基本介紹
簡介,發展歷史,綦毋懷文發展灌鋼法,推動中國古代刀劍技術的發展,灌鋼法的進一步革新,工藝,鍛合分類,多料積疊,單料摺疊,旋繞鍛合,
簡介
百鍊鋼(The steelmaking)是我國古代的一種制鋼工藝，它的主要特點是制煉過程中要反覆加熱鍛打、千錘百鍊。由於製作艱難，產品性能較好，千百年來一直受到人們的讚許。
我國是古代煉鋼術比較發展的國家。鑒於鋼在人類社會發展中的重要地位，國內外關心中國科學技術史、中國冶金史的學者中，許多人都對百鍊鋼進行過研究，其中有不少好的見解，但是也存在一些分歧，主要是對百鍊鋼工藝原理存在著兩種不同的觀點。一種認為百鍊鋼原料是生鐵，從而，百鍊過程就主要是生鐵脫碳持這種觀點的主要是部分國外學者。一種認為百鍊鋼原料是熟鐵，從而，百鍊過程主要是熟鐵滲碳持這一觀點的有國外學者，也有國內學者。百鍊鋼原料既非生鐵，亦非熟鐵，而是一種含碳稍高的炒鋼，百鍊過程的主要環節既非生鐵脫碳、亦非熟鐵滲碳，而是對一般炒鋼的進一步加工、鍛打。
發展歷史
春秋以前，中國的冶煉技術處於比較原始的階段，當時使用的冶煉方法稱為“塊煉法”。當時煉鐵使用木炭作燃料，熱量少，加上爐體小，鼓風設備差，因此爐溫比較低，不能達到鐵的熔煉溫度，所以煉出的鐵是海綿狀的固體塊，稱為“塊煉鐵”。塊煉鐵冶煉比較費時，質地比較軟，含雜質多，經過鍛打成為可以使用的熟鐵。鋼鐵冶煉技術的進一步發展到“塊煉滲碳鋼”。出土文物表明，中國最遲在戰國晚期已經掌握這種最初期的煉鋼技術。人們在鍛打塊煉鐵和熟鐵的過程中，需要不斷地反覆加熱，鐵吸收木炭中的碳份，提高了含碳量，減少夾雜物後成為鋼。這種鋼組織緊密、碳分均勻，適用於製作兵器和刀具。進一步發展到“百鍊鋼”技術。人們在打制器物的時候，有意識地增加摺疊、鍛打次數，一塊鋼往往需要燒燒打打、打打燒燒，重複很多次，甚至上百次，所以稱之為百鍊鋼。百鍊鋼碳分比較多，組織更加細密，成份更加均勻，所以鋼的品質提高，主要用於製作寶刀、寶劍。
在西漢中晚期，中國出現新的煉鋼技術“炒鋼”，這是在生鐵冶鑄技術的基礎上發展起來的一種煉鋼技術。大約在春秋末期，中國就已經發明生鐵冶鑄技術，以後經過長時間的實踐和探索，逐漸形成利用生鐵為原料的炒鋼技術。其基本方法是將生鐵加熱成半液體和液體狀，然後加入鐵礦粉，同時不斷攪拌，利用鐵礦粉和空氣中的氧去掉生鐵中的一部分碳，使生鐵中的碳含量降低，去渣，直接獲得鋼，這就是炒鋼技術。這項技術的發明是煉鋼技術的重大突破，使冶煉業能向社會提供大量廉價、優質的熟鐵或鋼，滿足生產和戰爭的需要。炒鋼的出現促進百鍊鋼技術的發展，人們以炒鋼為原料，經過反覆加熱、摺疊、鍛打成質量很好的鋼件。但是炒鋼和百鍊鋼技術還存在一定缺陷，如炒鋼工藝複雜，不容易掌握；百鍊鋼費工費時。
綦毋懷文發展灌鋼法
大約在東漢末，可能出現煉鋼新工藝“灌鋼”法的初始形式。南北朝時，綦毋懷文對這一煉鋼工藝進行了重大改進和完善。南朝齊、梁時的陶弘景首先記載了灌鋼法，北朝魏、齊間的綦毋懷文曾用這種方法製成十分鋒利的“宿鐵刀”。綦（QI）毋懷文，姓綦毋，名懷文，是中國南北朝時期著名冶金家。他生活在公元6世紀北朝的東魏、北齊間，具體生卒年代歷史上缺乏記載，只知道他好“道術”，曾經作過北齊的信州(今四川省奉節縣一帶)刺史。據史書記載，綦毋懷文的煉鋼方法是:“燒生鐵精，以重柔鋌，數宿則成鋼”，就是說，選用品位比較高的鐵礦石，冶煉出優質生鐵，然後，把液態生鐵澆注在熟鐵上，經過幾度熔煉，使鐵滲碳成為鋼。由於是讓生鐵和熟鐵“宿”在一起，所以煉出的鋼被成為“宿鐵”。灌鋼法是中國古代煉鋼技術上一個了不起的成就。同百鍊法或炒煉法比較，其優點：
