一．生鐵和柔化處理技術(shù)
1．生鐵
我們通常說的“鐵”分“生鐵”和“熟鐵”兩種，包括“鋼”在內(nèi)，都是以鐵（Fe）和碳（C）兩種元素為主的一種合金。人們通常把含碳量在0.05%以下的叫熟鐵，0.05%到2.0%的叫鋼，百分之2.0%到百分之6.67的叫生鐵。
人類早期煉得的熟鐵通常叫塊煉鐵，它是鐵礦石在八百到一千攝氏度左右的條件下，用木炭直接還原得到的。出爐產(chǎn)品是一種含有大量非金屬夾雜的海綿狀固體塊。塊煉鐵和生鐵比較起來，有如下幾個缺點：一是它不能從爐里流出，取出鐵塊時，爐膛要受到不同程度的破壞，不能連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)率比較低，產(chǎn)量比較小。二是成形費工費時。三是所含非金屬夾雜比較多，要通過反覆鍛打才能排除。四是含碳量往往比較低，因而很軟。生鐵的冶煉溫度是1150到1300攝氏度，出爐產(chǎn)品呈液態(tài)，可以連續(xù)生產(chǎn)，可以澆鑄成型，非金屬夾雜比較少，質(zhì)地比較硬，冶煉和成形率比較高，從而產(chǎn)量和質(zhì)量都大大提高。由塊煉鐵到生鐵是煉鐵技術(shù)史上的一次飛躍。
我國鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展道路和世界各國是不完全相同的。國外一般是先有塊煉鐵，經(jīng)過長期緩慢發(fā)展之后才有生鐵。歐洲許多地方的塊煉鐵是公元前1000年前后發(fā)明出來的，但是直到公元十四世紀(jì)才有生鐵。我國卻不是這樣。我國冶鐵術(shù)大約發(fā)明于西周時期，比歐洲晚，可是它一經(jīng)發(fā)明，不久就出現(xiàn)了生鐵，后來者居上，使我國成為世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國家。
1964年，江蘇六合程橋鎮(zhèn)出土一件春秋晚期的鐵塊，經(jīng)鑒定是白口生鐵。這是到現(xiàn)在為止我國出土并且經(jīng)過科學(xué)分析的最早生鐵實物。戰(zhàn)國中晚期，鐵器在我國農(nóng)業(yè)、手工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)了主導(dǎo)地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前出土的戰(zhàn)國鐵質(zhì)生產(chǎn)工具大約十六種左右，其中多數(shù)是生鐵和它的柔化處理件，塊煉鐵處于輔助地位。這表明這時我國生鐵生產(chǎn)已經(jīng)有了比較大的發(fā)展。
我國生鐵技術(shù)發(fā)明比較早的原因是多方面的，我們以為在技術(shù)上至少應(yīng)包括以下幾點：一是我國冶銅術(shù)中很早就使用了比較強的鼓風(fēng)裝置。二是很早就對冶煉用的原料進行了比較好的選擇和處理。三是很早就發(fā)明了比較高大的冶煉豎爐。一般認(rèn)為，我國生鐵技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展同青銅技術(shù)有密切的關(guān)系。
2．可鍛鑄鐵
可鍛鑄鐵原是白口鐵經(jīng)高溫退火得到的一種高強度鑄鐵，具有一定的塑性和沖擊韌性。依熱處理條件的差別，又可分成白心可鍛鑄鐵和黑心可鍛鑄鐵兩種：白心可鍛鑄鐵以脫碳為主，又叫脫碳可鍛鑄鐵；黑心可鍛鑄鐵以石墨化為主，又叫石墨化可鍛鑄鐵。
國外的白心可鍛鑄鐵是公元1722年由法國人首先發(fā)明的。公元1826年，美國人又發(fā)明了黑心可鍛鑄鐵。此后一個相當(dāng)長的時期里，人們都把白心可鍛鑄鐵叫做“歐洲式可鍛鑄鐵”，把黑心可鍛鑄鐵叫做“美洲式可鍛鑄鐵”。其實，這兩種可鍛鑄鐵，我國早在兩千多年前都已經(jīng)發(fā)明了。
