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澳门金沙搬了·关于渗钢、炒钢和百炼钢的技术及历史

2020-01-11 11:14:46   【浏览】3603

澳门金沙搬了·关于渗钢、炒钢和百炼钢的技术及历史

澳门金沙搬了,  中国冶金史最大的特点就是畏锻如虎。凡是跟“锻”沾点边的,要么就是没有发明或引进,如日本刀的锻合技术和冲压造币法;要么就难逃日益萎缩的下场,如百炼钢。中国人甚至不惜用高得可怕的成本来铸造铸铁,而不锻造铁器。

  在古代任何时候,除了火器,铁兵器都是必需锻造的。因此即使在铸铁农工具充斥中国的时候,军队使用的兵器,除了早期的铜兵器和固体脱碳钢箭镞,以及极少数固体脱碳钢刀外,都使用块炼铁锻造出来的,经过渗碳和淬火过程,投入使用。中国周边民族要么停滞于早期铁器时代(西域小国和匈人),要么连铁都不会炼(如东南亚民族、朝鲜、日本),已经普及淬火工艺的中国兵器当然能够压倒他们的兵器。所以张汤可以自信的说:一个中国兵可以对抗三个胡兵(胡,概指匈人和西域小国)。从淬火技术的迅速普及,可以看出中国人并不缺乏智慧。

  最初表明华夏人掌握渗碳工艺的是著名的长沙杨家山铁剑,它由七到九层钢片构成,含碳量约在0.5%之间、据田长浒说,它经过了淬火。不过这点还没有得到公认,所以稳妥的说法是:华夏国家最早的淬火制品是前面说过的燕下都兵器。总的来说战国时期的华夏国家铁兵器的制造跟先进国家早期铁器时代类似,从金相组织中可以看到早期铁器的特征:千层饼似的叠锻痕迹,含碳量不均匀、以及较大的夹杂物。跟西方国家相比有两点值得注意:一是锻打层数少,杨家山铁剑已经作了说明。因锈蚀严重,燕下都铁剑的叠锻层数不详,但估计100号残剑只有四五层。这跟西方早期铁器时代动辄十几层乃至几十层的叠锻形成鲜明对比。二是含碳量低。燕下都两把钢剑均由含碳量0.5-0.6%的高碳层和含碳0.15-0.2%的低碳层构成。没有有意识的将低碳材料置于剑的芯部。而西方早期铁剑含碳量都达到0.6-0.8%之间。淬火铁兵器马氏体硬度为HV530,跟最早的西方铁器类似,相应含碳量大概是0.3%左右。据说该墓中矛、箭铤还有正火组织。这是一件相当奇怪的事情。所谓正火,通俗的说就是将钢加热,保温一段时间,然后出炉在空气中冷却。由于正火冷却速度较退火快,所以得到的珠光体组织较细,强度和硬度都有提高。这种热处理过程以简单、经济为优势,适用于以下四种情况:1.含碳量低于0.5%的钢,用正火代替退火,可以改善组织结构。2.对机械性能要求不高的钢件,可以用正火作为最终处理。3.过共析钢可以用正火来消除网状渗碳体,利于球化退火。4.亚共析钢在淬火之前先进行正火,可以使组织细化,能减少淬火是的变形和开裂倾向。由于正火在历史上仅此一见,因此我怀疑这只是个偶然。因为马利克出土的一把前九到前七世纪的铁剑,以及多伦多所藏一把卢里斯坦剑,也都经过类似正火的热处理。如果燕下都的这些武器经过加热锻打,然后快冷,就可能得到正火组织。

  直到西汉,也就是汉族武力最强大的时候,中国铁兵器基本上都是块炼铁法制造出来的。不过事情很快有了变化——炒钢法(炒铁法)诞生了。我所知道的最早的炒钢证据是河南巩县铁生沟西汉后期炒钢炉一座,在藏铁坑中发现有高碳钢一,熟铁一;河南方城县赵河村汉代冶铁遗址中发现了同样的炉六座。这种炉炉型小(铁生沟炉长0.37米、宽0.28米、残高0.15米)、呈缶形(小口大肚),因此温度可以集中、下部处于地下,散热较少。这种炉的风应该是从上面鼓入的。就产品质量而论,藏铁坑中高碳钢含碳1.288%、含硅0.231%、锰0.017%、磷0.024%、硫0.022%,按中国标准,可以说是非常成功。据说由于它含碳量高,氧化程度较低,与熟铁(指炒钢所得熟铁而言)相比,所含夹杂物较小较少。而熟铁含碳量0.048%、硅2.35%、锰微量、磷0.154%、硫0.012%。不如高碳钢炒得那么成功。

