烏茲鋼（坩堝冶煉超高碳鋼）

簡(jiǎn)介

“烏茲鋼”與“

”概念的區(qū)別與聯(lián)系：

大馬士革鋼

印度Wootz鋼

在印度被制成的金屬塊，不能直接被命名為大馬士革鋼。它們之所以被叫做大馬士革鋼，是因?yàn)檫@些金屬被販賣到大馬士革（位于今天的敘利亞境內(nèi)）這個(gè)城市后，用來煉制成武器，即大馬士革劍（或大馬士革刃）之后，才得名的?；蛘邞?yīng)該這樣說：當(dāng)中世紀(jì)歐洲入侵耶路撒冷（即十字軍東征）時(shí)期，歐洲人看到他們的敵人使用這種武器時(shí)，才以為這種原本原材料是來自印度的武器，就是在大馬士革取材制煉的，因此就有了“大馬士革鋼”這個(gè)說法。至于“印度鐵”，姑且是看作以這個(gè)金屬塊來源而進(jìn)行的命名，而“烏茲（Wootz）”則可能是最原始的叫法。另外，大概是因?yàn)椤癢ootz”被簡(jiǎn)單翻譯成“烏茲”，中國(guó)人可能不好理解，所以第一位翻譯它的人，命名他們?yōu)椤坝《辱F”，有利于理解，因此這是比較正常的現(xiàn)象。

綜上所述，應(yīng)該是先有“烏茲（Wootz）”，然后才有“大馬士革鋼”，“烏茲（Wootz）”因?yàn)槌霎a(chǎn)于印度故也被翻譯作“印度鐵”。

歷史

公元前8～前7世紀(jì)北非、歐洲相繼進(jìn)入鐵器時(shí)代。當(dāng)時(shí)使用的煉鐵爐主要是地爐和豎爐。地爐直徑約40厘米，深20厘米，冶煉海綿鐵。冶煉后取出全部爐料，經(jīng)過錘打分離煉渣，或者先行破碎，分選后燒結(jié)鍛造成錠，這種方法稱為塊煉鐵法。在底格里斯河上游豪爾薩巴德王宮出土的鐵錠長(zhǎng)30～50厘米，厚6～14厘米，重4～20公斤。這個(gè)時(shí)期的鐵劍，有的較軟，有的則經(jīng)過滲碳和反復(fù)疊打，并經(jīng)過快冷或淬火變得更硬。不受中國(guó)文化影響的地區(qū)，一直到14世紀(jì)后期，都以這種方法作為重要煉鐵方法，也發(fā)展了一些卓越的工藝，如印度在公元300年左右鍛造出“德里鐵柱”,高7.2米，重達(dá)6噸（公元五世紀(jì)笈多王朝時(shí)鑄造的巨大鐵柱．位于印度德里，至今毫無銹蝕）。在制鋼技術(shù)上，逐漸發(fā)展出用坩堝冶煉超高碳鋼（含碳 1.5～2%）（印度Wootz鋼）或滲碳的高碳鋼和低碳鋼疊打，經(jīng)淬火后獲得硬的刀刃，或用植物酸腐蝕得到各種花樣的大馬士革鋼（波斯制造后在大馬士革銷售）。

烏茲鋼

從鐵柱上刻著的梵文看，這根鐵柱并非就地鑄造，而是公元5世紀(jì)時(shí)，被統(tǒng)治德里的伊斯蘭王朝從印度東部的比哈爾邦搬移過來的，傳說是為了紀(jì)念旃陀羅王而造。不過如今人們都習(xí)慣把它和2300多年前叱咤印度的一代梟雄－－－阿育王聯(lián)系在一起，叫它“阿育王鐵柱”。

