我国材料热处理技术的发展史（三）

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　　宋元时期古代工匠除了采用百炼钢技术以外，还采用了熟铁和生铁合炼的技术。“团钢”和“灌钢”技术，实际上都属于液体渗碳制钢法。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中描述了团钢的制备方法，是“用‘柔铁'盘屈之，乃以‘生铁'陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢”。液体渗碳与固体渗碳比较，有渗速快、渗层厚度均匀和产品质量稳定等的优点。具有冶炼生铁坚实基础的中国古人独创了以熔融生铁为渗碳剂的液体渗碳方法，极大地推进了我国古代的钢铁制造业。液体渗碳究竟始于何时，目前尚不清楚，很有可能《吴越春秋》描绘的“三百人鼓橐装炭，金铁乃濡”就是液体渗碳的开端。采用液体渗碳方法制取“灌钢”的技术可能很早，西晋的张协有“楚之阳剑，欧冶所营，乃炼乃烁，万辟千灌”。这里所谓“灌”，可能指的是“灌钢”，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。这是我国古代热处理技术的一项独创性的成就。
　　明清时期，中国古代工匠采用了许多热处理技术。有关的记载很多。如明代宋应星的《天工开物》、明代方以智的《物理小识》、清代徐寿基的《续广博物志》和清代陈克恕的《篆刻缄度》等。这时期我国工匠在淬火的控制火候上也有所发明，如采用预冷淬火。预冷淬火对减小刀具的畸变、提高刀具的强韧性有益处。明代宋应星的《天工开物》中有对采用预冷淬火技术制蹉的记载：“以已健划成纵斜文理，划时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。”其中“退微冷”，就是预冷淬火工艺。
. E5 i5 N3 o& G8 \2 w/ `$ J: F　　在化学热处理方面，在应用液体渗碳方法制钢方面又有了很大进展，这时采用所谓的“生铁淋口”技术，生产的钢材被称为“苏钢”。宋应星在《锤锻》篇中提及采用液体渗碳法对锄具进行表面处理的工艺。锄用“熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。”可以看出，该工艺是将锄具在熔化生铁中渗碳，目的是使其表面成为高碳钢，经淬火后得到马氏体而强化。在固体渗碳处理上采用焖熬法固体渗碳工艺。明代宋应星的《天工开物》中记载了一种焖熬法固体渗碳技术，他写道：“凡针，先锤铁为细条。用铁尺一根，锥成线眼，抽过条铁成线，逐寸剪断成针。先蹉其末成颖，用小槌敲扁其本，刚锥穿鼻，复蹉其外。然后入釜，慢火炒熬。炒后以土末松木火矢、豆豉三物罨盖，下用火蒸。”可知当时的渗碳是在釜中进行的，采用釜外供热方式，固体渗碳剂中松木火矢是一种木炭，同书有说明火矢是木材经“不闭穴火”所获产物，是主要的渗入剂：豆豉也是含碳物质是辅助渗入剂：土末是分散剂，对防止含碳物质的相互黏结和炭黑的析出有一定的作用。这与当今的装箱固体渗碳方法如出一辙。固／液渗碳处理不同于固体或液体渗碳，它是以固态物质为骨架或载体、液态物质为渗剂的渗碳方式。最常见的固／液渗碳工艺是膏体法渗碳，是将含碳物质混和于粘性物质中，形成膏体，涂于工件表面，在后续的加热处理中，碳渗入工件表面。为了要在涂膏中获得液相，一般在膏体中都要添加盐类，盐在600-900℃经常呈熔融态。