烏茲鋼

在英美和歐洲大多的地方被稱為Wootz。wootz在《牛津簡明英漢袖珍辭典》解釋：wu:ts n.伍茲鋼，武氏坩堝鋼是；在《英漢漢英雙向詞典》中的解釋：古代印度以土法所制之鋼鐵，“印度鐵”；亦稱 wootz steel。

基本介紹

• 中文名：烏茲鋼
• 外文名：Wootzsteel
• 工藝過程：坩堝加工方法、坩堝內燃燒變化
• 別名：印度鐵

簡介

“烏茲鋼”與“大馬士革鋼”概念的區別與聯繫：

大馬士革鋼又稱為結晶花紋鋼，是一種古代粉末冶金和鍛造技術完美的結合。在英美和歐洲大多數的地方被稱為WOOTZ；而在其原產地印度、巴基斯坦一直到波斯則稱為FULAT；在俄羅斯的高加索地區被成為BULAT。 WOOTZ的花紋是天然形成的，不像摺疊鋼一樣是用人工硬將性質不同的材料焊接起來再摺疊鍛打而成的。

印度Wootz鋼：坩堝冶煉超高碳鋼（含碳 1.5～2%），在公元前6至5世紀時，由位於印度西北角的Hyderabad（翻譯作：海得拉巴，現屬於巴基斯坦）的冶煉工人製成的，後來被售到“安息”（波斯）、條支甚或是埃及等，它們的冶煉方法是：將黑錳礦、竹炭及某些植物葉子密封在一個陶爐里燃燒加熱，當這些東西熔化後，其渣滓形成一團金屬，然後將此金屬反覆熔化、冷卻四五次，最後煉成直徑為5英寸，厚度為0.5英寸，重約2英鎊的金屬塊（William.Reid的《西洋兵器大觀》）。

在印度被製成的金屬塊，不能直接被命名為大馬士革鋼。它們之所以被叫做大馬士革鋼，是因為這些金屬被販賣到大馬士革（位於今天的敘利亞境內）這個城市後，用來煉製成武器，即大馬士革劍（或大馬士革刃）之後，才得名的。或者應該這樣說：當中世紀歐洲入侵耶路撒冷（即十字軍東征）時期，歐洲人看到他們的敵人使用這種武器時，才以為這種原本原材料是來自印度的武器，就是在大馬士革取材制煉的，因此就有了“大馬士革鋼”這個說法。至於“印度鐵”，姑且是看作以這個金屬塊來源而進行的命名，而“烏茲（Wootz）”則可能是最原始的叫法。另外，大概是因為“Wootz”被簡單翻譯成“烏茲”，中國人可能不好理解，所以第一位翻譯它的人，命名他們為“印度鐵”，有利於理解，因此這是比較正常的現象。

綜上所述，應該是先有“烏茲（Wootz）”，然後才有“大馬士革鋼”，“烏茲（Wootz）”因為出產於印度故也被翻譯作“印度鐵”。

歷史

古印度冶金工藝

公元前8～前7世紀北非、歐洲相繼進入鐵器時代。當時使用的煉鐵爐主要是地爐和豎爐。地爐直徑約40厘米，深20厘米，冶煉海綿鐵。冶煉後取出全部爐料，經過錘打分離煉渣，或者先行破碎，分選後燒結鍛造成錠，這種方法稱為塊煉鐵法。在底格里斯河上游豪爾薩巴德王宮出土的鐵錠長30～50厘米，厚6～14厘米，重4～20公斤。這個時期的鐵劍，有的較軟，有的則經過滲碳和反覆疊打，並經過快冷或淬火變得更硬。不受中國文化影響的地區，一直到14世紀後期，都以這種方法作為重要煉鐵方法，也發展了一些卓越的工藝，如印度在公元300年左右鍛造出“德里鐵柱”,高7.2米，重達6噸（公元五世紀笈多王朝時鑄造的巨大鐵柱．位於印度德里， 至今毫無鏽蝕）。在制鋼技術上,逐漸發展出用坩堝冶煉超高碳鋼（含碳 1.5～2%）（印度Wootz鋼）或滲碳的高碳鋼和低碳鋼疊打，經淬火後獲得硬的刀刃，或用植物酸腐蝕得到各種花樣的大馬士革鋼（波斯製造後在大馬士革銷售）。

