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大馬士革鋼

發布日期:2012-03-02

1. 大馬士革鋼的起源

  關于大馬士革鋼的起源說法甚多,目前較為多數人接受的是印度伍茲wootz(公元前五世紀至八世紀)說。由于地理位置的關系,在直到公元十七世紀(也有說到十三世紀)歐洲地區的煉鋼技術都落后于東方,大馬士革(現敘利亞地區)由于處于東西方的交通要道,長時期又是重要的商貿城市,來往歐洲、中東地區的商人總是從大馬士革出發或經過,將wootz鋼或刀劍帶到歐洲。大馬士革鋼因此而得名,其重要的識別標志就是花紋,歐洲人把它叫作結晶類大馬士革鋼。

  世界各地區后來由于武器制造鍛打技術的發展,分別無傳承的發展出鍛打花紋鋼的技術。原因是簡單的。古代不能直接煉鋼(溫度不夠),鐵礦石燒熔出來的是海綿鐵,就象58年大煉鋼鐵時煉出的那種東西,除含碳量高-7%以上,還有大量雜質,必須將它退火直到可以鍛打,鍛打起三個作用,一是除雜質,二是焊接,三是脫碳。當時人限于知識有限,只從實踐中知道加熱鍛件后反復鍛打可以清除雜質,但鍛打后必須折疊焊接,沒有焊接鍛件最終只能變成薄片,但鍛打焊接只能在一定溫度下進行。但多次加熱鍛件會逐步脫碳,含碳量小于2%就成了現在所謂的鋼了,如果繼續加熱鍛打,鋼脫碳到含碳量小于0.1%就會變為所謂熟鐵,鍛打過程中鍛件各部分清除雜質程度不同、或退火溫度差異加上多次折疊最終在制成品表面生成花紋,其實這是由于鋼質不均勻造成的,特別是摻雜了熟鐵后花紋更加明顯。這就產生了所謂鍛打花紋鋼,由于有花紋這個顯著標志,當時歐洲把鍛打花紋鋼也稱為大馬士革鋼,歐洲人也把它稱作鍛打大馬士革鋼。

  其實按照現代研究,所有的wootz鋼(其實是可鍛生鐵)工藝根本沒有秘密可言,包括中國漢代熟鐵夾白口鐵鍛打生產的水紋鋼技術-退火處理+鍛打焊接技術和日本鋼(和中國古法相同,按時間順序,非常大可能得自中國,有興趣的刀友可看范文瀾著《中國通史簡編》中關于中國古代冶金技術部分,都有史書記錄)

  歐洲地區自己生產出質量好于wootz類大馬士革鋼的鋼材是從大約十七世紀開始,由于瑞典的Vendel地區發現大量品位較適合煉鋼的鐵礦,瑞典逐步成為當時歐洲的高級鋼生產中心(直到現在,瑞典仍然是世界主要的高級工具鋼生產國之一)在歐洲鍛打類大馬士革鋼幾乎全部取代wootz類大馬士革鋼,wootz 鋼幾乎徹底從冷兵器制造中消失。到十九世紀末人們就必須搶救這種技術了。

  大約從十八世紀后期開始,歐洲流行起增強花紋的技術,通過鍛打過程中不同材質鋼材疊加、凸模、切割等技術使花紋更加明顯,這種技術產生的大馬士革鋼叫作模式(Pattern)大馬士革鋼。大馬士革鋼有點向裝飾方向靠攏,也給人留下大馬士革鋼只適合工藝用途的印象。特別是當大馬士革鋼用于槍管、炮管制造時由于火藥燃燒產生的化學反應,槍膛內不同材料的變化不同,槍管內阻力迅速增加,嚴重影響使用,更加深這種印象。大馬士革鋼開始第二次衰落。

  其實對于刀劍類冷兵器來說,鍛打類大馬士革鋼的產生就是因為可以有較高強度的同時增強韌性而產生的附加效果,例如中國、日本古代的夾鋼刀劍及多層鍛打水紋鋼就是即有高硬度、強度又有好韌性的例子。大馬士革鋼從開始就是高質量為目標的產物,花紋不過是其顯示標志罷了,通過不同材質鋼結合在一起使其適用于高硬度、強度同時要求高韌性仍然在現代工業中廣泛應用。

  到二十世紀末,一種新興的大馬士革鋼又開始出現,這就是粉末冶金模式大馬士革鋼。它的生產是由于要制造不銹鋼大馬士革鋼而產生的。(通常所說的不銹鋼有兩大類,鉻不銹鋼和鎳不銹鋼,鎳由于對動物有明顯的致癌作用,許多領域無法應用,且自然儲量小,價格高,除特殊場合外其普及性遠小于鉻不銹鋼,在上世紀美國、歐洲禁止在與人有密切接觸的材料中使用含鎳材料后,鎳不銹鋼的產量及需求開始明顯減少。)人們除希望找到生產新一代高質量的工具鋼,同時還具有不銹鋼及大馬士革花紋。但鉻不銹鋼大馬士革鋼卻無法鍛打生產,原因是鍛打類大馬士革鋼要求分層焊接,但鉻不銹鋼加熱生成的鉻氧化物熔點高于其本身,而鍛打焊接去除各層間氧化層的原理是鍛件加熱到氧化層熔點溫度以上,低于鍛件熔點溫度時通過鍛打將熔化的氧化物打出各層間隙實現。如果氧化層熔點溫度高于鍛件熔點,則氧化物阻礙焊接實現。因此生產鍛打類高鉻不銹大馬士革鋼只有兩條出路:或者是找到能夠降低氧化物熔點的助料,或者是絕氧鍛打。這兩點到目前為止都沒有找到適宜的方法。