(1)生鐵作為1種滲碳劑，因熔化後溫度高，加速向熟鐵中滲碳的速度，縮短冶煉時間，提高生產率。
(2)熟鐵因為碳的滲入而成為鋼，生鐵由於脫碳也可以變成鋼，增加了鋼的產量。
(3)在高溫下，液態生鐵中的碳、矽、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發生反應，去除雜質，純化金屬組織，提高金屬品質。
(4)灌鋼法操作簡便，容易掌握。要想得到不同含碳量的鋼，只要把生鐵和熟鐵按一定比例配合好，加以熔煉，就可獲得。
推動中國古代刀劍技術的發展
綦毋懷文是一位出色的制刀專家，對前人造刀經驗進行研究、比較，經過不斷實踐，創造一套新的制刀工藝和熱處理技術。
綦毋懷文造刀的方法是:先把生鐵和熟鐵以灌鋼法燒煉成鋼，做成刃口，然後“以柔鐵為刀脊，浴以5牲之溺，淬以5牲之脂”這樣做出來的刀稱為“宿鐵刀”，極其鋒利，能夠一下子斬斷鐵甲30札。對於含碳量比較高的鋼，理想的淬火介質應該是:當工件在比較高的溫度650～400℃，具有較大的冷卻速度，在低溫300～200℃，具有較慢的冷卻速度。這就需要採用雙液淬火法。綦毋懷文先用動物尿、後用動物油進行雙液淬火，能夠造出品質很高的“宿鐵刀”。中國早在戰國時代就使用了淬火技術，但是長期以來，人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質。雖然三國時的制刀能手蒲元等人已經認識到：用不同的水作淬火的冷卻介質，可以得到不同性能的刀，但仍沒有突破水的範圍。而綦毋懷文則實現了這一突破，他在製作“宿鐵刀”時使用了雙液淬火法，即先在冷卻速度大的動物尿中淬火，然後再在冷卻速度小的動物油脂中淬火，這樣可以得到性能比較好的鋼，避免單純使用1種淬火(即單液淬火)的局限。雙液淬火法，即在工件的溫度比較高的時候，選用冷卻速度比較快的淬火介質，以保證工件的硬度;而在溫度比較低的時候，則選用冷卻速度比較小的淬火介質，以防止工件開裂和變形，使其有一定的韌性。雙液淬火法是1種比較複雜的淬火工藝，這在當時沒有測溫、控溫設備的條件下，完全依賴操作及經驗，是一個了不起的成就。在綦毋懷文之前，中國古代的鋼刀大都用百鍊鋼製成，這樣製作的刀劍雖然性能優異鋒利，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百鍊鋼製成，價格昂貴;如一把東漢時期的名鋼劍的價錢可以購買當時供7個人吃2年9個月的糧食。而且百鍊鋼製作刀劍費時費力。三國時，曹操命有司製作寶刀5把，用了3年時間。為此，綦毋懷文對制刀工藝進行了重大更新。這表明綦毋懷文對鋼鐵的性能有比較深刻的認識，而且能根據不同的用途合理選擇材質，發揮各種材質的優點，節省某些貴重材料，降低成本和費用。1把刀的背部、刃口實際起著不同的作用，因而要求具有不同的性能。
一般來說，刃口主要起刺殺作用，因而要求有比較高的硬度，這樣才能保證刀的鋒利，所以應該選擇含碳量較高、硬度較大的鋼來製造。而刀背主要起1種支撐作用，要求有比較好的韌性，使刀在受到比較大的衝擊時不致折斷，這樣就要選擇含碳量較低、韌性較大的熟鐵。綦毋懷文正是有了上述類似的認識，在製作刀具時才能夠將熟鐵和鋼巧妙的結合起來，將2者恰到好處地用在合適的地方，既滿足了鋼刀的不同部分的不同要求，又節省大量昂貴鋼材，利於鋼刀的推廣和普及。
由於綦毋懷文和千百萬工匠的辛勤勞動，使中國古代冶金技術自立於世界之林。因此，當我們研究和總結古代科學技術成就的時候，不應該忘記綦毋懷文的功績。這是中國冶金史上的一項傑出成就和偉大創新，在世界煉鋼史上占有一定地位。
