中国古代炼钢史

中国古代炼钢史第1页中国古代钢铁冶炼技术中国古代炼钢史第2页中国古代炼钢史第3页炼钢两大办法措施一：固体渗碳制钢技术（春秋后期）用块炼铁（或熟铁）做原料，利用渗碳技术增加碳分。（注）熟铁碳含量比钢低，因此要提升碳含量以得到钢。详细措施：用块炼铁放在炭火中加热渗碳；易用优质块炼铁配合定量渗碳剂和催化剂，密封加热渗碳。难办法二：脱碳制钢技术（战国时代）碳以含碳量高生铁为原料，采取脱碳办法炼制成钢。（注）生铁碳含量比钢低，因此要减少碳成份以得到钢。详细办法：把比较薄生铁铸件通过脱碳退火，使其变成钢件；把生铁加热到熔化或基本熔化后，通过炒炼，使其氧化脱碳而成为钢。中国古代炼钢史第4页春秋时期从春秋晚期起，中国独特炼钢技术开始出现，国家之间战争越演越烈，良剑和良匠是各国争夺焦点。《越绝书》传说：楚王派风胡子到吴国，请欧冶子，干将“作铁剑”，欧冶子，干将凿茨山，“取铁英作为铁剑三枚”，叫做龙渊，泰阿，工布。中国古代炼钢史第5页春秋时期----九州扬威兮春秋争雄《吴越春秋》记载：干将，莫邪宝剑传说。中国古代炼钢史第6页春秋时期----九州扬威兮春秋争雄徐吴之战，徐败争欧冶子--干将师兄吴王阖闾干将中国古代炼钢史第7页钢诞生《吴越春秋》记载：干将在冶炼宝剑之前，“采五山之铁精，六合之金英”（铁精：一种质量较精用块炼法炼成海绵铁；金英：一种含碳量较多渗碳剂。）冶炼时，把“铁精”和“金英”焖在炉中一起鼓风加热，当温度足够高时铁块表面熔解，碳不停渗入熟铁，炼制成中碳钢和高碳钢。中国古代炼钢史第8页铸剑神圣（铸剑宗师欧冶子）切肤放血铸铁熔铜中国古代炼钢史第9页炼钢歌诀踏千嶽，登高巅八荒采奇石六合聚金英冶成筑炉兮逐渐成军烈焰起，紫气腾姑苏淬天火吴山砺宝锋铁水铜浆兮炼钢锻形九州扬威兮春秋争雄中国古代炼钢史第10页莫邪焚身以火（金铁之精，不消沦流）《剑诀》宝剑之化，须待人气而合成方得鬼神之助，以克全功天帝下降，百神临观血肉铸剑，人物同熔中国古代炼钢史第11页莫邪卫天去，干将跨长虹（金铁乃濡，遂以成剑）中国古代炼钢史第12页美丽传说背后科学道理《吴越春秋》：干将作剑，......于是莫邪断发剪爪，使童男童女三百人鼓橐装炭。科学真相：我国古代炼铁使用木炭做燃料，又不采取具有磷质熔剂，因而古代生铁中含磷量很低。而古时所用铸铁炉，实不易发生相称温度，使铁充足熔融，需加相称磷份，熔融方易。中国古代虽没有明确有关磷化学知识，但从经验上发觉融铁吸取骨质后较易铸作。莫邪“人物同熔”本质：含磷有机物投入炉中，焖在炉中再鼓风加热，磷质就使铁块表面熔解而起强烈碳化作用，形成部分熔点较低铸铁，从而流入海绵体似铁块各部分疏松空隙中。这样碳不停渗入，炼制成中碳钢或高碳钢，就能够用来铸造宝剑。中国古代炼钢史第13页脱碳制钢技术诞生（战国时代）基本原理：以生铁为原料，合适控制温度时间，想措施让生铁里碳被氧化成气体脱掉，铸件金属组织就所有从铁变成了钢；但仍保存有缩孔，气眼等特性性铸造缺陷。长处：由表及里有控制合适脱碳，使基本不析出石墨；钢件中夹杂物很少，这是由于生铁铸件中夹杂较少中国古代炼钢史第14页公元前2-前1世纪西汉年代，白口铁工具整体通过脱碳退火成为钢件之后，再在刃口部分进行局部渗碳或加工锻打，以提升刃部硬度和尖锐程度。用这种铸铁脱碳钢在西汉年间广泛使用，工匠对于脱碳和渗碳工艺作用，已有经验性理解。在农业上，斧镰等农具和兵器又官冶作坊生产。从外形看是铸件，从化学成份和金相组织看基本是钢，并且夹杂物很少。脱碳制钢技术发展（汉代）中国古代炼钢史第15页“炒钢”技术发明和发展（西汉后期）封建社会上升时期对钢制品需求大大增加，熟铁块炼法和生铁脱碳炼钢均不能满足要求。