首先来确定几个概念,钢和铁的区别在于纯度,当然实际划分标准比这个复杂,不仅要考虑碳,还有锰、镍、钒等,但大家犯不着因为看个视频就把冶金全部学一遍,所以也不用说的那么细。
碳比例决定了硬度、韧性等等,一般来说,含碳量越高,硬度越大,但韧性也更差,容易折断,反之亦然,低碳钢又称软钢,虽然硬度不够,但韧性十足,可以任意改变形状。低碳钢高碳钢各有各的用处,打个比方就是高碳钢做成品,比如刀剑、锄头等等,而低碳钢主要拿来做钢材,比如角钢,等待二次加工。所以如果说到钢材,一般都是低碳钢。
铁在地球上到处都是,是地球储藏量估算最多的金属,但铁很活泼,容易与其他元素发生反应,所以铁矿石往往伴随有大量杂质。想要获得钢,必须先将铁矿石进行提炼,但炼钢需要一个前提,就是高温,铁的熔点高达1500多度,这对古人来说,几乎是个迈不过去的门槛,所以铁元素虽然易得,但钢却不易得。
古代优质钢材有三大神器之说,分别为陨铁、乌兹钢、镔铁。
先来聊聊陨铁,陨铁是武侠小说中最常见的宝剑材料,比如金老先生的倚天剑屠龙刀都是陨铁打造,号称削铁如泥。但老实说,陨铁打造的刀剑,削铁肯定谈不上,甚至它在这三种材质中,都是最差的。
大家都知道,陨铁就是掉在地球上的陨石,但它的成分却很简单。什么外星物质,什么未知元素啦,统统不存在的,陨石主要成分就是铁。地球有大气层,小行星碎片进入地球大气层后,会因摩擦产生高温,其他元素差不多烧光了,剩下的都是铁。打个比方就是,陨铁是大气层这个天然炼钢炉炼出来的铁疙瘩。
当然,大气层这个大师傅没有意识,只凭心情好坏干活,造出来的产品质量也没保证。心情好的时候,给你弄一块纯度超过98%的优质钢材,心情不好,纯度可能只有80%。从天而降的陨石,每颗陨石的铁纯度都不固定,因为除了铁之外,还有镍这个顽固金属,所以想知道这块石头是不是陨石,通常都通过测量镍比例来得知。
陨石纯度通常在80-98%之间,但不管是98%还是80%,都是古人眼里的宝贝。为啥?你得看跟谁比,跟远古时期的青铜器一比,就算80%纯度的陨铁,炼出来的宝剑都是神一般的存在。所以陨铁被称为神器的年代,只限于远古时期,在人类还未掌握炼钢工艺之前。陨铁不要说跟现代工艺相比,就是跟乌兹钢和镔铁比,都是被秒杀的结局。道理很简单,一个是大自然这个随心所欲的大师傅手笔,另一个是千锤百炼,精益求精的产品,你说那个更好?
