灌钢法

制备刀具

推动中国古代刀剑技术的发展綦毋怀文是一位出色的制刀专家，对前人造刀经验进行研究、比较，经过不断实践，创造一套新的制刀工艺和热处理技术。

綦毋怀文造刀的方法是：先把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢，做成刃口，然后“以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”这样做出来的刀称为“宿铁刀”，极其锋利，能够一下子斩断铁甲30札。对于含碳量比较高的钢，理想的淬火介质应该是：当工件在比较高的温度650～400℃，具有较大的冷却速度，在低温300～200℃，具有较慢的冷却速度。这就需要采用双液淬火法。綦毋怀文先用动物尿、后用动物油进行双液淬火，能够造出品质很高的“宿铁刀”。

中国早在战国时代就使用了淬火技术，但是长期以来，人们一般都是用水作为淬火的冷却介质。虽然三国时的制刀能手蒲元等人已经认识到：用不同的水作淬火的冷却介质，可以得到不同性能的刀，但仍没有突破水的范围。而綦毋怀文则实现了这一突破，他在制作“宿铁刀”时使用了双液淬火法，即先在冷却速度大的动物尿中淬火，然后再在冷却速度小的动物油脂中淬火，这样可以得到性能比较好的钢，避免单纯使用一种淬火（即单液淬火）的局限。双液淬火法，即在工件的温度比较高的时候，选用冷却速度比较快的淬火介质，以保证工件的硬度；而在温度比较低的时候，则选用冷却速度比较小的淬火介质，以防止工件开裂和变形，使其有一定的韧性。双液淬火法是一种比较复杂的淬火工艺，这在当时没有测温、控温设备的条件下，完全依赖操作及经验，是一个了不起的成就。

在綦毋怀文之前，中国古代的钢刀大都用百炼钢制成，这样制作的刀剑虽然性能优异锋利，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百炼钢制成，价格昂贵；如一把东汉时期的名钢剑的价钱可以购买当时供7个人吃2年9个月的粮食。而且百炼钢制作刀剑费时费力。三国时，曹操命有司制作宝刀5把，用了3年时间。为此，綦毋怀文对制刀工艺进行了重大更新。这表明綦毋怀文对钢铁的性能有比较深刻的认识，而且能根据不同的用途合理选择材质，发挥各种材质的优点，节省某些贵重材料，降低成本和费用。一把刀的背部、刃口实际起着不同的作用，因而要求具有不同的性能。

一般来说，刃口主要起刺杀作用，因而要求有比较高的硬度，这样才能保证刀的锋利，所以应该选择含碳量较高、硬度较大的钢来制造。而刀背主要起一种支撑作用，要求有比较好的韧性，使刀在受到比较大的冲击时不致折断，这样就要选择含碳量较低、韧性较大的熟铁。綦毋怀文正是有了上述类似的认识，在制作刀具时才能够将熟铁和钢巧妙的结合起来，将二者恰到好处地用在合适的地方，既满足了钢刀的不同部分的不同要求，又节省大量昂贵钢材，利于钢刀的推广和普及。这种制刀工艺，今天还在沿用。

由于綦毋怀文和千百万工匠的辛勤劳动，使中国古代冶金技术自立于世界之林。綦毋怀文发展的灌钢法，是中国冶金史上的一项杰出成就和伟大创新，在世界炼钢史上占有一定地位。灌钢法的进一步革新，使钢的产量和品质大大提高，为隋唐以后生产力的大幅度增长提供了条件。 2100433B

南北朝时期，已经出现了技术更为先进的灌钢法，用此法制作的兵器坚韧锋利。早在汉代，人们就开始用煤做燃料，并用来冶铁。北宋时期，用煤冶铁已相当普遍。冶铁炉的温度因此得到提高，于是加速了冶炼进程，提高了冶铁业的生产效率。

后来，灌钢法又不断发展。宋代又把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，用泥巴把炼钢炉密封起来，进行烧炼，效果更好。明代又有改进，把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上，使生铁液可以更好均匀地渗入熟铁之中。不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖炉口，使生铁可从空气中得到氧气而更易熔化，从而提高冶炼的效率。明中期以后，灌钢法更进一步发展为苏钢法以熟铁为料铁，置于炉中，而将生铁板放在炉口，当炉温升高到1300℃左右，生铁板开始熔化时，既用火钳夹住生铁板左右移动，并不断翻动料铁，使料铁均匀地淋到生铁液；这样，既可产生很好的渗碳作用，又可产生剧烈的氧化作用，使铁和渣分离，生产出含渣少而成份均匀的钢材。直到现今，在芜湖、湘潭、重庆、威远等地人们还在使用；可见其影响的深远。在17世纪以前，中国的炼钢（不是冶铸）技术长期居于世界领先地位，受到各国地普遍赞扬。公元1世纪时，罗马博物学家在其名著《自然史》中说：“虽然铁的种类很多，但没有一种能和中国来的钢相媲美。”