據(jù)現(xiàn)代科學(xué)分析鑒定，這根鐵柱的鑄造時(shí)間應(yīng)在1500多年前，但令科學(xué)家疑惑不解的是，至今鐵柱通體仍找不到一塊銹跡。要知道鐵是最容易生銹的金屬，一般的鑄鐵不用說千年，幾十年就銹跡斑斑了。即使在科學(xué)昌明的今天，人們?nèi)匀粵]有找到防止鐵器生銹的良方，而古代印度人居然可以做到這一點(diǎn)，真是不可思議。最奇怪的是，如果印度人當(dāng)時(shí)已掌握了如此高超的工藝，那他們?yōu)槭裁礇]有代冶煉出其他不生銹的鐵器制品呢？汗牛充棟的古印度典籍中為什么也沒有關(guān)于這種秘技的任何記載呢？當(dāng)?shù)厝朔Q，只要能背靠鐵柱將它環(huán)抱，許下的心愿就一定能夠?qū)崿F(xiàn)，也許這鐵柱真具有一種神奇的力量，讓現(xiàn)代人的智慧在它面前也顯得無力。

工藝過程

精煉后之鐵礦石弄干燥后，放入經(jīng)火硬化的小型粘土坩堝內(nèi). 以炭火之熱量而定出坩堝之尺寸，一般生產(chǎn)出來之鐵錠重約一公斤. 把含炭之材料如：麻栗樹(teak)、木炭、毛竹及某些特選而他們認(rèn)為是神圣之植物的葉，例如名(Huginay)及(Tangada)樹之果實(shí)加入坩堝中. 坩堝是密封的再用炭火燃燒. 印度有最優(yōu)良之鐵礦：在印度坩堝系統(tǒng)用的是最好的鐵礦石，印度亦由此而聞名于世. 經(jīng)人工選用搗碎到粉末狀礦石，用淘洗法反復(fù)清洗，這樣礦石從雜質(zhì)中分離出來，就像淘金人從其他雜質(zhì)中分離出黃金的顆粒一樣. 雖然波斯人及其他人已經(jīng)觀察了印度鐵匠，并對(duì)熔化過程亦非常熟識(shí)，但因?yàn)闆]有這種凈化及含量豐富的鐵礦所以始終不能夠用這種方法重新生產(chǎn)這種高質(zhì)鋼.

持續(xù)加熱時(shí)間從24到48小時(shí)不等，當(dāng)溫度從1000攝氏度升到1200攝氏度，礦石會(huì)轉(zhuǎn)變成多孔的鐵質(zhì)，并留在坩堝之底部. 坩堝在封閉狀態(tài)下，碳(carbon)來自燃燒的炭(charcoal)和葉并熔化在鐵質(zhì)內(nèi). 毛竹含氧化矽(Silica)甚多可助溶化. 在此過程中鐵不會(huì)達(dá)到其熔點(diǎn)，通過固體之?dāng)U散過程(solid diffusion process),碳被吸收. 持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的鑄造(casting)緊接著慢慢冷卻到800攝氏度-約12至24個(gè)小時(shí). 這樣的設(shè)計(jì)是為了大的樹狀碳化鐵晶體(large dendritic ironcarbide crystals) (該晶體也稱為滲碳體(cementite)-Fe3C即碳化三鐵)的優(yōu)化形成和均勻分布于在滿布小孔的海綿體鐵體內(nèi). 這些大的晶體事實(shí)上是大馬士革鋼花紋或水紋的主要成份. 滲碳體(cementite)或碳化晶體(carbide crystals)非常堅(jiān)硬，抗酸性強(qiáng)，當(dāng)鋼被拋光后會(huì)呈現(xiàn)出帶白色或銀色. 與此形成對(duì)比珠光體(pearlite)由粘結(jié)金屬組成，經(jīng)腐蝕成黑色，這說明為什么會(huì)產(chǎn)不同之顏色.

