花紋奇特且魔性的大馬士革鋼,是如何被鍛造出來的?揭秘大馬士革鋼的鑄造及原理

大馬士革鋼這類鋼材最早出現於兩河流域及恆河平原北部,其中可考的加工法是

最早始於印度北部的印度坩堝加工法

。它又稱為

結晶花紋鋼、鑄造花紋鋼

,是一種古代粉末冶金和鍛造技術完美的結合。在英美和歐洲大多數的地方被稱為烏茲(WOOTZ),而在其原產地印度巴基斯坦一直到波斯則稱為FULAT。在俄羅斯的高加索地區被成為BULAT。當時的印度有著世界上最優良的鐵礦,他們的坩堝裡用的便是這種鐵礦石。

好的礦石造就了大馬士革印鋼,印度又因大馬士革鋼而聞名於世。

聞名遐邇的鋼材的鍛造工序其實也不怎麼神秘。

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1.精煉:

經人工選用搗碎到粉末狀的礦石,用淘洗法反覆清洗,從而使礦石從雜質中分離出來。就像淘金者們從其他雜質中分離出黃金的顆粒一樣。現在的洗煤廠還沿用類似的處理方法篩選優質煤炭。

其實波斯人(即現在的伊朗)和其他民族早已經觀察了印度鐵匠,並對熔化過程非常熟識,但苦於不似印度般擁有這含量豐富的極品鐵礦,所以始終不能夠用這種方法生產這種高質鋼。

2.滲碳:

精煉並乾燥後的鐵礦石放入經火硬化的小型粘坩堝內。

坩堝的尺寸依炭火熱量而定,一般生產出來的鐵錠重約一公斤。

把一些含炭的植物如——麻慄樹(teak)、木炭、毛竹及某些被認為有神聖意義的植物的葉子和果實,像名為(Huginay)及(Tangada)樹之果實加入坩堝中,將坩堝密封后用炭火燃燒。持續加熱時間從24到48小時不等。其間

當溫度從1000℃升到1200℃,礦石會轉變成多孔的海綿體鐵質,並留在坩堝底部

。於此同時,在封閉狀態下的坩堝內部,燃燒的炭(charcoal)和葉產生的碳(carbon)元素逐漸熔化在鐵質內。

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現代科學發現,

毛竹含有的氧化矽(Silica)可以促進這一溶化過程,類似於催化劑。

在此碳元素熔入過程中,鐵不會達到其熔點。而透過固體擴散過程(solid diffusion process),碳元素被吸收。持續長時間的鑄造後緊接著需要慢慢冷卻到800℃約12至24小時。這樣的設計是為了大量樹狀碳化鐵晶體(large dendritic ironcarbide crystals) (

該晶體也稱為滲碳體(cementite)-Fe3C(即碳化三鐵)

能夠最佳化形成和均勻分佈於在滿布小孔的海綿體鐵體內。而這

些大的晶體事實上就是大馬士革鋼花紋或水紋的主要成份。

滲碳體(cementite)或稱碳化晶體(carbide crystals)非常堅硬且抗酸性強。

這樣的鋼,表面被拋光後會呈現出帶白色的銀色。與此形成對比的珠光體(pearlite)則由粘結金屬組成,經腐蝕後成黑色,這

一黑一白就是大馬士革鋼表面產生不同顏色花紋的根源。

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▲滲碳體

3.脫碳:

鋼錠冷卻後還需脫碳熱處理:冷卻後把坩堝從火中移開,並打破。取出半球形(也有說是圓餅裝,我個人更傾向於這種說法)的鋼錠(ingot)。波斯人稱為蛋(egg or baida),哈哈!將它放在鐵砧上錘打——這是種硬度試驗。經正常鑄造的鋼錠那是相當的硬啊,再怎麼錘打後也不會有凹痕,故需用含有鐵屑或粉末狀鐵礦石的粘土混合物覆蓋,重新加熱到火紅色約700℃至900℃,從而強化鋼錠的脫碳。之後再次錘打作硬度試驗。如此這般重複,直到金屬過到足夠的軟度以便鍛造。

