灌鋼法應(yīng)用

制備刀具

推動(dòng)中國(guó)古代刀劍技術(shù)的發(fā)展綦毋懷文是一位出色的制刀專家，對(duì)前人造刀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行研究、比較，經(jīng)過(guò)不斷實(shí)踐，創(chuàng)造一套新的制刀工藝和熱處理技術(shù)。

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，然后“以柔鐵為刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”這樣做出來(lái)的刀稱為“宿鐵刀”，極其鋒利，能夠一下子斬?cái)噼F甲30札。對(duì)于含碳量比較高的鋼，理想的淬火介質(zhì)應(yīng)該是：當(dāng)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。這就需要采用雙液淬火法。綦毋懷文先用動(dòng)物尿、后用動(dòng)物油進(jìn)行雙液淬火，能夠造出品質(zhì)很高的“宿鐵刀”。

中國(guó)早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)代就使用了淬火技術(shù)，但是長(zhǎng)期以來(lái)，人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質(zhì)。雖然三國(guó)時(shí)的制刀能手蒲元等人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到：用不同的水作淬火的冷卻介質(zhì)，可以得到不同性能的刀，但仍沒(méi)有突破水的范圍。而綦毋懷文則實(shí)現(xiàn)了這一突破，他在制作“宿鐵刀”時(shí)使用了雙液淬火法，即先在冷卻速度大的動(dòng)物尿中淬火，然后再在冷卻速度小的動(dòng)物油脂中淬火，這樣可以得到性能比較好的鋼，避免單純使用一種淬火（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(shí)候，選用冷卻速度比較快的淬火介質(zhì)，以保證工件的硬度；而在溫度比較低的時(shí)候，則選用冷卻速度比較小的淬火介質(zhì)，以防止工件開裂和變形，使其有一定的韌性。雙液淬火法是一種比較復(fù)雜的淬火工藝，這在當(dāng)時(shí)沒(méi)有測(cè)溫、控溫設(shè)備的條件下，完全依賴操作及經(jīng)驗(yàn)，是一個(gè)了不起的成就。

在綦毋懷文之前，中國(guó)古代的鋼刀大都用百煉鋼制成，這樣制作的刀劍雖然性能優(yōu)異鋒利，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百煉鋼制成，價(jià)格昂貴；如一把東漢時(shí)期的名鋼劍的價(jià)錢可以購(gòu)買當(dāng)時(shí)供7個(gè)人吃2年9個(gè)月的糧食。而且百煉鋼制作刀劍費(fèi)時(shí)費(fèi)力。三國(guó)時(shí)，曹操命有司制作寶刀5把，用了3年時(shí)間。為此，綦毋懷文對(duì)制刀工藝進(jìn)行了重大更新。這表明綦毋懷文對(duì)鋼鐵的性能有比較深刻的認(rèn)識(shí)，而且能根據(jù)不同的用途合理選擇材質(zhì)，發(fā)揮各種材質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省某些貴重材料，降低成本和費(fèi)用。一把刀的背部、刃口實(shí)際起著不同的作用，因而要求具有不同的性能。

一般來(lái)說(shuō)，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(yīng)該選擇含碳量較高、硬度較大的鋼來(lái)制造。而刀背主要起一種支撐作用，要求有比較好的韌性，使刀在受到比較大的沖擊時(shí)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(rèn)識(shí)，在制作刀具時(shí)才能夠?qū)⑹扈F和鋼巧妙的結(jié)合起來(lái)，將二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(jié)省大量昂貴鋼材，利于鋼刀的推廣和普及。這種制刀工藝，今天還在沿用。

由于綦毋懷文和千百萬(wàn)工匠的辛勤勞動(dòng)，使中國(guó)古代冶金技術(shù)自立于世界之林。綦毋懷文發(fā)展的灌鋼法，是中國(guó)冶金史上的一項(xiàng)杰出成就和偉大創(chuàng)新，在世界煉鋼史上占有一定地位。灌鋼法的進(jìn)一步革新，使鋼的產(chǎn)量和品質(zhì)大大提高，為隋唐以后生產(chǎn)力的大幅度增長(zhǎng)提供了條件。 2100433B

南北朝時(shí)期，已經(jīng)出現(xiàn)了技術(shù)更為先進(jìn)的灌鋼法，用此法制作的兵器堅(jiān)韌鋒利。早在漢代，人們就開始用煤做燃料，并用來(lái)冶鐵。北宋時(shí)期，用煤冶鐵已相當(dāng)普遍。冶鐵爐的溫度因此得到提高，于是加速了冶煉進(jìn)程，提高了冶鐵業(yè)的生產(chǎn)效率。