  因为铸铁必须加热搅拌才能变成低碳钢,这个过程跟炒菜有几分相似,所以被称为“炒钢”,具体过程如下:先将生铁捶成碎片,和木炭一起放入已经预热的炉膛内,风从上面鼓入。不断升温后生铁被加热到半熔融状态,通过搅拌增加铁和氧气的接触面,可使铁中的碳氧化,温度随之升高,而硅、锰氧化后跟氧化铁生成硅酸盐夹杂。随着碳份降低,铁的熔点增高,凝聚成疏松的团块,最后取出锻打挤渣。如果工人经验足够,能有效的控制炒炼过程,还可以直接获得钢。但中国古代工人往往不具有这种能力,所以制成品基本上都是熟铁。因此炒钢严格来说应该称为“炒铁”更合适。事实上,汉语中的“生铁”和“熟铁”两个词就是出自炒铁技术,炒之前的称为“生铁”,炒之后的称为“熟铁”。

  炒钢技术是中国古代最出色的冶金技术,是真正的世界领先。它的操作十分简单,炼成的熟铁却质量很好——炒铁夹杂物是含硅较多而含铁较少的硅酸盐,成份比较均匀,含氧化亚铁很少;而块炼铁炼成的熟铁夹杂物以氧化亚铁和含铁较多的硅酸盐共晶为主。这也就意味着如果经过认真锻打,炒铁的性能会好于块炼铁。在公元前80年就发展出了如此简单合理的冶铁技术,确实是很大的成就。不过,这项技术也是生铁冶炼技术的合理发展,欧洲在引入或发明高炉之后同样很快引入或发明了精炼法。至于欧洲生铁铸造技术的来源,尽管有的专家认为是欧洲人自己的发明,但从欧洲冶金技术的发展来看,找不到合理的技术发展过程。相反,欧洲高炉的出现,令人生疑的跟蒙古西侵和火器西传有时间上的联系性,因此可以认为欧洲的铸铁技术来自中国。而精炼法和炒铁技术有无联系?虽然精炼法跟炒铁技术有比较大的区别,但主要是在生产效率方面。考虑到这项技术出现的快速性和突然性,也可以审慎的认为它的原形来自中国。另外在炒铁技术普及之后,块炼铁法在中国国并没有绝迹,除边远地区外,汉族地区有些重要的铁器——主要是刀剑——也仍用块炼铁锻造。据说日本也采用块炼铁锻刀,我没有见过具体的资料,所以不能说明。但用块炼铁造好刀剑似乎是一个普遍现象。

  河南省文化局文物工作队在《巩县铁生沟》发掘报告中,曾认为西汉后期15号炼炉是反射炉,这当然是不准确的。至于近代中国流行的土反射炉,是什么时候出现的则不详,因为相关的调查是共和国时代才开始的,准确地说是为了大炼钢铁才进行的,也没有进行严格的考古研究。如果这种技术出现在古代,绝对是决定性的成就。绝没有灭绝的道理,况且日本方面也没有关于中国反射炉的记载。所以我估计近代中国的土反射炉是欧洲反射炉的蹩脚仿制品。

  经过几百年的发展,中国逐渐出现了更为复杂的锻打技术:百炼钢。这也是合乎逻辑的发明。由于百炼钢具有如下两个特点,所以可以认为是中国人的自创:一、保留了早期铁器时代的千层饼式叠锻痕迹。我曾看过百炼钢金相组织的图片,层次很明显。估计百炼钢是在较低温度下锻打的(不超过900摄氏度)关于这点可以对照罗马剑的金相组织图片。虽然罗马人并没有像中世纪的工匠那样有意识的进行高温锻打,但锻打温度高有利于碳份扩散,使金相组织均匀,这点是可以在实践中明白的。高温锻造的武器层次不大明显;二、没有焊接工艺过程。从焊接花纹钢和波纹钢时代开始,罗马和印度就把焊接作为造剑的标准过程了。而百炼钢刀仍完全采用叠锻法制成。

