關於滲鋼、炒鋼和百鍊鋼的技術及歷史

中國冶金史最大的特點就是畏鍛如虎。凡是跟「鍛」沾點邊的，要麼就是沒有發明或引進，如日本刀的鍛合技術和衝壓造幣法；要麼就難逃日益萎縮的下場，如百鍊鋼。中國人甚至不惜用高得可怕的成本來鑄造鑄鐵，而不鍛造鐵器。

在古代任何時候，除了火器，鐵兵器都是必需鍛造的。因此即使在鑄鐵農工具充斥中國的時候，軍隊使用的兵器，除了早期的銅兵器和固體脫碳鋼箭鏃，以及極少數固體脫碳鋼刀外，都使用塊煉鐵鍛造出來的，經過滲碳和淬火過程，投入使用。中國周邊民族要麼停滯於早期鐵器時代（西域小國和匈人），要麼連鐵都不會煉（如東南亞民族、朝鮮、日本），已經普及淬火工藝的中國兵器當然能夠壓倒他們的兵器。所以張湯可以自信的說：一個中國兵可以對抗三個胡兵（胡，概指匈人和西域小國）。從淬火技術的迅速普及，可以看出中國人並不缺乏智慧。

最初表明華夏人掌握滲碳工藝的是著名的長沙楊家山鐵劍，它由七到九層鋼片構成，含碳量約在０．５％之間、據田長滸說，它經過了淬火。不過這點還沒有得到公認，所以穩妥的說法是：華夏國家最早的淬火製品是前面說過的燕下都兵器。總的來說戰國時期的華夏國家鐵兵器的製造跟先進國家早期鐵器時代類似，從金相組織中可以看到早期鐵器的特徵：千層餅似的疊鍛痕迹，含碳量不均勻、以及較大的夾雜物。跟西方國家相比有兩點值得注意：一是鍛打層數少，楊家山鐵劍已經作了說明。因鏽蝕嚴重，燕下都鐵劍的疊鍛層數不詳，但估計１００號殘劍只有四五層。這跟西方早期鐵器時代動輒十幾層乃至幾十層的疊鍛形成鮮明對比。二是含碳量低。燕下都兩把鋼劍均由含碳量０．５－０．６％的高碳層和含碳０．１５－０．２％的低碳層構成。沒有有意識的將低碳材料置於劍的芯部。而西方早期鐵劍含碳量都達到０．６－０．８％之間。淬火鐵兵器馬氏體硬度為ＨＶ５３０，跟最早的西方鐵器類似，相應含碳量大概是０．３％左右。據說該墓中矛、箭鋌還有正火組織。這是一件相當奇怪的事情。所謂正火，通俗的說就是將鋼加熱，保溫一段時間，然後出爐在空氣中冷卻。由於正火冷卻速度較退火快，所以得到的珠光體組織較細，強度和硬度都有提高。這種熱處理過程以簡單、經濟為優勢，適用於以下四種情況：１．含碳量低於０．５％的鋼，用正火代替退火，可以改善組織結構。２．對機械性能要求不高的鋼件，可以用正火作為最終處理。３．過共析鋼可以用正火來消除網狀滲碳體，利於球化退火。４．亞共析鋼在淬火之前先進行正火，可以使組織細化，能減少淬火是的變形和開裂傾向。由於正火在歷史上僅此一見，因此我懷疑這只是個偶然。因為馬利克出土的一把前九到前七世紀的鐵劍，以及多倫多所藏一把盧里斯坦劍，也都經過類似正火的熱處理。如果燕下都的這些武器經過加熱鍛打，然後快冷，就可能得到正火組織。

