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今天给大家聊聊中国古代的金属处理技术。高能预警:额。。。本文大片文字与图片,内容涉及考古和金属材料学(本人老本行耶)还有……如有阅读不适感,情及时关闭窗口并选择去做~爱做的事情。

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嘿嘿,要开始喽~

中国是最古老的文明古国之一, 但中国古代的金属使用和冶炼历史明显落后于西亚诸国。初期的冶炼技术水平低下, 能获得的材料品种有限, 性能不尽理想, 因此古代先民千方百计利用热处理技术来拓展材料的性能和对材料进行改性, 发明了多种金属的加工方法和钢铁的制造工艺, 形成了极富特色的古代热处理工艺和技术。我国古代在热处理领域取得一系列的成就, 如退火、淬火、渗碳、擦渗、鎏金、镀锡(揉钢)等。

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1  退火技术(钢铁的退火工艺)

    最早的铸铁并非出现在中国,如在乔伊泰佩出土的公元前2000 ~ 3000 年的白口铁坯, 它是3.5%的C -0.45 %的P -0.16 %的S 生铁(很硬哦) , 另外还有早期高磷生铁(很渣的玩意)的报道。但值得注意的是并未在这些地区发现早期的用生铁制造的器物。这主要是因为他们无法处理这些硬而脆的生铁。公元前六至七世纪的中国铸铁生产技术的发明是古代工匠在钢铁技术发展史上所做出的重要贡献, 这使中国一举进入大规模制铁的先进国家(可以小小自豪一下)。然而, 铸铁的大规模应用和推广在很大程度上依赖于我国纯熟的退火技艺(继续自豪)。

我国古代工匠通过控制加热、冷却和气氛等条件, 发展了适应于生铁、熟铁与钢退火处理的系列处理工艺, 总体可将其划分为铸铁的退火和钢的退火。除此之外, 他们还发展了制备铸铁脱碳钢、黑心和白心可锻铸铁的脱碳退火处理方法(早期铸剑工艺的芯铁制作)。这些都是中国古代金属热处理领域的重大进展。

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铸铁的退火工艺嘛。。。。专业性很强,比较复杂(我才不承认是懒得说嘞),铸铁的发明大约在春秋中期,中国工匠为了克服白口铸铁的脆性, 大约于公元前五世纪发明了铸铁的可锻化退火技术,在河南洛阳出土的铁铲和空首铁锄, 经金相检验表明其基体组织为铁素体, 石墨组织为比较完善的团絮状退火石墨。据分析其大约是经过在900 ℃或稍高的温度下, 进行长时间的退火(其实就是烧呗), 使渗碳体分解, 得到团絮状的石墨, 使白口铁成为典型的可锻铸铁, 儿欧洲同类型的可锻铸铁的出现是在1720 年之后哦,日本就不说了。

说到肛……不对,是钢,大家都知道钢是铁和其他元素的混合产物,所以嘛,陨铁这个传说中牛逼哄哄的东西不得不提一下,陨铁实际上属高铁镍合金。居住在石器时代的人类从公元前3000 多年以前就开始使用这一“天赐”的金属, 为了制造刀具或小件物品, 他们采用了退火或热锻工艺 。我国在商周遗址中共发现了七件陨铁制品 。其中年代最久的属公元前14 世纪的铁刃铜钺曾经锻造加工过。

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我国古代工匠的制钢方法不仅采用渗碳法、脱碳法, 还有灌钢法、百炼法等, 对钢的退火处理逐渐成为一种最为常规的处理方法之一。宋应星在《天工开物》中把硬化的钢件进行退火处理称为“退烧” :“凡锯, 熟铁锻成薄条, 不钢, 亦不淬健。出火退烧后, 频加冷锤坚性。”对经过淬火处理的钢件的退火软化, 称为“退去健性” 。软化后进行下一步的加工。

