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“神刀”是怎样炼成的？

三国时期蜀汉著名的兵器制造家蒲元在斜谷口（今陕西周至县西南），“槠金造器，特异常法”，为诸葛亮铸刀三千口。刀铸成以后，为了检验质量，蒲元让士兵用竹筒灌满铁珠，举刀猛砍，如截刍草，竹筒断而铁珠裂，人们交口称赞蒲元铸造的钢刀是能够“斩金断玉，削铁如泥”的“神刀”。

“神刀”是怎样炼成的呢？这要从中国古代先进的炼钢工艺谈起。

中国是世界上最早生产钢的国家之一。考古工作者曾经在湖南长沙杨家山春秋晚期的墓葬中发掘出一把铜格“铁剑”，通过金相检验，结果证明是钢制的。这是迄今为止我们见到的中国最早的钢制实物。它说明从春秋晚期起中国就有炼钢生产了，炼钢生产在中国已有2500多年的历史。

春秋战国时期，楚国制造的兵器闻名天下。《史记?礼书》和《苟子?议兵篇》中都谈到楚国的宛（今河南省南阳）出产的兵器刃锋象蜂刺三样厉害，这肯定是钢制的。因为铁制的刀剑过于柔软，不可能达到象蜂刺一样的锐利程度。当时西方古罗马士兵使用的刀剑是熟铁的，在战场上交锋时一刺便弯，再刺之前非要放在地上用脚踩直不可。公元1世纪时欧洲人普利尼曾经说过：“虽然铁的种类多而又多，但是没有一种能和中国的钢比美。”可是春秋战国时期，中国人究竟是采取什么方法进行炼钢生产的呢？人们在文献资料中还没有找到记载，而考古工作者在对河北易县燕下都出土的部分钢兵器进行科学检验的时候却揭示出中国最古老的炼钢法。

我们知道，生铁、熟铁和钢的主要区别在于含碳量上，含碳量超过2％的铁，叫生铁；含碳量低于0.05％的铁，叫熟铁；含碳量在0．05％－2％当中的铁，称为钢。中国古代最早的炼钢工艺流程是：先采用木炭作燃料，在炉中将铁矿石冶炼成呈海绵状的固体块，待炉子冷后取出，叫块炼铁。块炼铁含碳量低，质地软，杂质多，是人类早期炼得的熟铁。再用块炼铁作原料，在碳火中加热吸碳，提高含碳量，然后经过锻打，除掉杂质又渗进碳，从而得到钢。这种钢，叫块炼铁渗碳钢。河北易县燕下都出土的钢兵器，都是用块炼铁渗碳钢制造的。

用块炼铁透碳钢制造的刀，虽然比较锋利，但仍然达不到能够“斩金断玉，削铁如泥”的程度。因为这种钢的质量还不够好，炼这种钢碳渗进的多少，分布的是否均匀，杂质除掉的程度，都非常难掌握，而且生产效率极低。为了提高钢的质量，中国古代工匠从西汉中期起发明了“百炼钢”的新工艺。

所谓“百炼钢”，就是将块炼铁反复加热折叠锻打，使钢的组织致密、成份均匀，杂质减少，从而提高钢的质量。用百炼钢制成的刀剑质量很高。1974年，山东省临沂地区苍山汉墓中，出土了一把东汉永初六年（公元112年）制造的钢刀，全长111．5厘米，刀背有错金铭文：“永初六年五月丙午造卅??大刀吉羊宜子孙”。“??”，即是炼的意思。这是迄今为止发掘出的最早的百炼钢类型的产品。科学检验表明，这把钢刀含碳量比较均匀，刃部经过淬水，所含杂质与现代熟铁相似。百炼钢的品种繁多，见于记载的有：“五炼”、“九炼”、“卅炼”、“五十炼”、“七十二炼”及“百炼”。炼字前面这些具体数字的特定含义，研究者一般认为是指加热的次数，即炼了多少火。北宋著名科学家沈括在《梦溪笔谈》里叙述磁州百炼钢的过程，就是连续烧锻百余次，至斤两不减为止。曹操曾命有司造“百辟刀”五把，在《内诫令》中称它们为“百炼利器”。孙权有三口宝刀，其中一口名“百炼”。蒲元为刘备造的宝刀，上刻“七十二炼”。由此可见，在三国时期，百炼钢已经相当普遍了。　　百炼钢的需要越来越大，由于它的原料块炼铁的生产效率很低，冶炼出来以后必须经过“冷化”，才能得到，所以，百炼钢的发展受到限制。为了突破这种限制，中国古代工匠又发明了一种新的生铁炼钢技术――炒钢。

