～その 1～

材料科学の先達

19世紀の Metallurgy の発展と Faraday の合金研究田中和明

Products など，知れば知るほど奥深さに驚かされる．先達

.


は じ

めにの積み上げてきた知識体系，それらを支えてきた努力に畏敬の念が沸き起こってくる．いつの頃からか，筆者の興味は，鉄鋼技術者から見た材料科学

材料科学の歴史と先達の生き様に向かっていった．

筆者は， 30 年あまり製鉄所の最前線で鋼つくりの仕事に従事してきた．高炉の溶銑が転炉で精錬されて溶鋼になり，



材料科学の先達

鋳造で鋼片になり，加熱・圧延・熱処理により鉄鋼製品にな

材料科学は， 20 世紀後半にでてきた言葉である． 18 世紀

る工程を来る日も来る日も見てきた．一度も仕事に飽きたこの自然科学勃興期には，物質の性質探求も元素の発見も物とがない．毎日知らない事象が発生し，新しい経験を積んで理・化学反応も混ざり合っていた．混沌から知識が生まれ，きた．筆者にとって製鉄現場は，興味の尽きない宝箱のよう学問体系に分化し発達してきた．

な場所であった．

近代の材料科学をみても数多くのパイオニアが存在する．

鉄 鋼 の Metallurgy や Process Control, Massproduction や図1

筆者の視点で材料科学の流れをまとめたものが図である．

材料学の歴史年表(1)(2)．

新日鐵住金株式会社技術総括部一貫最適化推進室上席主幹(〒1008071 東京都千代田区丸の内 261)
19th Century Development of the Metallurgy and Faraday's Researches on Steel and Alloys No. 1; Kazuaki Tanaka (Nippon Steel &Sumitomo Metal Corporation, Tokyo)
Keywords: metallurgy, Michael Faraday, Sir Humphry Davy, Robert Hadfield, steel, alloy, wootz
2016年 1 月12日受理[doi:10.2320/materia.55.160]



材料科学のパイオニアたち

年表の年代は1700年から太平洋戦争終戦までの250年間とし成果を 1 世紀ぶりに世に出した Hadfield の三人に着目してた．分野の切り口を「材料科学の爆発」「元素の発見と解釈」論を進める．

「材料工学の奔流」に分けた．各時代を示すキーワードも合わせて示した．この時代は科学技術の発達が急速で，登場人物は膨大である．年表を眺めていると，あちらこちらに教科書の中の知り合いが名を連ねている．先輩から後輩，師から弟子，親から子への科学技術の流れの歴史が繰り返されている．人から人への科学，技術，思想のバトンリレーが起こっている．


Metallurgy 研究者としての Faraday

Faraday の鋼と合金の研究期間は 1819 年～ 24 年である．

この間 Faraday は 4 つの論文を出している(3)．
1819``Separation of Manganese from Iron''
1819``An Analysis of Wootz or Indian Steel''
1820``Experiments on the Alloys of Steel made with a

2 組の材料科学の先達

今回 2 組の材料科学のパイオニアを取り上げる．1 組目は，

view to Its Improvement''(Stodart との共著)
1822``On the Alloys of Steel''(Stodart との共著)

18 世 紀後 半 から 19 世 紀 前半 の 激動 の 歴史 の 中で ， Metal-共著者の James Stodart (17601823)は，企業家であり，英lurgy を作り上げてきた人々の縁の物語である．先駆的な金国王立協会の会員であり，若き Faraday の支援者でもあっ

属学が英国や仏国を中心に発達する中， Humphry Davy のた．

戦火の中の欧州大旅行，そして Michael Faraday の ``Steeland Alloys'' の研究へと進む． Faraday が突如冶金学研究を打ち切り，電磁気学の大家になっていった経緯を，約百年後に，Robert Hadfield が解き明かす．



先駆的な金属学の発展

Faraday の研究に触れる前に，当時の金属学の状況を概観する． 17 世紀から 18 世紀にかけて，英国では冶金研究や実2 組目は，我が国の大学で初めて Metallurgy の講義をし用化が急速に進んでいた．Robert Hadfield(18581940)は，「涅氏冶金学」
た Curt Netto の物語である．Netto の講義は，Faraday の研究に先行するものとして，以下の研究や実験をとして上冊と付図が発刊された．明治時代の Metallurgy とあげている(3)．

幻の下冊の内容を紹介する．また歴史に埋もれた日本金属学の恩人 Netto の離日後の逸話にも触れる．
彼らの業績はあまり世に知られていないが，彼らの先駆的な研究や教育は確実に材料科学の基礎になっている．

.