灌鋼法的進一步革新
灌鋼法的出現，使鋼的產量和品質大大提高，為隋唐以後生產力的大幅度增長提供了條件。後來，灌鋼法又不斷發展。宋代又把生鐵片嵌在盤繞的熟鐵條中間，用泥巴把煉鋼爐密封起來，進行燒煉，效果更好。明代又有改進，把生鐵片蓋在捆緊的若干熟鐵薄片上，使生鐵液可以更好均勻地滲入熟鐵之中。不用泥封而用塗泥的草鞋遮蓋爐口，使生鐵可從空氣中得到氧氣而更易熔化，從而提高冶煉的效率。明中期以後，灌鋼法更進一步發展為蘇鋼法以熟鐵為料鐵，置於爐中，而將生鐵板放在爐口，當爐溫升高到1300℃左右，生鐵板開始熔化時，既用火鉗夾住生鐵板左右移動，並不斷翻動料鐵，使料鐵均勻地淋到生鐵液；這樣，既可產生很好的滲碳作用，又可產生劇烈的氧化作用，使鐵和渣分離，生產出含渣少而成份均勻的鋼材。直到現今，在蕪湖、湘潭、重慶、威遠等地人們還在使用；可見其影響的深遠。在17世紀以前，中國的煉鋼技術長期居於世界領先地位，受到各國地普遍讚揚。公元1世紀時，羅馬博物學家在其名著《自然史》中說：“雖然鐵的種類很多，但沒有一種能和中國來的鋼相媲美。”
工藝
沈括《夢溪筆談》卷三雲:“予出使至磁州，鍛坊觀煉鐵，方識真鋼。凡鐵之有鋼者，如面中有筋，濯盡柔面，則麵筋乃見，煉鋼亦然。但取精鐵鍛之百餘火，每鍛稱之，一鍛一輕，至累鍛而斤兩不減，則純鋼也，雖百鍊，不耗矣。此乃鐵之精純者，其色清明，磨瑩之，則黯然青且黑，與常鐵迥異。亦有煉之至盡而全無鋼者，皆系地之所產。”此“精鐵”指百鍊鋼原料，應是含碳量稍高，所含夾雜不十分多的鐵碳合金。“一鍛一輕”，應是不斷去除夾雜，氧化鐵皮不斷產生並脫落之故。“累鍛而斤兩不減”應是相對而言的。“煉之至盡而全無鋼”可能是含硫較多、產生熱脆的緣故。這是我國古代文獻中對百鍊鋼工藝和原理記述得最為詳細的一段文字。可見“百鍊”即是百鍛，其中心環節是反覆鍛打，“百鍊鋼”就是去除夾雜後的一種“純鋼”。從現代技術原理看，反覆鍛打除了排除夾雜外，還可均勻成分、緻密組織，有時亦可細化晶粒，從而極大地提高材料質量。許慎《說文解字》雲:“鍛，小冶也。”這是很有道理的。有學者認為“百鍊”的中心環節是滲碳，百鍊鋼是一種滲碳鋼；又有學者認為“百鍊”的中心環節是脫碳，百鍊鋼是一種生鐵脫碳煉鋼，這都是一種誤解。我們以為百鍊過程中，金屬含碳量雖可能有些變化，但此非百鍊的目的。
《夢溪筆談》
《夢溪筆談》鍛合分類
關於“百鍊”的具體操作，從多方面的資料來看，至少應包括三種類型：
多料積疊
即把許多塊料積疊並鍛合在一起。這些原料的成分可以相同，也可以不同；積疊鍛合後也可再次摺疊。這有三方面資料可為佐證。
文獻
實物
刀工藝
據研究，日本刀的皮部、心部往往都由多層積疊的材料鍛合而成。皮部常用含碳量1.3%左右的“玉鋼”製作，先把玉鋼鍛成許多小塊，後將其積疊鍛合，再橫向、縱向摺疊，據說要反覆摺疊23次。心部常用含碳量稍低的“庖丁鐵”與“玉鋼”混合鍛打，比例為2∶1。鍛合後還要摺疊10次以上。
單料摺疊
未摺疊前若材料為一層時，經`次摺疊後，便會出現2n層。現代龍泉寶劍曾有“九煉”之說，“九”亦含“久”意，但實際鍛打次數取決於原料質量和對產品性能的要求，通常要鍛打數月。日本刀也有類似的操作，有人說新刀期要摺疊15次，得到32768層組織；又有人說近世之日本刀不過摺疊7-8次，得到128或256層組織本間順治：《日本刀》，岩波書店1939年，第34-36頁。；在金相顯微鏡下，此組織有時能夠分解，有時不能分辨。
旋繞鍛合
百鍊鋼因製作艱難，金屬收得率低，所以主要用作寶刀寶劍一類名貴器物，普通刃器和生產工具套用甚少。