在西汉后期发明了“炒钢”技术。中国古代炼钢史第16页“炒钢”技术发明和发展（西汉后期）工序介绍：先谋求铁矿石，冶炼成生铁水（熟铁在当初是不也许熔化成铁水），即所谓“烧冶之使成水”，然后炒炼成钢（即高温搅拌，增加氧气和铁接触面，使液体中碳氧化），再反复锻打（生铁是不也许通过锻打制成钢材），制成莫邪一类钢剑。即所谓“万锻之，乃成莫邪”。炒钢技术发明使得百炼钢技术进入成熟阶段。中国古代炼钢史第17页“炒钢”技术广泛使用（东汉）东汉唯物主义思想家王充在所著《论衡.率性篇》中提到：“更熟锻炼，足其火，齐其铦”。以为世间价值千金宝剑，本来就是矿山中一般铁。冶工把它们锻炼成尖锐剑，岂是锻炼原料有什么不一样，而是由于锻炼到家。东汉炼钢技术进步，铁工具已多用钢刃。贾公彦疏：“汉时斧近刃，皆以钢铁为之”。到三国时代，用钢制作兵器愈加广泛。陶弘景《刀剑录》：“吴王孙权黄武四年，采武昌山钢铁，作千口剑，万口刃，各长三尺九寸，刀口方，皆是南钢，越炭作之。”中国古代炼钢史第18页百炼钢鼎盛时期---三国魏太子丕造百辟宝剑百辟宝剑-汉剑-龙泉剑剑身自然出现水波纹百辟，即百炼，意即通过一百次左右加热和反复折叠锻打。代表了当初炼制优质钢利器工艺质量最高水平。中国古代炼钢史第19页百炼钢继续发展和热处理进步（魏晋-明朝）魏晋南北朝，出现许多著名冶炼家。如南朝齐，梁时代黄文庆。钢剑刃部坚硬尖锐剑身富于韧性弹性鱼肠剑蟠钢剑中国古代炼钢史第20页百炼钢继续发展和热处理进步（魏晋-明朝）明朝戚继光《练兵实纪杂集》提到：“铁要多炼，刃用纯钢”。刀脊使用低碳软钢，刃部采取高碳硬钢，加以锻合而成。中国古代炼钢史第21页“灌钢”冶炼法发明--南北朝灌钢法又叫团钢法,或生熟法,是中国早期炼钢技巧一项最突出成绩。17世纪此前,世界各国一般都是采取熟铁低温冶炼措施,钢铁不能融化,铁和渣不易分别,碳不能敏捷渗入。中国发觉灌钢法,胜利处理这一难题,为世界冶炼技巧发展做出划时期奉献。同步兼用生铁和熟铁两种原料，利用生铁含碳量高，比熟铁熔点低而先熔解特点，把两种原料配合在一起加热，让先熔生铁液作为渗碳剂，灌注到疏松熟铁间隙之中，使熟铁含碳量升高而成为钢材。同百炼法或炒炼法比拟,其长处（1）生铁作为1种渗碳剂,因融化后温度高,加速向熟铁中渗碳速度,缩短冶炼时光,进步生产率。(2)熟铁由于碳渗入而成为钢,生铁由于脱碳也能够变成钢,增添了钢产量。(3)在高温下,液态生铁中碳、硅、锰等与熟铁中氧化物搀杂产生反应,清除杂质,纯化金属组织,进步金属品位。(4)灌钢法操作简便,容易控制。要想得到不一样含碳量钢,只要把生铁和熟铁按肯定百分比配合好,加以熔炼,就可取得。中国古代炼钢史第22页“灌钢”冶炼法发明--南北朝綦毋怀文造刀方式是:先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢,做成刃口,然后“以柔铁为刀脊,浴以五牲之溺,淬以五牲之脂”这样做出来刀称为“宿铁刀”,极其锐利,能够一下子斩断铁甲30札。对于含碳量比较高钢,抱负淬火介质应当是:当工件在比较高温度650-400℃,具有较大冷却速度,在低温300-200℃,具有较慢冷却速度。这就须要采取双液淬火法。綦毋怀文先用动物尿、后用动物油进行双液淬火,能够造出品德很高“宿铁刀”。创新：1）热处理进步。使用动物尿和动物油作为冷却剂，一方面扩大了淬火介质范围，另一方面能够取得不一样冷却速度，这样就能够得到不一样性能钢。2）材料科学使用，节省成本。