直到西漢，也就是漢族武力最強大的時候，中國鐵兵器基本上都是塊煉鐵法製造出來的。不過事情很快有了變化——炒鋼法（炒鐵法）誕生了。我所知道的最早的炒鋼證據是河南鞏縣鐵生溝西漢後期炒鋼爐一座，在藏鐵坑中發現有高碳鋼一，熟鐵一；河南方城縣趙河村漢代冶鐵遺址中發現了同樣的爐六座。這種爐爐型小（鐵生溝爐長０．３７米、寬０．２８米、殘高０．１５米）、呈缶形（小口大肚），因此溫度可以集中、下部處於地下，散熱較少。這種爐的風應該是從上面鼓入的。就產品質量而論，藏鐵坑中高碳鋼含碳１．２８８％、含硅０．２３１％、錳０．０１７％、磷０．０２４％、硫０．０２２％，按中國標準，可以說是非常成功。據說由於它含碳量高，氧化程度較低，與熟鐵（指炒鋼所得熟鐵而言）相比，所含夾雜物較小較少。而熟鐵含碳量０．０４８％、硅２．３５％、錳微量、磷０．１５４％、硫０．０１２％。不如高碳鋼炒得那麼成功。

因為鑄鐵必須加熱攪拌才能變成低碳鋼，這個過程跟炒菜有幾分相似，所以被稱為「炒鋼」，具體過程如下：先將生鐵捶成碎片，和木炭一起放入已經預熱的爐膛內，風從上面鼓入。不斷升溫後生鐵被加熱到半熔融狀態，通過攪拌增加鐵和氧氣的接觸面，可使鐵中的碳氧化，溫度隨之升高，而硅、錳氧化後跟氧化鐵生成硅酸鹽夾雜。隨著碳份降低，鐵的熔點增高，凝聚成疏鬆的團塊，最後取出鍛打擠渣。如果工人經驗足夠，能有效的控制炒煉過程，還可以直接獲得鋼。但中國古代工人往往不具有這種能力，所以製成品基本上都是熟鐵。因此炒鋼嚴格來說應該稱為「炒鐵」更合適。事實上，漢語中的「生鐵」和「熟鐵」兩個詞就是出自炒鐵技術，炒之前的稱為「生鐵」，炒之後的稱為「熟鐵」。

炒鋼技術是中國古代最出色的冶金技術，是真正的世界領先。它的操作十分簡單，煉成的熟鐵卻質量很好——炒鐵夾雜物是含硅較多而含鐵較少的硅酸鹽，成份比較均勻，含氧化亞鐵很少；而塊煉鐵煉成的熟鐵夾雜物以氧化亞鐵和含鐵較多的硅酸鹽共晶為主。這也就意味著如果經過認真鍛打，炒鐵的性能會好於塊煉鐵。在公元前８０年就發展出了如此簡單合理的冶鐵技術，確實是很大的成就。不過，這項技術也是生鐵冶煉技術的合理髮展，歐洲在引入或發明高爐之後同樣很快引入或發明了精鍊法。至於歐洲生鐵鑄造技術的來源，儘管有的專家認為是歐洲人自己的發明，但從歐洲冶金技術的發展來看，找不到合理的技術發展過程。相反，歐洲高爐的出現，令人生疑的跟蒙古西侵和火器西傳有時間上的聯繫性，因此可以認為歐洲的鑄鐵技術來自中國。而精鍊法和炒鐵技術有無聯繫？雖然精鍊法跟炒鐵技術有比較大的區別，但主要是在生產效率方面。考慮到這項技術出現的快速性和突然性，也可以審慎的認為它的原形來自中國。另外在炒鐵技術普及之後，塊煉鐵法在中國國並沒有絕跡，除邊遠地區外，漢族地區有些重要的鐵器——主要是刀劍——也仍用塊煉鐵鍛造。據說日本也採用塊煉鐵鍛刀，我沒有見過具體的資料，所以不能說明。但用塊煉鐵造好刀劍似乎是一個普遍現象。