  现有出土百炼钢实物主要是1974年山东苍山县汉墓环首钢刀,制造于112年,标明三十炼、1978年江苏徐州铜山县驼龙山汉墓钢剑,77年制造,标明五十炼,制造者蜀郡西工官王忄音,标价一千五百五铢钱、1961年日本奈良县出土钢刀,制造于184-189年,标称百炼。对山东苍山的刀进行了金相分析,确认其含炭量在0.6-0.7%之间。通体一致,被认为是炒钢锻打的产品。徐州钢剑也进行了分析,确认其芯部含炭量0.7%,刃部含碳量0.4%。此外封建时代后期应该也有百炼钢刀传世,可惜没有经过科学的考察,所以至今尚不能确认一把。

  单就锻打质量而言,显然百炼钢非常成功,除了没有高温锻打外,已经具备了人们想要的一切优点。从汉代到明朝,百炼钢得到了中国人一致赞美。下面列举这些赞美之词:

  最早的记载,东汉王充《论衡·状留篇》:“干将之剑,久在炉碳,銛锋利刃,百熟炼厉,久销乃见,作留成迟,故能割断。”

  东汉李元《金马书刀铭》:“巧冶练钢,金马托形。”

  汉魏陈琳《武军赋》:“铠则东胡厥巩,百炼精钢。”

  曹操《内诫令》:“百炼利器,以辟不祥,摄服奸宄者也。”

  曹植《宝刀赋》篇幅较大,又是名篇,易于寻找,就不引用了,可以在网上搜索观看。

  曹丕《建安诸序》同样是讲百炼钢的名篇,同样不引用了。

  曹毗《魏都赋》和傅玄《正都赋》都提到宝剑,尤其后者讲得明白:“苗山之铤,铸以为剑,百辟文身,质美铭鉴。”不过从这里把百炼钢说成是铸造货,也可以看出过分依赖铸造给中国冶金文化造成的恶劣影响。

  宋沈括《梦溪笔谈》卷三《辩证一》是有关百炼钢的名段,网上几乎每一个谈到中国古代刀剑或冶金的人都会摘录这段话:“余出使,至磁州锻坊,观炼铁,方识真钢。凡铁之有钢者,如面中有筋,濯尽柔面,则面筋乃见。炼钢亦然,但取精铁,锻之百余火,每锻称之,一锻一轻,至累锻而斤两不减,则纯钢也,虽百炼不耗矣。此乃铁之精纯者,其色清明,磨莹之,则黯黯然青且黑,与常铁迥异。亦有炼之至尽而全无钢者,皆系地之所产。”

  宋张君房《云笈七籤》:“锻炼滓秽,始见精钢。”

  宋曾敏行《独醒杂志》:“(苗族人)其俗举子,姻族来劳视者,出铁百炼,尽其铁以取精钢。刀成銛利绝世,一挥能断牛腰。”这种选钢法很有趣的跟公元前6世纪开始发展起来的凯尔特选钢法类似,都是利用了熟铁和疏松的钢比组织致密均匀的钢易于生锈的原理。

  明包汝楫《南中纪闻》:“倭奴制刀,必经数十锻,故銛锐无比。其国中,人炼一刀自佩,起卧不离,即黔蜀诸土夷亦然。土夷试刀,尝于路旁,伺水牛经过,一挥牛首辄落。”张澍《续黔书》卷六也有类似说法。只是把“倭奴”改成了“苗人”,看来是抄袭前书。

  《本草纲目》、《天工开物》都有百炼钢的记载,后者说:“刀剑绝美者以百炼钢包果〔裹〕其外”

  清魏源《海国图志》引林则徐奏章:“至熟铁则不可铸而但可打造。其打造之法,用铁条烧熔百炼,逐渐旋绕成团,每五斤熟铁方能炼成一斤,坚刚光滑无比。”

  以上还没有包括百炼钢刀铭文的自夸之词。

  在古代条件下,要使钢碳份一致、组织致密、组织均匀,大多数民族只有表面渗碳+锻打一途。将钢铁打成极薄的片,这样就能充分渗碳了,再经过折叠锻打,就可以成为优秀的钢。印度钢虽然可以在一定程度上避免锻打渗碳,但同样非常考验锻工,这点我在世界冶金部份已经说了说明。在古代,由于没有检测手段以及机器帮忙,要获得好的锻打效果,基本上只能靠增加锻打次数,有经验的锻工知道控制渗碳时间、锻打的力度和次数,因此可以在保证质量的情况下节省工时。如果锻得好,古代钢可以达到现代机器锻打的效果[当然由于钢(铁)坯质量和热处理技术水平的差异,古代钢要达到现代钢的水平是不可能的]。这显然比那些草草锻出来的普通钢铁强得多。这就是为什么百炼钢和焊接花纹钢、日本钢之类钢能够得到人们赞美的原因。

