烏茲鋼（坩堝冶煉超高碳鋼）

簡介

“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，是因為這些金屬被販賣到大馬士革（位于今天的敘利亞境內(nèi)）這個城市后，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。或者應該這樣說：當中世紀歐洲入侵耶路撒冷（即十字軍東征）時期，歐洲人看到他們的敵人使用這種武器時，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”這個說法。至于“印度鐵”，姑且是看作以這個金屬塊來源而進行的命名，而“烏茲（Wootz）”則可能是最原始的叫法。另外，大概是因為“Wootz”被簡單翻譯成“烏茲”，中國人可能不好理解，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，應該是先有“烏茲（Wootz）”，然后才有“大馬士革鋼”，“烏茲（Wootz）”因為出產(chǎn)于印度故也被翻譯作“印度鐵”。

歷史

公元前8～前7世紀北非、歐洲相繼進入鐵器時代。當時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30～50厘米，厚6～14厘米，重4～20公斤。這個時期的鐵劍，有的較軟，有的則經(jīng)過滲碳和反復疊打，并經(jīng)過快冷或淬火變得更硬。不受中國文化影響的地區(qū)，一直到14世紀后期，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6噸（公元五世紀笈多王朝時鑄造的巨大鐵柱．位于印度德里，至今毫無銹蝕）。在制鋼技術上，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世紀時，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，傳說是為了紀念旃陀羅王而造。不過如今人們都習慣把它和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)代科學分析鑒定，這根鐵柱的鑄造時間應在1500多年前，但令科學家疑惑不解的是，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，真是不可思議。最奇怪的是，如果印度人當時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于這種秘技的任何記載呢？當?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實現(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為是神圣之植物的葉，例如名(Huginay)及(Tangada)樹之果實加入坩堝中. 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，用淘洗法反復清洗，這樣礦石從雜質中分離出來，就像淘金人從其他雜質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，并對熔化過程亦非常熟識，但因為沒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)這種高質鋼.

持續(xù)加熱時間從24到48小時不等，當溫度從1000攝氏度升到1200攝氏度，礦石會轉變成多孔的鐵質，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)和葉并熔化在鐵質內(nèi). 毛竹含氧化矽(Silica)甚多可助溶化. 在此過程中鐵不會達到其熔點，通過固體之擴散過程(solid diffusion process),碳被吸收. 持續(xù)長時間的鑄造(casting)緊接著慢慢冷卻到800攝氏度-約12至24個小時. 這樣的設計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)非常堅硬，抗酸性強，當鋼被拋光后會呈現(xiàn)出帶白色或銀色. 與此形成對比珠光體(pearlite)由粘結金屬組成，經(jīng)腐蝕成黑色，這說明為什么會產(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). 將它放在鐵砧上進行錘打，作硬度試驗. 經(jīng)正常鑄造的鋼錠很硬，經(jīng)錘打后也不會有凹痕. 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. 重復此熱處理過程，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. 這溫度是一個非常重要的關鍵. 鐵匠只能靠經(jīng)驗，用眼看火之顏色，到達暗紅時進行鍛造. 因為若溫度升高到900攝氏度以上將會把過程倒過來，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. 因為歐洲之鐵匠一般在1300攝氏度的高溫下來鍛煉金屬，因此他們永遠不能掌握到鍛煉大馬士革鋼的技術。由于對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. 結果鋼條變得有可展性和有軔性.

原理性質

1. WOOTZ 的花紋基本上是兩種性質不同的材料。亮的地方是純的雪明炭鐵硬度比玻璃還大。暗的地方的結構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。而且也非常堅韌而不會折斷的刀身.

2. WOOTZ的制造的費時費力。是超乎各位的想像。通常要花上兩三個月的時間。而燒結的鐵餅成功率又很低。當初會失傳有兩個原因。其一當時英國統(tǒng)治者為了保護當?shù)貎H剩的森林不使其沙漠化而禁止。其二是近代工業(yè)制鋼的引進使WOOTZ在價格上無法競爭. WOOTZ鋼的制造方法分兩種一種是脫炭法。另一種是加炭法。不過最重點在于燒結鐵餅時的溫度控制和將鐵餅鍛造拉長時的最高溫度。還有成品的厚度和原來鐵餅的厚度比例也會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花紋比較細致看起來比較自然黑白的對比也比較大。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雜志曾有一篇關于WOOTZ鋼的測試. 其一是鋒利度的測試：在仔細研磨后的WOOTZ結晶花紋鋼能一刀切斷巨大打結的麻繩. 其二是刀身的韌性測試: 把刃用夾具夾緊然后拿大鐵錘來敲。結果費了很大的力氣.WOOTZ刀刃被敲成U字型但是卻沒有折斷. 測試的結果證明了WOOTZ結晶花紋鋼具有鋒利和強韌兩種特性于一身。

坩鍋公司曾經(jīng)運用現(xiàn)代科技，用電子顯微鏡分析了大馬士革鋼的分子結構，并成功的復制出了大馬士革鋼，鋼錠有和古鋼材類似的花紋，但測試時發(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),再斬斷一邊，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，這類刀劍成為各國刀劍愛好者的夢想中的藏品了.

最新研究

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

美國金相

請注意以上兩張照片，一個是20um一個是100um，由于尺寸放大差異會顯得一些細節(jié)不同，但他們存在著極大地共同點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式樣，被鑒定為4種典型的烏茲鋼成分。第三例因為檢測到其帶狀組織是由有害元素偏析所導致，被否定為不是高質量的烏茲鋼。在其他三例中全部觀測到了先共析鐵素體。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性。

在美國人的實驗中，有些烏茲鋼式樣基體為珠光體組織，其花紋對比度很高，但硬度非常之低，只有23hrc。這與國內(nèi)研究者鑌鐵兄弟會在制做和熱處理過程中得出的經(jīng)驗一致，珠光體組織的對比度非常高。

另外在照片中用紅圈圈出的是一個銹痕，通過很多國外資料和國內(nèi)研究者鑌鐵兄弟會的實踐表明：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以訛傳訛的故事。鑌鐵兄弟會的成員當中有從事地質礦產(chǎn)專業(yè)的從業(yè)人員，職業(yè)知識證明，在印度礦區(qū)的鐵礦石成分當中并不含有大量的鉻，并且由于古代的冶煉技術所限不可能人為向坩堝當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。在德國科學家和美國科學家對烏茲鋼的成分分析當中也證實了這一點。

國外其他仿制的嘗試——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世紀俄國。在俄羅斯，從沙俄時期開始冶金學家就一直對如何消除有害液相偏析進行非常深入研究。這也使得俄國科學界對如何制造枝晶組織偏析有很大幫助。19世紀初期**冶金學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。在俄國的論文當中曾經(jīng)認為所謂“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，這一點有別于烏茲鋼酸洗后較高對比度的深色。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，有時甚至需要刻意長時間高溫等溫，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次碳化物偏聚集導致的。還包括由珠光體和碳化物組成的帶狀組 織。而俄國布拉特鋼則由大量一次偏析枝晶導致。

布拉特組織

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

結論

綜合對烏茲鋼的研究結果，可以得出以下結論：

1.帶狀分布的先共析鐵素體的生成導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。所以可以認為阿諾佐夫派的俄式布拉特和烏茲鋼有本質上的區(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、衣服等柔軟堅韌的纖維組織時更加明顯。這種能力可能由于硬質項的微鋸齒和柔軟基體的自剝落共同作用造成的。

4.由于Cr7C3顆粒尺寸遠遠大于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有的鋒利特性消失殆盡，因此應當認為得不償失。