河南省文化局文物工作隊在《鞏縣鐵生溝》發掘報告中，曾認為西漢後期１５號煉爐是反射爐，這當然是不準確的。至於近代中國流行的土反射爐，是什麼時候出現的則不詳，因為相關的調查是共和國時代才開始的，準確地說是為了大鍊鋼鐵才進行的，也沒有進行嚴格的考古研究。如果這種技術出現在古代，絕對是決定性的成就。絕沒有滅絕的道理，況且日本方面也沒有關於中國反射爐的記載。所以我估計近代中國的土反射爐是歐洲反射爐的蹩腳仿製品。

經過幾百年的發展，中國逐漸出現了更為複雜的鍛打技術：百鍊鋼。這也是合乎邏輯的發明。由於百鍊鋼具有如下兩個特點，所以可以認為是中國人的自創：一、保留了早期鐵器時代的千層餅式疊鍛痕迹。我曾看過百鍊鋼金相組織的圖片，層次很明顯。估計百鍊鋼是在較低溫度下鍛打的（不超過９００攝氏度）關於這點可以對照羅馬劍的金相組織圖片。雖然羅馬人並沒有像中世紀的工匠那樣有意識的進行高溫鍛打，但鍛打溫度高有利於碳份擴散，使金相組織均勻，這點是可以在實踐中明白的。高溫鍛造的武器層次不大明顯；二、沒有焊接工藝過程。從焊接花紋鋼和波紋鋼時代開始，羅馬和印度就把焊接作為造劍的標準過程了。而百鍊鋼刀仍完全採用疊鍛法製成。

現有出土百鍊鋼實物主要是１９７４年山東蒼山縣漢墓環首鋼刀，製造於１１２年，標明三十煉、１９７８年江蘇徐州銅山縣駝龍山漢墓鋼劍，７７年製造，標明五十煉，製造者蜀郡西工官王忄音，標價一千五百五銖錢、１９６１年日本奈良縣出土鋼刀，製造於１８４－１８９年，標稱百鍊。對山東蒼山的刀進行了金相分析，確認其含炭量在０．６－０．７％之間。通體一致，被認為是炒鋼鍛打的產品。徐州鋼劍也進行了分析，確認其芯部含炭量０．７％，刃部含碳量０．４％。此外封建時代後期應該也有百鍊鋼刀傳世，可惜沒有經過科學的考察，所以至今尚不能確認一把。

單就鍛打質量而言，顯然百鍊鋼非常成功，除了沒有高溫鍛打外，已經具備了人們想要的一切優點。從漢代到明朝，百鍊鋼得到了中國人一致讚美。下面列舉這些讚美之詞：

最早的記載，東漢王充《論衡·狀留篇》：「幹將之劍，久在爐碳，銛鋒利刃，百熟煉厲，久銷乃見，作留成遲，故能割斷。」

東漢李元《金馬書刀銘》：「巧冶練鋼，金馬托形。」

漢魏陳琳《武軍賦》：「鎧則東胡厥鞏，百鍊精鋼。」

曹操《內誡令》：「百鍊利器，以辟不祥，攝服姦宄者也。」

曹植《寶刀賦》篇幅較大，又是名篇，易於尋找，就不引用了，可以在網上搜索觀看。

曹丕《建安諸序》同樣是講百鍊鋼的名篇，同樣不引用了。

曹毗《魏都賦》和傅玄《正都賦》都提到寶劍，尤其後者講得明白：「苗山之鋌，鑄以為劍，百辟文身，質美銘鑒。」不過從這裡把百鍊鋼說成是鑄造貨，也可以看出過分依賴鑄造給中國冶金文化造成的惡劣影響。

宋沈括《夢溪筆談》卷三《辯證一》是有關百鍊鋼的名段，網上幾乎每一個談到中國古代刀劍或冶金的人都會摘錄這段話：「余出使，至磁州鍛坊，觀煉鐵，方識真鋼。凡鐵之有鋼者，如面中有筋，濯盡柔面，則麵筋乃見。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。」

