中国古代炼钢史

1. 中国古代炼钢史

2. 龙泉剑 越王勾践青铜剑

3. 炼钢的两大方法 • 方法一：固体渗碳制钢技术（春秋后期） • 用块炼铁（或熟铁）做原料，利用渗碳技术增加碳分。 • （注）熟铁的碳含量比钢低，所以要提高碳含量以得到钢。 • 具体办法： • 用块炼铁放在炭火中加热渗碳；易 • 用优质块炼铁配合定量的渗碳剂和催化剂，密封加热渗碳。 难 • 方法二：脱碳制钢技术（战国时代）碳 • 以含碳量高的生铁为原料，采用脱碳方法炼制成钢。 • （注）生铁的碳含量比钢高，所以要降低碳成分以得到钢。 • 具体方法： • 把比较薄的生铁铸件经过脱碳退火，使其变成钢件； • 把生铁加热到熔化或基本熔化后，经过炒炼，使其氧化脱碳而成为钢。 干将莫邪宝剑

4. 春秋时期 从春秋晚期起，中国独特的炼钢技术开始出现，国家之间的战争越演越烈，良剑和良匠是各国争夺的焦点。 《越绝书》的传说：楚王派风胡子到吴国，请欧冶子，干将“作铁剑”，欧冶子，干将凿茨山，“取铁英作为铁剑三枚”，叫做龙渊，泰阿，工布。

5. 春秋时期----九州扬威兮春秋争雄 《吴越春秋》记载：干将，莫邪宝剑的传说。

6. 春秋时期----九州扬威兮春秋争雄 争 徐吴之战，徐败 欧冶子--干将的师兄 干将 吴王阖闾

7. 钢的诞生 六合之金英 五峰之铁精 《吴越春秋》记载： 干将在冶炼宝剑之前，“采五山之铁精，六合之金英”（铁精：一种质量较精的用块炼法炼成的海绵铁；金英：一种含碳量较多的渗碳剂。） 冶炼时，把“铁精”和“金英”焖在炉中一起鼓风加热，当温度足够高时铁块的表面熔解，碳不断渗入熟铁，炼制成中碳钢和高碳钢。

8. 铸剑的神圣（铸剑宗师欧冶子） 暴君不仁不能成剑 意志不坚不能成剑 体力不继不能成剑 切肤放血 铸铁熔铜

9. 炼钢歌诀 踏千嶽，登高巅 八荒采奇石 六合聚金英 冶成筑炉兮逐渐成军 烈焰起，紫气腾 姑苏淬天火 吴山砺宝锋 铁水铜浆兮炼钢锻形 九州扬威兮春秋争雄 基本工序：采矿--冶炼--铸造--锻造

10. 莫邪焚身以火 （金铁之精，不消沦流） 《剑诀》 宝剑之化，须待人气而合成 方得鬼神之助，以克全功 天帝下降，百神临观 血肉铸剑，人物同熔

11. 莫邪卫天去，干将跨长虹 （金铁乃濡，遂以成剑）

12. 美丽的传说背后的科学道理 《吴越春秋》：干将作剑，......于是莫邪断发剪爪，使童男童女三百人鼓橐装炭。 科学真相：我国古代炼铁使用木炭做燃料，又不采用含有磷质的熔剂，因而古代生铁中含磷量很低。而古时所用的铸铁炉，实不易发生相当温度，使铁充分熔融，需加相当磷份，熔融方易。中国古代虽没有明确的关于磷的化学知识，但从经验上发现融铁吸收骨质后较易铸作。 莫邪的“人物同熔”的本质：含磷的有机物投入炉中，焖在炉中再鼓风加热，磷质就使铁块表面熔解而起强烈的碳化作用，形成部分熔点较低的铸铁，从而流入海绵体似的铁块各部分疏松的空隙中。这样碳不断渗入，炼制成中碳钢或高碳钢，就可以用来锻造宝剑。

13. 脱碳制钢技术的诞生（战国时代） • 基本原理：以生铁为原料，适当控制温度时间，想办法让生铁里的碳被氧化成气体脱掉，铸件的金属组织就全部从铁变成了钢；但仍保留有缩孔，气眼等特征性铸造缺陷。 • 优点：由表及里有控制的适当的脱碳，使基本不析出石墨； 钢件中夹杂物很少，这是由于生铁铸件中夹杂较少

