古人打制刀劍中打鐵時(shí)怎么滲碳
首先說(shuō)下問(wèn)題里提到的滲碳和提高硬度這兩事。滲碳就是增加鋼鐵制品的碳含量，我們現(xiàn)在通常把含碳量0.3—0.6%左右的叫中碳鋼，之上到2%左右都是高碳鋼，再高就是生鐵，之下到0.1%是低碳鋼，再下去就熟鐵了。鋼的含碳量越高就越硬。古代通常都采取表面滲碳，以提高鋼鐵制品的堅(jiān)硬度。
除滲碳外，淬火也是提高硬度的重要技術(shù)，一般在滲碳之后進(jìn)行——插播扯個(gè)閑話。在實(shí)際操作中，尤其是做熱處理的老師傅，淬字一概讀zan，四聲。你要讀cui，他會(huì)來(lái)糾正你。我問(wèn)過(guò)不少老師傅，都一樣的答案，就是據(jù)說(shuō)是自來(lái)就是這么讀的，不是錯(cuò)別字。而且這種讀法只存在于鋼鐵和熱處理行業(yè)中。這事的具體緣由我沒(méi)考據(jù)過(guò)，也是個(gè)很有意思值得探究的小學(xué)問(wèn)題。
回正題，我國(guó)古代怎么滲碳呢?
我們從古代傳承下來(lái)以及從日本等地傳承的古法冶煉和鍛造的操作中，可以知道至少分兩大類。
一類是在冶煉時(shí)滲碳。 如日本刀匠一直使用至今的古法冶煉，其實(shí)就是較原始的使用木炭燃料進(jìn)行悶燒獲得海綿鐵的技術(shù)。由于木炭溫度最多只能達(dá)到1200度左右，因此這種冶煉通常要把木炭覆蓋在礦石上連續(xù)燒好幾天。而燃燒是會(huì)讓鋼鐵失碳的，但覆蓋木炭進(jìn)行悶燒這種手段，使得一些未燃燒的一氧化碳經(jīng)過(guò)反應(yīng)，最終成了滲碳過(guò)程，部分地局部地補(bǔ)充了含碳量。但也由于這種冶煉方式的原因，得到的海綿鐵成品成分非常復(fù)雜，還有不少有害雜質(zhì)，各部位含碳量當(dāng)然更不一樣。所以鐵匠們會(huì)把成品海綿鐵砸開，然后憑經(jīng)驗(yàn)挑出含碳量接近的部分歸類，在分別用于不同的用途。這是最原始也最常見的冶煉滲碳技術(shù)之一。
有關(guān)這種冶煉法和日本刀的關(guān)系，我專門寫過(guò)一篇長(zhǎng)文，有興趣的同學(xué)可以看下：日本刀——低溫冶煉、鍛造和淬火技藝的顛峰之作 - 汗青論史 - 知乎專欄
還有一類是在冶煉得到成品鋼鐵后，在鍛造過(guò)程中進(jìn)行滲碳。 這個(gè)過(guò)程中的手段就多了，我說(shuō)的非常有意思的事情也出現(xiàn)在這個(gè)階段。
手段之一，是對(duì)制品進(jìn)行固體滲碳。如日本刀制造時(shí)，在折疊鍛打鋼鐵時(shí)，會(huì)在工件外包裹紙張和草木灰及泥漿等進(jìn)行鍛打，這是一種滲碳手法。紙張草木灰都是滲入劑，泥漿則是分散劑，可防止碳滲入物黏結(jié)不勻、以及幫助析出炭黑。
我國(guó)明代《天工開物》里記載的制針?lè)椒?，也是固體滲碳，但和日本刀制造過(guò)程中的滲碳技術(shù)比，這是屬于非常(gao)高(da)端(shang)的外熱式箱體滲碳技術(shù)，科技樹的高度不可同日而語(yǔ)。
這種技術(shù)，是把工件整好形，放入坩堝等容器中，然后蓋上木炭、豆豉、土末，在容器外加熱。木炭、豆豉自然都是滲碳用，土末依然是分散劑。這種滲碳技術(shù)的好處，是工件得到的滲碳非常均勻且穩(wěn)定，且碳勢(shì)很高，效率和效果都相當(dāng)好。其實(shí)這種技術(shù)到現(xiàn)代也還在用的，就是所謂的“燜鋼法”。
另外還有些和日本刀鍛造過(guò)程中的滲碳技術(shù)一樣的做法，但用的材料不一樣。如明代的《物理小識(shí)》里說(shuō)，要用大醬和硝涂抹工件，然后進(jìn)行熱處理——不要小看這點(diǎn)不同，就這一點(diǎn)點(diǎn)不一樣，事情的性質(zhì)就變了。
大醬和豆豉的材料是一樣的，但硝是含氮的，所以這種滲碳技術(shù)就是碳氮共滲技術(shù)，大醬和硝是共滲介質(zhì)——神(hu)奇(you)吧，用木炭豆豉泥漿是一種技術(shù)，一換成大醬和硝就成另外一種原理都不同的技術(shù)了。