  按照世界冶金史的一般规律,似乎中国从此将踏上一条百炼钢普及的康庄大道。然而怪事出现了,百炼钢没有像焊接花纹钢、波纹钢、日本钢那样得到推广和普及,反而日益萎缩——事实上百炼钢从来没有普及过。在东汉到曹魏乃至南北朝,百炼钢始终是作为一种非常夸张的好钢被描述。曹植的《宝刀赋》中称五把刀要三年才能造成。因为是文学作品可能有所夸张,但出土百炼钢数量很少是可以肯定的。到灌钢法发明之后,百炼钢技术日益萎缩。到北宋,据沈括的说法就只有磁州有掌握这种技术的工匠了,到明末,已经萎缩到只有“绝美”的刀剑才能采用这种钢材了,而且从当时的书籍看,这种好刀剑只有日本和中国的西南少数民族(尤其是苗族)能够生产,几乎没有汉族生产百炼钢刀的记载。可以说这是非常奇怪的事情。对照古代冶金先进国家,都走的是高端工艺普及化的道路,而中国可以与其他先进国家媲美的百炼钢,却落了个日渐衰落的下场,何也?除了下面我要谈到的灌钢的恶劣影响外,主要的原因应该有两个:

  一是百炼钢本身性能的原因。这里要对古代钢的锻造过程做个简述。铁坯变成剑的过程是这样的,将铁坯打薄变成铁片,然后渗碳,然后折叠锻打,使之焊合成剑。铁片越薄当然渗碳就越容易渗透均匀,而锻打次数越多,钢片减厚就越明显,所以好刀剑的层数一般都比较多。然而锻打并不是次数越多越好,因为锻打次数太多,一则氧化消耗越大,而且由于氧化层形成,锻打难度增加。二则产生加工硬化,影响剑的韧性。考虑到这些因素,锻剑无疑是非常考验工人技术水平的。

  从出土实物看,三国之前中国人还没有掌握钢铁焊接技术,所谓百炼钢实际上是一种用超级叠锻法练出的钢。网上说百炼钢属于花纹钢,实际上好刀剑不一定要有好看的花纹,另一方面,所谓花纹钢一般都经过焊接,而出土百炼钢刀则都没有经过焊接。这样就带来一个问题:百炼钢刀钢质纯则纯矣,但韧性极差。山东苍山汉墓百炼钢刀采用炒钢锻打而成,含碳量内外一致;徐州汉墓百炼钢刀,芯部含碳量0.7%,刃部含碳量0.4%。要知道当时中国已经普及淬火工艺,而含碳量0.45%的碳素钢,淬透直径达10-18毫米(水淬)、含碳量0.60%的碳素钢淬透直径达20-25毫米!虽然叠锻层可以在一定程度上阻断淬透,但这种效果是很有限的,而中国的局部淬火技术并没有日本的封泥淬火技术那么有效(下面将要提及)。实际上即使不考虑淬火因素,芯部含碳量0.7%的钢剑,韧性也只有可怜兮兮的20J/CM2。这样脆的刀剑是很容易折断的——从某种程度上说,工匠辛辛苦苦打出来的好钢,全都白费了!

  可以用同期的罗马焊接花纹钢剑和印度钢刀比较一下。百炼钢刀和焊接花纹钢剑、印度钢刀都是杰出锻工的优秀产品,但后两者除了锻打温度外,根本性的差别在于它们采用了焊接技术。焊接花纹钢剑从中世纪和现代的眼光看,同样是古怪的,它把钢片包在里面,只露出刃部,而用铁片作为皮,这种锻合法跟中世纪的民用刀具类似,虽然铁皮也可以在一定程度上保证韧性,但远不如内铁外钢的军用剑有效。然而这层铁片,却有效的阻断了淬透,使芯部的钢不受淬火影响。罗马焊接花纹钢剑芯部含碳量大多在0.5%左右,韧性约35J/CM2,虽然也较差,但毕竟比百炼钢刀强。而印度的坩埚钢韧性是非常非常差的(萨利姆法,据我所知没有海得拉巴法造刀的记录),但因为它以铁为芯部,从而居然使刀的韧性达到了90J/CM2,虽然乌兹钢刀刃部很容易损坏,但它能够把敌人的刀剑损坏得更加厉害。以上还没有考虑回火技术的优势。

