炭素によって鉄が変わる 鉄の焼入れと焼きなましの仕組み

自転車のスタンドが壊れた話から

自転車のスタンドが立たないと思ったら、スタンドの左右に付いているはずのスプリングが左側だけありませんでした。走行中に外れてしまったようです。
このスプリングが無いとスタンドを立てるのにひと苦労しますが、立てた後はスタンドが戻らないようにする役割を受け持っているので重要部品です。
スプリングだけ無くなったのならホームセンターの自転車売り場で２００円位で売られているので取り付ければ済むのですが、 下写真の赤丸内の部分のスプリングを引っ掛ける部分が折れていました。

交換用スタンドは２千円弱ぐらいで買えますが、スタンドが壊れるぐらい古い自転車、 しかも新品で１万円以下の自転車になると２千円も勿体無い気がしてきます。
スプリングを引っ掛ける部分が無くなっても孔の部分にスプリングの片方を掛ければ何となりそうなのですが、 スプリングの片端が環状態なので引っ掛けるしか付ける方法がありません。
その引っ掛ける部分が取れてしまったのですから・・・さて、どうやって付けるか？
ペンチを２つ使って環を広げようとしましたが硬く、少し広げても直ぐに元に戻ってしまいます。

針金でスプリングをスタンドに結んでみましたが、軟鉄の針金では直ぐに伸びてしまいました。
そこで思い付いたのが「焼なまし」です。

利用されている鉄の種類

最も利用されている炭素鋼

現代、利用されている鉄の多くは炭素鋼（鋼）です。その理由は、硬さや質が鉄や鋳鉄より自由に作れるからです。
炭素鋼を熱すると鉄原子の間にセメンタイトの炭素原子が入り込んで行きます、この状態をオーステナイトと呼びます。
オーステナイト状態の炭素鋼がゆっくり冷えるときは、炭素原子が元の状態に戻ろうとして鉄原子の間から抜けて行き、 炭素鋼はフェライトとセメンタインに戻ります。
高温に熱するぐらいで炭素原子が移動して鉄の状態が変わるはずは無いと思うのですが、研究で証明されています。

日本刀を作るときには炭素鋼を高温に熱して叩いて原子間の隙間を減らし、それを水に入れて急速に冷却する「焼き入れ」を何度も繰り返します。
何度まで高温にするか高温に保つ時間、冷却するときの温度や冷ますのに掛ける時間などが秘伝になります。
特に冷ます時間は大きな物では深部が冷め難くなり、その間に炭素が鉄原子の間から抜けてしまうので難しくなります。
時代劇では鉄製の兜をまっ二つに割っても刃こぼれしない妖刀が出てきますが、本当に鉄を切れるなら名人が焼入れを何度も繰り返したものなのでしょう。

焼きなましには、『道具や』という落語で、客に「このノコギリは焼があまい」と言われて「伯父さんが火事場で拾ってきたノコギリだから焼けている」 と応えて客に逃げられる話があります。
火事の炎で高温になってからゆっくり冷めて「焼きなまし」になって軟らかくなり使い物にならないノコギリになってしまったのです。

家庭でもできる焼きなまし

ということで、自転車のスタンドにスプリングを付ける話です。
スプリングの端の環になっている部分を家庭用ガスコンロの炎で環の部分が赤くなる以上まで焼き、空気中に冷めるまで放置します。
冷めてからペンチを二つ使って環を広げるのに成功しました。まだかなり硬い針金でしたが、焼きなましをする前と比べたら容易に曲がりました。
焼入れをして硬さを元に戻そうとしましたが、焼く温度が低すぎて失敗しました。
焼きなましより焼入れの方が高温にする必要がありますが、焼きなましの温度により、低温で焼きなますと硬さが残り、高温で焼きなますと軟らかくなります。
スプリングの端を焼きなまして広げてスタンドにつけたのが下写真

バネが外れてもバネを無くさないように針金で留めてありますが、その必要は無かったようです。焼きなましてもかなり硬いです。