百鍊鋼

百鍊鋼(The steelmaking)是中國古代的一種制鋼工藝，它的主要特點是制煉過程中要反覆加熱鍛打、千錘百煉。由於製作艱難，產品性能較好，千百年來一直受到人們的讚許。

中國是古代鍊鋼術比較發展的國家。鑑於鋼在人類社會發展中的重要地位，國內外關心中國科學技術史、中國冶金史的學者中，許多人都對百鍊鋼進行過研究，其中有不少好的見解，但是也存在一些分歧，主要是對百鍊鋼工藝原理存在着兩種不同的觀點。一種認為百鍊鋼原料是生鐵，從而，百鍊過程就主要是生鐵脱碳持這種觀點的主要是部分國外學者。一種認為百鍊鋼原料是熟鐵，從而，百鍊過程主要是熟鐵滲碳持這一觀點的有國外學者，也有國內學者。百鍊鋼原料既非生鐵，亦非熟鐵，而是一種含碳稍高的炒鋼，百鍊過程的主要環節既非生鐵脱碳、亦非熟鐵滲碳，而是對一般炒鋼的進一步加工、鍛打。

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，鼓風設備差，因此爐温比較低，不能達到鐵的熔鍊温度，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。

在西漢中晚期，中國出現新的鍊鋼技術“炒鋼”，這是在生鐵冶鑄技術的基礎上發展起來的一種鍊鋼技術。大約在春秋末期，中國就已經發明生鐵冶鑄技術，以後經過長時間的實踐和探索，逐漸形成利用生鐵為原料的炒鋼技術。其基本方法是將生鐵加熱成半液體和液體狀，然後加入鐵礦粉，同時不斷攪拌，利用鐵礦粉和空氣中的氧去掉生鐵中的一部分碳，使生鐵中的碳含量降低，去渣，直接獲得鋼，這就是炒鋼技術。這項技術的發明是鍊鋼技術的重大突破，使冶煉業能向社會提供大量廉價、優質的熟鐵或鋼，滿足生產和戰爭的需要。炒鋼的出現促進百鍊鋼技術的發展，人們以炒鋼為原料，經過反覆加熱、摺疊、鍛打成質量很好的鋼件。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 ^[1]  。

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、梁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（QI）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”，就是説，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，因熔化後温度高，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，生鐵由於脱碳也可以變成鋼，增加了鋼的產量。

(3)在高温下，液態生鐵中的碳、硅、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 ^[2]  。

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:當工件在比較高的温度650～400℃，具有較大的冷卻速度，在低温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，可以得到不同性能的刀，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，這樣可以得到性能比較好的鋼，避免單純使用1種淬火(即單液淬火)的侷限。雙液淬火法，即在工件的温度比較高的時候，選用冷卻速度比較快的淬火介質，以保證工件的硬度;而在温度比較低的時候，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，這在當時沒有測温、控温設備的條件下，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性能優異鋒利，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百鍊鋼製成，價格昂貴;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性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、刃口實際起着不同的作用，因而要求具有不同的性能。

一般來説，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。

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 ^[1]  。

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，當爐温升高到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》中説：“雖然鐵的種類很多，但沒有一種能和中國來的鋼相媲美。 ^[3]  ”