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通常認為,

有控制的反覆捶打也可以使鋼錠的含碳量達到理想水平。

眾所周知,含碳量太高了就成了生鐵了,太低了又成不了鋼。

有趣的是,日本刀的鍛造過程中,用的是

玉鋼

。其中有一個非常關鍵的過程是

覆蓋粘土混合物在刀身上後,(刀刃處覆蓋的較薄,刀脊處覆蓋的較厚)在火中煉造,

使得刀刃處受熱形成晶體,相對刀脊更堅硬鋒利,刀脊處保持相對刃部較軟,更有彈性。這樣之後刀匠會迅速打破密封的粘土,大喝一聲將刀浸入水中(通常時間都選在在半夜裡,據說那樣精力更集中)。這種冷熱交替,熱脹冷縮使得刃部的晶體收縮,變得更加堅硬,而收縮的痕跡就形成了日本刀上獨有的特殊刃紋。日本刀的話題撤的有點遠了,言歸正傳。

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將鋼錠的溫度慢慢降低,並精確控制在700℃至900℃之間是一個非常重要的關鍵,當年的鐵匠只能憑藉個人經驗,以火的顏色到達暗紅時為標準進行鍛造。

因為溫度高於900℃是,滲碳體和奧氏體的晶體(crystalsof cementite and austentite)就開始形成

,碳元素開始熔解於鋼錠,不僅又增加了硬度,還會造成晶體及波形花紋圖案的損失。

但若溫度低於700℃,,鋼就不能得到充份的鍛鍊。

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因為歐洲的鐵匠一般在1300℃的高溫下來鍛鍊金屬

,(那年代沒有溫度計,全憑眼睛看,有些有經驗的鐵匠還掌握著吐口吐沫到火裡測試溫度的技術)

因此他們永遠沒能掌握到鍛鍊大馬士革鋼的技術。

由於對鋼錠的有控制式熱處理和輕度的鍛鍊,覆蓋的粘土,包括含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石,都在使鋼錠表面脫碳,另外氧化作用亦產生同樣的作用。鋼錠的碳分逐漸減少,從原來的2。2%或更高降低至1。8%,即從白鑄鐵狀態到UH碳鋼。此過程俗稱退火、球狀處理(an annealing and spheroidizing treatment)。正是因為得以

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。

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製得:

有人說,

WOOTZ鋼的製造方法分兩種一種是脫炭法,另一種是加炭法

。我不得其解,我上面講的方法中本身就包含了這兩個環節。整個製備過程中的最重點其實在於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。

現代的人們曾經繼希望於複製大馬士革鋼,坩鍋公司曾經藉助現代科技,用電子顯微鏡(估計掃描電鏡、透射電鏡、X衍射、原子吸收什麼的都上了把)分析了大馬士革鋼的分子結構,併成功的複製出了大馬士革鋼,其

鋼錠有和古鋼材類似的花紋,測試時卻發現並不能與古鋼材的效能比擬。

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那麼古人是怎樣將鋼坯打製成刀劍的呢?

據現存文獻與專家的分析,

是先在鋼坯上鑽孔

(鋼坯為圓餅狀),再

斬斷一邊

,最後

將環狀的的鋼坯成條後再打製成刀形

。在所有的大馬士革刀劍中最為貴重的為“默罕默德的天梯”——也就是傳說中的“梯子紋”!

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真正製成後的大馬士革鋼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於奧氏體和波氏體。整體含炭量大約是在1。5~2。0 %之間。就是因為在韌性高的波來鐵裡均勻散佈著比玻璃還硬的雪明炭鐵。使得WOOTZ即具有非常鋒利的刀鋒,又擁有非常堅韌不會折斷的刀身。大約十年前BLADE雜誌有一篇關於WOOTZ鋼的測試。

其一是鋒利度的測試:

在仔細研磨後的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:

把刃用夾具夾緊然後拿大鐵錘來敲。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於一身。

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技術的遺失:

WOOTZ的製造的費時費力,通常要花上兩三個月的時間,而燒結的鐵餅成功率又很低,當初會失傳主要有兩個原因。其一當時英國統治者為了保護當地僅剩的森林不使其沙漠化而禁止砍伐樹木;其二是近代工業制鋼的引進使WOOTZ在價格上無法競爭。

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辨別:

WOOTZ的花紋是天然形成的

,不像摺疊鋼一樣是用人工硬將性質不同的材料焊接起來再摺疊鍛打而成。更不可能是像某些作假高手那樣用王水腐蝕一下成就的外觀,汗啊!因此WOOTZ鋼的花紋和摺疊鋼有明顯的差別。

WOOTZ花紋比較細緻看起來比較自然黑白的對比也比較大。

在黑色的刀刃上分佈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鏽。

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