德里鐵柱

在印度首都新德里南郊的庫都布高塔牆內聳立著一根約7米高、直徑約半米的鐵柱。與身旁72米高的庫都布高塔相比，這根黑黝黝的鐵柱顯得很不起眼，但正是它吸引著大批遊客和科學家們的注意。因為這鐵柱雖在露天經歷了上千年的風吹雨打，卻居然一點不生鏽，堪稱世界奇蹟。

從鐵柱上刻著的梵文看，這根鐵柱並非就地鑄造，而是公元5世紀時，被統治德里的伊斯蘭王朝從印度東部的比哈爾邦搬移過來的，傳說是為了紀念旃陀羅王而造。不過如今人們都習慣把它和2300多年前叱吒印度的一代梟雄－－－阿育王聯繫在一起，叫它“阿育王鐵柱”。

據現代科學分析鑑定，這根鐵柱的鑄造時間應在1500多年前，但令科學家疑惑不解的是，至今鐵柱通體仍找不到一塊銹跡。要知道鐵是最容易生鏽的金屬，一般的鑄鐵不用說千年，幾十年就銹跡斑斑了。即使在科學昌明的今天，人們仍然沒有找到防止鐵器生鏽的良方，而古代印度人居然可以做到這一點，真是不可思議。最奇怪的是，如果印度人當時已掌握了如此高超的工藝，那他們為什麼沒有代冶煉出其他不生鏽的鐵器製品呢？汗牛充棟的古印度典籍中為什麼也沒有關於這種秘技的任何記載呢？ 當地人稱，只要能背靠鐵柱將它環抱，許下的心愿就一定能夠實現，也許這鐵柱真具有一種神奇的力量，讓現代人的智慧在它面前也顯得無力。

工藝過程

坩堝加工方法

精煉後之鐵礦石弄乾燥後,放入經火硬化的小型粘土坩堝內. 以炭火之熱量而定出坩堝之尺寸,一般生產出來之鐵錠重約一公斤. 把含炭之材料如:麻栗樹(teak)、木炭、毛竹及某些特選而他們認為是神聖之植物的葉,例如名(Huginay)及(Tangada)樹之果實加入坩堝中. 坩堝是密封的再用炭火燃燒. 印度有最優良之鐵礦:在印度坩堝系統用的是最好的鐵礦石,印度亦由此而聞名於世. 經人工選用搗碎到粉末狀礦石,用淘洗法反覆清洗,這樣礦石從雜質中分離出來,就像淘金人從其他雜質中分離出黃金的顆粒一樣. 雖然波斯人及其他人已經觀察了印度鐵匠,並對熔化過程亦非常熟識,但因為沒有這種淨化及含量豐富的鐵礦所以始終不能夠用這種方法重新生產這種高質鋼.

坩堝內燃燒變化

持續加熱時間從24到48小時不等,當溫度從1000攝氏度升到1200攝氏度，礦石會轉變成多孔的鐵質,並留在坩堝之底部. 坩堝在封閉狀態下,碳(carbon)來自燃燒的炭(charcoal)和葉並熔化在鐵質內. 毛竹含氧化矽(Silica)甚多可助溶化. 在此過程中鐵不會達到其熔點,通過固體之擴散過程(solid diffusion process),碳被吸收. 持續長時間的鑄造(casting)緊接著慢慢冷卻到800攝氏度-約12至24個小時. 這樣的設計是為了大的樹狀碳化鐵晶體(large dendritic ironcarbide crystals) (該晶體也稱為滲碳體(cementite)-Fe3C即碳化三鐵)的最佳化形成和均勻分布於在滿布小孔的海綿體鐵體內. 這些大的晶體事實上是大馬士革鋼花紋或水紋的主要成份. 滲碳體(cementite)或碳化晶體(carbide crystals)非常堅硬,抗酸性強,當鋼被拋光後會呈現出帶白色或銀色. 與此形成對比珠光體(pearlite)由粘結金屬組成,經腐蝕成黑色,這說明為什麼會產不同之顏色.