Michael Faraday の ``Steel and Alloys''

Michael Faraday ( 1791 1867 )(図)は，電磁気の発見・発明で有名であるが，研究者としての最初の仕事は化学分析と合金の研究であった．この章では Faraday と， Faradayを科学の世界に導いた Davy，埋もれていた Faraday の研究

Dud Dudley(英国，15991684)

石炭を用いて初めて溶融鉄を製造．
Simon Sturtevant(英国)

著書「Metallica」で石炭を用いた精錬を紹介．
Sir John Pettus(英国，16131690)

金属学的な研究の著者．
Andrew Yarranton(英国，16161684)

錫めっき板の製造を導入．
Benjamin Huntsman(英国，17041776)

るつぼ鋳鋼の製造を完成．
Abraham Darby(英国，17111763)

高炉の精錬にコークスを使用．
Henry Cort(英国，17401800)

技術者，パドル法と溝付きロールを導入．
William Reynolds(英国，17581803)

鋼製造に酸化マンガンの使用する特許を取得．
David Mushet(英国．17721847)

黒帯鉄鉱石(Black Band Ore)を発見．
James Beaumont Neilson(スコットランド，17921865)

熱風高炉を発明．
Faraday が研究を始めた19世紀初頭の鉄源は，コークス高炉の溶銑，るつぼ製鋼法，パドル法によって得られる鋳鉄，錬鉄およびパドル鉄であった．製鋼法はまだ確立しておらず鋼(Steel)は希少だった．


図2Michael Faraday 肖像写真(3)．
(文献( 3 )の P8 より引用)

ま て り あ 第55巻 第 4 号(2016)
Materia Japan

Sir Humphry Davy(4)Michael Faraday の登場に大いに影響を与えた HumphryDavy は，1778年に英国のペンザンスで生まれた，1801年にであった(3)．

王立研究所の化学教授に就任すると，当時仏国で開発された

1813年10月，Faraday は Davy 夫妻と一緒に欧州大陸旅行ばかりのボルタ電池を用いた溶融電解法を活用し， 1807 年に出かけた．当時の欧州大陸は，戦争の真っ只中であった．にカリウムとナトリウム， 1808 年にはバナジウム，ストロ最初の訪問地であった10月のパリは Napoleon がトラファルンチウム，カルシウムの元素単離に成功し， 1810 年には塩ガの戦いで大敗して逃げ帰った直後で大混乱であった．

素ガスの分解回収に成功した．Davy の名は，当時の紛争国

Faraday による旅行日誌によると，パリには 12 月まで滞在である仏国にも鳴り響いていた． 1804 年に仏国皇帝に即位し，この間 Davy は，パリの実験室を用いてヨウ素実験を行した Napoleon は大陸封鎖を行い，英国と戦争状態にあった．っている．Davy の化学実験を近くで見たことは大きな収穫

1807年にその敵国から，Davy は電気化学の功績を称えて科であった(6)．

学技術功労賞を贈られた． Davy は 1810 年ナイトの称号を得，翌年には准男爵の叙され Sir Humphry Davy となった．



Faraday の「Steel and Alloy」への興味

1812 年には教授職を辞し，それまでの研究成果をまとめた

Faraday の金属研究への強い興味は， 1819 年から 1824 年``Elements of Chemical Philosophy'' を上梓している．まだまでの 6 年間だったと自らの手紙で述べている．後に電磁Science という概念がなく，Philosophy が使われている(5)．

気の発見でよく知られているファラデーが，鋼と合金に深い

この年 Faraday と出会い，実験助手として採用する．

興味を持ったのは幾つか理由があった(3)．

Michael Faraday の生い立ち(4)Faraday は「私は金属労働者の息子で，金属製品の店や金属製品に関わることが好きだ」と手紙中で述べている．彼自Michael Faraday は，1791年ロンドン郊外で金物屋の息子身も自分は化学者だと考えていた．Faraday が，王立研究所として生まれた．製本書店の年期奉公に若くして入り，製本での面談を取り付けた Davy の講義録の一編は金属を扱ってする科学書籍の原稿を読みふけり，科学に興味を持ったと，いた．さらに Davy を化学教授に推した William Brande 教

