1樓：匿名使用者
中國古文明象徵的商周到戰國的青銅器，可以說是鑄造技術所造就的。從重875公斤的司母戊方鼎、精美的曾侯乙尊盤和大型的隨縣編鐘群，以至大量的禮器、日用器、車馬器、兵器、生產工具等，可以看到當時中國已經非常熟練地掌握了綜合利用渾鑄、分鑄、失蠟法、錫焊、銅焊的鑄造技術，在冶鑄工藝技術上已處於世界領先的地位。而《考工記》中所記載的：
「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，謂之鑑燧之齊」，是世界上最早的合金配比的經驗性科學總結，表明當時中國已認識到合金成分與青銅的效能和用途之間的關係，並已定量地控制銅錫的配比，以得到效能各異，適於不同用途的青銅合金。
2.鑄鐵冶煉
在很長的一段時間裡我們的鋼鐵冶煉技術是一度領先於世界的，中國冶煉塊鐵的起始年代在公元前6世紀，古代冶煉技術的演進春秋以前,中國的冶煉技術處於比較原始的階段,當時使用的冶煉方法稱為「塊煉法」。當時鍊鐵使用木炭作燃料,熱量少,加上爐體小,鼓風裝置差,因此爐溫比較低,不能達到鐵的熔鍊溫度,所以煉出的鐵是海綿狀的固體塊,稱為「塊鍊鐵」。塊鍊鐵冶煉比較費時,質地比較軟,含雜質多,經過鍛打成為可以使用的熟鐵。
鋼鐵冶煉技術的進一步發展到「塊煉滲碳鋼」。出土文物表明,中國最遲在戰國晚期已經掌握這種最初期的鍊鋼技術。人們在鍛打塊鍊鐵和熟鐵的過程中,需要不斷地反覆加熱,鐵吸收木炭中的碳份,提高了含碳量,減少夾雜物後成為鋼。
這種鋼組織緊密、碳分均勻,適用於製作兵器和刀具。進一步發展到「百鍊鋼」技術。人們在打製器物的時候,有意識地增加摺疊、鍛打次數,一塊鋼往往需要燒燒打打、打打燒燒,重複很多次,甚至上百次,所以稱之為百鍊鋼。
百鍊鋼碳分比較多,組織更加細密,成份更加均勻,所以鋼的品質提高,主要用於製作寶刀、寶劍。
冶煉鑄鐵的技術比歐洲早。中國鑄鐵的發明出現在公元前5世紀，而歐洲則遲至公元后的15世紀。由於鑄鐵的效能遠高於塊鐵，所以真正的鐵器時代是從鑄鐵誕生後開始的。
社會發展的歷史表明，鑄鐵的出現是社會生產力提高和社會進步的主要標誌。中國從塊鐵到鑄鐵發明的過渡只用了約一個世紀的時間，而西方則花費了近三千年的漫長路程。中國古代鍊鐵技術發展得如此迅速是世界上絕無僅有的。
英國著名科學史家貝爾納說，這是世界鍊鐵史上的一個唯一的例外。
另一傑出的生鐵加工技術是炒鋼，它是中國古代由生鐵變成鋼或熟鐵的主要方法，大約發明於西漢後期。其法是把生鐵加熱成液態或半液態，並不斷攪拌，使生鐵中的碳份和雜質不斷氧化，從而得到鋼或熟鐵。河南鞏縣鐵生溝和南陽瓦房莊漢代冶鐵遺址，都提供了漢代應用炒鋼工藝的實物證據。
東漢時成書的《太平經》中也說：「有急乃後使工師擊治石，求其中鐵，燒冶之使成水，乃後使良工萬鍛之，乃成莫耶。」「莫耶」乃古代寶劍之稱。
這段文字雖失之疏簡，但不難看出，它敘述的是由礦石冶煉得到生鐵，再由生鐵水經過炒煉，鍛打成器的工藝過程。炒鋼工藝操作簡便，原料易得，可以連續大規模生產，效率高，所得鋼材或熟鐵的質量高，對中國古代鋼鐵生產和社會發展都有重要的意義。類似的技術，在歐洲直至十八世紀中葉方由英國人發明。
中國古代的鍊鋼技術主要是百鍊鋼。自從西晉劉琨寫下「何意百鍊鋼，化為繞指柔」這一膾炙人口的詩句後，「千錘百煉」、「百鍊成鋼」便成為人們常用的成語。百鍊鋼肇始於西漢早期的塊煉滲碳鋼，其後不斷增加鍛打次數而成定型的加工工藝。
到東漢、三國時，百鍊鋼工藝已相當成熟。上引《太平經》中的「萬鍛之，乃成莫邪」，即是其生動的寫照。曹操曾令工師製作「百辟利器」，曹丕的《典論·劍銘》中說：
「選茲良金（指鐵），命彼國工，精而煉之，至於百辟」。劉備曾令「蒲元造刀五千口，皆連環，及刃口刻七十二湅」。《古今注·輿服》亦說：