  以上提到了百炼钢刀和罗马焊接花纹钢剑的奇怪特点——跟后来的刀剑相比而言:芯部含碳量往往高于刃部。其实道理很简单,加热锻打会造成表面脱碳。脱碳层一般厚2-3毫米,对现代钢坯来说影响不大,但对古代刀剑却有显著的危害。随着锻打技术的发展,后来表面脱碳的问题逐渐被克服了(主要采取刀剑整体再次渗碳的方法)。罗马焊接花纹钢剑一般刃部比芯部含碳量低0.1%左右。百炼钢刀锻工技术好者表面脱碳不明显,锻工技术不太好的,一般芯部比刃部含碳量高0.3%左右。

  ——令我奇怪的是,其实百炼钢完全没有必要把含碳量定得如此之高,炒钢制成的就罢了,炒铁制成的居然也是含碳0.7%。看来中国人对共析钢单一相的优势有所了解,但实践之路终究是坎坷的。另外据杨宽先生的说法,百炼钢刀都是由炒钢锻成,不过这也无法解释为什么它的含碳量会有趣的固定在0.7%左右。其实如果百炼钢刀含碳量定在0.5%左右的话,强度已经足够,硬度经淬火之后可达HV700以上,韧性同罗马焊接花纹钢剑,这种性能对付农民起义军和周边民族已经足够了。

  ——为什么中国人能够忍受20J/CM2的韧性呢?原因大概是:它还是比含锡21%的铜剑强太多了。百炼钢刀抗拉强度43公斤力/平方毫米、延伸率9%,无论硬度(淬火后)、强度还是韧性都大大超过秦铜剑。能够忍受延伸率3%的铸造铜剑的民族,见到延伸率9%的锻造钢刀,当然是会很高兴的。

  然而,随着锻造铁器的不断增加,原先可以忍受的机械性能渐渐变得不可接受了。尤其百炼钢刀的拥护者无法面对一个尴尬局面:辛辛苦苦锻出来的钢刀,韧性居然还不如粗制滥造的叠锻铁器。当南北朝时钢铁焊接技术被引入中国后,百炼钢势必遭到很大冲击。

  然而焊接对灌钢适用,对百炼钢同样适用。事实上根据古书,封建时代后期的百炼钢不仅同样可以焊接,而且落实了钢包铁的正确焊接原则。因此更根本的原因应当从中国冶金的全局寻找。

   关于百炼钢还有三个问题值得说明:一是正如前面沈括所说,百炼钢反复锻打之后会减重,杨宽说这是因为挤出了杂质,但稍懂冶金的人都知道,钢铁加热会造成氧化损耗,从2%-5%不等;其次沈括说有的铁锻打消耗殆尽,都不能炼出钢。从冶金学上没有合理的解释,估计是对钢铁热脆的一种错误理解(宋以后热脆是中国钢铁的常见毛病);三是杨宽、华觉明都认为钢包铁的焊接原则在中国很早就落实了,这是不准确的。尤其华觉明以“(长沙铁剑)可以看出它在各个部分含碳量不一致,并作有层次的分布,杂志的条件分布也最明显。据此可以推断,他是用类似《东洋炼金术》一书所载的将铁料层层包裹,反复锻打的方法制成的,为了使它外坚内韧,还经过淬火处理”(注,《东洋炼金术》是日本人近重真澄所撰,在该书第二章第六节详细介绍了日本刀的锻造、锻合和热处理)为由,认为中国很早就掌握了这种技术,这不是因为太无知,就是在当众扯谎。关于中国早期铁兵器的金相组织,早已作了科学分析,证明它们都具有早期铁器时代的特点,锻打技术完全无法与日本刀相比,并且很明显的,在綦母懷文之前,没有任何文献和实物证明中国人掌握了铁兵器的焊接技术。早期铁兵器各段含碳量不一致是因为锻打渗碳不好,根据对中国和西方早期铁兵器的分析,这种含碳量不一致的现象是无规则的(要说有规则的话就是表面脱碳造成芯部含碳量高于表面)。层次明显是因为锻打温度低,这些跟后世纯净钢铁有意识的焊接完全不同。最后,淬火本身不会导致内韧外坚,它只会导致硬度和脆性增加,这是冶铁的最基本常识。

  百炼钢始终只是一种罕见的工艺,而它传到日本之后,却得到了很大发展,日本人在百炼钢和焊接技术的基础上,凭借本国优越的铁矿条件,发展出具有世界先进地位的冶铁业。


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