後に当時を述懐している(3)．

授 が ， Faraday の 研 究 を 見 守 り ， 勇 気 づ け て い た(3) ．

奉公が終わった1811年に Davy の王立研究所市民講座を聴

Brande が1819年に著した「Brande's Manual of Chemistry」

講し科学者を志す．学校教育を受けていない若者は Davy にの鋼の項(改訂版 p339 )には「 Stodart と Faraday が炭化鉄面会を求めた． Faraday は， Davy が行った 4 つの市民講座(a carburet of iron)の分析をしている．Wootz もしくはインの300ページ以上にも及ぶ講義録を自分で製本して贈った．

ド鋼が刃物生産に重要である」との記述がある．また「微量図に Faraday になったつもりで筆者が模写した講義録ののアルミナとシリカ，熱処理が良い刃物鋼に影響している」

表紙を載せた．喜んだ Davy は Faraday と面談し，王立研究と記されている(3)．

所の Davy の助手として採用されることになった．助手が退職し，Davy 本人も化学実験で目を負傷したというタイミン
グも Faraday の助手採用に有利に働く． 1813 年 3 月のこと

Faraday が合金研究に携わった直接理由は，Wootz，インド鋼への興味と将来性への洞察からであった(3)．


Wootz もしくはインド鋼

Wootz 鋼 で 作 っ た 刃 物 は ， 硬 く て 刃 こ ぼ れ せ ず ， 錆 びず，軽くエッチングするとさざ波のようなダマスカス模様が浮き上がる．当時の西洋のどの鉄よりも Wootz 鋼は優れてい た(7) ． 英 国 Sheffield は 刃 物 工 業 の 町 で あ る ． 1819 年
Faraday に 接 触 し て き た の が ， Sheffield の 刃 物 商 James
Stodart であった．
Stodart は ， イ ン ド Bombay の Dr. Helenus Scott が 英 国に送ってきた Wootz 鋼のサンプルを分析して優れた性質の謎を解明し， Sheffield で Wootz 鋼の模倣品を生産しようとしていた．持ち込んだ先が Davy の助手をしていた Faradayであった．以降， Stodart と Faraday は Wootz 鋼の分析とSheffield での試作合金の実生産に夢中になる(表)．
Faraday の研究環境

当時の化学分析環境は，高分解光学顕微鏡もなければ，発光分析，硬さ試験，電磁気的試験法もなかった．そうした環境で Faraday は合金鋼の化学分析を行い，小型の実験炉を用いて合金の試作を行っていた．
図3

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Davy に贈った講義録の製本表紙(筆者模写)．

合金鋼の生みの親である Robert Hadfield は後に「合金鋼材料科学のパイオニアたち表1

Stodard と Faraday の論文と活動(3)．

作の観点から論じている．論文はこう始まっている．
「鉄や鋼と種々の金属との合金の一連の実験を提案する目的は二つある．一つ目は刃物に適した合金はどのようなものか，二つ目はその合金がよく似た環境で酸化しにくいことを確かめることである．その研究の結果新しい鏡の素材も得られた(3)」つまり硬い刃物鋼と耐食鋼の改良が主目的で，さらに鏡用物質を見つけることが期待されていたのである．
論文中の Wootz またはインド鋼の分析から，合金鋼の優れた性質やエッチングすると浮きだすダマスカス模様は，アルミナやシリカと鋼が組み合わされたものと結論付けている．またニッケルも酸化を防ぐ効果があると指摘している(3)．
1822 年の二人の論文は，大規模実験の実務と，耐食性合金に関わるものであった．また合金の影響も，ニッケル，銀，ロジウム，イリジウム，オスミウム，白金，パラジウ
ム，チタンおよびクロムなどの合金の優れた性質について詳しく取り上げている．


実験の中止と実験資料

精力的に続いていた Faraday の実験は， 1824 年で突然途切れる． Wootz 鋼の提供者であり， Sheffield での大規模実験の仲介者であり，共同研究者であった Stodard が 1823 年に突然死去したことが原因だったと考えられている．
Faraday は研究を中止し，論文に使った合金試料を木箱に詰

図4

溶解炉の模式図(8)．
(文献( 8 )の P96 より引用)めた．有名な実験記録である Faraday's Dialy においても，1824 年 6 月 28 日のニッケル合金の実験以降，合金鋼実験の記載がない．木箱は王立研究所から科学博物館に移され百年の 誕 生 の 地 は 1820 年 頃 の 王 立 研 究 所 で あ っ た ． 一 方
Sheffield は， Faraday の合金を用いた刃物の大量生産誕生の地であった」と述べている(3)．Faraday は，基礎研究にはが過ぎた．表に Faraday の発明発見の年表を示す．