14. 脱碳制钢技术的发展（汉代） 公元前2-前1世纪的西汉年代，白口铁工具整体通过脱碳退火成为钢件之后，再在刃口部分进行局部渗碳或加工锻打，以提高刃部的硬度和锋利程度。 用这种铸铁脱碳钢在西汉年间广泛使用，工匠对于脱碳和渗碳工艺的作用，已经有经验性的了解。在农业上，斧镰等农具和兵器又官冶作坊生产。从外形看是铸件，从化学成分和金相组织看基本是钢，而且夹杂物极少。 局限性：不可能制成较大的和较厚的钢件。现在出土文物发现的都是比较薄的，一般不超过1厘米，只有这样薄的生铁铸件才便于由表及里全部脱碳成钢。

15. “炒钢”技术的发明和发展（西汉后期） 封建社会上升时期对钢制品的需求大大增加，熟铁块炼法和生铁脱碳炼钢均不能满足要求。在西汉后期创造了“炒钢”技术。 《太平经》卷72《不用大言无效诀》第110： 今军师兵，不祥之器也，君子本不当有也，......不贵用之也。但备不然，有急乃后使工师击冶石，求其中铁，烧冶之使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪。 炒：高温搅拌。

16. “炒钢”技术的发明和发展（西汉后期） 工序简介：先寻求铁矿石，冶炼成生铁水（熟铁在当时是不可能熔化成铁水的），即所谓“烧冶之使成水”，然后炒炼成钢（即高温搅拌，增加氧气和铁的接触面，使液体中的碳氧化），再反复锻打（生铁是不可能经过锻打制成钢材的），制成莫邪一类的钢剑。即所谓“万锻之，乃成莫邪”。炒钢技术的发明使得百炼钢技术进入成熟阶段。 什么是百炼钢？ 中国古代将炒钢经反复折叠锻打变形而制成的钢及其工艺。其特点是反复加热锻打。多次反复锻打可排除钢中夹杂物，减少残留夹杂物的尺寸 ，从而使其成分趋于均匀，组织趋于致密，细化晶粒，改善钢的性能。古代工匠把“精铁”加热锻打一百多次，一锻一称一轻，直到斤两不减，即成百炼钢。魏晋时期是百炼钢的鼎盛时期。唐宋之后，因灌钢工艺的发展等原因，百炼钢有所减少。

17. “炒钢”技术的广泛使用（东汉） 东汉唯物主义思想家王充在所著的《论衡.率性篇》中提到： “更熟锻炼，足其火，齐其铦”。认为世间价值千金的宝剑，原来就是矿山中的普通的铁。冶工把它们锻炼成锋利的剑，岂是锻炼的原料有什么不同，而是由于锻炼到家。 东汉炼钢技术的进步，铁工具已多用钢刃。 贾公彦疏：“汉时斧近刃，皆以钢铁为之”。到三国时代，用钢制作兵器更加广泛。陶弘景《刀剑录》：“吴王孙权黄武四年，采武昌山钢铁，作千口剑，万口刃，各长三尺九寸，刀口方，皆是南钢，越炭作之。” 汉朝剑 汉弩机 汉朝冷兵器

18. 百炼钢的鼎盛时期---三国 百辟宝剑-汉剑-龙泉剑 剑身自然出现水波纹 魏太子丕造百辟宝剑 百辟，即百炼，意即经过一百次左右的加热和反复折叠锻打。代表了当时炼制优质钢利器的工艺质量的最高水平。

19. 百炼钢的继续发展和热处理的进步（魏晋-明朝）百炼钢的继续发展和热处理的进步（魏晋-明朝） 魏晋南北朝，出现许多著名的冶炼家。如南朝齐，梁时代的黄文庆。 "以剂钢为刃，柔铁为茎干". 钢剑刃部坚硬锋利 剑身富于韧性弹性 蟠钢剑 鱼肠剑

20. 百炼钢的继续发展和热处理的进步（魏晋-明朝）百炼钢的继续发展和热处理的进步（魏晋-明朝） 明朝戚继光《练兵实纪杂集》提到：“铁要多炼，刃用纯钢”。 刀脊使用低碳的软钢，刃部采用高碳的硬钢，加以锻合而成。