「吳大帝有寶劍三，……一曰百鍊，二曰青犢，三曰漏景」。後世這一工藝一直被繼承，並不斷得到發展。 但是炒鋼和百鍊鋼技術還存在一定缺陷,如炒鋼工藝複雜,不容易掌握;百鍊鋼費工費時。
此外，在2023年經中國學者關洪野等人對513件出土的漢魏時期鐵器研究後表明，中國早在兩千多年前的漢代就已經發明瞭球墨鑄鐵，遠遠早於發達的歐洲國家。目前，中國學者所做的結論已經得到了國際學術界的承認。
創始於魏晉南北朝時期的灌鋼技術，是中國冶金史上的一項獨創性發明。陶弘景說：「鋼鐵是雜煉生柔作刀鐮者」，北齊的綦母懷文「造宿鐵刀，其法燒生鐵精以重柔鋌，數宿則成剛」，說的就是灌鋼技術。
灌鋼的工藝過程大致為，將熔化的生鐵與熟鐵合煉，生鐵中的碳份會向熟鐵中擴散，並趨於均勻分佈，且可去除部分雜質，而成優質鋼材。
綦毋懷文發展灌鋼法大約在東漢末,可能出現鍊鋼新工藝「灌鋼」法的初始形式。南北朝時,綦毋懷文對這一鍊鋼工藝進行了重大改進和完善。南朝齊、樑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」,曾經作過北齊的信州(今四川省奉節縣一帶)刺史。據史書記載,綦毋懷文的鍊鋼方法是:
「燒生鐵精,以重柔鋌,數宿則成鋼」,就是說,選用品位比較高的鐵礦石,冶煉出優質生鐵,然後,把液態生鐵澆注在熟鐵上,經過幾度熔鍊,使鐵滲碳成為鋼。由於是讓生鐵和熟鐵「宿」在一起,所以煉出的鋼被成為「宿鐵」。灌鋼法是中國古代鍊鋼技術上一個了不起的成就。
同百鍊法或炒煉法比較,其優點1)生鐵作為1種滲碳劑,因熔化後溫度高,加速向熟鐵中滲碳的速度,縮短冶煉時間,提高生產率。(2)熟鐵因為碳的滲入而成為鋼,生鐵由於脫碳也可以變成鋼,增加了鋼的產量。(3)在高溫下,液態生鐵中的碳、矽、錳等與熟鐵中的氧化物夾雜發生反應,去除雜質,純化金屬組織,提高金屬品質。
(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,加以熔鍊,就可獲得。3 推動中國古代刀劍技術的發展綦毋懷文是一位出色的制刀專家,對前人造刀經驗進行研究、比較,經過不斷實踐,創造一套新的制刀工藝和熱處理技術。
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,然後「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。對於含碳量比較高的鋼,理想的淬火介質應該是:
當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。這就需要採用雙液淬火法。綦毋懷文先用動物尿、後用動物油進行雙液淬火,能夠造出品質很高的「宿鐵刀」。
中國早在戰國時代就使用了淬火技術,但是長期以來,人們一般都是用水作為淬火的冷卻介質。雖然三國時的制刀能手蒲元等人已經認識到:用不同的水作淬火的冷卻介質,可以得到不同效能的刀,但仍沒有突破水的範圍。
而綦毋懷文則實現了這一突破,他在製作「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,然後再在冷卻速度小的動物油脂中淬火,這樣可以得到效能比較好的鋼,避免單純使用1種淬火(即單液淬火)的侷限。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,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,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種比較複雜的淬火工藝,這在當時沒有測溫、控溫裝置的條件下,完全依賴操作及經驗,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鍊鋼製成,這樣製作的刀劍雖然效能優異鋒利,但也存在不少缺陷,整把刀全部用百鍊鋼製成,**昂貴;如一把東漢時期的名鋼劍的價錢可以購買當時供7個人吃2年9個月的糧食。