冷卻后把坩堝從火中移開，并將其打破，取出半球形的鋼錠(ingot). 波斯人稱為蛋(egg or baida). 將它放在鐵砧上進(jìn)行錘打，作硬度試驗(yàn). 經(jīng)正常鑄造的鋼錠很硬，經(jīng)錘打后也不會(huì)有凹痕. 故需用特別含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石之粘土混合物覆蓋，從而強(qiáng)化鋼錠的脫碳. 把鋼錠重新加熱到火紅色約700攝氏度至900攝氏度后，再通過錘打作硬度試驗(yàn). 重復(fù)此熱處理過程，直到金屬過到足夠的軟度以便鍛造。鋼錠之鍛煉：將鋼錠之溫度慢慢降低，并控制在700攝氏度至900攝氏度之間. 這溫度是一個(gè)非常重要的關(guān)鍵. 鐵匠只能靠經(jīng)驗(yàn)，用眼看火之顏色，到達(dá)暗紅時(shí)進(jìn)行鍛造. 因?yàn)槿魷囟壬叩?00攝氏度以上將會(huì)把過程倒過來，而令滲碳體和奧氏體的晶體(crystalsof cementite and austentite)形成. 溫度越高，碳熔解，造成晶體及波形花紋圖案之損失. 若溫度低于700攝氏度，鋼即不能得到充份的鍛煉. 因?yàn)闅W洲之鐵匠一般在1300攝氏度的高溫下來鍛煉金屬，因此他們永遠(yuǎn)不能掌握到鍛煉大馬士革鋼的技術(shù)。由于對(duì)鋼錠的有控制式熱處理和輕度的鍛煉，覆蓋的粘土，包括含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石，使鋼錠表面脫碳. 另外氧化作用亦產(chǎn)生同樣的作用. 鋼錠的碳分逐漸減少，從原來的2.2%或更高降低至1.8%,即從白鑄鐵狀態(tài)到UH碳鋼. 此過程亦可稱為退火和球狀處理(an annealing and spheroidizing treatment). 令碳成份減少及大的碳化晶體分裂或粉碎或球型化成較少之體積. 結(jié)果鋼條變得有可展性和有軔性.

原理性質(zhì)

1. WOOTZ 的花紋基本上是兩種性質(zhì)不同的材料。亮的地方是純的雪明炭鐵硬度比玻璃還大。暗的地方的結(jié)構(gòu)是屬于奧氏體和波氏體。整體含炭量大約是在1.5~2.0 % 之間。在韌性高的波來鐵里均勻散布著比玻璃還硬的雪明炭鐵。使得WOOTZ可以具有非常鋒利的刀鋒。而且也非常堅(jiān)韌而不會(huì)折斷的刀身.

2. WOOTZ的制造的費(fèi)時(shí)費(fèi)力。是超乎各位的想像。通常要花上兩三個(gè)月的時(shí)間。而燒結(jié)的鐵餅成功率又很低。當(dāng)初會(huì)失傳有兩個(gè)原因。其一當(dāng)時(shí)英國(guó)統(tǒng)治者為了保護(hù)當(dāng)?shù)貎H剩的森林不使其沙漠化而禁止。其二是近代工業(yè)制鋼的引進(jìn)使WOOTZ在價(jià)格上無法競(jìng)爭(zhēng). WOOTZ鋼的制造方法分兩種一種是脫炭法。另一種是加炭法。不過最重點(diǎn)在于燒結(jié)鐵餅時(shí)的溫度控制和將鐵餅鍛造拉長(zhǎng)時(shí)的最高溫度。還有成品的厚度和原來鐵餅的厚度比例也會(huì)決定將來的花紋明不明顯.

3. WOOTZ鋼的花紋和摺疊鋼有明顯的差別.WOOTZ花紋比較細(xì)致看起來比較自然黑白的對(duì)比也比較大。在黑色的刀刃上分布著亮晶晶的雪明炭鐵。古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一樣漂亮的花紋。此外WOOTZ比起摺疊鋼來是很不容易生銹.

4. 至于WOOTZ性能到底好在哪里：

BLADE雜志曾有一篇關(guān)于WOOTZ鋼的測(cè)試. 其一是鋒利度的測(cè)試：在仔細(xì)研磨后的WOOTZ結(jié)晶花紋鋼能一刀切斷巨大打結(jié)的麻繩. 其二是刀身的韌性測(cè)試: 把刃用夾具夾緊然后拿大鐵錘來敲。結(jié)果費(fèi)了很大的力氣.WOOTZ刀刃被敲成U字型但是卻沒有折斷. 測(cè)試的結(jié)果證明了WOOTZ結(jié)晶花紋鋼具有鋒利和強(qiáng)韌兩種特性于一身。