“洛陽水泥制品廠戰(zhàn)國早期灰坑遺址”出土過一件鐵鏟，鏟體基本銹蝕，只在銎（qing）部（裝柄的孔）有部分金屬殘留，在金相顯微鏡下顯示了黑心可鍛鑄鐵組織，基體是鐵素體，上面分布著團絮狀退火石墨。這是到現(xiàn)在為止世界上經(jīng)過科學(xué)分析的最早的鑄鐵可鍛化退火處理件。戰(zhàn)國中晚期后，可鍛化處理工藝有了比較大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在：第一，分布地域更廣了。在北方，目前經(jīng)分析過的有河北易縣燕下都遺址的鐵钁、鐵鋤、鐵鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南長沙出土的鐵鏟等。第二，部分器件已經(jīng)處理得比較好，器件斷面基本上是可鍛鑄鐵組織，中心沒有白口鐵殘余，如燕下都的鐵鐏等。漢代到南北朝時期，鑄鐵可鍛化技術(shù)發(fā)展到比較成熟的階段：一是使用范圍有了進一步擴展。近年在山東薛城、河南南陽、澠池和鞏義市，北京清河和大藻臺，湖北銅綠山等地，都發(fā)現(xiàn)了這類器件。南陽瓦房莊出土的農(nóng)器有十二作，經(jīng)過分析，九件是普通可鍛鑄鐵，兩件是鑄鐵脫碳鋼，只有一件是白口鐵。二是技術(shù)水平有了進一步提高。凡處理過的器伴，中心很少有白口鐵組織殘留，石墨發(fā)育比較好，形態(tài)多和現(xiàn)代可鍛鑄鐵相當(dāng)。這些可鍛鐵中，有白心的，也有黑心的，多數(shù)是農(nóng)具。
鑄鐵可鍛化處理有十分重要的意義。在常溫下，碳在鑄鐵中主要有兩種存在形式：一是化合態(tài)，主要是滲碳體；二是自由石墨態(tài)，有條狀、團絮狀、球狀石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的鑄鐵，性能也是不盡相同的。白口鐵中，碳全部以滲碳體形式存在，因滲碳體硬度很高，塑性極低，所以白口鐵性硬而脆。通過可鍛化處理，白口鐵中的碳或以自由石墨態(tài)形式析出，或因氧化而去除，從而使材料強度提高，硬脆性減少，綜合機械性能得到改善。戰(zhàn)國中期以后，我國在農(nóng)業(yè)、手工業(yè)中這樣廣泛地使用了鐵器，可鍛鑄鐵的發(fā)明和發(fā)展是起了重要作用的。
3．球墨可鍛鑄鐵
球墨可鍛鑄鐵因所含石墨呈球狀而得名。它有比較高的強度、塑性和韌性，鑄造加工性能也比較好。
1974年，河南澠池發(fā)掘了一個北魏鐵器窖，里面藏有從漢代到北魏的鐵器四千多件，種類有生產(chǎn)工具、兵器、日用器皿以及鑄范、鐵材等。有一件鐵斧，整體經(jīng)過脫碳退火處理，器件斷面大部分相當(dāng)于含碳0.4%的中碳鋼，沒有石墨析出。但在銎的底部發(fā)現(xiàn)有球狀石墨，直徑是二十微米，分布在平均厚度約三，二毫米、總長五十毫米的U形斷面上，共約三十顆，外形比較規(guī)整。這類具有球狀石墨的鑄件在南陽瓦房莊、鞏義市鐵生溝等兩漢冶鑄遺址也有發(fā)現(xiàn)。特別值得指出的是鞏義市鐵生溝一件漢代鐵钁，它的石墨發(fā)育良好，有明顯的核心和放射性結(jié)構(gòu)，和現(xiàn)行國家球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)一類A級相當(dāng)。從現(xiàn)有研究資料看，這種球狀石墨應(yīng)是白口鐵退火過程中得到的。
在國外，鑄態(tài)球墨是1947年后使用了加入球化劑的方法才得到的。多年來，人們一直試圖用白口鐵退火的方式來獲得球狀石墨，但是難度很大。我國古代生鐵含硅量長期偏低，在低硅的情況下，我國人民不但生產(chǎn)了大量具有絮狀石墨的可鍛鑄鐵，而且生產(chǎn)了部分球墨可鍛鑄鐵，這在世界冶金史上是十分罕見的，實在難能可貴。
二．煉鋼技術(shù)