后來(lái)，灌鋼法又不斷發(fā)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(lái)，進(jìn)行燒煉，效果更好。明代又有改進(jìn)，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。不用泥封而用涂泥的草鞋遮蓋爐口，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。明中期以后，灌鋼法更進(jìn)一步發(fā)展為蘇鋼法以熟鐵為料鐵，置于爐中，而將生鐵板放在爐口，當(dāng)爐溫升高到1300℃左右，生鐵板開始熔化時(shí)，既用火鉗夾住生鐵板左右移動(dòng)，并不斷翻動(dòng)料鐵，使料鐵均勻地淋到生鐵液；這樣，既可產(chǎn)生很好的滲碳作用，又可產(chǎn)生劇烈的氧化作用，使鐵和渣分離，生產(chǎn)出含渣少而成份均勻的鋼材。直到現(xiàn)今，在蕪湖、湘潭、重慶、威遠(yuǎn)等地人們還在使用；可見其影響的深遠(yuǎn)。在17世紀(jì)以前，中國(guó)的煉鋼（不是冶鑄）技術(shù)長(zhǎng)期居于世界領(lǐng)先地位，受到各國(guó)地普遍贊揚(yáng)。公元1世紀(jì)時(shí)，羅馬博物學(xué)家在其名著《自然史》中說(shuō)：“雖然鐵的種類很多，但沒(méi)有一種能和中國(guó)來(lái)的鋼相媲美?！?

塊煉法

中國(guó)古代冶煉技術(shù)在春秋以前，處于比較原始的階段，當(dāng)時(shí)使用的冶煉方法稱為“塊煉法”。當(dāng)時(shí)煉鐵使用木炭作燃料，熱量少，加上爐體小，鼓風(fēng)設(shè)備差，因此爐溫比較低，不能達(dá)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(fèi)時(shí)，質(zhì)地比較軟，含雜質(zhì)多，經(jīng)過(guò)鍛打成為可以使用的熟鐵。

鋼鐵冶煉技術(shù)后來(lái)進(jìn)一步發(fā)展到“塊煉鋼”。人們?cè)阱懘驂K煉鐵和熟鐵的過(guò)程中，需要不斷地反復(fù)加熱，鐵吸收木炭中的碳份，提高了含碳量，減少夾雜物后成為鋼。這種鋼組織緊密、碳分均勻，適用于制作兵器和刀具。出土文物表明，中國(guó)最遲在戰(zhàn)國(guó)晚期已經(jīng)掌握這種最初期的煉鋼技術(shù)。

后進(jìn)一步發(fā)展到“百煉鋼”技術(shù)。人們?cè)诖蛑破魑锏臅r(shí)候，有意識(shí)地增加折疊、鍛打次數(shù)，一塊鋼往往需要燒燒打打、打打燒燒，重復(fù)很多次，甚至上百次，所以稱之為百煉鋼。百煉鋼碳分比較多，組織更加細(xì)密，成份更加均勻，所以鋼的品質(zhì)提高，主要用于制作寶刀、寶劍。

生鐵冶鑄技術(shù)

至春秋中后期，我國(guó)的煉鐵技術(shù)已經(jīng)達(dá)到較高的水平?在熟練地掌握了塊煉法煉鐵后，我國(guó)又在世界上最早發(fā)明了生鐵冶鑄技術(shù)?

據(jù)《左傳·昭公二十九年》記載，公元前513年，晉國(guó)鑄造了一個(gè)鐵質(zhì)刑鼎，把范宣子所制定的《刑書》鑄在上面?鑄刑鼎的鐵是作為軍賦向民間征收來(lái)的，這說(shuō)明最遲春秋末期出現(xiàn)了民間煉鐵作坊，而且已較好地掌握了生鐵的冶鑄技術(shù)?

在生鐵冶煉過(guò)程中，爐溫較高，被還原生成的固態(tài)鐵會(huì)吸收碳?硫和磷，這種吸收隨著溫度的升高，速度就會(huì)加快;另一方面，鐵吸收碳后，熔點(diǎn)隨之降低，當(dāng)含碳量達(dá)到2.0%時(shí)，熔點(diǎn)降至1380度，當(dāng)含碳量達(dá)到4.3%時(shí)，熔點(diǎn)最低，僅1146度?