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2  淬火技术
淬火是具有标志性质的热处理工艺技术。国外在淬火技术上起步很早, 中欧地区的哈尔希塔特遗址出土的铁刀和箭镞的组织系淬火态, 这一遗址的年代在公元前1000 多年 。在埃及发掘出两把公元前900 年前经过淬火处理的斧头, 其刃部都有马氏体 。公元前八世纪的荷马史诗《奥德赛》就记述了淬火处理:“铁匠将灼热的斧浸入冷水, 就狂暴地嘶嘶作响。”中国古代淬火技术的采用明显晚于西亚和欧洲。根据文物考古分析, 中国古代淬火技术可能最早被应用于块炼铁中。考古发掘的一件淬火实物是河北易县燕下都武阳台村战国晚期遗址出土的钢剑。其含碳量为0.5 %~ 0.6 %, 整支剑由高碳层与低碳层相间组成, 刃部主要由淬火马氏体所构成。这是典型的块炼渗碳钢叠打锻造的淬火组织。

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关于淬火剂,我国古代先民很早就知道不同淬火剂作用不同。根据《史记·苏秦列传》司马贞《索隐》引《晋太康地理记》“汝南西平有龙泉水, 可以淬刀, 特坚利, 故有龙泉之剑”(这真的不是打广告哈) 。在水质的影响上有明确记载的是三国时期。《太平御览》引《蒲元传》中有说蒲元“熔金造器特异常法。刀成, 自言汉水钝弱, 不任淬用。蜀江爽烈, ……乃命人于成都取之。”不同河流的水质对淬火的影响不可否认, 但在《蒲元传》中可能是过分强调了。然而有趣的是在十五个世纪以后西方国家居然出现了与上述故事雷同的美国到英国取水淬火的事件。

以油为淬火剂, 较早的是欧洲。亚里士多德和老普林尼(公元一世纪)曾提到采用油进行淬火。我国最早记载采用油淬火的是公元550 年前后南北朝。《北史·艺术列传》指出“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, 斩过三十札。” 五牲之脂是动物油, 淬火应力小、变形开裂倾向小。文中还创造性地提出了采用尿液的淬火工艺。五牲之溺是含盐的水, 冷却能力强、淬硬层深。令人们感兴趣的是, 如何来理解文中提及的“浴以五牲之溺,淬以五牲之脂” , 如果是双液淬火, 则这一出现在公元六世纪的淬火技术是一个重要进展。

中国古籍中还有用血液与混和液淬火的记载(吓死不少宝宝了)。《新唐书》云:“郁刀铸时, … …淬火马血, … …。”现在看来当时的许多淬火剂的选择并不一定正确, 这其中不乏存在迷信色彩。

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3  回火技术
回火处理是因淬火出现脆性而发展的工艺。在人工冶铁的初期, 人们不一定会强烈地感到回火的必要性。主要原因是块炼铁的碳含量通常不高, 有时不仅无需回火, 甚至采用淬火也无法获得明显的强化效果。国外很迟才开始实施有目的的回火。相对而言,我国古代先民较早认识到回火的好处。为能得到硬化效果, 同时又避免脆断, 让产品达到可软可硬能屈能伸……啊不是,是硬度和韧度的平衡,我国可能很早就有意识地采用回火。由《墨子》对剑的描述“为刺则入, 击则断,旁击而不断”可知, 我国春秋时期的钢剑已具有良好的强韧性, 其所用的工艺是否属低温回火, 尚待进一步的研究证实。

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4  正火技术
真正意义上的正火是出现在人们对铁碳相图的了解以后, 也就是在1888 年英国的奥斯汀制成铁碳相图以后, 正火的冷却采用空冷。从生产的角度讲, 淬火器物太硬, 退火器物又太软, 采用冷却速度适中的空冷,既省钱又省力。顺便无聊人士没事把刀刀放火上烤一烤,也可以头一甩,解释道:老子这是正火,锻炼动手能力捏(偷笑)。

今天的福利就到这了……别说没看够(抚额)

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