接着聊聊乌兹钢,这个名字很容易让人联想到乌兹冲锋枪,会让人误以为它跟俄罗斯或者乌兹别克有关系,但实际上乌兹钢出于印度。谁也不知道为什么要取这样一个名字,但它的确出自印度西北角的海德巴德,所以它的正确名称应该叫印度铁。
乌兹钢是一种使用坩埚法冶炼出的超高碳钢,最早出现于公元前6世纪,通过安息销售到世界各地,也是大名鼎鼎的大马士革刀材质来源。很多人会把乌兹钢和大马士革钢混为一谈,但实际两者是有区别的。前面说了高碳钢其实不适合做钢材,因为太硬和太脆,不容易锻造,所以大马士革的工匠们在其基础上做了改进,但这种改进只局限于锻造工艺。严格的说,做成大马士革刀的钢材叫大马士革刀,没有成刀就叫乌兹钢。
咋这么拗口呢!有些人就是喜欢较这个真,总之你明白大马士革刀用的就是乌兹钢,这就行了,甭管它叫啥了,这个大马士革钢,欧洲人吹了好多年,到底也没说清它是什么。
乌兹钢究竟是一种矿产还是炼钢工艺,一直都有争议,因为乌兹钢的优秀,首先得益于得天独厚的矿藏。印度有一种特殊的铁矿石,据说纯度极高,而印度采用的坩埚冶炼法,虽然号称不传之秘,但其实是一种相对较为落后的技术。
为什么落后?因为根本不能与高炉炼钢法相比。总而言之,到了18世纪,印度的这种铁矿挖空了,乌兹钢也就绝产了,跟着倒霉的是大马革士刀,一起完蛋。所以说,什么大马士革钢,这要是一种炼钢法,咋会因为乌兹钢绝种你也绝种!同样,这也是印度炼钢技术落后的证明,乌兹钢的优秀主要凭借特殊铁矿石,铁矿石没了,他们也玩不转了。
再来聊镔铁,有个说法是传入中国的乌兹钢。这个称呼最早出现于隋朝,史书中则最早现于初唐所作的五代史书,周书和隋书。唐代释义书籍《一切经音义》中将镔铁解释为来自罽宾(Jibin)的铁,故名镔铁。
罽宾又名凛宾国,位于开伯尔山口,是古代丝绸之路的一个重要支线,也是翻越葱岭的要道。李白诗云:“热暖将来镔铁文,暂时不动聚白云。”意思是酒快要暖热的时候,酒面的波纹就像镔铁花纹一样,又像天上凝聚的白云。
从李白诗里能看出,镔铁是一种花纹钢,花纹钢是最原始的复合钢,通过半熔化形式,利用叠打,热锻或热轧冷轧,加工成型,钢的表面形态有如彩云流水,是古代炼钢工艺的最高代表,也是超越时代的产物。
镔铁在冷兵器时代,占有举足轻重的地位,汉朝政府为了保护炼钢技术不外泄,严禁携带铁器出关,也不准放在胡市上交易。但汉朝不是最过分的,辽国甚至以镔铁为国号。
罽宾与我国来往始于汉武帝时期张骞出使西域,一开始还闹了点不愉快。罽宾王认为汉朝相距甚远,汉兵管不到,所以杀了好几个汉朝使者,一直到他儿子继位后,才派使者拜访大汉。但这时已经是汉元帝时期了,汉元帝派都尉文忠回访,罽宾王再次贪图财物,打算谋杀文忠,不料却被文忠发觉,与王子联手,反而搞死了罽宾王,改立王子为王。这个王子当了大王就翻脸,转过来杀了汉使70多人,所以汉元帝也拒绝了他修好的请求,不准许使者进入长安,一直到了汉成帝时期,才在大将军王莽叔父王凤的调停下,接受了罽宾请求,恢复通商。
现代有一种观点,认为汉武帝时期炼钢技术突飞猛进,是因为从丝绸之路的贸易中,学到了先进技术所致,虽然镔铁的称呼隋朝才有,但这东西恐怕汉代就传入了。这个观点有很多支持者,热播历史剧汉武大帝中,编剧也把环首刀的冶炼技术,解释成从西域所获。
但其实这是个天大的误会,硬生生抹杀了自西周以来,诸多工匠的不懈努力,以及汉代炼钢技术的辉煌成就。如同上文所说,第一,汉武帝时期与罽宾关系糟糕,就算民间私下有买卖镔铁至汉境,数量也不会很多,根本不可能支撑汉军所需,要知道汉军环首刀可是标配,几乎人手一把,而玄甲也基本做到了主力部队人手一套。
印度炼钢工艺被严格保密,上千年来都不曾外传,直到十八世纪才被人解密,但其实解密不解密对我们无所谓,因为我们的炼钢技术比印度要先进的太多了。
第三,花纹钢这种东西,我国早就有了。
根据《梦溪笔谈》的记载,意思是湛卢剑颜色发黑,而鱼肠剑是因为花纹像煮熟的鱼肠,跟现在的蟠钢剑花纹一样。曹植的《宝刀赋》说,曹操曾作五把宝刀,分别以花纹形状命名为龙、虎、熊、马、雀。曹丕的《曲论》也说,曹丕为太子时,曾炼造三枚宝剑、三枚宝刀、两枚匕首和露陌刀一枚。宝剑花纹像彩虹就叫流采,宝刀花纹似灵龟叫灵宝,匕首像丹露叫含章,露陌刀如龙纹便叫龙鳞。
湛卢、鱼肠,曹操的五把百辟刀,曹丕的宝剑宝刀,这都是明显的使用花纹钢技术打造的宝剑,而最早的花纹钢剑,应属干将莫邪。根据《吴越春秋》的记载,意思是干将花纹像龟甲,莫邪花纹像水波纹。
当然仅以花纹就判断是钢剑,有点耍流氓,因为青铜剑也有花纹,我国青铜剑之精美,之闻名于世,也正因为剑身上独特的剑纹。不同的是,青铜剑的花纹是为了美观人工雕刻,而花纹钢则是天然形成。那么干将莫邪究竟是青铜剑还是钢剑?