块炼法

中国古代冶炼技术在春秋以前，处于比较原始的阶段，当时使用的冶炼方法称为“块炼法”。当时炼铁使用木炭作燃料，热量少，加上炉体小，鼓风设备差，因此炉温比较低，不能达到铁的熔炼温度，所以炼出的铁是海绵状的固体块，称为“块炼铁”。块炼铁冶炼比较费时，质地比较软，含杂质多，经过锻打成为可以使用的熟铁。

钢铁冶炼技术后来进一步发展到“块炼钢”。人们在锻打块炼铁和熟铁的过程中，需要不断地反复加热，铁吸收木炭中的碳份，提高了含碳量，减少夹杂物后成为钢。这种钢组织紧密、碳分均匀，适用于制作兵器和刀具。出土文物表明，中国最迟在战国晚期已经掌握这种最初期的炼钢技术。

后进一步发展到“百炼钢”技术。人们在打制器物的时候，有意识地增加折叠、锻打次数，一块钢往往需要烧烧打打、打打烧烧，重复很多次，甚至上百次，所以称之为百炼钢。百炼钢碳分比较多，组织更加细密，成份更加均匀，所以钢的品质提高，主要用于制作宝刀、宝剑。

生铁冶铸技术

至春秋中后期，我国的炼铁技术已经达到较高的水平｡在熟练地掌握了块炼法炼铁后，我国又在世界上最早发明了生铁冶铸技术｡

据《左传·昭公二十九年》记载，公元前513年，晋国铸造了一个铁质刑鼎，把范宣子所制定的《刑书》铸在上面｡铸刑鼎的铁是作为军赋向民间征收来的，这说明最迟春秋末期出现了民间炼铁作坊，而且已较好地掌握了生铁的冶铸技术｡

在生铁冶炼过程中，炉温较高，被还原生成的固态铁会吸收碳､硫和磷，这种吸收随着温度的升高，速度就会加快;另一方面，铁吸收碳后，熔点随之降低，当含碳量达到2.0%时，熔点降至1380度，当含碳量达到4.3%时，熔点最低，仅1146度｡

所以，当炉温至1200度时，就完全能使铁充分熔化，从而得到了液态的生铁，并可以很方便地直接用于浇铸成器｡

生铁冶炼技术的出现，改变了块炼铁的冶炼与加工都较费工费时的状况，炼炉可连续使用，提高了生产率，降低了成本，使得大量提炼铁矿石和铸造出器形比较复杂的铁器成为可能｡这就为我国古代炼铁技术的发展开拓了自己独特的道路｡

“炒钢法”

在西汉中晚期，中国出现新的炼钢技术“炒钢”，这是在生铁冶铸技术的基础上发展起来的一种炼钢技术。其基本方法是将生铁加热成半液体和液体状，然后加入铁矿粉，同时不断搅拌，利用铁矿粉和空气中的氧去掉生铁中的一部分碳，使生铁中的碳含量降低，去渣，直接获得钢，这就是炒钢技术。

这项技术的发明是炼钢技术的重大突破，使冶炼业能向社会提供大量廉价、优质的熟铁或钢，满足生产和战争的需要。炒钢的出现促进百炼钢技术的发展，人们以炒钢为原料，经过反复加热、折叠、锻打成质量很好的钢件。但是炒钢和百炼钢技术还存在一定缺陷，如炒钢工艺复杂，不容易掌握；百炼钢费工费时。

灌钢法

綦毋怀文发展的灌钢法大约在东汉末可能出现炼钢新工艺“灌钢法”的初始形式。南北朝时，綦毋怀文对这一炼钢工艺进行了重大改进和完善。南朝齐、梁时的陶弘景首先记载了灌钢法，北朝魏、齐间的綦毋怀文曾用这种方法制成十分锋利的“宿铁刀”。

灌钢法綦毋怀文

綦毋怀文，姓綦毋，名怀文，是中国南北朝时期著名冶金家。他生活在公元6世纪北朝的东魏、北齐间，具体生卒年代历史上缺乏记载，只知道他好“道术”，曾经作过北齐的信州（今四川省奉节县一带）刺史。据史书记载，綦毋怀文的炼钢方法是：“烧生铁精，以重柔铤，数宿则成钢”，就是说，选用品位比较高的铁矿石，冶炼出优质生铁，然后，把液态生铁浇注在熟铁上，经过几度熔炼，使铁渗碳成为钢。由于是让生铁和熟铁“宿”在一起，所以炼出的钢被称为“宿铁”。