所以，當(dāng)爐溫至1200度時(shí)，就完全能使鐵充分熔化，從而得到了液態(tài)的生鐵，并可以很方便地直接用于澆鑄成器?

生鐵冶煉技術(shù)的出現(xiàn)，改變了塊煉鐵的冶煉與加工都較費(fèi)工費(fèi)時(shí)的狀況，煉爐可連續(xù)使用，提高了生產(chǎn)率，降低了成本，使得大量提煉鐵礦石和鑄造出器形比較復(fù)雜的鐵器成為可能?這就為我國(guó)古代煉鐵技術(shù)的發(fā)展開拓了自己獨(dú)特的道路?

“炒鋼法”

在西漢中晚期，中國(guó)出現(xiàn)新的煉鋼技術(shù)“炒鋼”，這是在生鐵冶鑄技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種煉鋼技術(shù)。其基本方法是將生鐵加熱成半液體和液體狀，然后加入鐵礦粉，同時(shí)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(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明是煉鋼技術(shù)的重大突破，使冶煉業(yè)能向社會(huì)提供大量廉價(jià)、優(yōu)質(zhì)的熟鐵或鋼，滿足生產(chǎn)和戰(zhàn)爭(zhēng)的需要。炒鋼的出現(xiàn)促進(jìn)百煉鋼技術(shù)的發(fā)展，人們以炒鋼為原料，經(jīng)過(guò)反復(fù)加熱、折疊、鍛打成質(zhì)量很好的鋼件。但是炒鋼和百煉鋼技術(shù)還存在一定缺陷，如炒鋼工藝復(fù)雜，不容易掌握；百煉鋼費(fèi)工費(fèi)時(shí)。

灌鋼法

綦毋懷文發(fā)展的灌鋼法大約在東漢末可能出現(xiàn)煉鋼新工藝“灌鋼法”的初始形式。南北朝時(shí)，綦毋懷文對(duì)這一煉鋼工藝進(jìn)行了重大改進(jìn)和完善。南朝齊、梁時(shí)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制成十分鋒利的“宿鐵刀”。

灌鋼法綦毋懷文

綦毋懷文，姓綦毋，名懷文，是中國(guó)南北朝時(shí)期著名冶金家。他生活在公元6世紀(jì)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(shù)”，曾經(jīng)作過(guò)北齊的信州（今四川省奉節(jié)縣一帶）刺史。據(jù)史書記載，綦毋懷文的煉鋼方法是：“燒生鐵精，以重柔鋌，數(shù)宿則成鋼”，就是說(shuō)，選用品位比較高的鐵礦石，冶煉出優(yōu)質(zhì)生鐵，然后，把液態(tài)生鐵澆注在熟鐵上，經(jīng)過(guò)幾度熔煉，使鐵滲碳成為鋼。由于是讓生鐵和熟鐵“宿”在一起，所以煉出的鋼被稱為“宿鐵”。

灌鋼法灌鋼法優(yōu)點(diǎn)

灌鋼法是中國(guó)古代煉鋼技術(shù)上一個(gè)了不起的成就。同百煉法或炒煉法比較，其優(yōu)點(diǎn)：

（1）生鐵作為一種滲碳劑，因熔化后溫度高，加速向熟鐵中滲碳的速度，縮短冶煉時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

（2）熟鐵因?yàn)樘嫉臐B入而成為鋼，生鐵由于脫碳也可以變成鋼，增加了鋼的產(chǎn)量。

（3）在高溫下，液態(tài)生鐵中的碳、硅、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發(fā)生反應(yīng)，去除雜質(zhì)，純化金屬組織，提高金屬品質(zhì)。

（4）灌鋼法操作簡(jiǎn)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。

灌鋼又叫團(tuán)鋼法，或生熟法，是中國(guó)早期煉鋼技術(shù)一項(xiàng)最突出的成就。17 世紀(jì)以前，世界各國(guó)一般都是采取熟鐵低溫冶煉的辦法，鋼鐵不能熔化，鐵和渣不易分離，碳不能迅速滲入。中國(guó)發(fā)明的灌鋼法，成功解決這一難題，為世界冶煉技術(shù)的發(fā)展做出劃時(shí)代貢獻(xiàn)。

灌鋼工藝是我國(guó)古代刃鋼生產(chǎn)的主要方法。它以生鐵（一種含碳量較高[2.11%以上]的炒煉產(chǎn)品）和“熟鐵”（一種含碳量較低[0.02%以上]的炒煉產(chǎn)品）為原料，將它們加熱到生鐵熔點(diǎn)以上，合煉而成鋼。