脫碳熱處理

冷卻後把坩堝從火中移開,並將其打破,取出半球形的鋼錠(ingot). 波斯人稱為蛋(egg or baida). 將它放在鐵砧上進行錘打,作硬度試驗. 經正常鑄造的鋼錠很硬,經錘打後也不會有凹痕. 故需用特別含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石之粘土混合物覆蓋,從而強化鋼錠的脫碳. 把鋼錠重新加熱到火紅色約700攝氏度至900攝氏度後,再通過錘打作硬度試驗. 重複此熱處理過程,直到金屬過到足夠的軟度以便鍛造.鋼錠之鍛鍊:將鋼錠之溫度慢慢降低,並控制在700攝氏度至900攝氏度之間. 這溫度是一個非常重要的關鍵. 鐵匠只能靠經驗,用眼看火之顏色,到達暗紅時進行鍛造. 因為若溫度升高到900攝氏度以上將會把過程倒過來,而令滲碳體和奧氏體的晶體(crystalsof cementite and austentite)形成. 溫度越高,碳熔解,造成晶體及波形花紋圖案之損失. 若溫度低於700攝氏度,鋼即不能得到充份的鍛鍊. 因為歐洲之鐵匠一般在1300攝氏度的高溫下來鍛鍊金屬,因此他們永遠不能掌握到鍛鍊大馬士革鋼的技術.由於對鋼錠的有控制式熱處理和輕度的鍛鍊,覆蓋的粘土,包括含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石,使鋼錠表面脫碳. 另外氧化作用亦產生同樣的作用. 鋼錠的碳分逐漸減少,從原來的2.2%或更高降低至1.8%,即從白鑄鐵狀態到UH碳鋼. 此過程亦可稱為退火和球狀處理(an annealing and spheroidizing treatment). 令碳成份減少及大的碳化晶體分裂或粉碎或球型化成較少之體積. 結果鋼條變得有可展性和有軔性.

原理性質

1. WOOTZ 的花紋基本上是兩種性質不同的材料.亮的地方是純的雪明炭鐵硬度比玻璃還大.暗的地方的結構是屬於奧氏體和波氏體.整體含炭量大約是在1.5~2.0 % 之間.在韌性高的波來鐵里均勻散布著比玻璃還硬的雪明炭鐵.使得WOOTZ可以具有非常鋒利的刀鋒.而且也非常堅韌而不會折斷的刀身.

2. WOOTZ的製造的費時費力.是超乎各位的想像.通常要花上兩三個月的時間.而燒結的鐵餅成功率又很低.當初會失傳有兩個原因.其一當時英國統治者為了保護當地僅剩的森林不使其沙漠化而禁止.其二是近代工業制鋼的引進使WOOTZ在價格上無法競爭. WOOTZ鋼的製造方法分兩種一種是脫炭法.另一種是加炭法.不過最重點在於燒結鐵餅時的溫度控制和將鐵餅鍛造拉長時的最高溫度.還有成品的厚度和原來鐵餅的厚度比例也會決定將來的花紋明不明顯.

3. WOOTZ鋼的花紋和摺疊鋼有明顯的差別.WOOTZ花紋比較細緻看起來比較自然黑白的對比也比較大.在黑色的刀刃上分布著亮晶晶的雪明炭鐵.古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一樣漂亮的花紋.此外WOOTZ比起摺疊鋼來是很不容易生鏽.