1．炒鋼
炒鋼因在冶煉過程中要不斷地攪拌好像炒萊一樣而得名。
炒鋼的原料是生鐵，操作要點是把生鐵加熱到液態(tài)或半液態(tài)，利用鼓風(fēng)或撒入精礦粉等方法，令硅、錳、碳氧化，把含碳量降低到鋼和熟鐵的成分范圍。炒鋼的產(chǎn)品多是低碳鋼和熟鐵，但是如果控制得好，也可以得到中碳鋼和高碳鋼。
炒鋼工藝大約發(fā)明于西漢。近年在河南鞏義市鐵生溝、南陽瓦房莊等處都發(fā)現(xiàn)過漢代炒鋼爐遺址。鞏義市遺址斷代是西漢中期到新莽，瓦房莊遺址使用時間比較長，由西漢中期到東漢晚期。另外，鐵生溝還出土了一些炒煉產(chǎn)品，經(jīng)分析，有的含碳量是1.28%，有的是0.048%。文獻上關(guān)于炒鋼的記載最早見于東漢《太平經(jīng)》卷七十二，書中說：“使工師擊治石，求其鐵，燒冶之，使成水，乃后使良工萬鍛之，乃成莫邪耶。”這“水”應(yīng)指生鐵水。“萬鍛”應(yīng)指生鐵脫碳成鋼后的反覆鍛打。
炒鋼的優(yōu)點是成分可適當(dāng)控制，生產(chǎn)率比較高，質(zhì)量也比較好。在現(xiàn)代，人們常把由礦石直接制鋼的工藝叫一步冶煉或直接冶煉，而把先由礦石冶煉成生鐵、然后再由生鐵煉鋼的工藝叫兩步冶煉或間接冶煉。炒鋼的生產(chǎn)過程也分兩步：先煉生鐵，后煉鋼。因而在某種意義上說，炒鋼的出現(xiàn)便是兩步煉鋼的開始，是具有劃時代意義的重大事件。它進一步促進了我國古代鐵器的廣泛使用和社會生產(chǎn)力的發(fā)展。十八世紀(jì)中葉，英國發(fā)明了炒鋼法，在產(chǎn)業(yè)革命中起了很大的作用。馬克思懷著極大的熱情給予了很高的評價，說不管怎樣贊許也不會夸大了這一革新的重要意義。
2．百煉鋼
“百煉鋼”以一種含碳量比較高的炒煉產(chǎn)品作為原料，操作要點是反覆加熱鍛打，千錘百煉?，F(xiàn)在見到的最早百煉鋼實物是東漢晚期的制件。1961年日本大和櫟本東大寺古墓出土一把東漢靈帝中平年間（公元184年到189年）的紀(jì)年鋼刀，上有錯金銘文“百練清剛”字樣。“練”就是“煉”，“剛”就是 “鋼”。在文獻中，“百煉鋼”一詞最早也見于東漢晚期。曹操作寶刀五枚，稱謄是“百煉利器”；陳琳（？—217）《武軍賦》說：“鎧則東胡闕鞏，百煉精鋼。”這些實物和文獻都說明了百煉鋼工藝已經(jīng)興起。除百煉鋼外，我國古代還有“卅煉鋼”、“五十煉鋼”等說。1974年，山東蒼山出土過一把東漢安帝永初六年（公元112年）大鋼刀，上有錯金銘文“卅湅大刀”字樣；1978年徐州銅山出土一把東漢章帝建初二年（公元77年）大鋼劍，上有“五十湅”字樣；在文獻注錄中還有東漢和帝永元十六年（公元104年）“卅湅”金馬書刀等物?？磥?，標(biāo)以“煉數(shù)”的制鋼工藝至遲在東漢早期就已產(chǎn)生。
宋代沈括《夢溪筆談》卷三曾對百煉鋼的工藝操作作了比較詳細(xì)的記載，說把“精鐵”鍛煉一百多火，一鍛一稱一輕，待到斤兩不減，就成“純鋼”了； “凡鐵之有鋼者，如面中有筋，濯盡柔面，則面筋乃見。”沈括所說的“精鐵”，不應(yīng)是生鐵，也不是現(xiàn)代意義的熟鐵，由建初“五十湅”長劍、永初“卅湅大刀” 等器物的科學(xué)考察，以及有關(guān)文獻來看，應(yīng)是含碳量稍高的一種炒煉產(chǎn)品。這種炒煉產(chǎn)品所含非金屬夾雜是比較多的。一鍛一稱一輕，是因為逐漸排除這些夾雜，氧化鐵皮不斷產(chǎn)生并脫落了。說最后“斤兩不減”，這是相對來說的，實際上，不斷地加熱鍛打，氧化鐵皮不斷地產(chǎn)生又脫落，重量總要不斷減輕的。滲碳和脫碳都不是百煉過程的主要環(huán)節(jié)。百煉銅工藝的主要操作是反攝加熱鍛打。鍛打可以去除夾雜，減小殘留夾雜的尺寸，使成分均勻，組織致密，有時也可以細(xì)化晶粒，從而使材料強度大大提高。曹植（192—232）在他的《寶刀賦》中稱贊百煉鋼刀能“陸斬犀革，水?dāng)帻堉?#8221;，沈括在《夢溪筆談》卷三中說百煉鋼“其色清明，磨瑩之，則黯黯然青且黑，與常鐵迥異。”這都說明了百煉鋼性能的優(yōu)良。