其中生鐵是指由礦石冶煉得到的液態(tài)鑄鐵，含碳量和雜質(zhì)很高，性脆易碎；熟鐵是指將生鐵經(jīng)過(guò)“炒”或“蒸”等工藝而脫碳后的鐵，柔軟可鍛，雖然碳量降下來(lái)了，但氧化夾雜等并未減少，故需要經(jīng)過(guò)反復(fù)加熱鍛打，以去除夾雜物，同時(shí)滲碳而增強(qiáng)剛硬性，成為鋼。灌鋼工藝是將高碳含量的生鐵液澆灌到紅熱的低碳含量的熟鐵（現(xiàn)代鋼鐵技術(shù)中所謂的低碳鋼或純鐵）中，相互熔融混合，直接獲得剛硬的鋼（現(xiàn)代鋼鐵技術(shù)中所謂的高碳鋼） 。

灌鋼是中國(guó)古代冶金技術(shù)的一項(xiàng)杰出創(chuàng)造，它利用生鐵含碳量較高、“熟鐵”含氧化夾雜較多的特點(diǎn)，用“熟鐵”中的氧來(lái)氧化生鐵中的硅、錳、碳，造成激烈的“沸騰”，而達(dá)到去除夾雜的目的。雖操作簡(jiǎn)單，效果卻十分明顯，這是人類古代制鋼工藝中所獲得的最高成就 。2100433B

中國(guó)古代關(guān)于灌鋼的記載始見于東漢晚期。《全后漢文》卷九十一王粲（177—217年）《刀銘》云：“相時(shí)陰陽(yáng)，制茲利兵，和諸色劑，考諸濁清；灌襞已數(shù)，質(zhì)象已呈。附反載穎，舒中錯(cuò)形。”此文所述為制作寶刀的全過(guò)程。其中的“灌”即灌煉，“襞”原指衣服上的褶裥，在此應(yīng)指鋼鐵材料的多層積疊、反復(fù)折疊。“灌襞已數(shù)”即是多次灌煉?？梢姈|漢末年，人們便用灌鋼制作刀劍，其發(fā)明年代至遲在東漢晚期。何堂坤：《關(guān)于灌鋼的幾個(gè)問(wèn)題》，《科技史文集》第15輯，上海科技出版社1989年版。

稍后，晉張協(xié)《七命》也談到過(guò)與王粲《刀銘》所云相似的工藝：“銷逾羊頭，鏷（鍱）越鍛成，乃煉乃鑠，萬(wàn)辟千灌；豐隆奮椎，飛廉扇炭?！贝恕颁N”，唐李善引許慎說(shuō)為“生鐵也”。鍱，《廣雅》釋為鋌。李善注云：“辟謂疊之，灌謂鑄之”?！读甲⑽倪x》卷三五張協(xié)《七命》注。所以，此“萬(wàn)辟千灌”便是指多層積疊，多次灌煉，即是灌鋼工藝。

南北朝時(shí)，灌鋼在中國(guó)南北各地推廣開來(lái)，且用于農(nóng)具制作中?！吨匦拚徒?jīng)史證類備用本草》卷四“玉石部”引梁陶弘景云：“鋼鐵是雜煉生鍒作刀鐮者”。北齊綦毋懷文亦制作過(guò)灌鋼刀。及宋，各種記載更多。張君房《云笈七簽》卷七十八載：“灌剛之時(shí)，必須林栗等炭，余皆不堪用?！庇衷疲骸叭∽匀怀蓜傝F上，次取擣剛五灌已上者佳?！薄吨匦拚徒?jīng)史證類備用本草》卷四又引北宋蘇頌《圖經(jīng)本草》云：“以生柔相雜和，用以作刀劍鋒刃者為鋼鐵。”灌鋼在中國(guó)一直沿用到明清，本世紀(jì)三十年代還在四川等地流行。

李時(shí)珍《本草綱目》卷八“鋼鐵”條：“鋼鐵有三種，有生鐵夾熟鐵煉成者，有精鐵百煉出鋼者，有西南海山中生成狀如紫石英者?！鼻罢呒词枪噤?，次者百煉鋼，后者系金剛石之誤?？梢娫诠湃诵哪恐校噤撌侵袊?guó)古代鋼的主要品種之一。因其含碳量較高，通常主要用來(lái)制作刀、劍、鐮等兵器、生產(chǎn)工具的鋒刃部，對(duì)中國(guó)古代社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展起到了重要的作用 。