4. 至於WOOTZ性能到底好在哪裡：

BLADE雜誌曾有一篇關於WOOTZ鋼的測試. 其一是鋒利度的測試:在仔細研磨後的WOOTZ結晶花紋鋼能一刀切斷巨大打結的麻繩. 其二是刀身的韌性測試: 把刃用夾具夾緊然後拿大鐵錘來敲.結果費了很大的力氣.WOOTZ刀刃被敲成U字型但是卻沒有折斷. 測試的結果證明了WOOTZ結晶花紋鋼具有鋒利和強韌兩種特性於一身。

坩鍋公司曾經運用現代科技,用電子顯微鏡分析了大馬士革鋼的分子結構,並成功的複製出了大馬士革鋼,鋼錠有和古鋼材類似的花紋,但測試時發現並不能與古鋼材的性能比擬.那么古人是怎樣將鋼坯打製成刀劍的呢?據現存文獻與專家的分析,是先在鋼坯上鑽孔(上文已提到鋼坯為圓餅狀),再斬斷一邊,將環狀的的鋼坯成條再打製成刀形.在所有的大馬士革刀劍中最為貴重的為”默罕默德的天梯”-----也就是”梯子紋”.由於大馬士革鋼的失傳,這類刀劍成為各國刀劍愛好者的夢想中的藏品了.

最新研究

在之前美國科學家再對索林根刀廠對烏茲鋼的分析的後續深入研究中，也同樣提到了該轉變中先共析鐵素體在烏茲鋼花紋形成過程中 的重要作用。

圖為美國科學家對索林根式樣進行的電鏡分析

美國金相

請注意以上兩張照片，一個是20um一個是100um，由於尺寸放大差異會顯得一些細節不同，但他們存在著極大地共同點就是先共析鐵素體中析出的2次碳化物偏聚成帶。

之前索林根刀廠所提供的照片中的四個式樣，被鑑定為4種典型的烏茲鋼成分。第三例因為檢測到其帶狀組織是由有害元素偏析所導致，被否定為不是高質量的烏茲鋼。在其他三例中全部觀測到了先共析鐵素體。因此可以看出，先共析鐵素體和烏茲鋼花紋形成之間具有極大的相關性。

在美國人的實驗中，有些烏茲鋼式樣基體為珠光體組織，其花紋對比度很高，但硬度非常之低，只有23hrc。這與國內研究者鑌鐵兄弟會在製做和熱處理過程中得出的經驗一致，珠光體組織的對比度非常高。

另外在照片中用紅圈圈出的是一個銹痕，通過很多國外資料和國內研究者鑌鐵兄弟會的實踐表明：烏茲鋼並不具備良好的防鏽性，烏茲鋼歷經百年的不銹如新只不過是一個以訛傳訛的故事。鑌鐵兄弟會的成員當中有從事地質礦產專業的從業人員，職業知識證明，在印度礦區的鐵礦石成分當中並不含有大量的鉻，並且由於古代的冶煉技術所限不可能人為向坩堝當中添加百分之十幾的鉻，因此用含高鉻的烏茲鋼錠鍛造不銹兵器完全是一種誤導。在德國科學家和美國科學家對烏茲鋼的成分分析當中也證實了這一點。

國外其他仿製的嘗試——布拉特枝晶鋼

還有另外一種枝晶花紋鋼，一度被認為是外貌上最接近古代烏茲鋼的模仿品，稱為布拉特鋼。起源於19世紀俄國。在俄羅斯，從沙俄時期開始冶金學家就一直對如何消除有害液相偏析進行非常深入研究。這也使得俄國科學界對如何製造枝晶組織偏析有很大幫助。19世紀初期**冶金學家阿諾佐夫成功利用液態偏析法製造出了帶有枝晶花紋的鋼材，俄國人稱其為布拉特鋼。其成分在很大程度上更接近鑄鐵。在俄國的論文當中曾經認為所謂“灰色布拉特”即為亞共晶灰口鑄鐵，“灰色布拉特”因斷口和表面呈灰色而得名，這一點有別於烏茲鋼酸洗後較高對比度的深色。布拉特鋼花紋成因是大量的粗大一次碳化物枝晶經過鍛造扭曲組成的帶狀組織。由於其製做工藝的原因，冷速要求非常緩慢，有時甚至需要刻意長時間高溫等溫，內部往往存在大量方形枝晶。縮孔甚至氧化。這種布拉特很好辨別。