百煉鋼是在塊鐵滲碳鋼反覆鍛打的基礎(chǔ)上，伴隨著炒鋼技術(shù)、刀劍工藝的發(fā)展而興起的。“十煉”，“三十煉”的說法在公元前一世紀(jì)的西漢后期就已出現(xiàn)，最初是用在煉銅上的。魏晉時期百煉鋼發(fā)展到了鼎盛的階段，之后，雖因一些技術(shù)和社會的原因而有所減弱，但一直沿用到了明清時期。百煉鋼制作比較艱難，成本比較高，主要用來制造寶刀、寶劍等一類貴重器物，它凝聚著我國古代勞動人民的勤勞和智慧，一定程度上反映了當(dāng)時金屬冶煉和加工技術(shù)的先進水平。
3．鑄鐵脫碳鋼
鑄鐵脫碳鋼是用熱處理方法制作出來的。它的操作要點是先生產(chǎn)出白口鐵鑄件，然后在氧化性氣氛中脫碳退火，使含碳量降低到鋼的成分范圍以下，不析出或很少析出石墨。它的金相組織同近代的鋼和熟鐵相似。
鑄鐵脫碳技術(shù)大約可以追溯到戰(zhàn)國早期。洛陽水泥制品廠戰(zhàn)國早期灰坑遺址出土過兩件鐵錛，對其中一件的銎部作了金相分析，知道它的表層已經(jīng)脫碳，稍里是珠光體，中心是白口鐵組織。這表明鐵錛進行過不完全的脫碳退火處理，應(yīng)屬鑄鐵脫碳鋼的前身或早期階段。經(jīng)秦、漢、魏、晉到南北朝時期，這項技術(shù)發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段，主要表現(xiàn)在：第一，進行這種處理的器物更多了。近年在北京大葆臺、河北武安和河南澠池、南陽瓦房莊、鄭州古滎鎮(zhèn)、魯山望城崗等處都有發(fā)現(xiàn)，種類有鐵斧、鐵剪、鐵鏟、鐵小刀、鐵鑿、鐵笄、鐵犁、鐵鏵等成形件，以及梯形和長方形的小鐵板等半成品件。第二，多數(shù)器件的整個斷面都已經(jīng)脫碳成鋼或熟鐵，中心再沒有白口鐵組織殘余，沒有或只有微量石墨在晶粒間界析出。第三，部分器件在整體脫碳成鋼或熟鐵后，經(jīng)過局部鍛打、刃部滲碳或其他加工，獲得了更加良好的使用性能。第四，鑄鐵脫碳鋼主要用作手工業(yè)工具的斧、剪以及農(nóng)具的鐮一類鋒刃器，而一般可鍛鑄鐵主要用作農(nóng)具的鋤、钁、鏟一類，至于鐵釜、鐵范、軸承一類生活用器、生產(chǎn)工具和交通用具，多用白口鐵和灰口鐵制作，說明當(dāng)時人們對這些材質(zhì)的性能已經(jīng)有了相當(dāng)認(rèn)識，也說明鑄鐵脫碳鋼技術(shù)、可鍛化處理技術(shù)已經(jīng)達到比較高的水平。南北朝時期以后，由于炒鋼等冶煉工藝和加工工藝的發(fā)展等，鑄鐵脫碳鋼技術(shù)、可鍛鑄鐵技術(shù)逐漸失去了它們在生產(chǎn)中的重要地位，唐代以后就很少看到了。
鑄鐵脫碳鋼的發(fā)明具有十分重要的意義。古代一般是沒有鑄鋼的，而鍛鋼生產(chǎn)率很低，加工成形比較難，所含雜質(zhì)比較多。我國古代利用生鐵生產(chǎn)率比較高、容易成型、夾雜比較少的優(yōu)點，通過脫碳退火的辦法，得到一種組織和性能同近代鑄鋼相近的鑄件，這是我國古代冶金技術(shù)上的一項重大發(fā)明。
4．灌鋼
灌鋼法又叫團鋼法,或生熟法,是中國早期煉鋼技術(shù)一項最突出的成就。17世紀(jì)以前,世界各國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)展做出劃時代貢獻。