21. “灌钢”冶炼法的发明--南北朝 灌钢法又叫团钢法,或生熟法,是中国早期炼钢技巧一项最突出的成绩。17世纪以前,世界各国一般都是采用熟铁低温冶炼的措施 ,钢铁不能融化 ,铁和渣不易分别 ,碳不能敏捷渗入。中国发现的灌钢法,胜利解决这一难题,为世界冶炼技巧的发展做出划时期贡献。同时兼用生铁和熟铁的两种原料，利用生铁含碳量高，比熟铁熔点低而先熔解的特点，把两种原料配合在一起加热，让先熔的生铁液作为渗碳剂，灌注到疏松的熟铁的间隙之中，使熟铁的含碳量升高而成为钢材。 同百炼法或炒炼法比拟 ,其长处 1)生铁作为1种渗碳剂,因融化后温度高,加速向熟铁中渗碳的速度,缩短冶炼时光 ,进步生产率。 (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,增添了钢的产量。 (3)在高温下,液态生铁中的碳、硅、锰等与熟铁中的氧化物搀杂产生反应 ,去除杂质,纯化金属组织,进步金属品位。 (4)灌钢法操作简便,容易控制。要想得到不同含碳量的钢,只要把生铁和熟铁按必定比例配合好,加以熔炼,就可获得

22. “灌钢”冶炼法的发明--南北朝 綦毋怀文造刀的方式是: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”,极其锐利 ,能够一下子斩断铁甲30札。对于含碳量比较高的钢,理想的淬火介质应当是: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。这就须要采取双液淬火法。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”。 创新： 1）热处理的进步。使用动物尿和动物油作为冷却剂，一方面扩大了淬火介质的范围，另一方面可以获得不同的冷却速度，这样就能够得到不同性能的钢。 2）材料的科学使用，节约成本。刀的刃部需要比较高的硬度，才能使刀刃锋利，所以要用钢来制造。而刀背相反却需要有比较好的韧性，使刀在接受经较大的冲击力的时候不致折断，所以用熟铁比较合适。綦毋怀文把二者巧妙结合起来，把好钢只用在刀刃上，既满足了实用要求，又节省了钢材，这项制刀工艺上的重要革新一直沿用到今天。　

23. 灌钢剑欣赏

24. 灌钢技术的发展--唐-明 • 隋唐以后的生产力得到大幅度的提高（钢普遍地用在了农业和手工业的工具上； • 宋代把生铁片嵌在盘绕的熟铁条中间，用泥把炉密封起来烧炼（防止加热时氧化脱碳），炼成灌钢。《梦溪笔谈》； • 明代把生铁片盖在捆紧的若干熟铁片上，使生铁得到氧而容易吸收生铁的铁液；不用泥封而用涂泥的草鞋遮盖，使生铁得到氧而容易熔化。《天工开物》。 • 明朝中期（15-16世纪之间），开始发展成为"苏钢冶炼"法。 • 明朝后期，发明“生铁淋口”的方法。

25. 《梦溪笔谈》卷三《辩证一》 世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷期间，封泥炼之，锻令相入，谓之团钢，亦谓之灌钢。

26. 《天工开物》卷14《五金》 凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片如指头阔，长寸半许，以铁片束包夹紧，生铁安置其上，又用破草鞋覆盖其上，泥涂其底下。洪炉鼓 ，火力到时，生铁先化，渗淋熟铁之中，两情投合，取出加锤。再炼再锤，不一而足。俗名‘团钢’，亦曰灌钢者是也。 明崇祯年间 作者宋应星 创新点： 1）用涂泥的草鞋遮盖----- a)炼钢炉依然能够从空气中得到氧，使生铁在还原性气氛中熔化； b)使大部分火焰反射入炉内，以提高冶炼温度。 2）把生铁片盖在捆紧的若干熟铁薄片上----- 增加生铁和熟铁的接触面，使熟铁易于吸收生铁的铁液，能够使碳均匀地渗入；

27. 苏钢冶炼法 明唐顺之《武编.前编》卷5《铁》------ “......或以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁于熟铁上，擦而入之。此钢合二铁，两经铸炼之手，复合为一，少沙土粪滓，故凡工炼之为易也。 苏钢相传由江苏人发明，故称“苏钢”。在明清两代，芜湖的苏钢冶炼业最为盛，而芜湖有不少大钢坊是由南京迁过去的，炼钢工人也多数来自南京周围的地区。炼钢技术凭父子，师徒相传，不肯随意教人。