另外還有用油脂、動(dòng)物角和毛發(fā)指甲，以及自然灰也就是碳酸鈉(這是很好的是催滲劑)等等一起進(jìn)行滲碳的。實(shí)際上這種技術(shù)到現(xiàn)在也還在大量應(yīng)用，一般用機(jī)油和碳黑等材料制成的膏劑對(duì)工件進(jìn)行涂抹，然后進(jìn)行滲碳處理，叫膏體滲碳。
手段之一是固體滲碳，那么之二自然就是液體滲碳了。
我想一定有很多人想知道古代那些神兵利器尤其是那些名劍都去哪里了吧?這就要說(shuō)了。
《吳越春秋》里有記載制造我國(guó)古代著名寶劍“干將”的過(guò)程。從這個(gè)記載里，可以知道干將因?yàn)椤敖痂F之精”不能“銷”，于是投入毛發(fā)和指甲，然后再讓人投入大量木炭，最終“金鐵之精”溶化而成劍。這其實(shí)是一種比較原始的液體滲碳技術(shù)。
在青銅器盛行的年代，出現(xiàn)了一把鋼鐵劍，當(dāng)然是毫無(wú)疑問(wèn)的寶劍了 ，削那個(gè)青銅如泥這絕不是傳說(shuō)。但問(wèn)題在于鋼鐵器太容易腐蝕了，一不小心就爛成渣。從干將的記載看，我認(rèn)為中國(guó)古代，尤其是春秋戰(zhàn)國(guó)到西漢的絕大多數(shù)名劍，都因?yàn)槭卿撹F器所以才稱雄一時(shí)，但也恰恰因?yàn)樗鼈兪卿撹F器，又很快地被時(shí)間之河侵蝕因而徹底消亡——這就是為什么干將莫邪純鈞湛盧等等絕代名劍都不見后世的根本原因。
再就是著名的灌鋼法了 。這種技術(shù)是把生鐵當(dāng)滲碳劑使用，對(duì)熟鐵進(jìn)行滲碳，得到合適含碳量的鋼。所以這種技術(shù)都是先制備好熟鐵，然后將生鐵溶化淋到熟鐵工件上進(jìn)行滲碳。這種技術(shù)在我國(guó)文獻(xiàn)里記載相當(dāng)詳細(xì)，如《天工開物》。
南北朝時(shí)期的著名刀匠綦毋懷文造宿鐵刀的技術(shù)也是一種滲碳技術(shù)?！侗笔贰返挠涊d是這樣的：“又造宿鐵刀，其法燒生鐵精以重柔鋌，數(shù)宿則成剛。以柔鐵為刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斬甲過(guò)三十札?！睆摹盁F精以重柔鋌，數(shù)宿則成剛”一句看，這依然是把生鐵當(dāng)滲碳劑用，且很可能他最終造出來(lái)的是某種花紋鋼產(chǎn)品。
在滲碳技術(shù)之余，是古人對(duì)催化介質(zhì)的不斷認(rèn)識(shí)和創(chuàng)新。
譬如干將用毛發(fā)指甲，以及明代文獻(xiàn)記載中大量使用牛羊角及其灰燼、油脂、自然灰，還有箬皮灰、青鹽、砂等等，都是這類。這些東西，動(dòng)物毛發(fā)之類都是含氮的，氮能降低鋼鐵的臨界溫度，加大淬透性，并提高滲碳速度和工件表面硬度，是非常重要的滲碳介質(zhì)。這些演變，都是滲碳技術(shù)里的一個(gè)分支發(fā)展，就是碳氮共滲技術(shù)。
中國(guó)古代造刀劍一直都有投入動(dòng)物毛發(fā)指甲乃至骨骼的傳統(tǒng)，而傳說(shuō)中以身殉爐的也不少，這些做法在本質(zhì)上就是增氮滲碳法——其實(shí)古人跳爐子是真有科學(xué)道理的……
說(shuō)完滲碳說(shuō)淬火。
這個(gè)就比較簡(jiǎn)單了，古代一般就三種。
單一介質(zhì)淬火。這不用多說(shuō)了吧，把燒到溫度的工件往水或油里一滋，完事。
第二是雙液淬火。也就是用不同的液體淬火。前面說(shuō)的綦毋懷文在造宿鐵刀時(shí)，“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”，就是鹽淬、油淬的雙液淬火。這種淬火產(chǎn)品，硬度當(dāng)然合格就不說(shuō)了，關(guān)鍵是其耐磨和彈性也很好。
第三就是敷土燒刃了。這種技術(shù)本質(zhì)上還是單一介質(zhì)淬火，但問(wèn)題在于它在工件外不需要淬火的部位加了含碳泥土進(jìn)行包裹，需要淬火的部位一般有一層非常薄的膏劑，通常含有大量的碳氮成分，等膏劑干后，進(jìn)行淬火。這種做法在唐時(shí)還有，之后失傳。日本則一直保持了下來(lái)，日本刀就是這么淬火得到刃紋的。
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