古代冶煉技術(shù)的演進春秋以前,中國的冶煉技術(shù)處于比較原始的階段,當(dāng)時使用的冶煉方法稱為“塊煉法”。當(dāng)時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(zhì)地比較軟,含雜質(zhì)多,經(jīng)過鍛打成為可以使用的熟鐵。鋼鐵冶煉技術(shù)的進一步發(fā)展到“塊煉滲碳鋼”。出土文物表明,中國最遲在戰(zhàn)國晚期已經(jīng)掌握這種最初期的煉鋼技術(shù)。人們在鍛打塊煉鐵和熟鐵的過程中,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。進一步發(fā)展到“百煉鋼”技術(shù)。人們在打制器物的時候,有意識地增加折疊、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。
在西漢中晚期,中國出現(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)展起來的一種煉鋼技術(shù)。大約在春秋末期,中國就已經(jīng)發(fā)明生鐵冶鑄技術(shù),以后經(jīng)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(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)能向社會提供大量廉價、優(yōu)質(zhì)的熟鐵或鋼,滿足生產(chǎn)和戰(zhàn)爭的需要。炒鋼的出現(xiàn)促進百煉鋼技術(shù)的發(fā)展,人們以炒鋼為原料,經(jīng)過反復(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;百煉鋼費工費時。
綦毋懷文發(fā)展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,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制成十分鋒利的“宿鐵刀”。綦毋懷文,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(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,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,所以煉出的鋼被成為“宿鐵”。灌鋼法是中國古代煉鋼技術(shù)上一個了不起的成就。同百煉法或炒煉法比較,其優(yōu)點1)生鐵作為1種滲碳劑,因熔化后溫度高,加速向熟鐵中滲碳的速度,縮短冶煉時間,提高生產(chǎn)率。(2)熟鐵因為碳的滲入而成為鋼,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。3 推動中國古代刀劍技術(shù)的發(fā)展綦毋懷文是一位出色的制刀專家,對前人造刀經(jīng)驗進行研究、比較,經(jīng)過不斷實踐,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。綦毋懷文先用動物尿、后用動物油進行雙液淬火,能夠造出品質(zhì)很高的“宿鐵刀”。中國早在戰(zhàn)國時代就使用了淬火技術(shù),但是長期以來,人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質(zhì)。雖然三國時的制刀能手蒲元等人已經(jīng)認(rèn)識到:用不同的水作淬火的冷卻介質(zhì),可以得到不同性能的刀,但仍沒有突破水的范圍。而綦毋懷文則實現(xiàn)了這一突破,他在制作“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,然后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(zhì),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(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1種比較復(fù)雜的淬火工藝,這在當(dāng)時沒有測溫、控溫設(shè)備的條件下,完全依賴操作及經(jīng)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,價格昂貴;如一把東漢時期的名鋼劍的價錢可以購買當(dāng)時供7個人吃2年9個月的糧食。