Robert Hadfield の功績

Brande 教授が，大量生産には Stodart という協力者がいた．

1930 年 ， 後 に 王 立 研 究 所 長 に な る Robert Hadfield がFaraday は，貴金属も溶かす強力な火力を持つ炉を実験室にFaraday の直筆の ``Steel and Alloys'' のラベルが貼ってある

設 置 し 貴 金 属 と 鉄 鋼 の 溶 解 実 験 を 始 め た ． Faraday は ，木箱を開封し，当時の最新分析技術を駆使して試料の調査を1830 年に学生向けに執筆した ``Chemical Manipulation'' の行った(図)．

中で，高温を生み出す冶金炉形状を紹介している(8)(図)．
鉄都 Sheffield 出身の Hadfield は，合金鋼の研究で名高い．
1882 年「高マンガン耐摩耗鋼」の発明を皮切りに， 1889 年

Wootz 鋼への道

「鉄シリコン合金」，1890年「アルミニウム鋼」，1892年「鉄Wootz 鋼は固くて錆びないため刃物に適していると考えられていた．共同研究を始めた二人の着想は，鋼に貴金属を入れると硬くなるのではないかということであった．当時銅表2

Faraday が合金実験に用いた元素・鉄源．に貴金属を入れると硬くなる知見があった．高温溶解を用いて，合金溶解実験が繰り広げられた．
Faraday が用いた合金鋼の素材の種類を表に示す．貴金属 7 種類，普通金属 6 種類，非金属 3 種類，鉄源 4 種類の計20種類の素材を用いた実験を行っている(3)．
Faraday と Stodard の研究論文

Faraday と Stodart は ， 1820 年 の ``Quarterly

JournalScience, ix, 319, date1820'' で，「改良の観点から行った鋼の合金実験」について報告している．この論文において，Faraday は純粋な科学的観点から，Stodard は刃物の実機試

ま て り あ 第55巻 第 4 号(2016)
Materia Japan

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表3

Faraday の発明発見年表(3)．

図6

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

Faraday の木箱に入っていた試料(3)．
(文献( 3 )の P5 より引用)

Faraday の金属実験

木箱に入っていた 78 個の試料は， 1822 年の論文に出てくる試料までであった．その後 2 年間の試料は含まれていな
い ． ど ん な 合 金 を Faraday は 作 っ て い た の で あ ろ う か ．
``Faraday's Diary'' の 中にでてくる合金鋼の記述を見てみる(9)．
1824年 2 月10日

溶解のために555グラムの鋼と16グラムのニッケルを炉に詰めて 2 月 11 日まで入れる．合金は溶けたが中断したため不完全である．もう一度溶かし直しする必要がある，つまる
図5

Faraday の Wood Box(木箱)(3)．
(文献( 3 )の P4 より引用)

ところ操炉の失敗．
1824年 6 月28日(日記上この日が金属実験の最後)

クロム合金」の論文を著している．Faraday 協会の会長をしていたこともある Hadfield は，大先輩が 1 世紀以上も前に合金鋼の研究を詳細に行っていたことに畏敬の念を込め，木箱中の試料の調査にあたったことと思われる．


Faraday の木箱の中身

木箱の中には，78個の実験試料が収められていた(図)．
Hadfield は ， サ ン プ ル に 番 号 を つ け 分 類 分 け を し て い った，試料は形態と合金種類で分類されている．試料形態は，
Ingot(A), Bloom(B), Rough Billets & Forgings(C), Bars

Mr Christie のためにクルーシブル炉に 1000グラムの鉄に60グラムの純ニッケルを詰めた．大気溶解炉は良好なれど，上部表面が凸状に盛り上がっているし，下面は多孔質になっている．全液体が冷却中に締め固まり，多分発生したガスがそんな形にさせたのだろうと思わざるを得ない
いずれも鉄ニッケル合金の実験がうまくいかないとの記述である．こうした悪戦苦闘をしながら実験を繰り返していた．


Metallurgy への Faraday の貢献(D), Pieces(E), Flat Specimens(F), Stodart's Special Arti-Stodart と Faraday が夢見た錆びない鋼は，後のステンレcles(G)の 7 種類に大別できた．合金種類は炭素鋼，二元系ス鋼の発想につながるものであった，しかし，Faraday の研合 金 ， 三元 系 合 金の 3 つに 分 類 でき る ．炭 素 鋼 には ， 銑究した 1824 年は時代が早過ぎた．分析機器もない，まとも鉄，炭素鋼，高 S 快削鋼が含まれる．二元系合金は，クロな鋼も作れない時代であった，Bessemer 転炉(1856年発表)

