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從古人做寶劍看如何滲碳和淬火

2021-01-13 2477

  滲碳就是增加鋼鐵制品的碳含量,我們現在通常把含碳量0.3—0.6%左右的叫中碳鋼,之上到2%左右都是高碳鋼,再高就是生鐵,之下到0.1%是低碳鋼,再下去就熟鐵了。鋼的含碳量越高就越硬。古代通常都采取表面滲碳,以提高鋼鐵制品的堅硬度。

  除滲碳外,淬火也是提高硬度的重要技術,般在滲碳之后進行。

  那么,我古代怎么滲碳呢?
  我們從古代傳承下來以及從日本等地傳承的古法冶煉和鍛造的操作中,可以知道至少分兩大類。
  類是在冶煉時滲碳。如日本刀匠直使用至今的古法冶煉,其實就是較原始的使用木炭燃料進行悶燒獲得海綿鐵的技術。由于木炭溫度多只能達到1200度左右,因此這種冶煉通常要把木炭覆蓋在礦石上連續燒好幾天。而燃燒是會讓鋼鐵失碳的,但覆蓋木炭進行悶燒這種手段,使得些未燃燒的氧化碳經過反應,終成了滲碳過程,部分地局部地補充了含碳量。但也由于這種冶煉方式的原因,得到的海綿鐵成品成分非常復雜,還有不少有害雜質,各部位含碳量當然更不樣。所以鐵匠們會把成品海綿鐵砸開,然后憑經驗挑出含碳量接近的部分歸類,在分別用于不同的用途。這是原始也常見的冶煉滲碳技術之。

  還有類是在冶煉得到成品鋼鐵后,在鍛造過程中進行滲碳。這個過程中的手段就多了,我說的非常有意思的事情也出現在這個階段。
  手段之,是對制品進行固體滲碳。如日本刀制造時,在折疊鍛打鋼鐵時,會在工件外包裹紙張和草木灰及泥漿等進行鍛打,這是種滲碳手法。紙張草木灰都是滲入劑,泥漿則是分散劑,可防止碳滲入物黏結不勻、以及幫助析出炭黑。

  我明代《天工開物》里記載的制針方法,也是固體滲碳,但和日本刀制造過程中的滲碳技術比,這是屬于非常(gao)高(da)(shang)的外熱式箱體滲碳技術,科技樹的高度不可同日而語。


  圖為《天工開物》中的抽線琢針
  這種技術,是把工件整好形,放入坩堝等容器中,然后蓋上木炭、豆豉、土末,在容器外加熱。木炭、豆豉自然都是滲碳用,土末依然是分散劑。這種滲碳技術的好處,是工件得到的滲碳非常均勻且穩定,且碳勢很高,率和果都相當好。其實這種技術到現代也還在用的,就是所謂的“燜鋼法”。
  另外還有些和日本刀鍛造過程中的滲碳技術樣的做法,但用的材料不樣。如明代的《物理小識》里說,要用大醬和硝涂抹工件,然后進行熱處理——不要小看這點不同,就這點點不樣,事情的性質就變了。



  大醬和豆豉的材料是樣的,但硝是含氮的,所以這種滲碳技術就是碳氮共滲技術,大醬和硝是共滲介質——神(hu)奇(you)吧,用木炭豆豉泥漿是種技術,換成大醬和硝就成另外種原理都不同的技術了。

  另外還有用油脂、動物角和毛發指甲,以及自然灰也就是碳酸鈉(這是很好的是催滲劑)等等起進行滲碳的。實際上這種技術到現在也還在大量應用,般用機油和碳黑等材料制成的膏劑對工件進行涂抹,然后進行滲碳處理,叫膏體滲碳。
  手段之是固體滲碳,那么之二自然就是液體滲碳了。
  我想定有很多人想知道古代那些神兵利器尤其是那些名劍都去哪里了吧?這就要說了。《吳越春秋》里有記載制造我古代寶劍“干將”的過程。從這個記載里,可以知道干將因為“金鐵之精”不能“銷”,于是投入毛發和指甲,然后再讓人投入大量木炭,終“金鐵之精”溶化而成劍。這其實是種比較原始的液體滲碳技術。

  在青銅器盛行的年代,出現了把鋼鐵劍,當然是毫無疑問的寶劍了,削那個青銅如泥這不是傳說。但問題在于鋼鐵器太容易腐蝕了,不小心就爛成渣。從干將的記載看,我認為中古代,尤其是春秋戰到西漢的大多數名劍,都因為是鋼鐵器所以才稱雄時,但也恰恰因為它們是鋼鐵器,又很快地被時間之河侵蝕因而徹底消亡——這就是為什么干將莫邪純鈞湛盧等等代名劍都不見后世的根本原因。


  圖為越王勾踐劍
  再就是的灌鋼法了。這種技術是把生鐵當滲碳劑使用,對熟鐵進行滲碳,得到合適含碳量的鋼。所以這種技術都是先制備好熟鐵,然后將生鐵溶化淋到熟鐵工件上進行滲碳。這種技術在我文獻里記載相當詳細,如《天工開物》。


  圖為《天工開物》中的灌鋼法
  南北朝時期的刀匠綦毋懷文造宿鐵刀的技術也是種滲碳技術。《北史》的記載是這樣的:“又造宿鐵刀,其法燒生鐵精以重柔鋌,數宿則成剛。以柔鐵為刀脊,浴以五牲之溺,淬以五牲之脂,斬甲過三十札。”從“燒生鐵精以重柔鋌,數宿則成剛”句看,這依然是把生鐵當滲碳劑用,且很可能他終造出來的是某種花紋鋼產品。
  在滲碳技術之余,是古人對催化介質的不斷認識和創新。譬如干將用毛發指甲,以及明代文獻記載中大量使用牛羊角及其灰燼、油脂、自然灰,還有箬皮灰、青鹽、砂等等,都是這類。這些東西,動物毛發之類都是含氮的,氮能降低鋼鐵的臨界溫度,加大淬透性,并提高滲碳速度和工件表面硬度,是非常重要的滲碳介質。這些演變,都是滲碳技術里的個分支發展,就是碳氮共滲技術。
  中古代造刀劍直都有投入動物毛發指甲乃至骨骼的傳統,而傳說中以身殉爐的也不少,這些做法在本質上就是增氮滲碳法——其實古人跳爐子是真有科學道理的。



  說完滲碳說淬火。這個就比較簡單了,古代般就三種。
  就是單介質淬火。這不用多說了吧,把燒到溫度的工件往水或油里滋,完事。
  二是雙液淬火。也就是用不同的液體淬火。前面說的綦毋懷文在造宿鐵刀時,“浴以五牲之溺,淬以五牲之脂”,就是鹽淬、油淬的雙液淬火。這種淬火產品,硬度當然合格就不說了,關鍵是其耐磨和彈性也很好。
  三就是敷土燒刃了。這種技術本質上還是單介質淬火,但問題在于它在工件外不需要淬火的部位加了含碳泥土進行包裹,需要淬火的部位般有層非常薄的膏劑,通常含有大量的碳氮成分,等膏劑干后,進行淬火。這種做法在唐時還有,之后失傳。日本則直保持了下來,日本刀就是這么淬火得到刃文的。
  本文轉自冷兵器研究學者-汗青







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