗岩その他の岩石の中に含まれていた磁鉄鉱が岩石の風化とともに細粒となって流れ出し、堆積したものが砂鉄です。砂鉄の鉱床は元の川床のようなところです。岩を砕いて砂鉄を取るのではありません。山砂を掘り崩して水に流して比重の大きい砂鉄分だけを集めます。山を掘り崩すのと燃料用に木を切ってしまうのとの両方で山がものすごく荒れてしまいます。
「たたら」というのは製鉄法の名前のはずなんですが「妖怪の名前」にもなっています。製鉄・鍛冶集団というのは平地の農耕集団に取ってみれば不思議な、恐ろしい存在だったのでしょう。

式量はＦｅＯが７２、Ｆｅ２Ｏ３が１６０ですから
ＦｅＯが全てＦｅ３Ｏ４に含まれている分だとすると
２６．６×１６０／７２＝５９．１
６１．５－５９．１＝２．４
磁鉄鉱として含まれているＦｅ３Ｏ４が８５．７％、褐鉄鉱として含まれているＦｅ２Ｏ３が２．４％という事になります。
砂鉄は岩石の中に含まれている細粒の磁鉄鉱が洗い出されたものですから褐鉄鉱に比べて硫黄、リンの含有量が少ないというのも重要なことのようです。
叩くのを繰り返す操作で残っている硫黄、リンの成分がさらに少なくなります。炭素分の調節も重要なことですがリン、硫黄分の除去というのも重要なことです。

焼き入れは刃先だけに行います。それ以外のところには泥をかぶせて保護します。
炭素含有量の異なる二つの鉄（軟鉄と鋼）の合わせになっているという説明も見たことがありますが確かではありません。昨日、ＴＶで日本製の鉋の刃の製作過程を見ました。レールの鉄や船の錨の鎖の鉄を軟鉄材料として使っていました。叩いて延ばして折り返してを繰り返した後、鋼の板を合わせていました。

お礼

ありがとうございます。
御回答文が随筆か詩のようで、文脈を追うのが大変でした。
鋼を叩くのはリン・硫黄の除去目的なのでしょうか？
リン・硫黄の大方は既にスラグや包丁鉄になっているので、
玉鋼にはもうほとんど残っていないのではないかと考えていましたが、
果たしてどの程度残っているのでしょう。
このあたり、何かご知見あれば教えてください。

回答No.6

nerimaok

>後者は「化学変化」ではなく「混合物」です
ここに明記しふあったんですが、読めなかったようですね。失礼しました。

お礼

わざわざありがとうございます。

回答No.5

anko-1

no.1のanko-1です。

型は、剣を作るまえに、鉄を流しいれて形にするのです。

まあ、どんなプロでも、立派な剣を作るのに、気合できれいにまっすぐ！！ってことは無理かと思われます。

なので、型と、まあ、言い変えれば、形を整えるということです。

ま、私も１００％知っているわけではありませんが。

お礼

古代の銅剣じゃあるまいし、鋳型で鉄刃物を作る例は世界中探してもありませんよ。

回答No.4

okormazd

「砂鉄」といっても、金属の鉄ではありませんから、そのまま化学反応抜きで、金属の日本刀はできません。
砂鉄は、Fe2O3を主成分とする鉄の酸化物やその他の金属、チタンやアルミニウムの酸化物の混合物です。
したがって、これを還元(化学反応です)しないと鉄、鋼はとりだせません。それをするのが製鉄、製鋼で、日本刀用にそれをする装置や操作・技術が「たたら製鉄」です。
この化学反応は、複雑なものですが、結局は酸化鉄の還元だから、

2Fe2O3+3Cや、

Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

FeO+CO→Fe+CO2

などでしょう。

その他のことは、ちょっと長いですが、

http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/index.htm
http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0108.htm
http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp0109.htm
http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp020603.htm
http://www.hitachi-metals.co.jp/tatara/nnp020610.htm

や

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%97%A5%E6%9C%AC%E5%88%80#.E6.97.A5.E6.9C.AC.E5.88.80.E3.81.AE.E8.A3.BD.E6.B3.95

を参照してください。

お礼

ありがとうございます。
日立金属のウェブサイトは大変詳しく、よく読みましたが、
微量不純物（善玉）が無くては日本刀はできないそうで、
そのあたりがよく分からなかったんです。

とはいえ、少し整理することができました。
此処から先は物理とか材料工学になるのでしょうか・・？
また何かご知見ありましたらぜひ教えてください。

回答No.3

Pinhole-09

砂鉄は酸化鉄を主成分とするもので、鉄ではありません。
高熱で炭素（炭）による還元反応で鉄に変えます。
砂鉄の成分分析は数多く行われその一例を挙げます。
鳥取県　古事記の火の川辺の砂鉄
ＦｅＯ　　　　２６．６％
Ｆｅ2Ｏ3　　 ６１．５
ＳｉＯ2 　　　　 ６．２
Ａｌ2Ｏ3　　　 １．２
ＴｉＯ2　　　　　１．１　　　　　　島根県では　約６％もある。　　　　
　　　その他多種

炭と加熱すると
２　Ｆｅ2Ｏ3＋３　Ｃ→　４　Ｆｅ＋３　ＣＯ2
ＦｅＯ　も同様に　Ｆｅ　を生成します。
シリカ、アルミナ、二酸化チタンはこの条件では還元されず、
鉱滓として鉄の表面に付き取り除かれます。
生成した鉄は炭から来た炭素を少し含んで脆いので、これを
加熱して酸化除去するため叩くことを繰り返し、炭素の含量を
減らします。
飛び散る火花は炭素と鉄および、空気にふれて出来る酸化鉄
などでしょう。
これで刀の芯になる軟鉄が出来、表面を焼き入れで堅くして
折れにくく、曲がりにくく、切れ味のよい日本刀ができます。
二酸化チタンや、酸化バナジュウムは少し鉄の中に残って
良い効果を与えるかもしれません。

お礼

たいへん詳細までありがとうございます。
炭と加熱することで還元しているのですね。
そのあとの焼入れで堅くする工程は、化学反応ではなく
金属分子構造の変化でしょうか？
また何か知見ありましたらぜひ教えてください。

回答No.2

nerimaok

あれは「化学反応」では有りません。
砂鉄から不純物を抜く段階での酸化還元及び硬度を上げるための炭素の混入は有りますが、後者は「化学変化」ではなく「混合物」です。

焼き入れや焼き鈍しなどで鉄の結晶構造などの転換が主です。

飛び散るのは酸化した鉄などの不純物ですね。

回答No.1

anko-1

砂鉄をまず溶かして液状にします。（この時点で１０００度近くかと）そして、型に入れ、四角にし、平らに伸ばしていく．．．鉄自体は固いです、空気にあたるとすぐに固まります、なので、火の中にいれ、柔らかくし、また叩く…この繰り返しです。なので、酸化しているわけではありません。

あと、叩いた時に出るのは、おそらく、火のついた、小さな鉄のくず、もしくは、火種です。

って、感じだと思います。

お礼

なにか鍛造と鋳造を混同されているようにお見受けしますね。
いったい和鋼の製法のどこに「型」が出てくるのか、教えていただけませんか。