月刊ポピュラーサイエンス/第29巻/1886年7月号/錆びない鉄

錆びない鉄

鉄を錆から守るために使われている多くの方法の中で、最も科学的に興味深いのは、いわゆるバウワー・バーフ処理である。この処理によって、鉄は黒色または磁性酸化鉄（Fe3O4）の層で覆われる。よく知られているように、この酸化鉄は空気や水に触れてもそれ以上酸化されないので、磁性鉄鉱や砂がどんな風化にも耐えることが証明されている。鉄が錆びやすいということは、多くの用途に使用するには大きな欠点であり、わずかな費用で鉄を保護する方法の実用的価値は自明のことである。この工程は、亜鉛メッキや錫メッキよりも低コストで、この目的を達成することに成功しており、もはや疑う余地はないと思われる。鋳鉄や鍛鉄の色は青みがかった灰色で、これを嫌う人もいますが、この塗装は未処理の鉄よりもはるかに塗料をよく吸収するので、この問題は簡単に解決されるし、塗料が残り、一般に見られるようにすぐに捨てられてしまうということもありません。研磨したものは光沢のある青黒い色になり、処理品の美観を大きく向上させる。この方法は、ガス管や水道管に特に適しているようである。新しい鉄管やしばらく使っていない鉄管を通した水を使う機会がある人なら誰でも、鉄管がいかに錆だらけで、何ヶ月も使い続けて初めて透明になることを知っています。バウワー・バーフ法で磁性酸化物を塗布したパイプは、そのようなトラブルは一切起こりません。水は最初の日からきれいに流れ、何らかの理由でパイプを空にして放置しても、錆びが付着する心配はない。もうひとつの重要な事実は、この錆びないパイプを通った水は、入ったときと同じように純粋であるということだ。なぜなら、鉛や亜鉛メッキのパイプでは必ず起こる酸化物の被覆を、水はまったく溶かすことができないからである。鉛管を通る水には鉛が溶けやすいことはよく知られた事実で、そのような水を使い続けると鉛中毒になる。なぜなら、溶け出す量は非常に少なくても、体内に蓄積され、ついには病気や疾患を引き起こすからである。

ベナブル教授は最近、亜鉛メッキのパイプに水を通すと、かなりの量の亜鉛メッキが溶け出し、飲料用には適さなくなることを明らかにした。錫メッキのパイプも使われており、「錆びない」パイプが登場するまでは最良のものと考えられていたが、望むところとはほど遠く、しばらく使っているうちに、メッキが完全に破壊されてしまうことも少なくない。というのも、スズに鉛が混じっていると、一般的な鉛管よりも劣化し、合金が溶け出して、鉛だけの場合よりもはるかに劣化しやすいからである。錆びない方法で保護されたかなりの建築用鉄工物は、非常に満足のいく結果を得て使用されている。錆び止めの有用性を示す例は、読者諸氏の頭の中に無数に浮かんでいることだろうから、その数を増やす必要はないだろう。現在までにわが国では、ブルックリンに2基、ニュージャージー州リトル・フェリーに1基、フィラデルフィアに1基の計4基の炉が建設されたのみである。酸化磁性体の被膜を形成する工程は、鉄が鋳造、鍛造、研磨のいずれであるかに応じて異なる。バウワー法は鋳鉄に適しており、炭酸と空気で酸化させる方法である。錬鉄や研磨に使われるバフ法は、過熱蒸気で酸化させる方法である。この方法でも鋳鉄に磁性酸化物の皮膜を作ることができるが、バウワー処理に比べて作用が非常に緩慢で、その結果コストも高くなる。この違いは、鋳鉄には大量の炭素が含まれており、鉄と同様に酸化させなければならないからであろう。では、なぜ空気は蒸気よりも早く処理できるのに、鋳鉄だけでなく錬鉄や研磨加工にも使用できないのだろうか?空気で処理すると、鋳鉄の皮膜が剥がれやすく、蒸気で処理するとそうはならないことが経験上わかっています。処理後の鋳鉄は、以前より丈夫になったようである。処理した食器の荷揚げに立ち会ったとき、やかんや鍋が落ちて、重い鉄にぶつかりながらも、無傷で床に落ちたことが何度もあります。処理前の製品に同じ事故が起きれば、ほぼ確実に壊れる。この強靭化は、炉から出た後の装入物の徐冷による一種の焼き鈍しによるものか、それとも鉄の表面が含まれる炭素の酸化によって可鍛性になることによるものか、私には分かりませんが、両方とも結果に寄与している可能性が高いと思われる。バウワー氏は最初の実験で、マッフル炉、つまり空気か炭酸のどちらかの酸化性ガスだけを鉄に接触させる炉で製品を処理したのだが、これはコストがかかるだけでなく、不要であることがわかった。そこで、炉を加熱するための石炭の燃焼生成物が、処理中の鉄に直接触れるように炉を作り、ダンパーなどを適切に配置することによって、同じ炉をバルフ法またはスチーム法に使用することができるようにした。発明者は実験の結果、空気を大量に取り込むと、鉄の赤い酸化物（Fe2O3）で覆われて出てくること、またこの赤い皮膜の下に磁性酸化物の薄い膜があることを発見した。この赤色酸化物の生成を防ぐために、加える空気の量をどのように調節したらよいのか、しばらく悩んでいたが、ついに次のような方法を思いついた。ある時間、鉄を過剰に酸化して三酸化鉄（Fe2O3）にした後、さらに短い時間、還元作用にかけるのである。こうして、磁性酸化物だけで覆われた鉄が得られる。反応の前半で空気が過剰になると、三二酸化鉄(Fe2O3)が生成する。