28. “生铁淋口”技术的发明和流传 《天工开物》卷10《锤锻》 “凡治地之物，用锄镈之属，熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。” 广泛应用在农业的农具制造，俗称“擦生”。整个擦生的时间，包括加热，擦生，淬火等等，大约需要4-5分钟，而生铁液擦上的时间仅为20-30秒钟。入水淬火的时间约5秒，经过修边开刃，便成为一件耐磨韧性又好的农具。 明崇祯年间 作者宋应星 创新之处： 即不需要夹进炼好的钢条，又不需要把工具加以熔化，而利用了炼钢原理，很巧妙地用“生铁淋口”的方法使工具具有钢刃，不仅方法简捷，而且节省很多时间。

29. 中国古代炼钢技术系统发展示意图

30. 中国古代锻造技术和淬火工艺的进步 锻的目的：挤去熟铁和钢中的杂质，使组织均匀细致，性能提高； 为了锻造成所需要的形状。 山东滕县宏道院出土画像石《冶铁图》 云南流行的锻铁炉

31. 锻造法之一------熟铁锻造（热） 西安半坡战国墓出土的铁锄的锻造工艺过程示意图 先将原材料多次锻打成薄片，再将薄片折合和锻接，然后再加工锻成所需要的器形。 “千锤百炼”-----不断加热和反复锻打，使杂质稀少，组织细密，富于韧性和弹性。 鱼肠剑 蟠钢剑（宋）

32. 锻造法之一------熟铁锻造（热） 《天工开物》卷10《锤锻》 凡铁性逐节粘合，涂上黄泥与接口之上，入火挥槌，泥滓成枵而去，取其神气为媒合，胶结之后，非灼红斧斩，永不可断也。 技巧：涂上黄泥与接口之上，将陈年壁土细末或黄泥撒在接口，在锻合过程中，壁土和氧化铁皮形成低熔点的液态硅酸盐，被挤出接缝，所谓“泥滓成枵而去”，因而不会留下缝隙，胶结得十分牢固。

33. 锻造法之二------冷锻（冷变形加工） 利用冷锻使变形来提高钢的硬度，在一定的变形度内，不会显著增加脆性。 应用; 1) 战争用的钢甲（坚滑光莹，非强弩可入）； 2）锯条的生产（《天工开物》） 3）钢针的制造（《天工开物》） 钢针制造使用的重要热处理: 1) 表层增碳处理； 2）淬火处理 明代使用“冷拉”的造针方法

34. 清代锻造技术的发展 王麻子菜刀 芜湖铁画（清） 张小泉剪刀

35. 锻造与农业 • 战国，秦，汉—— 大型犁铧用白口生铁铸造，多数农具采用可锻铸铁制造（缺点：由于技术有限，农具不能大，薄壁作嵌刃式，耕作效能差）； • 东汉——锻造的小铁锄开始流行；（炒钢方法和锻造技术开始发展） • 魏晋南北朝——锻造农具增加； • 唐宋——锻造的钢刃熟铁厚重农具普遍使用；

36. 锻造与农业 铁搭由熟铁和钢锻造，坚韧而锋利，如果有强壮的劳动力使用，可以取得比牛耕更好的垦耕效果。对南方农业生产的发展确实起很大作用。 “由于先用人耕，继用牛耕，耕深八寸，收效加倍”。 《吴兴掌故集》 明.徐献忠

37. 淬火技术的发明和发展 淬：将已锻好的钢铁烧红，达到一定温度，突然浸入冷却剂中很快冷却，使它获得高硬度和一定的物理机械性能。 曹丕《典论.剑铭》“淬以清漳，厉以礛硃。" 火与水合为焠。 三国时，已经认识到不同的水质对淬火后钢的质量的影响的规律。 “汉水纯弱，不任淬，用蜀江爽烈。”

38. 淬火技术的发明和发展 西汉时期，对钢刀，钢剑的刃部采用局部渗碳和淬火技术，从而提高刃部的硬度和机械性能。 三十炼环首钢刀 错金书刀

39. 淬火技术的发明和发展 淬火介质的多样化 原理：不同的液体的性质，温度和淬火时间长短导致不同的淬火效果。 南北朝——宿铁刀（用动物的尿和油脂） 明朝 —— 少数民族用地溲淬火（地溲是地下流出的原油） 明朝 —— 出现“冷待淬火”工艺。 “凡铁 ，纯钢为之，未健之时，钢性亦软，以已健钢鏩划成纵斜文理，......划成烧红，退微冷，入水健。久用乖平，入火退去健性，再用鏩划。"

40. 谨向中华先祖的智慧和才能致敬！