灌钢法灌钢法优点

灌钢法是中国古代炼钢技术上一个了不起的成就。同百炼法或炒炼法比较，其优点：

（1）生铁作为一种渗碳剂，因熔化后温度高，加速向熟铁中渗碳的速度，缩短冶炼时间，提高生产率。

（2）熟铁因为碳的渗入而成为钢，生铁由于脱碳也可以变成钢，增加了钢的产量。

（3）在高温下，液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生反应，去除杂质，纯化金属组织，提高金属品质。

（4）灌钢法操作简便，容易掌握。要想得到不同含碳量的钢，只要把生铁和熟铁按一定比例配合好，加以熔炼，就可获得。

灌钢又叫团钢法，或生熟法，是中国早期炼钢技术一项最突出的成就。17 世纪以前，世界各国一般都是采取熟铁低温冶炼的办法，钢铁不能熔化，铁和渣不易分离，碳不能迅速渗入。中国发明的灌钢法，成功解决这一难题，为世界冶炼技术的发展做出划时代贡献。

灌钢工艺是我国古代刃钢生产的主要方法。它以生铁（一种含碳量较高[2.11%以上]的炒炼产品）和“熟铁”（一种含碳量较低[0.02%以上]的炒炼产品）为原料，将它们加热到生铁熔点以上，合炼而成钢。

其中生铁是指由矿石冶炼得到的液态铸铁，含碳量和杂质很高，性脆易碎；熟铁是指将生铁经过“炒”或“蒸”等工艺而脱碳后的铁，柔软可锻，虽然碳量降下来了，但氧化夹杂等并未减少，故需要经过反复加热锻打，以去除夹杂物，同时渗碳而增强刚硬性，成为钢。灌钢工艺是将高碳含量的生铁液浇灌到红热的低碳含量的熟铁（现代钢铁技术中所谓的低碳钢或纯铁）中，相互熔融混合，直接获得刚硬的钢（现代钢铁技术中所谓的高碳钢） 。

灌钢是中国古代冶金技术的一项杰出创造，它利用生铁含碳量较高、“熟铁”含氧化夹杂较多的特点，用“熟铁”中的氧来氧化生铁中的硅、锰、碳，造成激烈的“沸腾”，而达到去除夹杂的目的。虽操作简单，效果却十分明显，这是人类古代制钢工艺中所获得的最高成就 。2100433B

中国古代关于灌钢的记载始见于东汉晚期。《全后汉文》卷九十一王粲（177—217年）《刀铭》云：“相时阴阳，制兹利兵，和诸色剂，考诸浊清；灌襞已数，质象已呈。附反载颖，舒中错形。”此文所述为制作宝刀的全过程。其中的“灌”即灌炼，“襞”原指衣服上的褶裥，在此应指钢铁材料的多层积叠、反复折叠。“灌襞已数”即是多次灌炼。可见东汉末年，人们便用灌钢制作刀剑，其发明年代至迟在东汉晚期。何堂坤：《关于灌钢的几个问题》，《科技史文集》第15辑，上海科技出版社1989年版。

稍后，晋张协《七命》也谈到过与王粲《刀铭》所云相似的工艺：“销逾羊头，镤（鍱）越锻成，乃炼乃铄，万辟千灌；丰隆奋椎，飞廉扇炭。”此“销”，唐李善引许慎说为“生铁也”。鍱，《广雅》释为铤。李善注云：“辟谓叠之，灌谓铸之”。《六臣注文选》卷三五张协《七命》注。所以，此“万辟千灌”便是指多层积叠，多次灌炼，即是灌钢工艺。

南北朝时，灌钢在中国南北各地推广开来，且用于农具制作中。《重修政和经史证类备用本草》卷四“玉石部”引梁陶弘景云：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”。北齐綦毋怀文亦制作过灌钢刀。及宋，各种记载更多。张君房《云笈七签》卷七十八载：“灌刚之时，必须林栗等炭，余皆不堪用。”又云：“取自然成刚铁上，次取擣刚五灌已上者佳。”《重修政和经史证类备用本草》卷四又引北宋苏颂《图经本草》云：“以生柔相杂和，用以作刀剑锋刃者为钢铁。”灌钢在中国一直沿用到明清，本世纪三十年代还在四川等地流行。

李时珍《本草纲目》卷八“钢铁”条：“钢铁有三种，有生铁夹熟铁炼成者，有精铁百炼出钢者，有西南海山中生成状如紫石英者。”前者即是灌钢，次者百炼钢，后者系金刚石之误。可见在古人心目中，灌钢是中国古代钢的主要品种之一。因其含碳量较高，通常主要用来制作刀、剑、镰等兵器、生产工具的锋刃部，对中国古代社会生产的发展起到了重要的作用 。