我国出土最早铁剑是玉柄铁剑,属西周晚期,也被誉为中华第一剑,是河南博物馆的镇馆之宝。玉柄铁剑工艺虽然不算先进,但已经是钢剑的概念了,是正宗的块炼渗碳钢打造,之后出土的春秋时期杨家山钢剑,则已经是含碳量仅有0.5%的标准中碳钢了,至于战国时期的钢剑,就更多了。
湖南衡阳曾一次性出土过14把楚国钢剑,楚剑之利,史有明载。而与干将齐名的铸剑大师欧治子,也留下过铸造铁剑的记录。无论是出土文物,还是史籍记载,都证明早在西周时期,人们已经掌握了淬炼钢铁的技术,所以很明显,干将莫邪只能是钢剑。
干将也好,湛卢也好,百辟刀也好,他们都是典型的花纹钢剑,出现于镔铁之前,还没有镔铁这个词,就已经有这些剑了,甚至玉柄铁剑更是比乌兹钢还早。你再怎么假设,也不能假设西周铁匠用了乌兹钢吧,所以很明显,花纹钢是我们自己的技术,我们的古人早就掌握了炼钢技术。
镔铁是个外来词,但绝不是指乌兹钢,而是代指所有优秀的高碳钢。这就好像爸爸是个舶来词,但你不能说中国人以前都没有爸爸。至于为什么会出现这种情况,很简单,因为汉代虽然会炼钢,但根本不会起名,这就好像我们管爸爸各有各的叫法,有的地方叫爹,文明点叫父亲,不文明就喊老子,最后让舶来品一统了江湖,整齐划一叫爸爸。
镔铁这个情况也是如此,因为汉代人管自己炼出来的钢仍然叫铁,所谓熟铁和生铁。生铁含碳量超过2%,也就是纯度不足98%的铁锭,而熟铁是含碳量低于0.05%的优质低碳钢。那么问题就来了,0.05-2%之间,打造刀剑需要的正经中高碳钢,应该叫什么?正确答案是没有。为什么?
