古代中期鋼鐵冶煉技術(shù)

鐵在地殼中雖然含量較多，但天然純鐵在自然界里幾乎不存在；鐵礦石的熔點(diǎn)也較高，不易還原，所以人們利用鐵較銅、錫、鉛、金等要晚。人類最先看到和利用的鐵應(yīng)該是隕鐵。在埃及、西南亞等古文明地區(qū)發(fā)現(xiàn)的最早的鐵器，都是由隕鐵加工制成的，大多作為殉葬物，說(shuō)明隕鐵稀少而帶有神圣意味。古蘇美爾人把鐵看作是"天降之火"，古埃及人把鐵叫作"天石"，都表明人類是從隕石開始認(rèn)識(shí)鐵的。中國(guó)古人大約在3000多年前已開始使用隕鐵了。1972年在河北藁城臺(tái)西村出土了一件商代鐵刃銅鉞，經(jīng)檢驗(yàn)其鐵刃就是用隕鐵熱鍛制成的。

大量的鐵最早是在什么地方、用什么方法煉制出來(lái)的，目前尚無(wú)定論。不過，居住在亞美尼亞山地的基茲溫達(dá)部落在公元前2000年已經(jīng)發(fā)明了一種煉鐵的有效方法；小亞細(xì)亞的赫梯人在公元前1400年左右也已掌握了冶鐵技術(shù)。兩河流域北部的亞述人和腓尼基人，在公元前1300年已進(jìn)入普遍使用鐵器的時(shí)代；后又傳至地中海沿岸國(guó)家。印度進(jìn)入鐵器的時(shí)代不甚清楚，但在孔雀王朝初期，鐵器的制造和使用已很普遍了。

冶鐵的原理和冶銅的原理基本相同，所以青銅冶鑄技術(shù)的發(fā)展，已為冶鐵技術(shù)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。最早的冶鐵技術(shù)大多采用"固體還原法"，即"塊煉鐵"。在冶煉時(shí)，將鐵礦石和木炭一層夾一層地放入煉爐中，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間650～1000℃的高溫?zé)裏捄湍咎康倪€原作用，礦石就冶成了固體狀鐵塊。這種鐵結(jié)構(gòu)疏松、呈海綿狀，孔隙中夾雜有許多氧化物，含碳量很低，性質(zhì)柔軟，不適于應(yīng)用，中國(guó)古人稱之為"惡金"。經(jīng)過一段摸索過程，人們認(rèn)識(shí)到塊煉鐵可以經(jīng)過反復(fù)加熱和錘打壓延，擠出其中夾雜的氧化物而變得堅(jiān)實(shí)并柔韌不脆，就可制成各種器物。而在反復(fù)鍛打塊煉鐵的實(shí)踐中，人們又總結(jié)出了塊煉鐵滲碳成鋼的經(jīng)驗(yàn)，這就是"塊煉鋼"的冶煉技術(shù)。中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，鋼制武器已漸增多起來(lái)。

幾乎在塊煉鐵出現(xiàn)的同一歷史時(shí)期，中國(guó)就誕生和發(fā)展起了生鐵冶鑄技術(shù)。生鐵是由鐵礦石和木炭在高大的爐內(nèi)通過高溫熔煉而產(chǎn)生的。利用鼓風(fēng)技術(shù)使?fàn)t溫升高到1100～1200℃以上，就可得到液態(tài)鐵水流集于爐底；其上覆蓋的一層爐渣保護(hù)著鐵水不被氧化。鐵水從爐底流出冷卻成塊，就是生鐵。

生鐵的含碳量較高，在3％左右，質(zhì)硬易碎，一般只能用來(lái)鑄造一些粗笨的東西，錘鍛則易壞。中國(guó)在春秋末期到戰(zhàn)國(guó)初期，已將生鐵用于鑄造了。生鐵冶鑄技術(shù)改變了塊煉鐵及其加工費(fèi)時(shí)費(fèi)力、生產(chǎn)量低的弊端，為鐵器的推廣和普及打下了良好的基礎(chǔ)。

早期生產(chǎn)的生鐵是白口鐵，其中的碳是以硬度很高的化合態(tài)的滲碳體形態(tài)存在的，鐵性脆而硬，鑄造性能好，但強(qiáng)度不夠。為了克服它的脆性，中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)早期就創(chuàng)造了白口鐵柔化處理技術(shù)，也就是生鐵鑄件"退火"處理技術(shù)。將鑄件加熱到高溫，保持較長(zhǎng)時(shí)間的緩慢冷卻，就會(huì)適當(dāng)減低其硬度和脆性，增加其可塑性和沖擊韌性，從而得到可鍛鑄件。"退火"技術(shù)的發(fā)明，使生鐵的廣泛應(yīng)用成為可能，加快了鐵器代替青銅器的歷史進(jìn)程。中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)的中晚期，已將這種工藝普遍應(yīng)用于制造農(nóng)具和兵器；歐美國(guó)家直到18和19世紀(jì)才發(fā)明了白心韌性鑄鐵和黑心韌性鑄鐵，比中國(guó)晚了兩千多年。

含碳量低的塊煉鐵經(jīng)過滲碳處理可以煉出塊煉鋼；含碳量高的白口生鐵鑄件在氧化性氣氛中脫碳退火，將含碳量降低到鐵的范圍，而不析出或很少析出石墨，也可以得到鋼。中國(guó)在戰(zhàn)國(guó)初期就發(fā)明了鑄鐵脫碳鋼技術(shù)。塊煉滲碳鋼件或退火過分的鑄鐵脫碳鋼件，其堅(jiān)硬程度都可能不足，這就推動(dòng)人們?cè)趯?shí)踐中摸索出了鋼件的"淬火"處理工藝。至遲在戰(zhàn)國(guó)晚期，中國(guó)已廣泛使用了淬火技術(shù)。所謂淬火，即將鋼件加熱到高溫后使之急速冷卻(如急速浸入冷水或冷油中）。經(jīng)淬火處理后的鋼件，質(zhì)地就變得堅(jiān)硬，刃部也更鋒利。淬火所用的冷卻物質(zhì)，最早大概都是水，后來(lái)又?jǐn)U展到用動(dòng)物的尿和脂肪。由于尿中含有鹽分，冷卻能力比水強(qiáng)；用脂肪淬火，高溫時(shí)冷卻快，低溫時(shí)冷卻慢。所以用尿和脂肪淬水，可以得到性能良好的鋼件制品。