而且百煉鋼制作刀劍費時費力。三國時,曹操命有司制作寶刀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(rèn)識,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,節(jié)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(yīng)該選擇含碳量較高、硬度較大的鋼來制造。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沖擊時不致折斷,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(rèn)識,在制作刀具時才能夠?qū)⑹扈F和鋼巧妙的結(jié)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(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工匠的辛勤勞動,使中國古代冶金技術(shù)自立于世界之林。因此,當(dāng)我們研究和總結(jié)古代科學(xué)技術(shù)成就的時候,不應(yīng)該忘記綦毋懷文的功績。這是中國冶金史上的一項杰出成就和偉大創(chuàng)新,在世界煉鋼史上占有一定地位。4 灌鋼法的進一步革新灌鋼法的出現(xiàn),使鋼的產(chǎn)量和品質(zhì)大大提高,為隋唐以后生產(chǎn)力的大幅度增長提供了條件。后來,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,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,既用火鉗夾住生鐵板左右移動,并不斷翻動料鐵,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,中國的煉鋼技術(shù)長期居于世界領(lǐng)先地位,受到各國地普遍贊揚。公元1世紀(jì)時,羅馬博物學(xué)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。”
三．有色冶金“六齊”
“六齊”是我國古代配制青銅合金的六條規(guī)定，見于《考工記》一書，原文如下：“金有六齊：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊。”
郭沫若（1892—1978）認(rèn)為，《考工記》原是齊國的官書。“六齊”的“齊”同“劑”，原是調(diào)劑、配合的意思。“金”指赤銅。“六分其金而錫居一”就是六分銅一分錫，“金錫半”就是一分銅半分錫。所以“六齊”中各“齊”的含錫量分別是：“鐘鼎之齊”14.3%，“斧斤之齊”16.7%，“戈戟之齊”20%，“大刃之齊”25%，“削殺矢之齊”28.6%六，“鑒隧之齊”百分之32.2%。
