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BET365手机app下载 - 灌钢法能做出锋利和韧性兼备的好刀吗?我看悬!

2020-01-11 18:33:32  点击:4149

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BET365手机app下载,灌钢是一个很令我头痛的论题。因为仿佛约好了似的,中国学者专家对灌钢制品质量都闭口不谈。至今我没有见到一个对灌钢制品的科学检测报告,虽然从别的言论可以得知,灌钢制品是有出土的。更何况封建时代后期钢铁制品完全可以传世,连土都不用出。这对灌钢这种封建时代中后期主要的钢品种显然是不公平的。不过专家如此,我也没有办法,所以这节只能根据古书和一般的科学,尤其是冶金学常识进行描述,如果今后有实物检测报告证明我的描述不对,我乐于修改。

图文无关

在铸造生铁之后,人们必然会想到:能否用较硬而脆的生铁跟较软而韧的熟铁结合起来,制造出硬韧具备的钢。中国人是世界上最早真正利用铸铁的民族,而杂合生熟铁的尝试也是最早的(罗马人的“擦生”算不上试图把生熟铁结合为钢,而且只是一种偶然的尝试),这种尝试的成果就是灌钢技术。

最早的灌钢技术记载是王粲的《刀铭》:“灌襞已数、质象已呈。”西晋张协《七命》中也说:“乃炼乃烁,万辟千灌。”而比较具体的是前面所说《北史》卷九十(有的作卷八十九,不知何故)《列传第七十七艺术上》 所载:“怀文造宿铁刀,其法,烧生铁精以重柔铤,数宿则成刚。以柔铁为刀脊,浴以五牲之溺,淬以五牲之脂,斩甲过三十札。今襄国冶家所铸宿柔铤,是其遗法,作刀犹甚快利,但不能顿截三十札也。”从这里看不出的具体技术过程。不过有三点是可以明确的:一、綦母怀文的“宿铁刀”是用生熟铁杂合制钢锻造的,要点是加热铸铁直至熔化,设法使之渗入熟铁中,这种钢需要几天几夜才能炼成,看来技术比较复杂,耗费工时较多;二、綦母怀文在中国历史上第一次提出了以熟铁为本体,以钢为刃的正确焊接原则;三、綦母怀文尝试过不同的淬火液。

綦母怀文的成就具有重要的甚至可以说是决定性的意义。第一、他发明了一种相对简易的炼钢方法,这就给了铸造铁器以沉重打击。中国从青铜时代开始,就严重缺乏锻造和热处理经验,无法像其他大文明一样直接走表面渗碳制钢的道路。而灌钢法使中国人得以绕开这条艰难之路,按照后来宋朝时期的灌钢法,锻造铁体钢刃农工具是比较容易的(相对表面渗碳而言),从南北朝开始,锻造铁器开始逐渐排挤铸造铁器;第二、焊接技术也从此普及,这就为更加优质的兵器和农工具的出现开辟了广阔的道路。像早期百炼钢刀那样脆的兵器从此不再出现,而局部淬火的重要性也下降了(淬火对熟铁影响不大)。綦母怀文不愧为中国冶金史上的杰出人物。

据《重修政和经史证类备用本草》卷四《玉石部》引用的陶弘景的话说:“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者。”可能南北朝时已经把灌钢作为一种普遍运用的制钢法了。至于它的发明时代,估计是在东汉末年。

南北朝之后,灌钢法不断发展,逐渐成为中国古代最重要的炼钢法,然而它也逐渐走向了它的反面,从帮助锻造铁器打败铸造铁器,到阻碍锻造技术在中国的发展。灌钢发生这种转变的原因到底是什么呢?

沈括的《梦溪笔谈》是最早详细介绍灌钢法的古书,有关的卷三《辩证一》内容如下:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之‘团钢’,亦谓之‘灌钢’。此乃伪钢耳,暂假生铁以为坚,二三炼则生铁自熟,仍是柔铁。然而天下莫以为非者,盖未识真钢耳。”这里比较清楚的说明了宋代灌钢的一般工序。将熟铁锻成细条,然后盘成一团(大概类似蚊香),然后把生铁片置于熟铁“蚊香”之上,这是我设想的理想炼法;或者把熟铁条卷成螺旋状,然后把生铁片塞入螺旋之间的空隙中(杨宽的说法)。然后用泥封住炉灶(杨宽说法),或者是封住铁团本身(根据明朝炼法估计),开始燃烧加温,直到1200摄氏度以上,生铁熔化,由于泥封,生铁不会因氧化脱碳,而是变成铁水流入熟铁之间,然后冷却取出铁团锻打,就宣告炼制成功。