宋張君房《雲笈七籤》：「鍛煉滓穢，始見精鋼。」

宋曾敏行《獨醒雜誌》：「（苗族人）其俗舉子，姻族來勞視者，出鐵百鍊，盡其鐵以取精鋼。刀成銛利絕世，一揮能斷牛腰。」這種選鋼法很有趣的跟公元前６世紀開始發展起來的凱爾特選鋼法類似，都是利用了熟鐵和疏鬆的鋼比組織緻密均勻的鋼易於生鏽的原理。

明包汝楫《南中紀聞》：「倭奴制刀，必經數十鍛，故銛銳無比。其國中，人煉一刀自佩，起卧不離，即黔蜀諸土夷亦然。土夷試刀，嘗於路旁，伺水牛經過，一揮牛首輒落。」張澍《續黔書》卷六也有類似說法。只是把「倭奴」改成了「苗人」，看來是抄襲前書。

《本草綱目》、《天工開物》都有百鍊鋼的記載，後者說：「刀劍絕美者以百鍊鋼包果〔裹〕其外」

清魏源《海國圖志》引林則徐奏章：「至熟鐵則不可鑄而但可打造。其打造之法，用鐵條燒熔百鍊，逐漸旋繞成團，每五斤熟鐵方能煉成一斤，堅剛光滑無比。」

以上還沒有包括百鍊鋼刀銘文的自誇之詞。

在古代條件下，要使鋼碳份一致、組織緻密、組織均勻，大多數民族只有表面滲碳＋鍛打一途。將鋼鐵打成極薄的片，這樣就能充分滲碳了，再經過摺疊鍛打，就可以成為優秀的鋼。印度鋼雖然可以在一定程度上避免鍛打滲碳，但同樣非常考驗鍛工，這點我在世界冶金部份已經說了說明。在古代，由於沒有檢測手段以及機器幫忙，要獲得好的鍛打效果，基本上只能靠增加鍛打次數，有經驗的鍛工知道控制滲碳時間、鍛打的力度和次數，因此可以在保證質量的情況下節省工時。如果鍛得好，古代鋼可以達到現代機器鍛打的效果［當然由於鋼（鐵）坯質量和熱處理技術水平的差異，古代鋼要達到現代鋼的水平是不可能的］。這顯然比那些草草鍛出來的普通鋼鐵強得多。這就是為什麼百鍊鋼和焊接花紋鋼、日本鋼之類鋼能夠得到人們讚美的原因。

按照世界冶金史的一般規律，似乎中國從此將踏上一條百鍊鋼普及的康庄大道。然而怪事出現了，百鍊鋼沒有像焊接花紋鋼、波紋鋼、日本鋼那樣得到推廣和普及，反而日益萎縮——事實上百鍊鋼從來沒有普及過。在東漢到曹魏乃至南北朝，百鍊鋼始終是作為一種非常誇張的好鋼被描述。曹植的《寶刀賦》中稱五把刀要三年才能造成。因為是文學作品可能有所誇張，但出土百鍊鋼數量很少是可以肯定的。到灌鋼法發明之後，百鍊鋼技術日益萎縮。到北宋，據沈括的說法就只有磁州有掌握這種技術的工匠了，到明末，已經萎縮到只有「絕美」的刀劍才能採用這種鋼材了，而且從當時的書籍看，這種好刀劍只有日本和中國的西南少數民族（尤其是苗族）能夠生產，幾乎沒有漢族生產百鍊鋼刀的記載。可以說這是非常奇怪的事情。對照古代冶金先進國家，都走的是高端工藝普及化的道路，而中國可以與其他先進國家媲美的百鍊鋼，卻落了個日漸衰落的下場，何也？除了下面我要談到的灌鋼的惡劣影響外，主要的原因應該有兩個：

一是百鍊鋼本身性能的原因。這裡要對古代鋼的鍛造過程做個簡述。鐵坯變成劍的過程是這樣的，將鐵坯打薄變成鐵片，然後滲碳，然後摺疊鍛打，使之焊合成劍。鐵片越薄當然滲碳就越容易滲透均勻，而鍛打次數越多，鋼片減厚就越明顯，所以好刀劍的層數一般都比較多。然而鍛打併不是次數越多越好，因為鍛打次數太多，一則氧化消耗越大，而且由於氧化層形成，鍛打難度增加。二則產生加工硬化，影響劍的韌性。考慮到這些因素，鍛劍無疑是非常考驗工人技術水平的。