ム，ニッケル，銅，金，銀，白金，ロジウム合金が含まれもまだ発明されていなかった．こうした時代に，鋼に貴金属る．三元合金は，鉄白金銀，鉄金銀，鉄金ニッケル合を入れると錆びにくいという報告を 1820 年の論文で行って金が含まれる．

いる．また， 1797 年に発見されたばかりのクロムを添加金合金鋼の元素の影響を本格的に調べて材料設計が始まった属として使っている．後にクロムやニッケルを利用したステのは19世紀後半である．Faraday はそれより半世紀前に合金ンレス鋼が次々と発明されていくが，Faraday の行った実験設計をしていた．後に詳細に分析された金，銀，白金，ロジの価値は決して減じることはない．白金鋼やロジウム鋼は錆

ウムなど貴金属合金鋼の貴金属成分の含有量を見ると，びないという報告，クロムも耐食性に効果がありそうとの報

Wootz 鋼，ダマスカス模様鋼製造への執念が感じられる(3)．

告は，後の研究者の道標になったに違いない．



材料科学のパイオニアたち

.

おわりに

今回は，若き日の Faraday の早過ぎた合金研究を取り上げた(10) ． Fafaday は日記魔であった． 1813 年の Davy 夫妻との欧州旅行日記(6) ， 1822 年以降の詳細な実験日記(9) が残されている．克明な日記の向こうに，Faraday の悩みや希望が見え隠れしている．しかし，その日記にも Stodart の死による合金鋼研究の断念についての理由が見えてこない．よほど の 理 由 が あ っ た の だ ろ う と 想 像 す る し か な い ． Davy,Stodart, Faraday, Hadfield へとつながるパイオニア達の運命の糸が現在の合金鋼基礎を生み出した．(第二部に続く)

文

図7``Faraday and his Metallurgical Researches''.

何より，木箱の中に保管されていた合金サンプルが錆びていなかったという事実，またそれらの合金を用いてSheffield で刃物が大量生産されていた事実を見ると，時代を先取りした研究であったが十分実用化されていた．
後に， Hadfield が Faraday の研究を再発見し， ``Faradayand his Metallurgical Researches''(図)の大著で，Faradayの研究を徹底的に検証し，百年のギャップを埋めようとした

献( 1 ) 湯浅光朗コンサイス化学年表，三省堂，(1988).
( 2 ) 松岡正剛監修情報の歴史，NTT 出版，(1992).
( 3 ) R. A. Hadfield: Faraday and his Metallurgical Researches with
Special Reference to their bearing on the Development of AlloySteels, Chapman & Hall Ltd. London, (1931).
( 4 ) 島尾永康人物化学史，朝倉書店，(2002).
( 5 ) Sir Humphry Davy: Elements of Chemical Philosophy, Bradford and Inskeer, Philadelphia (1812).
( 6 ) 山岡 望化学史談化学者の旅行日記，内田老鶴圃新社，(1959).
( 7 ) J. Verhoeven, A. Pendray and W. Dauksch: The Key Roll ofImpurities in Ancient Damascus Steel Blades, JOM, 50(1998),
5864.
( 8 ) M. Faraday: Chemical Manipulation : Being Instructions toStudents in Chemistry on the Methods of Performing
Experiments of Demonstration or Research,with Accuracy andSuccess. (1842).
( 9 ) M. Faraday: Faraday's Diary of Experimental Investigation 2nd Edition, vol. 1, HR Direct, (2008).
( 10 ) 鈴 木 隆 志  ス テ ン レ ス 鋼 発 明 史 ， ア グ ネ 技 術 セ ン タ ー ，(2000).のも必然の出来事であった．
★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

田中和明

ま て り あ 第55巻 第 4 号(2016)
Materia Japan

1982年 3 月 京都大学大学院工学研究科修士課程修了
1982年 4 月 新日本製鐵株式会社入社(君津製鐵所勤務)
技術士(金属部門)登録
1996年
2015年 4 月 新日鐵住金株式会社，現職
専門分野製鋼，鋼管，品質管理◎一貫して製鐵所での鉄鋼製造に従事．企業内技術士としての金属関連の情宣，金属技術史研究活動を中心に活動．

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