听起来这是不错的办法,技术简单,成本低,而炼出来的是钢。然而我们不要忘记两个问题:一、铁水本身,不是好的渗碳剂。除了中国的灌钢和欧洲曾短暂尝试的弥散法之外,古今都没有采用生熟铁杂合炼钢法的,尤其现代炼钢业无一采用这种方法,这就很能证明问题了。铁水是一种粘稠的液体,这种特性使碳分和其它杂质较多的留在它内部(不要忘记灌钢时铁团已经被泥封起来了,氧化现象是比较少的)而较少扩散出去。通俗的说,让铁水熔化渗入熟铁,使它渗碳,就好像把白糖洒在白饭上面,然后放入锅里蒸,指望它从内到外变得一样甜那么困难(相信这里的人都有些生活经验)。绝大多数情况下,只能使碳分渗入熟铁较浅部位,而冷却后的铁水,成为钢中的高碳部分。也就是说,灌钢的特点就是含碳量不均匀;二、更简单的问题,地球重力。铁水熔化后会向下流,冷却后造成钢坯下部含碳量较高而上部含碳量较低——仍是含碳量不均匀。

解决这个问题的方法有二:一是重复这一过程。前面所说早期灌钢耗费工时较多,可能就跟反复灌有关。然而,灌成钢团之后,它的塑性会变得很差,比如沈括所说把熟铁锻成细条,卷曲起来,这要对钢进行就要困难得多,甚至于不可行。而只灌一次的钢,显然是因为碳分不均匀的问题而被看不起的。二就是改进灌钢法。在明朝出现了两种改良灌钢法。

方以智《物理小识》卷七《金石类》所说:“灌钢以熟片加生铁,用破草鞋盖之,泥涂其下,火力熔渗,取锻再三。”这里主要强调要多次灌、锻。也可以看出明代炼钢炉并不封闭炉口,这样便于氧气进入而提高温度。需要封闭的只是铁团本身。而《天工开物》卷十四《五金》介绍了进步的灌法:“凡钢铁炼法,用熟铁打成薄片,如指头阔,长寸半许,以铁片束包尖紧,生铁安置其土〔上〕(广南生铁名堕子生钢者妙甚),又用破草履盖其上(粘带泥土者,故不速化),泥涂其底下。洪炉鼓鞴,火力到时,生钢先化,渗淋熟铁之中,两情投合。取出加锤,再炼再锤,不一而足。俗名团钢,亦曰灌钢者是也。”(括号内是宋应星本人的注释)这种技术的重点是:一、熟铁片不再打细,因为比较疏松的熟铁有助于碳分渗入;二、明确生铁置于熟铁之上,这样可以比较好的利用重力使铁水渗入熟铁之间;三、仍强调要多次灌、锻。因为产品不再需要打细卷曲,所以可以多次重复灌钢。

这种技术的问题是:一、一厘米多厚的熟铁片,看来是没有经过多次锻打的,这样的铁片比较疏松,好处是对渗碳有利,坏处是铁中杂质没有除尽,这就需要对炼成的钢认真锻打,对体力和经验的要求较高;二、长5厘米,厚一厘米的铁片,基本上是不可能渗碳完全的,何况渗碳剂是铁水;三、铁片夹紧熟铁,究竟“紧”到什么程度?如果太紧,铁水难以进入熟铁之间的缝隙,进一步加重渗碳不完全的毛病;四、地球重力造成的成品上下部含碳量不一致问题依然没有得到解决。因此需要一个终极解决办法。这个办法就是苏钢法。

最早记载苏钢法的是明唐顺之《武编·前编》卷五“铁”条,其中提及了传统的灌钢法,其次就是如下语句:“或以生铁与熟铁并铸,待其极熟,生铁欲流,则以生铁于熟铁上,擦而入之。”从这段画看很难分清到底这种技术的细节是什么,它到底是擦生还是苏钢法?现在可以肯定的是苏钢法到清朝才流行起来,逐渐取代了灌钢法。

根据清末、民国和共和国初期的调查,苏钢法的工艺过程是:先把熟铁料放到炉里鼓风加热,后把生铁的一端斜放到炉口里加热。当炉温达到一千三百摄氏度左右时,炉里生铁不断熔滴,熟铁料已经软化,便用钳子钳住生铁块,努力使铁水均匀地浇淋到熟铁上。浇淋完毕后,停止鼓风,夹出钢团,上砧锤锻,去除杂质。一般要重复这一过程两次。

毫无疑问,苏钢法实际上已经超越了灌钢法,成为一种全新的高明的炼钢方法。它最绝妙的好处是恰好利用了地球重力这一灌钢法最大的敌人。如果工人足够坚强和熟练,可以做到均匀滴落铁水。如果熟铁片在入炉之前足够薄,那么渗碳效果将很好(虽然致密的熟铁渗碳比较困难,但这是值得付出的代价),而且重复进行也没有问题。如果操作得当,苏钢法跟一般的表面渗碳法效果基本上没有区别。它主要的缺点是:人毕竟是人,在1300度以上的高温炉前操作,很难保证铁水的滴落均匀。其次,铁水本身不是个良好的渗碳剂,这个根本性的问题依然存在。