“六齊”的成分配比規(guī)定是我國古代青銅技術(shù)高度發(fā)展的表現(xiàn)，它是許多試驗資料的反映和歸納?，F(xiàn)有考古資料表明，我國早在夏代（公元前二十一世紀(jì)到公元前十六世紀(jì)）就掌握了紅銅冷鍛和鑄造技術(shù)，夏末商（公元前十六世紀(jì)到公元前十一世紀(jì)）初就有了青銅冶煉和鑄造，商代中期以后就創(chuàng)造了高度發(fā)展的青銅文化。目前出土的青銅器中，既有大批禮器、兵器、日用器，也有部分生產(chǎn)工具（包括手工業(yè)工具和農(nóng)具）等。渾厚莊重的司母戊大鼎、技術(shù)高超的四羊尊等都是青銅器的精品。兵器都剛強鋒利；響器的聲音悅耳悠揚。這些都說明我國人民很早就有了豐富的合金知識。
“六齊”的成分配比規(guī)定和現(xiàn)代科學(xué)的基本原理是完全相合的。我們知道銅錫合金的含錫量是14%左右的，色黃，質(zhì)堅而韌，音色也比較好，所以宜于制作鐘和鼎。銅錫合金含錫量是17%到25%的，強度、硬度都比較高，所以宜于制作斧斤、戈戟、大刃和削殺矢。斧斤是工具，既要鋒利，又要承受比較大的沖擊載荷，所以含錫量不宜太高，否則太脆。戈戟、大刃、削殺矢都是兵器，都需要鋒利。戈戟受力比較復(fù)雜，對韌性要求比較高，所以在兵刃中含錫量最低。大刃（刀劍）既需要鋒利，也要求一定的韌性以防折斷，所以含錫量比較高而又不太高。削殺矢比較短小，主要考慮銳利，所以在兵器中它的含錫量最高。銅錫合金含錫量是30%到36%的，顏色最潔白，硬度也比較高。色潔白，就宜于映照；硬度高，研磨時就不容易留下道痕。所以這種銅錫合金宜于制作銅鏡和陽燧。
有一點需要指出的是，除了鐘鼎外，“六齊”規(guī)定成分和考古實物科學(xué)分析的成分基本上是不相符合的，原因是：“六齊”并不是生產(chǎn)經(jīng)驗的總結(jié)，而是一種試驗資料的反映和歸納；人們在生產(chǎn)實踐中已對“六齊”成分作了適當(dāng)?shù)男拚?/span>
“六齊”的產(chǎn)生有極大的技術(shù)意義和社會意義。它是世界上對合金成分和性能的關(guān)系的最早認(rèn)識。在古代世界中，我國青銅技術(shù)的產(chǎn)生并不是最早的，但發(fā)展很快。除資源等方面的原因外，在技術(shù)方面至少有兩點：首先是我國很早就掌握了金屬冶煉所需要的高溫技術(shù)：其次是很早具有了水平比較高的合金技術(shù)。世界上不少國家在公元前二三千年就進入了青銅時代，但發(fā)展緩慢。我國卻不是這樣。我國人民一旦發(fā)明了冶銅技術(shù)，很快就具有豐富的合金知識，并且迅速地把整個青銅技術(shù)推到更高的階段，建立了世界上最光輝燦爛的青銅文明。
四．黃銅和鋅的冶煉
鋅在我國古代又叫“倭鉛”、“白鉛”。“倭鉛”一名最早見于署名“飛霞子”著的《寶藏論》（遼神冊三年，公元918年）一書中。
據(jù)文獻記載和一些實物分析，我國用鋅的歷史大概分三個階段。
第一階段是西漢以前。這時鋅作為伴生礦成分隨銅或者隨錫、鉛進入銅合金中，銅器含鋅量常在萬分之幾的水平上，個別的比較高，也有含鋅量超過百分之二十五的。
第二階段是西漢到來元時期。這時開始有意地把鋅的氧化物如爐甘石加入化銅爐里，氧化鋅被還原并立刻溶解到銅中，成為以鋅為主要合金元素的銅合金，就是黃銅。這一技術(shù)是逐漸成熟的。
第三階段至遲從明代開始，這時發(fā)明了用爐甘石生產(chǎn)金屬鋅、55習(xí)再用金屬鋅配制黃銅的方法。明《天工開物》卷十四曾詳細(xì)地記述了金屬鋅的生產(chǎn)過程：把十斤爐甘石裝入泥罐，用泥封牢，晾干，用煤墊底，用木柴煅燒。爐甘石熔化成團，冷定后破罐取出，就得倭鉛，每十斤損耗兩斤。原記載雖不盡完美，如遺漏了還原劑等，但基本原理和設(shè)備同現(xiàn)代橫罐煉鋅法是相似的。這說明至遲在明代我國就生產(chǎn)了比較多的金屬鋅。
黃銅和鋅的出現(xiàn)有重要的技術(shù)意義。黃銅耐蝕性能、機械性能都比較好，在現(xiàn)代工業(yè)中有廣泛的用途。
我國是世界上最早冶煉并使用了金屬鋅的國家。歐洲直到十六世紀(jì)才了解到鋅是一種金屬，十七世紀(jì)才知道由爐甘石煉鋅。這充分顯示了我國人民的聰明才智和創(chuàng)造精神