右圖為俄國布拉特枝晶鋼

其中可以看到大量粗大的一次碳化物支晶交叉排列，甚至在大量鍛造形變以後仍舊無法消除。這是由於阿諾佐夫派布拉特的工藝所致。其工藝要求緩慢冷卻，由於鋼液中的熱液交帶作用，產生了粗大方形組織。這種情況大量存在於俄國製造的布拉特，和所謂不銹布拉特。

下圖是 俄制布拉特鋼錠：從圖中可以看到，可以看到俄制布拉特中存在大量熱液交帶格線、粗大縮孔等。

這些格線經過鍛造拉伸就會成為粗大交叉狀的扭曲紋路分布在刀身上。看上去貌似裂紋。如果經過可鍛化處理的鑄鐵經過耐心的反覆低溫鍛造（如果有幸不打裂的話）也可以出 現類似的紋路。布拉特鋼因為有以上特性，並且往往含碳量較高（超出鋼鐵的範圍），常常高達2%以上（有些甚至達到6%），所以鍛造難度非常大（有些需要進行石墨化處理），經常需要低溫鍛造，更有甚者需要進行石墨化處理方可鍛造，使碳化物不可逆的成為穩定的石墨（現代熱處理規範中嚴格規定一旦出現石墨化即為報廢）。經淬火回火的成型製品很硬，淬火回火之後可以到61-63hrc，但是其枝晶骨架幾乎沒有任何塑性和韌性，非常之脆。而且由於其長期高溫保溫，縮孔和氧化程度嚴重，甚至大量的碳變成石墨存在與鋼鐵當中，金相組織在電鏡下很“髒”。製做出的刀，尤其是長刀，上面往往會出現類似長時間鏽蝕後留下的凹陷。

布拉特鋼錠

從金相組織上來看傳統的印度-波斯烏茲鋼的組織是由先共析鐵素體中析出的2次碳化物偏聚集導致的。還包括由珠光體和碳化物組成的帶狀組 織。而俄國布拉特鋼則由大量一次偏析枝晶導致 。

阿諾佐夫派的俄式布拉特和烏茲鋼有本質上的區別，這也是過去刀劍界認為阿諾索夫複製烏茲鋼失敗的最主要原因。

布拉特組織

另外俄國布拉特與傳統烏茲鋼在視覺上也有明顯區別。下面是幾組對比圖，可以輕易進行鑑別。如出現熱液交代格線即可認為是鑄鐵類原 料鍛造而成的結果，而非烏茲鋼花紋。

烏茲鋼

此圖為烏茲鋼花紋，紋路捲曲而沒有裂紋狀熱液交代特徵此圖為布拉特花紋，有明顯裂紋狀熱液交代特徵

布拉特鋼

另外據小金介紹，對於現存的古刀劍，花紋一般為自然腐蝕而成，如流水，如捲曲牛毛，天梯。這些特性均為顯著特性。而不拉格以及鑌鐵均我此特性。

結論

綜合對烏茲鋼的研究結果，可以得出以下結論：

1.帶狀分布的先共析鐵素體的生成導致了二次碳化物沿著帶狀分布。而這些沿著一定規律排列的如銀河般的顆粒狀化滲碳體就是烏茲鋼花紋的最主要成因。

2.布拉特和亞共晶白口鑄鐵對比，在金相組織上十分相似，而與古代烏茲鋼卻有很大差別。所以可以認為阿諾佐夫派的俄式布拉特和烏茲鋼有本質上的區別，鑄鐵與鋼的區別。

3.古代烏茲鋼兵器絕大多數的整體硬度都在50hrc以下（並非大多數傳聞的60hrc以上），但是局部顯微硬度可以到65，而且抗斷裂能力非常之好。柔軟基體的烏茲鋼，在使用過程中往往體現出更好的鋒利度。尤其是在切割肌肉、筋腱、衣服等柔軟堅韌的纖維組織時更加明顯。這種能力可能由於硬質項的微鋸齒和柔軟基體的自剝落共同作用造成的。

4.由於Cr7C3顆粒尺寸遠遠大於Fe3C，而且極易剝落，如果製造含高鉻的不銹烏茲鋼只能令烏茲鋼所獨有的鋒利特性消失殆盡，因此應當認為得不償失。