刀刃部需要比较高硬度，才能使刀刃尖锐，因此要用钢来制造。而刀背相反却需要有比较好韧性，使刀在接收经较大冲击力时候不致折断，因此用熟铁比较合适。綦毋怀文把二者巧妙结合起来，把好钢只用在刀刃上，既满足了实用要求，又节省了钢材，这项制刀工艺上主要革新始终沿用到今天。中国古代炼钢史第23页灌钢剑观赏中国古代炼钢史第24页灌钢技术发展--唐-明隋唐后来生产力得到大幅度提升（钢普遍地用在了农业和手工业工具上；宋代把生铁片嵌在盘绕熟铁条中间，用泥把炉密封起来烧炼（避免加热时氧化脱碳），炼成灌钢。《梦溪笔谈》；明代把生铁片盖在捆紧若干熟铁片上，使生铁得到氧而容易吸取生铁铁液；不用泥封而用涂泥草鞋遮盖，使生铁得到氧而容易熔化。《天工开物》。明朝中期（15-16世纪之间），开始发展成为"苏钢冶炼"法。明朝后期，发明“生铁淋口”办法。中国古代炼钢史第25页《梦溪笔谈》卷三《辩证一》世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷期间，封泥炼之，锻令相入，谓之团钢，亦谓之灌钢。中国古代炼钢史第26页《天工开物》卷14《五金》凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片束包夹紧，生铁安顿其上，又用破草鞋覆盖其上，泥涂其底下。洪炉鼓，火力届时，生铁先化，渗淋熟铁之中，两情投合，取出加锤。再炼再锤，不一而足。俗名‘团钢’，亦曰灌钢者是也。创新点：1）用涂泥草鞋遮盖-----炼钢炉仍然能够从空气中得到氧，使生铁在还原性气氛中熔化；使大部分火焰反射入炉内，以提升冶炼温度。2）把生铁片盖在捆紧若干熟铁薄片上-----增加生铁和熟铁接触面，使熟铁易于吸取生铁铁液，能够使碳均匀地渗入；中国古代炼钢史第27页“生铁淋口”技术发明和流传《天工开物》卷10《锤锻》“凡治地之物，用锄镈之属，熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。”广泛应用在农业农具制造，俗称“擦生”。整个擦生时间，包括加热，擦生，淬火等等，大约需要4-5分钟，而生铁液擦上时间仅为20-30秒钟。入水淬火时间约5秒，通过修边开刃，便成为一件耐磨韧性又好农具。创新之处：即不需要夹进炼好钢条，又不需要把工具加以熔化，而利用了炼钢原理，很巧妙地用“生铁淋口”办法使工具具有钢刃，不但办法简捷，并且节省很多时间。中国古代炼钢史第28页中国古代铸造技术和淬火工艺进步锻目标：挤去熟铁和钢中杂质，使组织均匀细致，性能提升；为了铸造成所需要形状。山东滕县宏道院出土画像石《冶铁图》中国古代炼钢史第29页铸造法之一------熟铁铸造（热）西安半坡战国墓出土铁锄铸造工艺过程示意图先将原材料数次锻打成薄片，再将薄片折合和锻接，然后再加工锻成所需要器形。“千锤百炼”-----不停加热和反复锻打，使杂质稀少，组织细密，富于韧性和弹性。中国古代炼钢史第30页铸造法之一------熟铁铸造（热）《天工开物》卷10《锤锻》凡铁性逐节粘合，涂上黄泥与接口之上，入火挥槌，泥滓成枵而去，取其神气为媒合，胶结之后，非灼红斧斩，永不可断也。技巧：涂上黄泥与接口之上，将陈年壁土细末或黄泥撒在接口，在锻合过程中，壁土和氧化铁皮形成低熔点液态硅酸盐，被挤出接缝，所谓“泥滓成而去”，因而不会留下缝隙，胶结得十分牢靠。中国古代炼钢史第31页铸造法之二------冷锻（冷变形加工）利用冷锻使变形来提升钢硬度，在一定变形度内，不会显著增加脆性。应用：1)战争用钢甲（坚滑光莹，非强弩可入）；2）锯条生产（《天工开物》）3）钢针制造