炒钢，就是把生铁加热到熔化或基本熔化之后，在熔炉中加以搅拌，借空气中的氧把生铁中所含的碳化掉，从而得到钢。这种炼钢新工艺，可以在东汉末年的史籍中找到间接的描述。《太平经》卷七十二中记载：“使工师击冶石，求其铁烧冶之，使成水，乃后使良工万锻之，乃成莫邪（古代的利剑）耶。”这段话虽然没有明确提出炒钢二字，却把炒钢工艺包含进去了。因为把铁矿炼成液体，当然只能是生铁水，而在“乃后万锻”之前一定要炒成钢或熟铁才行（实际上熟铁就是含碳极低的炒钢），否则生铁是不能锻的，更甭说“万锻”了。这是一个从铁矿石炼成生铁水，再炒出钢，最后锻造成优质兵器的全过程。炒钢的发明，是炼钢史上的一次技术革命。在欧洲，炒钢始于18世纪的英国，比中国要晚1600多年。

在三国时期，炒钢还是一种新技术，大多数的冶铁匠还没有掌握它。从《诸葛亮别传》关于蒲元在斜谷口为诸葛亮铸刀，“槠金造器，特异常法，的记载中，我们可以判断：蒲元这次铸刀使用的一定是炒钢技术。另外，要想锻制出能够“斩金断玉，削铁如泥”的“神刀”，最后一道工序淬火也至关重要。所谓“淬火”’，就是先把打好的钢刀放在炉火上烧红，然后立刻放入冷水中适当蘸浸，让它骤然冷却。这样反复几次，钢刀就会变得坚韧而富有弹性了。淬火工序看起来容易，但操作起来极难掌握得恰到好处，烧热的火候、冷却的程度、水质的优劣，都有很大关系。淬火淬得不够，则刀锋不硬，容易卷刃；淬火淬过头，刀锋会变脆，容易折断；淬火淬得合适，非有极其丰富的经验不可。据《诸葛亮别传》上讲，蒲元对淬火用的水质很有研究。他认为“蜀江爽烈”，适宜于淬刀，而“汉水钝弱”，不能用来淬力，涪水也不可用。他在斜谷口为诸葛亮造刀，专门派士兵到成都去取江水。由于山路崎岖，坎坷难行，所取的江水打翻了一大半，士兵们就掺入了一些活水。水运到以后，当即就被蒲元识破了，“于是咸其惊服，称为神妙。”在1700年前，蒲元就发现了水质的优劣会影响淬火的效果，这实在是了不起的成就。而在欧洲，到近代才开始研究这个问题。

综上所述，蒲元的“神刀”是运用当时先进的炒钢冶炼技术，综合丰富的淬火经验炼成的。

　　綦毋怀文是我国南北朝时期的著名冶金家，他总结了历代炼钢工匠的丰富经验，对古代一种新的炼钢方法――灌钢法作出了突破性发展和完善，同时在制刀和热处理方面也有独特创造，为我国冶金技术的发展作出了划时代贡献。

　　但是綦毋怀文在史书上记载很少，只知道他生活在公元六世纪北朝的东魏、北齐时代，他喜欢“道术”，曾经做过北齐的信州（今四川省奉节县）刺史等。

　　据《北史》和《北齐书》记载，他曾使用“灌钢法”冶炼钢刀及利用两种淬火介质进行淬火以制作刀具。这是古代关于灌钢技术最详细、最明确的较早记载。在此之前，虽然也有少量文献有关于灌钢的记载，但都非常简略，使后人难以了解其具体含义和方法。因此可以说，綦毋怀文虽然可能不是灌钢法的最早发明者，但却是目前所知灌钢法的最早实践者和革新者，为灌钢法的发展做出了无与伦比的贡献。

　　灌钢法是我国冶金史上的一项重大成就和伟大创造，在世界冶金史上也占有突出地位。灌钢法的基本方法就是将含碳量高的熔融状态的生铁和合碳量低的熟铁合炼，使碳分逐渐扩散、趋于均匀，最后成为合碳量较高的优质钢。灌钢法的出现是我国古代劳动人民在长期冶炼钢铁的生产实践中，经过不断摸索和探讨，在总结前人丰富的冶炼钢铁知识和经验的基础上创造的一种新的高效炼钢方法。