因为汉代工匠牛气,人家就不生产这个,他们只负责生产低碳钢,和打造低端器具所用的生铁,中间那一段,是铁匠负责的。解释的再通俗点,汉代炼钢只琢磨生产熟铁,从低碳钢变为高碳钢,这个不是用炼钢技术解决的。
那用什么?锻造技术,采用极其复杂和精巧的反复锻造技术,使低碳钢最终变为锋利无双的宝剑。这种技术叫什么?百炼钢。千锤百炼,一次次,一遍遍的反复将生铁折叠后锻打,将易折断的低碳钢淬炼成百炼精钢。百炼钢化绕指柔,这不是传说,也不是神话,是真真切切的古代炼钢之巅峰,是古人们不可思议之智慧结晶。
据曹操《百辟刀令》的记载,百炼钢有上百层。刀名百辟,意思就是经过了上百次锻打。1974年,山东苍山县出土了一件环首刀,刀上铭文“卅炼”,说明锻造了三十次。百炼钢需要折叠7次,才能达到最低理想效果,这时层数已达384层,必须放大镜才能看清楚,而在锻造过程中,往往还需要添加其他物质,这就使得实际层数远远高于384层。汉代没有放大镜,工匠们也不可能知道自己究竟折叠了多少层,所以一概以百炼称呼,但实际上,优质的的宝刀宝剑,甚至会超过千层。
这门传统的炼钢手艺,到今天其实已经失传了,因为这种手工反复锻打的技艺,效率显然无法跟现代机械相比。最后一个百炼钢是北平的折花钢,一直坚持到了日军侵华,被日军胁迫采改用日本工艺,才终于凋零。
据记载北平折花纲要反复折叠十余次,若折叠前为两层,折叠十次后便是2048层。这种神乎其神的技术,早在汉代就已经掌握了,如果用一句话来形容汉代冶炼技术,就是中国冶炼史上的高峰,绝大部分炼钢技艺,都是在汉代发明并完善,如果多加一句话,那就是足足领先了世界1800多年。
虽然炼钢有温度这个高门槛,但对中国古人却不在话下,因为古人很早就会烧制陶瓷了,通过烧瓷,掌握了高炉技术,西汉用的是跟现代一模一样的高炉炼钢法。汉代冶铁遗址,迄今共发现30多处,半数位于河南省,其中最具代表性的是巩县铁生沟遗址和郑州古荥镇遗址。
铁生沟遗址总面积 2万多平方米。是已知的汉代冶铁遗址中,发现最丰富的一处。古荥镇遗址面积则达到了12万平方米,从出土铁器上的铁官标志铭文推定,这里属汉河南郡第 1号制铁作坊,使用年代约自西汉中晚期至东汉。其遗址中的1号炼炉是已知汉代最大的炼钢高炉。至于是不是世界最大,这个没有可比性,因为欧洲直到十九世纪才建造出第一座炼钢高炉,更不要说1号炉估算日产量可达一吨,实在是世界冶炼史上不折不扣的奇迹。
汉代的工艺革新主要有两个,第一把高炉从圆形改成了椭圆形。工匠们在实践中发现,圆形高炉不利于鼓风,风力很难达到超过三米高的高炉中心,而如果从椭圆形两侧扁平处鼓风,可以大幅提高高炉中心温度。
第二是鼓风器具的革新。古代鼓风机是用兽皮所制,称之为橐(tuo),这种器具甚至在几十年前,在农村里还相当普及。但西汉的皮橐要比之前大得多,所以取名为排橐,意思是多人协作的皮橐,比如古荥炼钢遗址的高炉排橐,需要12人同时操作。除了人力,还有使用牲畜的马排、牛排,东汉南阳太守杜诗更是发明出了水排,一种使用水力的鼓风机。
过于复杂的技术不多谈了,比如如何降硅,如何脱硫,只来谈结果。古荥等遗址里发现了大量梯形铁板,这种铁均为经过脱碳退火处理含碳量仅有0.1%的优质低碳钢。
前面说过,印度乌兹钢虽然优秀,但它是高碳钢,高碳钢一般都是直接做成器具了,并不适合做钢坯,因为高碳钢既硬又脆,不容易锻造。印度为什么不做低碳钢?因为它做不到,所谓印度不传之秘,其实只是坩埚提炼法,这是一种使用石墨提纯的方法,没有高温,根本无法与高炉相提并论。
而西汉的炼钢遗址表明,他们不仅能造出0.1%含量的优质低碳钢,还具备了跟现代一样的产业思维,这种梯形铁板其实就是钢锭。说明这种作坊的目的只负责炼制钢坯,如同现代大型钢厂一样,生产出源源不断的钢坯,将它们送往锻造作坊和铁匠铺,再由铁匠们千锤百炼,最后做成一柄柄名震天下的环首宝刀。
百炼钢化为绕指柔,古今多少事,尽悠悠!郑青春谈天地,有空常来,期待与您的下次相见!