中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术

我国是最古老的文明古国之一,在金属热处理技术发展史上,我国古代先民做出过杰出的贡献,取得了许多伟大的成就。在化学热处理方面,我国先民依靠自己的聪明才智,发展了多种工艺,包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。这些技术的发展,推动了我国古代金属材料的应用和对材料的表面改性,形成了具有特色的古代热处理技术。本文在文献史料和考古成果综合分析的基础上,力图反映我国古代钢铁渗碳和渗氮技术状况,并提出一些分析见解,以求同行较全面准确地认识古代化学热处理的发展历程。限于热处理考古属交叉领域,不当之处在所难免,望予以指正。

1 钢铁渗碳技术

1．1 固体渗碳

固体渗碳是将工件埋入固体渗碳物质中进行处理的工艺,它是最古老的热处理技术之一。从公元前18世纪一直到18世纪,固体渗碳都是西方钢铁增碳的主流手段。因此在国外产生了多种不同的固体渗碳工艺,大体可分为灼烧法、焖熬法和层叠法。其渗碳工艺水平相当高,甚至在17世纪以后还开发出固体渗碳专用的窑炉和箱式炉。我国古代除了拥有传统的灼烧法固体渗碳方法以外,古文献中还描述了焖熬法固体渗碳方法。

1．1．1 灼烧法固体渗碳

一般认为人工冶铁的发源地是两河流域北部、土耳其及其附近地区。该地有很多的铁矿,而铜矿又较少。在靠近土耳其的Changar Bazar镇出土的匕首柄,其年代可定为公元前2700年以前。而根据报道,在Gizeh的大金字塔内遗存一块铁板,使人工冶炼金属铁板的年代提前到公元前2761年以前。这些人工冶铁器件是将铁矿石还原后经锻接的产物。人工冶铁的初级产品是海绵铁,它是由铁矿石在约1200℃的木炭火的温度下还原出来的,海绵铁是杂质含量很高的松散、柔软的金属块,其杂质主要有未还原的氧化铁、铁橄榄石、木炭粉等,为了用它制作器物,只有将其反复加热锻打、去渣、聚块、分散杂质后,才能获得可以造型的熟铁,这种熟铁通常被称为块炼铁。海绵铁的加热往往是在灼热的木炭中进行,其时铁被埋在木炭之间,在铁的作用下,未完全燃烧的一氧化碳发生分解,分解的活性碳形成高的碳势,铁在碳势气氛中,自然而然地被渗碳。这种不自觉的固体渗碳可以认为基本是与块炼铁同时出现的,可以说这是金属化学热处理的开端。 对中国冶铁术的起源年代有很大的争议,迄今为止,我国发掘的年代最久远的块炼铁制品可能是新疆哈密三堡焉不拉克墓地出土的公元前1300年的弧背直刃刀。我国出土的较早的铁器还有和静察吾乎沟口一号墓地中出土的公元前1000年左右的铁器残片和河南三门峡市上村岭虢国西周晚期墓葬中发掘出土的公元前9至8世纪的铜茎玉柄铁剑等。也就是说在我国不自觉地应用固体渗碳工艺可能始于公

元前1300年以前,一般早期的块炼铁产品的含碳量都很低,渗层很浅,有的铁器甚至测不出碳的存在。从不自觉地应用固体渗碳过渡到固体渗碳的诞生,从利用炭火外焰的加热功能到利用炭火内焰的渗碳功能,可能经历了相当长的一段时间。

当人们意识到在灼热的木炭中在不同情况下氧化的程度和硬化的效果不同,人们逐渐考虑如何改变加热方式,最简单的办法是将工件埋入炭火深处,尽管降低了工件加热的速度,却使工件容易在不完全燃烧的含碳气氛中获得一定的增碳效果,直到最后依靠添加渗碳物质和调整鼓风条件,使工件获得较高的含碳量,从而发展成为有意识的固体渗碳,这一方法在国外制铁业的发源地大约出现于公元前1800年以前。公元前12世纪的腓力斯铁剑的含碳量从0到0.8%C不等。埃及的公元前10世纪的斧头,心部含碳为零,刃部的含碳量达0.9%。而从考古发掘的含碳块炼铁器物来看,中国古代有意识的渗碳大约始于春秋时期,其年代大约在公元前7至前6世纪,出土的器物中的碳很容易被测出。我国出土的块炼铁实物不多,考古证实在春秋晚期墓葬中已经出现中碳的块炼铁渗碳钢。如对湖南长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑的分析表明,其含碳量为0.5%左右,属块炼铁渗碳钢制品,其年代为公元前6世纪左右。对燕下都的战国剑、满城西汉墓的刘胜佩剑等制品进行了较为详细的分析,表明它们的心部均为低碳钢,表层均为中高碳钢,在组织中还有很多的未经还原和熔解的FeO和2FeO·SiO2,这都是典型的块炼铁渗碳钢制 品。