古代中期鋼鐵冶煉技術

鐵在地殼中雖然含量較多，但天然純鐵在自然界里幾乎不存在；鐵礦石的熔點也較高，不易還原，所以人們利用鐵較銅、錫、鉛、金等要晚。人類最先看到和利用的鐵應該是隕鐵。在埃及、西南亞等古文明地區(qū)發(fā)現(xiàn)的最早的鐵器，都是由隕鐵加工制成的，大多作為殉葬物，說明隕鐵稀少而帶有神圣意味。古蘇美爾人把鐵看作是"天降之火"，古埃及人把鐵叫作"天石"，都表明人類是從隕石開始認識鐵的。中國古人大約在3000多年前已開始使用隕鐵了。1972年在河北藁城臺西村出土了一件商代鐵刃銅鉞，經(jīng)檢驗其鐵刃就是用隕鐵熱鍛制成的。

大量的鐵最早是在什么地方、用什么方法煉制出來的，目前尚無定論。不過，居住在亞美尼亞山地的基茲溫達部落在公元前2000年已經(jīng)發(fā)明了一種煉鐵的有效方法；小亞細亞的赫梯人在公元前1400年左右也已掌握了冶鐵技術。兩河流域北部的亞述人和腓尼基人，在公元前1300年已進入普遍使用鐵器的時代；后又傳至地中海沿岸國家。印度進入鐵器的時代不甚清楚，但在孔雀王朝初期，鐵器的制造和使用已很普遍了。

冶鐵的原理和冶銅的原理基本相同，所以青銅冶鑄技術的發(fā)展，已為冶鐵技術的產(chǎn)生奠定了基礎。最早的冶鐵技術大多采用"固體還原法"，即"塊煉鐵"。在冶煉時，將鐵礦石和木炭一層夾一層地放入煉爐中，經(jīng)過長時間650～1000℃的高溫燒煉和木炭的還原作用，礦石就冶成了固體狀鐵塊。這種鐵結構疏松、呈海綿狀，孔隙中夾雜有許多氧化物，含碳量很低，性質(zhì)柔軟，不適于應用，中國古人稱之為"惡金"。經(jīng)過一段摸索過程，人們認識到塊煉鐵可以經(jīng)過反復加熱和錘打壓延，擠出其中夾雜的氧化物而變得堅實并柔韌不脆，就可制成各種器物。而在反復鍛打塊煉鐵的實踐中，人們又總結出了塊煉鐵滲碳成鋼的經(jīng)驗，這就是"塊煉鋼"的冶煉技術。中國戰(zhàn)國時期，鋼制武器已漸增多起來。

幾乎在塊煉鐵出現(xiàn)的同一歷史時期，中國就誕生和發(fā)展起了生鐵冶鑄技術。生鐵是由鐵礦石和木炭在高大的爐內(nèi)通過高溫熔煉而產(chǎn)生的。利用鼓風技術使爐溫升高到1100～1200℃以上，就可得到液態(tài)鐵水流集于爐底；其上覆蓋的一層爐渣保護著鐵水不被氧化。鐵水從爐底流出冷卻成塊，就是生鐵。

生鐵的含碳量較高，在3％左右，質(zhì)硬易碎，一般只能用來鑄造一些粗笨的東西，錘鍛則易壞。中國在春秋末期到戰(zhàn)國初期，已將生鐵用于鑄造了。生鐵冶鑄技術改變了塊煉鐵及其加工費時費力、生產(chǎn)量低的弊端，為鐵器的推廣和普及打下了良好的基礎。

早期生產(chǎn)的生鐵是白口鐵，其中的碳是以硬度很高的化合態(tài)的滲碳體形態(tài)存在的，鐵性脆而硬，鑄造性能好，但強度不夠。為了克服它的脆性，中國在戰(zhàn)國早期就創(chuàng)造了白口鐵柔化處理技術，也就是生鐵鑄件"退火"處理技術。將鑄件加熱到高溫，保持較長時間的緩慢冷卻，就會適當減低其硬度和脆性，增加其可塑性和沖擊韌性，從而得到可鍛鑄件。"退火"技術的發(fā)明，使生鐵的廣泛應用成為可能，加快了鐵器代替青銅器的歷史進程。中國在戰(zhàn)國的中晚期，已將這種工藝普遍應用于制造農(nóng)具和兵器；歐美國家直到18和19世紀才發(fā)明了白心韌性鑄鐵和黑心韌性鑄鐵，比中國晚了兩千多年。

含碳量低的塊煉鐵經(jīng)過滲碳處理可以煉出塊煉鋼；含碳量高的白口生鐵鑄件在氧化性氣氛中脫碳退火，將含碳量降低到鐵的范圍，而不析出或很少析出石墨，也可以得到鋼。中國在戰(zhàn)國初期就發(fā)明了鑄鐵脫碳鋼技術。塊煉滲碳鋼件或退火過分的鑄鐵脫碳鋼件，其堅硬程度都可能不足，這就推動人們在實踐中摸索出了鋼件的"淬火"處理工藝。至遲在戰(zhàn)國晚期，中國已廣泛使用了淬火技術。所謂淬火，即將鋼件加熱到高溫后使之急速冷卻(如急速浸入冷水或冷油中）。經(jīng)淬火處理后的鋼件，質(zhì)地就變得堅硬，刃部也更鋒利。淬火所用的冷卻物質(zhì)，最早大概都是水，后來又擴展到用動物的尿和脂肪。由于尿中含有鹽分，冷卻能力比水強；用脂肪淬火，高溫時冷卻快，低溫時冷卻慢。所以用尿和脂肪淬水，可以得到性能良好的鋼件制品。