從出土實物看，三國之前中國人還沒有掌握鋼鐵焊接技術，所謂百鍊鋼實際上是一種用超級疊鍛法練出的鋼。網上說百鍊鋼屬於花紋鋼，實際上好刀劍不一定要有好看的花紋，另一方面，所謂花紋鋼一般都經過焊接，而出土百鍊鋼刀則都沒有經過焊接。這樣就帶來一個問題：百鍊鋼刀鋼質純則純矣，但韌性極差。山東蒼山漢墓百鍊鋼刀採用炒鋼鍛打而成，含碳量內外一致；徐州漢墓百鍊鋼刀，芯部含碳量０．７％，刃部含碳量０．４％。要知道當時中國已經普及淬火工藝，而含碳量０．４５％的碳素鋼，淬透直徑達１０－１８毫米（水淬）、含碳量０．６０％的碳素鋼淬透直徑達２０－２５毫米！雖然疊鍛層可以在一定程度上阻斷淬透，但這種效果是很有限的，而中國的局部淬火技術並沒有日本的封泥淬火技術那麼有效（下面將要提及）。實際上即使不考慮淬火因素，芯部含碳量０．７％的鋼劍，韌性也只有可憐兮兮的２０Ｊ／ＣＭ２。這樣脆的刀劍是很容易折斷的——從某種程度上說，工匠辛辛苦苦打出來的好鋼，全都白費了！

可以用同期的羅馬焊接花紋鋼劍和印度鋼刀比較一下。百鍊鋼刀和焊接花紋鋼劍、印度鋼刀都是傑出鍛工的優秀產品，但後兩者除了鍛打溫度外，根本性的差別在於它們採用了焊接技術。焊接花紋鋼劍從中世紀和現代的眼光看，同樣是古怪的，它把鋼片包在裡面，只露出刃部，而用鐵片作為皮，這種鍛合法跟中世紀的民用刀具類似，雖然鐵皮也可以在一定程度上保證韌性，但遠不如內鐵外鋼的軍用劍有效。然而這層鐵片，卻有效的阻斷了淬透，使芯部的鋼不受淬火影響。羅馬焊接花紋鋼劍芯部含碳量大多在０．５％左右，韌性約３５Ｊ／ＣＭ２，雖然也較差，但畢竟比百鍊鋼刀強。而印度的坩堝鋼韌性是非常非常差的（薩利姆法，據我所知沒有海得拉巴法造刀的記錄），但因為它以鐵為芯部，從而居然使刀的韌性達到了９０Ｊ／ＣＭ２，雖然烏茲鋼刀刃部很容易損壞，但它能夠把敵人的刀劍損壞得更加厲害。以上還沒有考慮回火技術的優勢。

以上提到了百鍊鋼刀和羅馬焊接花紋鋼劍的奇怪特點——跟後來的刀劍相比而言：芯部含碳量往往高於刃部。其實道理很簡單，加熱鍛打會造成表面脫碳。脫碳層一般厚２－３毫米，對現代鋼坯來說影響不大，但對古代刀劍卻有顯著的危害。隨著鍛打技術的發展，後來表面脫碳的問題逐漸被克服了（主要採取刀劍整體再次滲碳的方法）。羅馬焊接花紋鋼劍一般刃部比芯部含碳量低０．１％左右。百鍊鋼刀鍛工技術好者表面脫碳不明顯，鍛工技術不太好的，一般芯部比刃部含碳量高０．３％左右。

