《人类科学技术史-060》古代中期钢铁冶炼技术

古代中期钢铁冶炼技术

铁在地壳中虽然含量较多，但天然纯铁在自然界里几乎不存在；铁矿石的熔点也较高，不易还原，所以人们利用铁较铜、锡、铅、金等要晚。人类最先看到和利用的铁应该是陨铁。在埃及、西南亚等古文明地区发现的最早的铁器，都是由陨铁加工制成的，大多作为殉葬物，说明陨铁稀少而带有神圣意味。古苏美尔人把铁看作是"天降之火"，古埃及人把铁叫作"天石"，都表明人类是从陨石开始认识铁的。中国古人大约在3000多年前已开始使用陨铁了。1972年在河北藁城台西村出土了一件商代铁刃铜钺，经检验其铁刃就是用陨铁热锻制成的。

大量的铁最早是在什么地方、用什么方法炼制出来的，目前尚无定论。不过，居住在亚美尼亚山地的基兹温达部落在公元前2000年已经发明了一种炼铁的有效方法；小亚细亚的赫梯人在公元前1400年左右也已掌握了冶铁技术。两河流域北部的亚述人和腓尼基人，在公元前1300年已进入普遍使用铁器的时代；后又传至地中海沿岸国家。印度进入铁器的时代不甚清楚，但在孔雀王朝初期，铁器的制造和使用已很普遍了。

冶铁的原理和冶铜的原理基本相同，所以青铜冶铸技术的发展，已为冶铁技术的产生奠定了基础。最早的冶铁技术大多采用"固体还原法"，即"块炼铁"。在冶炼时，将铁矿石和木炭一层夹一层地放入炼炉中，经过长时间650～1000℃的高温烧炼和木炭的还原作用，矿石就冶成了固体状铁块。这种铁结构疏松、呈海绵状，孔隙中夹杂有许多氧化物，含碳量很低，性质柔软，不适于应用，中国古人称之为"恶金"。经过一段摸索过程，人们认识到块炼铁可以经过反复加热和锤打压延，挤出其中夹杂的氧化物而变得坚实并柔韧不脆，就可制成各种器物。而在反复锻打块炼铁的实践中，人们又总结出了块炼铁渗碳成钢的经验，这就是"块炼钢"的冶炼技术。中国战国时期，钢制武器已渐增多起来。

几乎在块炼铁出现的同一历史时期，中国就诞生和发展起了生铁冶铸技术。生铁是由铁矿石和木炭在高大的炉内通过高温熔炼而产生的。利用鼓风技术使炉温升高到1100～1200℃以上，就可得到液态铁水流集于炉底；其上覆盖的一层炉渣保护着铁水不被氧化。铁水从炉底流出冷却成块，就是生铁。

生铁的含碳量较高，在3％左右，质硬易碎，一般只能用来铸造一些粗笨的东西，锤锻则易坏。中国在春秋末期到战国初期，已将生铁用于铸造了。生铁冶铸技术改变了块炼铁及其加工费时费力、生产量低的弊端，为铁器的推广和普及打下了良好的基础。

早期生产的生铁是白口铁，其中的碳是以硬度很高的化合态的渗碳体形态存在的，铁性脆而硬，铸造性能好，但强度不够。为了克服它的脆性，中国在战国早期就创造了白口铁柔化处理技术，也就是生铁铸件"退火"处理技术。将铸件加热到高温，保持较长时间的缓慢冷却，就会适当减低其硬度和脆性，增加其可塑性和冲击韧性，从而得到可锻铸件。"退火"技术的发明，使生铁的广泛应用成为可能，加快了铁器代替青铜器的历史进程。中国在战国的中晚期，已将这种工艺普遍应用于制造农具和兵器；欧美国家直到18和19世纪才发明了白心韧性铸铁和黑心韧性铸铁，比中国晚了两千多年。

含碳量低的块炼铁经过渗碳处理可以炼出块炼钢；含碳量高的白口生铁铸件在氧化性气氛中脱碳退火，将含碳量降低到铁的范围，而不析出或很少析出石墨，也可以得到钢。中国在战国初期就发明了铸铁脱碳钢技术。块炼渗碳钢件或退火过分的铸铁脱碳钢件，其坚硬程度都可能不足，这就推动人们在实践中摸索出了钢件的"淬火"处理工艺。至迟在战国晚期，中国已广泛使用了淬火技术。所谓淬火，即将钢件加热到高温后使之急速冷却(如急速浸入冷水或冷油中）。经淬火处理后的钢件，质地就变得坚硬，刃部也更锋利。淬火所用的冷却物质，最早大概都是水，后来又扩展到用动物的尿和脂肪。由于尿中含有盐分，冷却能力比水强；用脂肪淬火，高温时冷却快，低温时冷却慢。所以用尿和脂肪淬水，可以得到性能良好的钢件制品。

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