而且百鍊鋼製作刀劍費時費力。三國時,曹操命有司製作寶刀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效能有比較深刻的認識,而且能根據不同的用途合理選擇材質,發揮各種材質的優點,節省某些貴重材料,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效能。
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,所以應該選擇含碳量較高、硬度較大的鋼來製造。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衝擊時不致折斷,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識,在製作刀具時才能夠將熟鐵和鋼巧妙的結合起來,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,又節省大量昂貴鋼材,利於鋼刀的推廣和普及。
這種制刀工藝,今天還在沿用。
灌鋼技術在宋以後不斷被改進，減少了灌煉次數，以至一次煉成。沈括在《夢溪筆談》卷三說：「世間鍛鐵所謂鋼鐵者，用柔鐵屈盤之，乃以生鐵陷其間，泥封煉之，鍛令相入，謂之『團鋼』，亦謂之『灌鋼』」，並說「二三煉則生鐵自熟，仍是柔鐵」，正反映了灌煉次數的減少。
其中把柔鐵屈盤起來是為了增加生熟鐵的接觸面，提高灌鋼的效率，並促使碳份分佈更均勻；封泥則可以促進造渣，去除雜質，並起保護作用。明代灌鋼技術又進一步發展，據《天工開物》卷十四記載，已把柔鐵屈盤改為薄熟鐵片，進一步增加了生熟鐵的接觸面，加速「生熟相和，煉成則鋼」的程序，泥封亦改為草泥混封。灌鋼又稱「抹鋼」、「蘇鋼」，其工藝自清至近代仍很盛行。
在坩堝鍊鋼法發明之前，灌鋼法是一種最先進的鍊鋼技術。
由於綦毋懷文和千百萬工匠的辛勤勞動,使中國古代冶金技術自立於世界之林。因此,當我們研究和總結古代科學技術成就的時候,不應該忘記綦毋懷文的功績。這是中國冶金史上的一項傑出成就和偉大創新,在世界鍊鋼史上佔有一定地位。
4 灌鋼法的進一步革新灌鋼法的出現,使鋼的產量和品質大大提高,為隋唐以後生產力的大幅度增長提供了條件。後來,灌鋼法又不斷髮展。宋代又把生鐵片嵌在盤繞的熟鐵條中間,用泥巴把鍊鋼爐密封起來,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。不用泥封而用塗泥的草鞋遮蓋爐口,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。明中期以後,灌鋼法更進一步發展為蘇鋼法以熟鐵為料鐵,置於爐中,而將生鐵板放在爐口,當爐溫升高到1300℃左右,生鐵板開始熔化時,既用火鉗夾住生鐵板左右移動,並不斷翻動料鐵,使料鐵均勻地淋到生鐵液;這樣,既可產生很好的滲碳作用,又可產生劇烈的氧化作用,使鐵和渣分離,生產出含渣少而成份均勻的鋼材。
直到現今,在蕪湖、湘潭、重慶、威遠等地人們還在使用;可見其影響的深遠。在17世紀以前,中國的鍊鋼技術長期居於世界領先地位,受到各國地普遍讚揚。公元1世紀時,羅馬博物學家在其名著《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。」
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