中國(guó)古代冶金技術(shù)的成就

作者：何堂坤生鐵和柔化處理技術(shù)

生鐵

我們通常說(shuō)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百分之○·○五以下的叫熟鐵，百分之○·○五到百分之二·○的叫鋼，百分之二·○到百分之六·六七的叫生鐵。

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(lái)，有如下幾個(gè)缺點(diǎn)：一是它不能從爐里流出，取出鐵塊時(shí)，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(fèi)工費(fèi)時(shí)。三是所含非金屬夾雜比較多，要通過(guò)反覆鍛打才能排除。四是含碳量往往比較低，因而很軟。生鐵的冶煉溫度是一千一百五十到一千三百攝氏度，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(guó)鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展道路和世界各國(guó)是不完全相同的。

國(guó)外一般是先有塊煉鐵，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(lái)的，但是直到公元十四世紀(jì)才有生鐵。我國(guó)卻不是這樣。我國(guó)冶鐵術(shù)大約發(fā)明于西周時(shí)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(lái)者居上，使我國(guó)成為世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國(guó)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(guó)出土并且經(jīng)過(guò)科學(xué)分析的最早生鐵實(shí)物。戰(zhàn)國(guó)中晚期，鐵器在我國(guó)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(jì)，目前出土的戰(zhàn)國(guó)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(shí)我國(guó)生鐵生產(chǎn)已經(jīng)有了比較大的發(fā)展。

我國(guó)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(diǎn)：一是我國(guó)冶銅術(shù)中很早就使用了比較強(qiáng)的鼓風(fēng)裝置。二是很早就對(duì)冶煉用的原料進(jìn)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(guó)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。

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(qiáng)度鑄鐵，具有一定的塑性和沖擊韌性。依熱處理?xiàng)l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(guó)外的白心可鍛鑄鐵是公元1722年由法國(guó)人首先發(fā)明的。公元1826年，美國(guó)人又發(fā)明了黑心可鍛鑄鐵。此后一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(shí)，這兩種可鍛鑄鐵，我國(guó)早在兩千多年前都已經(jīng)發(fā)明了。

洛陽(yáng)水泥制品廠戰(zhàn)國(guó)早期灰坑遺址出土過(guò)一件鐵鏟，鏟體基本銹蝕，只在銎（qióng）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(tuán)絮狀退火石墨。這是到現(xiàn)在為止世界上經(jīng)過(guò)科學(xué)分析的最早的鑄鐵可鍛化退火處理件。戰(zhàn)國(guó)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(guò)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(zhǎng)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(méi)有白口鐵殘余，如燕下都的鐵鐏等。漢代到南北朝時(shí)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(jìn)一步擴(kuò)展。近年在山東薛城、河南南陽(yáng)、澠池和鞏義市，北京清河和大葆臺(tái)，湖北銅綠山等地，都發(fā)現(xiàn)了這類器件。南陽(yáng)瓦房莊出土的農(nóng)器有十二件，經(jīng)過(guò)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(jìn)一步提高。凡處理過(guò)的器件，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(tuán)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(guò)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(qiáng)度提高，硬脆性減少，綜合機(jī)械性能得到改善。戰(zhàn)國(guó)中期以后，我國(guó)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。

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(qiáng)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(gè)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(guò)脫碳退火處理，器件斷面大部分相當(dāng)于含碳百分之○·四的中碳鋼，沒(méi)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(zhǎng)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(yáng)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鑺，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(guó)家球墨鑄鐵標(biāo)準(zhǔn)一類A級(jí)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(guò)程中得到的。

在國(guó)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(lái)，人們一直試圖用白口鐵退火的方式來(lái)獲得球狀石墨，但是難度很大。我國(guó)古代生鐵含硅量長(zhǎng)期偏低，在低硅的情況下，我國(guó)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(jiàn)的，實(shí)在難能可貴。

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