坩鍋公司曾經(jīng)運(yùn)用現(xiàn)代科技，用電子顯微鏡分析了大馬士革鋼的分子結(jié)構(gòu)，并成功的復(fù)制出了大馬士革鋼，鋼錠有和古鋼材類似的花紋，但測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)并不能與古鋼材的性能比擬。那么古人是怎樣將鋼坯打制成刀劍的呢？據(jù)現(xiàn)存文獻(xiàn)與專家的分析，是先在鋼坯上鉆孔(上文已提到鋼坯為圓餅狀),再斬?cái)嘁贿?，將環(huán)狀的的鋼坯成條再打制成刀形。在所有的大馬士革刀劍中最為貴重的為”默罕默德的天梯”-----也就是”梯子紋”.由于大馬士革鋼的失傳，這類刀劍成為各國(guó)刀劍愛好者的夢(mèng)想中的藏品了.

最新研究

在之前美國(guó)科學(xué)家再對(duì)索林根刀廠對(duì)烏茲鋼的分析的后續(xù)深入研究中，也同樣提到了該轉(zhuǎn)變中先共析鐵素體在烏茲鋼花紋形成過程中 的重要作用。

美國(guó)金相

請(qǐng)注意以上兩張照片，一個(gè)是20um一個(gè)是100um，由于尺寸放大差異會(huì)顯得一些細(xì)節(jié)不同，但他們存在著極大地共同點(diǎn)就是先共析鐵素體中析出的2次碳化物偏聚成帶。

之前索林根刀廠所提供的照片中的四個(gè)式樣，被鑒定為4種典型的烏茲鋼成分。第三例因?yàn)闄z測(cè)到其帶狀組織是由有害元素偏析所導(dǎo)致，被否定為不是高質(zhì)量的烏茲鋼。在其他三例中全部觀測(cè)到了先共析鐵素體。因此可以看出，先共析鐵素體和烏茲鋼花紋形成之間具有極大的相關(guān)性。

在美國(guó)人的實(shí)驗(yàn)中，有些烏茲鋼式樣基體為珠光體組織，其花紋對(duì)比度很高，但硬度非常之低，只有23hrc。這與國(guó)內(nèi)研究者鑌鐵兄弟會(huì)在制做和熱處理過程中得出的經(jīng)驗(yàn)一致，珠光體組織的對(duì)比度非常高。

另外在照片中用紅圈圈出的是一個(gè)銹痕，通過很多國(guó)外資料和國(guó)內(nèi)研究者鑌鐵兄弟會(huì)的實(shí)踐表明：烏茲鋼并不具備良好的防銹性，烏茲鋼歷經(jīng)百年的不銹如新只不過是一個(gè)以訛傳訛的故事。鑌鐵兄弟會(huì)的成員當(dāng)中有從事地質(zhì)礦產(chǎn)專業(yè)的從業(yè)人員，職業(yè)知識(shí)證明，在印度礦區(qū)的鐵礦石成分當(dāng)中并不含有大量的鉻，并且由于古代的冶煉技術(shù)所限不可能人為向坩堝當(dāng)中添加百分之十幾的鉻，因此用含高鉻的烏茲鋼錠鍛造不銹兵器完全是一種誤導(dǎo)。在德國(guó)科學(xué)家和美國(guó)科學(xué)家對(duì)烏茲鋼的成分分析當(dāng)中也證實(shí)了這一點(diǎn)。