2 Fe + O3 = Fe2O3;

しかし、これが赤熱した鉄と接触すると、次の反応のように下面が酸化磁性体に還元される。

4 Fe2O3 + Fe = 3 Fe3O4.この反応から、鉄は磁性体ではなく、磁性体であることがわかる。

この反応から、還元期間は必要ないように思われる。理論的には必要ないが、実際には、常に赤色酸化物（Fe2O3）が過剰に存在するため、還元期間が必要なのである。

この過剰な赤色酸化物は、主に炭酸ガス（CO）からなる還元ガスによって磁性酸化物に還元され、次のように炭酸に変換される。

3 Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2のように炭酸に変換される。

空気の代わりに蒸気を用いると、赤熱した鉄に接触した蒸気は分解され、鉄に酸素を与えて黒色酸化物を形成し、同時に水素は気体として遊離される。その反応を示すと次のようになる。

3 Fe + 4 H2O = Fe3O4 + 4H2.

次に、大規模に実施されるさまざまなプロセスの説明に移ります。使用されている炉の構造は多少異なるが、原理はすべて同じである。処理される鉄は、酸化室と呼ばれる大きな耐火レンガの部屋に入れられ、生産者からのガスは燃焼室を通った後、この中に送られる。酸化室では、ガスは空気と混合され、必要に応じて空気の量を調節しながら燃焼させることができる。つまり、炭酸（CO2）に変換される代わりに、酸素を1原子だけ取り込ませて、炭酸ガス（CO）を形成させるのである。この炭酸ガスは、単独で、あるいは還元期間中に使われるナフサを分解してできた炭化水素と混合して、燃焼室に入り、そこで空気と混合するかしないか、作りたい結果に従って決められる。

この国で使われる燃料は無煙炭で、還元期間には少量のナフサや原油が加えられる。この油の小流れは、ガス発生器の上部に導かれ、そこで気化され、他のガスと一緒に酸化室に送られる。

鋳鉄を処理する前に、鋳鉄に付着している砂を取り除く「酸洗」が必要である。酸洗は次のように行われる。まず鉄を希硫酸の浴槽に入れ、10分から15分、粗い鋳物の場合はさらに長く浸漬させる。その後、取り出して熱湯で洗い、乾いたら砂を鋼鉄製のブラシで落とする。これで、炉の中で処理する準備が整った。処理される部品はドラッグと呼ばれる重い鉄板の上に置かれ、ドラッグは炉の片側にある大きな扉から炉の中に入れられる。この温度に達したところで扉を開け、できるだけ早く装入物を流し込んでから、空気を遮断するために扉を閉めて密閉する。このチャージは、炭素が過剰な還元炎で、明るい桜色になるまで加熱される。この加熱の間、燃焼室にはガスを部分的に燃焼させるのに十分な量の空気しか入れません。つまり、空気の供給が完全に絶たれ、少量の油が生産者の中に流れ込み、煙突のダンパーがほぼ閉じられる。すると、炉内の炎は煙のようになる。この還元あるいは「ガス」の時間、通常20分間は、炭素を多く含むガスが赤熱した装入物に接触し、三二酸化鉄を酸化磁性体に還元するのである。この時間が終わると、油を止め、ガスの一部を止め、煙突のダンパーを開ける。炉の中に煙がなくなると、空気弁を開けて、ガスを完全に燃焼させるのに必要な量よりほんの少し多い量の空気を燃焼室に入れるようにする。この過剰な空気が、ガスの燃焼によって生成される炭酸と結びついて、鉄を三酸化鉄に酸化させ、次の「ガス」によって酸化磁性体に還元されるのだろう。40分間の酸化の時間が終わると、空気弁を閉じ、ガスを完全に入れ、オイルを前と同じように生産機に流し、20分間の第2の「ガス」または「還元」の時間が始まる。このような還元と酸化を交互に8時間から10時間続け、最後の「ガス」の終了時にチャージを抜きますが、より良い結果を保証すると思われるのは、ここでチャージを抜く代わりに、これから説明するバルフ法のように、1時間蒸気を通すことで処理を完了させることである。このように蒸気で処理を終えることによって、より均一な色が得られる。これはおそらく、最後の還元中に生じたかもしれないあらゆる鉄の原酸化物を酸化させ、磁性酸化物のみからなる被膜を保証するためであろう。錬鉄や鋼鉄の場合は、砂を取り除く必要がないため、もちろん「酸洗」は不要である。炉は鋳鉄と同じ温度に加熱し、装入物を投入して還元力の強い炎で真っ赤になるまで加熱する。その後20分間ガスを流し、この時間が過ぎると煙突ダンパーとガス弁を固く閉め、蒸気弁を燃焼室内に開く。蒸気は白熱のこの室を通過して、酸化室の装入物に達する前に高熱になる。十分な蒸気が供給されていることは、開口部のひとつにある冷たい鉄棒に凝縮された量によって知ることができる。この鉄棒を通して、過剰な蒸気や反応によって自由になった水素が炉の外に放出される。蒸気は8時間から10時間保ち、その後、充填を取りやめる。研磨材を処理する場合、炉は錬鉄の場合ほど高くは加熱せず、装入物を作るとすぐにガスを1時間流し、その後蒸気を入れて、作業は後者の場合と同じように行われる。あまり高温にすると、皮膜が剥がれてしまう。蒸気を8時間から10時間かけて通し、装入物を取り出する。しかし、次の工程である油で擦ると、煤が取れて美しい光沢のある青黒色になる。