  但上世紀開始的粉末冶金技術又用到了第四代大馬士革鋼的生產上,上世紀七十年代初期,瑞典和美國發明了粉末冶金技術。八十年代末期,美國和瑞典的研究人員試驗成功將兩種高鉻粉末金屬分別分層累加,然后高溫高壓固結的技術,繞過鍛打這一步驟直接生產出分層不銹鋼,此后粉末冶金大馬士革不銹鋼就只剩下如何使它具有花紋的工作了。這些研究成果導致瑞典人九十年代初開始生產不銹鋼大馬士革鋼。由于粉末冶金具有材料的高度均勻性、組成高合金鋼的各個成分可精確控制等特點,可以比傳統冶煉的同類鋼材有更高強度和硬度,他們要解決的問題是選擇兩種或更多種具有相近的熱工效應但有明顯的酸化反應材料。相同的熱工效應保障熱處理或鍛打(不含焊接)出模式大馬士革鋼,酸化反應差異大保障產品可以經過酸化處理生產強烈對比的花紋。從原理上來將,這種技術可以將幾乎任何兩種熱工效應類似的金屬制成大馬士革“金屬”。






2. 大馬士革鋼分類表

  a. 結晶類

  伍茲鋼 (wootz)

  特點:高含碳量,含碳量超過2%,屬于可鍛白口鐵,局部硬度可達HRC70,韌性差

  b. 鍛打類

  鍛打大馬士革鋼(forged)包括中國、日本的鍛打水紋鋼等

  特點:分層折疊鍛打,花紋不明顯

  模式鍛打大馬士革鋼(pattern forged)所有使用增強花紋模式的鍛打大馬士革鋼

  特點:同上,但花紋較規則明顯,有些純用于裝飾,比如國外有些很漂亮的模式鍛打大馬士革鋼是高碳鋼+鎳20,甚至有用銀、銅等有色金屬加碳鋼的。已經完全不能作為刀具了

  c. 粉末冶金鍛打模式大馬士革鋼(PM pattern forged)

  特點:同上,不銹鋼,由于成本問題,向兩個方向發展,裝飾及刀具。其中刀具用材只選擇高級工具鋼組合,同時擁有高的強度、硬度、韌性及花紋。

  注 1:國內有些人認為粉末冶金材料不如成分相同的普通冶金材料,這是非常嚴重的錯誤,由于粉末冶金的特點,材料局部缺陷控制、均勻性控制等方面比普通冶金高一個數量級。因此它的強度、耐磨性、硬度、韌性、鋒利等方面都超過成分相同的普通冶金材料。如果今天有人研究出和普通冶金成本相同的粉末冶金技術,普通冶金技術會象化油器汽車發動機幾年內永久退出歷史舞臺。萬一那天失傳,將來也許會有人搶救這種技術,但目的不會是因為它好,而是...

  注2: 也許是我在國外較長時間,受西方影響不小,我不相信九斤老太的說法,我認為人類文明是在不斷進步的,如果九斤老太這類人的話是真的,現在我們最好呆在樹上,或干脆回到水里去,就為了...安全。

  注 3:粉末冶金模式大馬士革鋼仍然是一種鍛打鋼材,不過沒有鍛打焊接過程,但使用間接加熱高壓高溫絕氧狀態固結及熱擠壓工藝制成板材或棒材,再經過鍛打制出花紋。但不銹、花紋、高硬度、強度同時作為設計目標,在前兩個目標的制約下,根據木桶理論,它作為整體很難達到組成它的各項粉末鋼材最好的硬度和強度、耐磨等指標。一般只能是中間范圍罷了。

  注4:有人將wootz鐵蛋子賣到挺高價格。其實58年大躍進時煉了不少這玩意,有的鄉下還能找到,就是現在有些鑄鐵廠生產鑄件時質量控制不好澆口也可能產生白口鐵,那東西硬的很,當初我當鉗工時常需要給鑄件打毛刺,碰到白口鐵有時把扁鏟打圓了也打不出個坑。記得壇子里還是什么地方看到過一個法國專家描寫的古代人給wootz蛋退火的內容,想象來挺好笑的...一個黑黑的印度人守在正加熱的wootz蛋旁邊,隔會兒拿小錘敲敲看快孵出小雞沒(看看是否可以鍛打,大約是含碳量降到7%以下了),古代人的行為好理解,現代人就沒必要了,除非想重新過下癮,否則建議去鑄鐵廠,買塊白口鐵,已經沒有什么雜質了,退火后鍛打功夫可以省些,真的可以生產出快趕上硬質合金硬度的東西,就是加工費些事,比較脆,夾在軟鋼里可以成為硬度很高的刀(比現在作刀最硬的粉末冶金S60V都硬)。


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