　　我国是世界上最早使用铁的国家之一，古代劳动人民创造了许多世界性成就，为人类的发展作出了自己的贡献。 我国古代的钢铁冶炼技术和世界其他各国一样，经历了一个由低级向高级、不断发展的历史过程。春秋以前，我国的冶炼技术还处于比较原始的低级阶段，当时使用的冶铁方法称之为“块炼法”。这是由于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，不能达到铁的熔化温度，所以炼出的铁是海绵状的固体块，等到炉子冷却后就取出铁块。所以称之为“块炼法”，炼出的铁称之为“块炼铁”。块炼铁冶炼比较费时，质地比较软，含杂质多，必须经过锻打工艺才能成为可以使用的熟铁。 钢铁冶炼技术的进一步发展是“块炼渗碳钢”。出土文物表明，我国最迟在战国晚期已经掌握了这种最初期的炼钢技术。人们在锻打块炼铁和熟铁的过程中，需要不断地反复加热，铁吸收了木炭中的炭份，提高了合碳量，减少夹杂物就成为钢。这种钢组织紧密、碳分均匀，适用于制作兵器和刀具。 炼钢技术的进一步发展是“百炼钢”技术。这是人们在打制器物的时候，有意识地增加折叠、锻打次数，一块钢往往需要打打烧烧、烧烧打打，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，所以钢的质量有很大提高，主要用于制作宝刀宝剑。 在西汉中晚期，我国又出现了新的炼钢技术“炒钢”，这是在生铁冶铸技术的基础上发展起来的一种炼钢新技术。大约在春秋末期，我国就已发明了生铁冶铸技术，以后经过长时间的实践和探索，逐渐形成了利用生铁为原料的炒钢技术。其基本方法是将生铁加热成半液体或液体状态，然后加入铁矿粉，同时不断搅拌，利用铁矿粉和空气中的氧来去掉生铁中的一部分碳，使生铁中的碳含量降低，除去渣滓，控制得当，就能直接获得钢，这就是炒钢技术。这项技术的发明是炼钢技术的重大突破，它使冶铁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。炒钢的出现也大大促进了百炼钢技术的发展，人们可以以炒钢为原料，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。

　　因此大约在东汉末，我国已可能出现了炼钢新工艺“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，使这种新的炼钢方法趋于稳定，操作更加方便、实用。灌钢法同百炼法、炒钢法等炼钢方法相比有明显的优点，在高温下，液态生铁中的碳分及硅、锰等与熟铁中的氧化物夹杂发生剧烈氧化反应，这样可以去除杂质，纯化金属组织，提高金属质量。因此，灌钢法可以减少反复折叠、锻打的次数，提高劳动生产率；而且灌钢法操作简便，易于掌握，便于推广。

　　灌钢自出现以来，尤其是綦毋怀文进行了重大改进之后，在我国逐渐推广开来。南北朝时期，民间已用它制作刀、镰等；到了唐朝，灌钢得到进一步发展，特别是在今天的河北一带，许多冶炼家在使用綦毋怀文创造的冶炼工艺；到宋代，灌钢流行全国，已经取代炒钢和百炼钢，成为当时主要的炼钢方法；到明朝时，灌钢技术进一步发展，出现了新的工艺形式“苏钢”，这是灌钢的高级发展阶段；直到近现代，在安徽的芜湖、湖南的湘潭、四川的重庆、威远等地人们还在使用；可见其影响深远。灌钢的出现，为我国炼钢技术和生产的发展起了巨大的推动作用，在柑锅炼钢法发明之前，它一直是一种先进的主要炼钢方法。而綦毋怀文对灌钢工艺的发展作出了巨大贡献。

　　綦毋怀文在制刀和热处理方面同样做出了杰出贡献。他总结了前人在制刀技术和热处理方面的丰富实践经验，经过不断钻研和实践探索，创造了一套新的制刀工艺和热处理技术。他做出的刀极其锋利，能够一下子斩断铁甲30札。 在綦毋怀文之前，我国古代的钢刀大都用百炼钢制成，这样制做的刀、剑虽然性能优异锋利无比，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百炼钢制成，因此价格昂贵；如一把东汉时期的名钢剑的价钱可以购买当时供7个人吃两年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，用了三年时间。为此，綦毋怀文对制刀工艺进行了重大更新，他用灌钢法炼制的钢做成刀的刃部，而用含碳量低的熟铁作刀背，这样制成的刀具刃口锋利而不易折断，刚柔兼备、经久耐用。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和长处，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认识，在制作刀具时才能够将熟铁和钢巧妙结合起来，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。