——令我奇怪的是，其實百鍊鋼完全沒有必要把含碳量定得如此之高，炒鋼製成的就罷了，炒鐵製成的居然也是含碳０．７％。看來中國人對共析鋼單一相的優勢有所了解，但實踐之路終究是坎坷的。另外據楊寬先生的說法，百鍊鋼刀都是由炒鋼鍛成，不過這也無法解釋為什麼它的含碳量會有趣的固定在０．７％左右。其實如果百鍊鋼刀含碳量定在０．５％左右的話，強度已經足夠，硬度經淬火之後可達ＨＶ７００以上，韌性同羅馬焊接花紋鋼劍，這種性能對付農民起義軍和周邊民族已經足夠了。

——為什麼中國人能夠忍受２０Ｊ／ＣＭ２的韌性呢？原因大概是：它還是比含錫２１％的銅劍強太多了。百鍊鋼刀抗拉強度４３公斤力／平方毫米、延伸率９％，無論硬度（淬火後）、強度還是韌性都大大超過秦銅劍。能夠忍受延伸率３％的鑄造銅劍的民族，見到延伸率９％的鍛造鋼刀，當然是會很高興的。

然而，隨著鍛造鐵器的不斷增加，原先可以忍受的機械性能漸漸變得不可接受了。尤其百鍊鋼刀的擁護者無法面對一個尷尬局面：辛辛苦苦鍛出來的鋼刀，韌性居然還不如粗製濫造的疊鍛鐵器。當南北朝時鋼鐵焊接技術被引入中國後，百鍊鋼勢必遭到很大衝擊。

然而焊接對灌鋼適用，對百鍊鋼同樣適用。事實上根據古書，封建時代後期的百鍊鋼不僅同樣可以焊接，而且落實了鋼包鐵的正確焊接原則。因此更根本的原因應當從中國冶金的全局尋找。

關於百鍊鋼還有三個問題值得說明：一是正如前面沈括所說，百鍊鋼反覆鍛打之後會減重，楊寬說這是因為擠出了雜質，但稍懂冶金的人都知道，鋼鐵加熱會造成氧化損耗，從２％－５％不等；其次沈括說有的鐵鍛打消耗殆盡，都不能煉出鋼。從冶金學上沒有合理的解釋，估計是對鋼鐵熱脆的一種錯誤理解（宋以後熱脆是中國鋼鐵的常見毛病）；三是楊寬、華覺明都認為鋼包鐵的焊接原則在中國很早就落實了，這是不準確的。尤其華覺明以「（長沙鐵劍）可以看出它在各個部分含碳量不一致，並作有層次的分布，雜誌的條件分布也最明顯。據此可以推斷，他是用類似《東洋鍊金術》一書所載的將鐵料層層包裹，反覆鍛打的方法製成的，為了使它外堅內韌，還經過淬火處理」（注，《東洋鍊金術》是日本人近重真澄所撰，在該書第二章第六節詳細介紹了日本刀的鍛造、鍛合和熱處理）為由，認為中國很早就掌握了這種技術，這不是因為太無知，就是在當眾扯謊。關於中國早期鐵兵器的金相組織，早已作了科學分析，證明它們都具有早期鐵器時代的特點，鍛打技術完全無法與日本刀相比，並且很明顯的，在綦母懷文之前，沒有任何文獻和實物證明中國人掌握了鐵兵器的焊接技術。早期鐵兵器各段含碳量不一致是因為鍛打滲碳不好，根據對中國和西方早期鐵兵器的分析，這種含碳量不一致的現象是無規則的（要說有規則的話就是表面脫碳造成芯部含碳量高於表面）。層次明顯是因為鍛打溫度低，這些跟後世純凈鋼鐵有意識的焊接完全不同。最後，淬火本身不會導致內韌外堅，它只會導致硬度和脆性增加，這是冶鐵的最基本常識。

百鍊鋼始終只是一種罕見的工藝，而它傳到日本之後，卻得到了很大發展，日本人在百鍊鋼和焊接技術的基礎上，憑藉本國優越的鐵礦條件，發展出具有世界先進地位的冶鐵業。

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