沈括《夢溪筆談》卷三雲:“予出使至磁州，鍛坊觀鍊鐵，方識真鋼。凡鐵之有鋼者，如面中有筋，濯盡柔面，則麪筋乃見，鍊鋼亦然。但取精鐵鍛之百餘火，每鍛稱之，一鍛一輕，至累鍛而斤兩不減，則純鋼也，雖百鍊，不耗矣。此乃鐵之精純者，其色清明，磨瑩之，則黯然青且黑，與常鐵迥異。亦有煉之至盡而全無鋼者，皆系地之所產。”此“精鐵”指百鍊鋼原料，應是含碳量稍高，所含夾雜不十分多的鐵碳合金。“一鍛一輕”，應是不斷去除夾雜，氧化鐵皮不斷產生並脱落之故。“累鍛而斤兩不減”應是相對而言的。“煉之至盡而全無鋼”可能是含硫較多、產生熱脆的緣故。這是中國古代文獻中對百鍊鋼工藝和原理記述得最為詳細的一段文字。可見“百鍊”即是百鍛，其中心環節是反覆鍛打，“百鍊鋼”就是去除夾雜後的一種“純鋼”。從現代技術原理看，反覆鍛打除了排除夾雜外，還可均勻成分、緻密組織，有時亦可細化晶粒，從而極大地提高材料質量。許慎《説文解字》雲:“鍛，小冶也。”這是很有道理的。有學者認為“百鍊”的中心環節是滲碳，百鍊鋼是一種滲碳鋼；又有學者認為“百鍊”的中心環節是脱碳，百鍊鋼是一種生鐵脱碳鍊鋼，這都是一種誤解。我們以為百鍊過程中，金屬含碳量雖可能有些變化，但此非百鍊的目的 ^[3]  。

關於“百鍊”的具體操作，從多方面的資料來看，至少應包括三種類型：

即把許多塊料積疊並鍛合在一起。這些原料的成分可以相同，也可以不同；積疊鍛合後也可再次摺疊。這有三方面資料可為佐證。

據曹植《寶刀賦》雲，建安中，曹操作寶刀五枚，曹操在《內誡令》中稱此刀為“百鍊利器”，在《百辟刀令》中又謂之“百辟刀”。“闢”者，襞也，多層積疊、反覆摺疊也。説明此“百辟”是“百鍊”的一種具體方式。

科學分析表明，永初六年“卅湅刀”和建初二年“五十湅”長劍金相組織都明顯分層，前者在刃部取樣含碳量約0.6-0.7%，夾雜物細薄分散，變形量較大，分佈均勻，大體為30層左右。後者刃部組織分為三部分，中心部分約可分為15層，含碳量0.7-0.8%，組織均勻；兩個邊部對稱，各有20層左右，含碳量不甚均勻，高碳部分為0.6-0.7%，低碳部分為0.3-0.4%，總計為50餘層。柯俊等：《中國古代的百鍊鋼》，《自然科學史研究》1984年第4期。可見在早期百鍊鋼工藝中，煉數與組織層數之間存在一定關係。當然，未必所有百鍊鋼皆是如此，“百”當言多，而非嚴格的數字指數。

據研究，日本刀的皮部、心部往往都由多層積疊的材料鍛合而成。皮部常用含碳量1.3%左右的“玉鋼”製作，先把玉鋼鍛成許多小塊，後將其積疊鍛合，再橫向、縱向摺疊，據説要反覆摺疊23次。心部常用含碳量稍低的“庖丁鐵”與“玉鋼”混合鍛打，比例為2∶1。鍛合後還要摺疊10次以上。

未摺疊前若材料為一層時，經`次摺疊後，便會出現2n層。現代龍泉寶劍曾有“九煉”之説，“九”亦含“久”意，但實際鍛打次數取決於原料質量和對產品性能的要求，通常要鍛打數月。日本刀也有類似的操作，有人説新刀期要摺疊15次，得到32768層組織；又有人説近世之日本刀不過摺疊7-8次，得到128或256層組織本間順治：《日本刀》，巖波書店1939年，第34-36頁。；在金相顯微鏡下，此組織有時能夠分解，有時不能分辨。

魏源《海國圖志》引黃冕《飛炸彈炮説》雲:“用鐵條燒熔百鍊，逐漸旋繞成團，每五斤方能煉成一斤。”據調查，二十世紀三十年代以前，北京寶刀工藝中也有一種類似的操作，但其旋繞鍛合的次數視情況而定。

百鍊鋼因製作艱難，金屬收得率低，所以主要用作寶刀寶劍一類名貴器物，普通刃器和生產工具應用甚少 ^[1]  。