《便民图篡》提及：“羊角、乱发俱煅灰，细研，水调，涂刀口，烧红，磨之。”羊角、乱发经煅烧后主要成分为氧化钙、碳酸钙和未充分燃烧的生物角质，这些物质含碳。其中氧化钙、碳酸钙主要是被用作为载体，而未充分燃烧的生物角质为含碳渗入剂。明代《物理小识》“器用类?淬刀法”中干脆用未经煅烧的生物角质为含碳渗入剂：“一以羊角，乱发为末，调傅刀口，不必蟾酥而自然灰埋也。”其中羊角、乱发是主要的含碳物质，含碳量高于其灰；“蟾酥”为癞蛤蟆皮下的汁液，是生物油脂，油脂不仅可做黏结剂，也可做渗碳剂：“自然灰”主要成分是碳酸钠。看来此工艺开始时的关键是以蟾酥为添加剂，以后发展成以自然灰为重要添加剂的工艺。这两种添加剂都是很必要的，自然灰的应用是一个明显的进展，不仅因为自然灰来源相对广泛，更重要的是因为碳酸钠具有明显的碳原子的催渗效果。现在液体化学热处理常用碳酸钠作为渗碳促进剂，在膏体中亦有其催渗效果。
　　至迟到宋代，中国传统的金属箔的制造业已很成熟。在《天工开物》、《绘事琐言》等古籍中均有记载，即将金片初锻后，层层叠入特制的乌金纸，扎成束，加以锻打和退火。其中间退火处理，可能是连同乌金纸一起置于炭炉中，在约100℃的温度下加热，以消除加工硬化。其最终退火处理是利用锻造的余热，将金片连同乌金纸缓慢冷至室温。因创造性地采用乌金纸间隔、扎束锻打和退火的独特工艺，才得以制作比国外更薄更均匀的金箔。除金箔外，中国古代还有关于银箔的记载。银箔主要用于器物的装饰。元代陶宗仪《南村辍耕录》中载：“凡器作什物，以金薄或银薄依银匠所用纸糊罩，置金银薄在内，逐旋细切取。铺已，旋漆上，新绵揩拭牢实。”锡箔是用量很大的金属箔，其最大的用途是制作纸钱和装饰。关于锡箔的制造在古籍中也有报道。其加工制作也是采用层层叠合锻打和退火，不同的是古人可能认识到了锡的表面易形成隔层(即氧化层)，因此不采取金属片之间采用纸间隔的办法。此后，又开发了蒸汽退火加热技术。用蒸汽加热可使温度控制在略高于100℃，既可获得很高的延展性，又可避免锡箔过度氧化。
　　从近代起，我国传统冶铁术已无法满足市场需要，尽管仍有地方生产“灌钢”或“苏钢”，如在安徽的芜湖、湖南的湘潭、四川的重庆、威远等地人们还在使用这一传统技术，但在全国范围内，这一传统的液体渗碳制钢法不再成为制钢主要手段。我国的钢铁一方面依靠进口，另一方面开始建立近代化的钢铁厂。从1868年开始，相继建成福州船政局铁厂、江南机器制造总局炼钢厂、汉阳铁厂汉冶萍煤铁厂分公司、民族资本和兴铁厂、扬子机器公司铁厂本溪湖煤铁股份公司钢铁生产厂，这些工厂不仅生产生铁和熟铁，还可提供大量的钢材。这时积累长期经验所形成的传统热处理技术仍在金属加工中发挥重要的作用。采用熔融生铁作为渗碳剂的液体渗碳法的表面处理技术还有所发展，这些方法通常称为“擦生”或“擦镝”，其具体处理方法在不同地区还有许多种。在江西采用的是类似于宋应星描述的“生铁淋口”技术，河北、山西、内蒙等地区采用的是“擦渗”法，东北地区则采用“铺渗”法，福建、广东则更像是“煮渗”法。在淬火及回火的工艺控制方面已很成熟，如民间在淬火剂的选择上和进行钢铁控冷自回火方面发展了很多技巧，如“淬黄火”和“淬白火”等。在刀剪制造行业中也逐渐建立了某些名牌商号，包括北京王麻子和杭州张小泉等，尽管他们不知刀剪的内部组织结构，但他们在长期的实践中总结出来的工艺技巧，使其能达到性能控制的目的，从而生产的刃具坚韧、耐用。焖熬法固体渗碳方法已成为渗碳的重要技术，在近代被华中和华北地区的工匠所采用，他们所用的“釜”是铁锅，制备的钢被称为“焖钢”。