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大马士革钢锻造原理
2024-12-31 14:33:31 责编:小OO
文档

1. 精炼过程:人工挑选并磨碎矿石,通过淘洗法去除杂质,以分离出矿石中的铁。这一过程类似于古代淘金者从其他物质中分离出黄金。现代的洗煤厂也使用类似的方法来筛选优质煤炭。波斯人及其他民族观察到印度铁匠的熔化过程,但由于缺乏丰富的铁矿资源,无法采用相同的方法生产高质量钢材。
2. 渗碳过程:经过精炼和干燥的铁矿石被放入小型的粘土坩埚中,坩埚尺寸根据炭火的热量来确定。将含有炭的植物,如麻栗树、木炭、毛竹以及某些具有神圣意义的植物叶子和果实,如Huginay和Tangada树的果实,加入坩埚中,然后密封并用炭火加热。加热过程持续24至48小时,温度从1000℃升至1200℃。在这个过程中,矿石转变为多孔的海绵铁,并在坩埚底部留下。同时,封闭的坩埚内部,燃烧的炭和植物叶子产生的碳元素逐渐熔入铁质中。现代科学发现,毛竹中的氧化硅可以促进这一熔化过程,类似于催化剂。通过固体扩散过程,碳元素被吸收进铁中,而铁并未达到熔点。长时间加热后,需要缓慢冷却至800℃,约12至24小时。这样的设计是为了使大量的树状碳化铁晶体(渗碳体-Fe3C)在充满小孔的海绵铁内优化形成和均匀分布。这些大的晶体是大马士革钢花纹或水纹的主要成分。渗碳体非常坚硬且抗酸性强,抛光后的钢表面呈现出带白色的银色。与之形成对比的珠光体由粘结金属组成,经腐蚀后呈黑色,这是大马士革钢表面产生不同颜色花纹的原因。
3. 脱碳过程:钢锭冷却后需要进行脱碳热处理。从火中移开坩埚,打破后取出半球形(也有说法是圆饼形)的钢锭。波斯人称之为“蛋”。将其放在铁砧上锤打以进行硬度测试。正常铸造的钢锭非常硬,即使锤打也不会留下凹痕,因此用含有铁屑或粉末状铁矿石的黏土混合物覆盖,重新加热至约700℃至900℃,以强化钢锭的脱碳。之后再次锤打进行硬度测试。这个过程会重复,直到金属达到足够的软度以进行锻造。通常认为,有控制的反复锤打可以使钢锭的含碳量达到理想水平。日本刀的锻造过程中,使用的是玉钢,其中一个关键步骤是在刀身上覆盖粘土混合物后,在火中加热,使刀刃处受热形成晶体,相对刀脊更坚硬锋利,刀脊处保持相对刃部较软,更有弹性。冷热交替,热胀冷缩使得刃部晶体收缩,变得更加坚硬,收缩的痕迹形成了日本刀上独有的特殊刃纹。日本刀的话题有些偏题,回到大马士革钢,将钢锭的温度缓慢降低,并精确控制在700℃至900℃之间是一个非常重要的关键。当年的铁匠只能依靠个人经验,以火的颜色变为暗红作为标准进行锻造。因为温度高于900℃时,渗碳体和奥氏体的晶体开始形成,碳元素开始熔解于钢锭,不仅增加了硬度,还会造成晶体及波形花纹图案的损失。但若温度低于700℃,钢就不能得到充分的锻炼。因为欧洲的铁匠一般在1300℃的高温下锻炼金属,因此他们永远没能掌握锻炼大马士革钢的技术。由于对钢锭的控制热处理和轻度的锻炼,覆盖的粘土以及含有铁屑或粉末状铁矿石,都在使钢锭表面脱碳,另外氧化作用也产生相同的效果。钢锭的碳分逐渐减少,从原来的2.2%或更高降低至1.8%,即从白铸铁状态到低碳钢。这个过程被称为退火、球状处理。正是因为碳成分的减少及大的碳化晶体分裂或粉碎或球型化成了较少体积,结果钢条变得有可展性和有韧性。
4. 制造与花纹:有人认为,WOOTZ钢的制造方法分为脱碳法和加碳法。我对此感到困惑,因为我上面描述的方法中本身就包含了这两个环节。整个制备过程中的关键在于烧结铁饼时的温度控制和将铁饼锻造拉长时的最高温度。还有成品的厚度和原来铁饼的厚度比例也会决定将来的花纹是否明显。现代人们曾经希望复制大马士革钢,坩锅公司曾经借助现代科技,用电子显微镜分析了大马士革钢的分子结构,并成功复制出了大马士革钢,其钢锭有和古钢材类似的花纹,但在测试时发现并不能与古钢材的性能相比。那么古代人是如何将钢坯打制成刀剑的呢?据现存文献与专家的分析,是先在钢坯上钻孔(钢坯为圆饼状),再斩断一边,最后将环状的钢坯成条后再打制成刀形。在所有的大马士革刀剑中,最珍贵的是“默罕默德的天梯”——也就是传说中的“梯子纹”!真正制成后的大马士革钢的花纹基本上是两种性质不同的材料,亮的地方是纯的雪明炭铁,硬度比玻璃还大;暗的地方的结构属于奥氏体和波氏体。整体含碳量大约在1.5%至2.0%之间。正是因为在韧性高的波来铁中均匀分布着比玻璃还硬的雪明炭铁,使得WOOTZ既具有非常锋利的刀锋,又拥有非常坚韧不会折断的刀身。大约十年前BLADE杂志有一篇关于WOOTZ钢的测试。其一是锋利度的测试:在仔细研磨后的WOOTZ结晶花纹钢能一刀切断巨大打结的麻绳。其二是刀身韧性测试:将刃用夹具夹紧然后用大铁锤敲打。结果费了很大力气,WOOTZ刀刃被敲成U字型但是却没有折断。测试的结果证明了WOOTZ结晶花纹钢具有锋利和强韧两种特性于一身。技术的遗失:WOOTZ的制造费时费力,通常要花上两三个月的时间,而烧结的铁饼成功率又很低,最初会失传主要有两个原因。其一当时英国统治者为了保护当地仅剩的森林不使其沙漠化而禁止砍伐树木;其二是近代工业制钢的引进使WOOTZ在价格上无法竞争。辨别:WOOTZ的花纹是天然形成的,不像折叠钢一样是用人工硬将性质不同的材料焊接起来再折叠锻打而成。更不可能是像某些作假高手那样用王水腐蚀一下成就的外观,出汗啊!因此WOOTZ钢的花纹和折叠钢有明显的差别。WOOTZ花纹比较细致看起来比较自然黑白的对比也比较大。在黑色的刀刃上分布着亮晶晶的雪明炭铁。古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一样漂亮的花纹。此外WOOTZ比起折叠钢来是很不容易生锈。

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