总的来说,灌钢法的最大问题就是成品碳份不均匀,也就是钢不纯。在古代条件下,要钢纯,只有两种方法,一是印度人首创的坩埚炼钢法,更准确的说是萨利姆法,通过在坩埚中放置熟铁和木料,密封加热到极高温度4小时,就可以得到纯净的高碳钢。这种方法的问题是渗碳添加剂的内容,铁匠往往秘而不宣,而添加剂一旦选择有误,就会严重影响产品性能;其次钢的含碳量过高,因此脆性大,不是很理想的钢材;第三钢材含磷量过高,在印度西亚这种炎热的地方也许问题不是很大,但在中国、欧洲就会很严重;最后,看来只有得到了三千五百年历史考验的那种方法,才是最完美的:表面渗碳。把铁打成极薄的片,把它放入燃烧的木炭中一定时间,取出锻打。有经验的锻工,可以锻出纯净的钢。它的问题是锻工必须很有经验。

网上有一种说法:“灌钢以生铁和可锻铁作为原料,灌炼操作在生铁熔点以上进行,因此生产率比较高,渣、铁分离比较好;人们可以通过控制原料配比和鼓风等操作来控制产品成分,因此产品质量也比较好。在公元1740年坩埚液态炼钢法发明以前,世界上制钢工艺基本上属于固态冶炼和半液态冶炼,渣、铁分离比较难。像灌钢这样,成分比较容易控制,渣、铁分离也比较好,在古代制钢技术中是十分罕见的。”这种说法确是事实,但回避了“碳份不均匀”这个最致命的问题。其实世界上没有哪个民族是天生的傻瓜,欧洲人不是,他们在17世纪发明了弥散法。这种炼钢法同样是铸铁和熟铁杂合,具有灌钢法的一切优点,而且铁渣分离更明显。有趣的是欧洲人和中国人的思路恰好相反,中国人把生铁置入熟铁中,而欧洲人则把熟铁置入铸铁中。但弥散法最终成为昙花一现的炼钢法,欧洲人经过比较,很快走上了表面渗碳工业化的道路。17世纪初,大型渗碳窑问世,在窑内熟铁棒和木炭交替叠装,炉火保持2-7天,出炉后锻打减厚。英国的专利获得者Elliott和Maysey在1614年详细讲述了这种渗碳法。看来这种方法是传统渗碳法和印度坩埚炼钢法的结合,成品含碳量较高。价格是330公斤23英镑。16世纪末发展起来的另一种先进炼钢法就是精炼直接制钢法。它跟早期炒钢法类似,通过有经验的工人的控制,在铸铁完全脱碳前停止加热搅拌。如果技术熟练,炼出的钢重量可达原铸铁的70%,如此高的比例在古代冶铁历史上还是空前的。

扯远了,回到本题。灌钢法的技术要求比表面渗碳锻打法要低得多,大概这就是它能够在中国得到普及的原因。然而有得必有失。灌钢法的普及带来的恶果就是锻造技术的萎缩。中国人同样不是傻瓜,他们对灌钢的质量如何,是非常清楚的。沈括所说“二三炼则生铁自熟,仍是柔铁”,估计是因为锻工不精,表面脱碳严重(根据早期百炼钢可以得知中国锻工可以使表面含碳量下降0.3%,这还是熟练锻工的水平);要么是生铁比例太小,又没有重复灌,造成钢件含碳量偏低;再或者钢件中低碳部分大大多于高碳层。杨宽对此辩解说:“沈括说灌钢经过二三炼‘仍是熟铁’,其实任何中碳钢或高碳钢,如果用烈火炒炼,把其中碳份烧掉,都是要变成低碳钢的,不仅灌钢是如此。”这个辩解还不如不辩——中国古代冶金确实有很多问题,但并不意味着中国人是弱智。炼钢成功,任何人都知道下一步应该是加热锻打,然后焊接。无端端炒它干什么?!再说虽然中国古文字确实暧昧不清,但谈到钢的时候,“炼”大多是加热锻打的意思。这点历史学家应该都清楚。

在沈括以后,南宋曾敏行曾说:“今人才以生熟二铁杂合为钢,何炼之有?”这表明了对重灌轻锻的炼钢法的不满。明唐顺之《武编·前编》卷五“铁”条中有似乎针对沈括的话写的语句,他说有人指出灌钢使用久了会变脆(或者是锻打久了会变脆,古汉文是很难弄明白确切意思的),这大概是生铁比例太高的缘故。如果是锻久变脆,则基本上肯定是热脆,跟灌钢技术本身没什么关系(古代,尤其是中国人不大可能因锻打温度过高或升温过久造成钢材变脆)。《天工开物》中说日本人很鄙视中国的灌钢,作为一个大国,冶金失败成这样子还真是少见。