　　我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，使用了动物尿和动物油脂作为冷却介质。动物尿中含有盐分，冷却速度比水快，用它作淬火冷却介质，淬火后的钢比用水淬火的钢坚硬；而动物油脂冷却速度则比水慢，淬火后的钢比用水淬火的钢有韧性。这是对钢铁淬火工艺的重大改进，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，以得到不同性能的钢。綦毋怀文还可能使用了双液淬火法，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介质淬火（即单液淬火）的局限。因为只用一种淬火介质毕竟难以两全其美，如果使用的淬火介质冷却速度比较快，就容易引起工件开裂、变形等缺陷；如果淬火介质冷却速度缓慢，就会使工件韧性有余，硬度不足，难以满足使用的要求。这样就需要使用双液淬火法，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，掌握起来并非易事，它需要操作者有很高的技术水平和丰富经验。既要掌握好开始淬火的温度（温度过高，淬火后工件发脆，温度过低，则硬度不够），又要掌握好从第一种介质取出的时机（实际也是工件温度）；这在当时没有测温、控温设备的条件下，完全依赖操作者的感观把握和操作技巧。綦毋怀文能在这种困难条件下掌握如此复杂的淬火工艺，实在是一个了不起的成就。

　　綦毋怀文能在140O多年前，在钢铁冶炼、制刀、淬火工艺等方面作出如此杰出的成就，是中华民族的骄傲。我国冶金技术能够在古代长期领先于世界，正是靠了綦毋怀文和千百万工匠的辛勤劳动，他们的突出贡献，为祖国赢得了荣誉，为后人所敬仰。因此，当我们研究和总结古代科学技术的伟大成就的时候，也应该记住他们的功绩。

梦溪笔谈: 炼钢

作者：谭梦溪

编者的话：现在的人都认为现代科学很发达，是古人难以想象的。但从宋朝沈括所著《梦溪笔谈》中记载的宋朝以前在天文学、数学、物理学、地理学、地质学、气象学、生物学、医药学、考古、语言、史学、文学、音乐、绘画以及财政、经济等等的发现和成就来看，事实并非如此。通过介绍《梦溪笔谈》，我们与读者分享中国古代科学的成就。

关于灌钢的技术，南北朝南齐、梁时期的医学家兼炼丹家陶弘景（约452-536年）曾有过记述：“钢铁是杂炼生??作刀镰者，生指生铁，??指熟铁，这就是灌钢。北齐的道士纂母怀文也是较早的灌钢的实践者之一。据说他“造宿铁刀，其法烧生铁精，以重柔铤，数宿则成钢”。

南北朝发明的这一灌钢技术，在宋朝已成为主要的炼钢方法之一。这在《梦溪笔谈》中有详尽的描述，沈括将它比做洗面筋，非常形象。

现在世上的钢铁，是将熟铁条屈曲地盘绕着，把生铁块嵌在盘绕着的熟铁条之间，用泥把炉密封起来烧炼，待炼成后再加锻打，将它们锻炼在一起，称为“团钢”，也叫“灌钢”。这其实是假钢，靠的是生铁的硬度，再炼二三次，生铁就炼熟了，就成了软铁了。天下人没觉得这有什么不对，是因为不知道什么是真钢。我曾到过磁州的锻坊，在那儿观察炼铁过程，才知道什么是真钢。铁中的钢，就象面中的筋，软面不断淘洗，面筋才显现出来。炼钢是一样的道理，用精铁，锻炼百多次，每锻炼一次后，称重都会轻一些，直到锻炼到重量不再减了，就是纯钢了，再怎么炼重量也不会减了。钢是铁中精纯的部份，颜色干净明朗，打磨光后，显青黑色，和一般的铁很不同。也有的铁炼光了也不见钢，这取决于铁的产地了。

〖原文〗《梦溪笔谈》(卷三　辨证一)：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之“团钢”，亦谓之“灌钢”。此乃伪钢耳，暂假生铁以为坚，二三炼则生铁自熟，仍是柔铁。然而天下莫以为非者，盖未识真钢耳。余出使，至磁州锻坊，观炼铁，方识真钢。凡铁之有钢者，如面中有筋，濯尽柔面，则面筋乃见。炼钢亦然，但取精铁，锻之百余火，每锻称之，一锻一轻，至累锻而斤两不减，则纯钢也，虽百炼不耗矣。此乃铁之精纯者，其色清明，磨莹之，则黯黯然青且黑，与常铁迥异。亦有炼之至尽而全无钢者，皆系地之所产。 ”