國(guó)外其他仿制的嘗試——布拉特枝晶鋼

還有另外一種枝晶花紋鋼，一度被認(rèn)為是外貌上最接近古代烏茲鋼的模仿品，稱為布拉特鋼。起源于19世紀(jì)俄國(guó)。在俄羅斯，從沙俄時(shí)期開始冶金學(xué)家就一直對(duì)如何消除有害液相偏析進(jìn)行非常深入研究。這也使得俄國(guó)科學(xué)界對(duì)如何制造枝晶組織偏析有很大幫助。19世紀(jì)初期**冶金學(xué)家阿諾佐夫成功利用液態(tài)偏析法制造出了帶有枝晶花紋的鋼材，俄國(guó)人稱其為布拉特鋼。其成分在很大程度上更接近鑄鐵。在俄國(guó)的論文當(dāng)中曾經(jīng)認(rèn)為所謂“灰色布拉特”即為亞共晶灰口鑄鐵，“灰色布拉特”因斷口和表面呈灰色而得名，這一點(diǎn)有別于烏茲鋼酸洗后較高對(duì)比度的深色。布拉特鋼花紋成因是大量的粗大一次碳化物枝晶經(jīng)過鍛造扭曲組成的帶狀組織。由于其制做工藝的原因，冷速要求非常緩慢，有時(shí)甚至需要刻意長(zhǎng)時(shí)間高溫等溫，內(nèi)部往往存在大量方形枝晶?？s孔甚至氧化。這種布拉特很好辨別。

右圖為俄國(guó)布拉特枝晶鋼

其中可以看到大量粗大的一次碳化物支晶交叉排列，甚至在大量鍛造形變以后仍舊無法消除。這是由于阿諾佐夫派布拉特的工藝所致。其工藝要求緩慢冷卻，由于鋼液中的熱液交帶作用，產(chǎn)生了粗大方形組織。這種情況大量存在于俄國(guó)制造的布拉特，和所謂不銹布拉特。

下圖是 俄制布拉特鋼錠：從圖中可以看到，可以看到俄制布拉特中存在大量熱液交帶網(wǎng)格、粗大縮孔等。

布拉特鋼錠

從金相組織上來看傳統(tǒng)的印度-波斯烏茲鋼的組織是由先共析鐵素體中析出的2次碳化物偏聚集導(dǎo)致的。還包括由珠光體和碳化物組成的帶狀組 織。而俄國(guó)布拉特鋼則由大量一次偏析枝晶導(dǎo)致。

布拉特組織

另外俄國(guó)布拉特與傳統(tǒng)烏茲鋼在視覺上也有明顯區(qū)別。下面是幾組對(duì)比圖，可以輕易進(jìn)行鑒別。如出現(xiàn)熱液交代網(wǎng)格即可認(rèn)為是鑄鐵類原 料鍛造而成的結(jié)果，而非烏茲鋼花紋。

烏茲鋼

烏茲鋼

此圖為烏茲鋼花紋，紋路卷曲而沒有裂紋狀熱液交代特征 此圖為布拉特花紋，有明顯裂紋狀熱液交代特征

另外據(jù)小金介紹，對(duì)于現(xiàn)存的古刀劍，花紋一般為自然腐蝕而成，如流水，如卷曲牛毛，天梯。這些特性均為顯著特性。而不拉格以及鑌鐵均我此特性。

結(jié)論

綜合對(duì)烏茲鋼的研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1.帶狀分布的先共析鐵素體的生成導(dǎo)致了二次碳化物沿著帶狀分布。而這些沿著一定規(guī)律排列的如銀河般的顆粒狀化滲碳體就是烏茲鋼花紋的最主要成因。

2.布拉特和亞共晶白口鑄鐵對(duì)比，在金相組織上十分相似，而與古代烏茲鋼卻有很大差別。所以可以認(rèn)為阿諾佐夫派的俄式布拉特和烏茲鋼有本質(zhì)上的區(qū)別，鑄鐵與鋼的區(qū)別。

3.古代烏茲鋼兵器絕大多數(shù)的整體硬度都在50hrc以下（并非大多數(shù)傳聞的60hrc以上），但是局部顯微硬度可以到65，而且抗斷裂能力非常之好。柔軟基體的烏茲鋼，在使用過程中往往體現(xiàn)出更好的鋒利度。尤其是在切割肌肉、筋腱、衣服等柔軟堅(jiān)韌的纖維組織時(shí)更加明顯。這種能力可能由于硬質(zhì)項(xiàng)的微鋸齒和柔軟基體的自剝落共同作用造成的。

4.由于Cr7C3顆粒尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Fe3C，而且極易剝落，如果制造含高鉻的不銹烏茲鋼只能令烏茲鋼所獨(dú)有的鋒利特性消失殆盡，因此應(yīng)當(dāng)認(rèn)為得不償失。