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大马士革钢

发布日期:2012-03-02

1. 大马士革钢的起源

  关于大马士革钢的起源说法甚多,目前较为多数人接受的是印度伍兹wootz(公元前五世纪至八世纪)说。由于地理位置的关系,在直到公元十七世纪(也有说到十三世纪)欧洲地区的炼钢技术都落后于东方,大马士革(现叙利亚地区)由于处于东西方的交通要道,长时期又是重要的商贸城市,来往欧洲、中东地区的商人总是从大马士革出发或经过,将wootz钢或刀剑带到欧洲。大马士革钢因此而得名,其重要的识别标志就是花纹,欧洲人把它叫作结晶类大马士革钢。

  世界各地区后来由于武器制造锻打技术的发展,分别无传承的发展出锻打花纹钢的技术。原因是简单的。古代不能直接炼钢(温度不够),铁矿石烧熔出来的是海绵铁,就象58年大炼钢铁时炼出的那种东西,除含碳量高-7%以上,还有大量杂质,必须将它退火直到可以锻打,锻打起三个作用,一是除杂质,二是焊接,三是脱碳。当时人限于知识有限,只从实践中知道加热锻件后反复锻打可以清除杂质,但锻打后必须折叠焊接,没有焊接锻件最终只能变成薄片,但锻打焊接只能在一定温度下进行。但多次加热锻件会逐步脱碳,含碳量小于2%就成了现在所谓的钢了,如果继续加热锻打,钢脱碳到含碳量小于0.1%就会变为所谓熟铁,锻打过程中锻件各部分清除杂质程度不同、或退火温度差异加上多次折叠最终在制成品表面生成花纹,其实这是由于钢质不均匀造成的,特别是掺杂了熟铁后花纹更加明显。这就产生了所谓锻打花纹钢,由于有花纹这个显著标志,当时欧洲把锻打花纹钢也称为大马士革钢,欧洲人也把它称作锻打大马士革钢。

  其实按照现代研究,所有的wootz钢(其实是可锻生铁)工艺根本没有秘密可言,包括中国汉代熟铁夹白口铁锻打生产的水纹钢技术-退火处理+锻打焊接技术和日本钢(和中国古法相同,按时间顺序,非常大可能得自中国,有兴趣的刀友可看范文澜著《中国通史简编》中关于中国古代冶金技术部分,都有史书记录)

  欧洲地区自己生产出质量好于wootz类大马士革钢的钢材是从大约十七世纪开始,由于瑞典的Vendel地区发现大量品位较适合炼钢的铁矿,瑞典逐步成为当时欧洲的高级钢生产中心(直到现在,瑞典仍然是世界主要的高级工具钢生产国之一)在欧洲锻打类大马士革钢几乎全部取代wootz类大马士革钢,wootz 钢几乎彻底从冷兵器制造中消失。到十九世纪末人们就必须抢救这种技术了。

  大约从十八世纪后期开始,欧洲流行起增强花纹的技术,通过锻打过程中不同材质钢材叠加、凸模、切割等技术使花纹更加明显,这种技术产生的大马士革钢叫作模式(Pattern)大马士革钢。大马士革钢有点向装饰方向靠拢,也给人留下大马士革钢只适合工艺用途的印象。特别是当大马士革钢用于枪管、炮管制造时由于火药燃烧产生的化学反应,枪膛内不同材料的变化不同,枪管内阻力迅速增加,严重影响使用,更加深这种印象。大马士革钢开始第二次衰落。

  其实对于刀剑类冷兵器来说,锻打类大马士革钢的产生就是因为可以有较高强度的同时增强韧性而产生的附加效果,例如中国、日本古代的夹钢刀剑及多层锻打水纹钢就是即有高硬度、强度又有好韧性的例子。大马士革钢从开始就是高质量为目标的产物,花纹不过是其显示标志罢了,通过不同材质钢结合在一起使其适用于高硬度、强度同时要求高韧性仍然在现代工业中广泛应用。

  到二十世纪末,一种新兴的大马士革钢又开始出现,这就是粉末冶金模式大马士革钢。它的生产是由于要制造不锈钢大马士革钢而产生的。(通常所说的不锈钢有两大类,铬不锈钢和镍不锈钢,镍由于对动物有明显的致癌作用,许多领域无法应用,且自然储量小,价格高,除特殊场合外其普及性远小于铬不锈钢,在上世纪美国、欧洲禁止在与人有密切接触的材料中使用含镍材料后,镍不锈钢的产量及需求开始明显减少。)人们除希望找到生产新一代高质量的工具钢,同时还具有不锈钢及大马士革花纹。但铬不锈钢大马士革钢却无法锻打生产,原因是锻打类大马士革钢要求分层焊接,但铬不锈钢加热生成的铬氧化物熔点高于其本身,而锻打焊接去除各层间氧化层的原理是锻件加热到氧化层熔点温度以上,低于锻件熔点温度时通过锻打将熔化的氧化物打出各层间隙实现。如果氧化层熔点温度高于锻件熔点,则氧化物阻碍焊接实现。因此生产锻打类高铬不锈大马士革钢只有两条出路:或者是找到能够降低氧化物熔点的助料,或者是绝氧锻打。这两点到目前为止都没有找到适宜的方法。

  但上世纪开始的粉末冶金技术又用到了第四代大马士革钢的生产上,上世纪七十年代初期,瑞典和美国发明了粉末冶金技术。八十年代末期,美国和瑞典的研究人员试验成功将两种高铬粉末金属分别分层累加,然后高温高压固结的技术,绕过锻打这一步骤直接生产出分层不锈钢,此后粉末冶金大马士革不锈钢就只剩下如何使它具有花纹的工作了。这些研究成果导致瑞典人九十年代初开始生产不锈钢大马士革钢。由于粉末冶金具有材料的高度均匀性、组成高合金钢的各个成分可精确控制等特点,可以比传统冶炼的同类钢材有更高强度和硬度,他们要解决的问题是选择两种或更多种具有相近的热工效应但有明显的酸化反应材料。相同的热工效应保障热处理或锻打(不含焊接)出模式大马士革钢,酸化反应差异大保障产品可以经过酸化处理生产强烈对比的花纹。从原理上来将,这种技术可以将几乎任何两种热工效应类似的金属制成大马士革“金属”。






2. 大马士革钢分类表

  a. 结晶类

  伍兹钢 (wootz)

  特点:高含碳量,含碳量超过2%,属于可锻白口铁,局部硬度可达HRC70,韧性差

  b. 锻打类

  锻打大马士革钢(forged)包括中国、日本的锻打水纹钢等

  特点:分层折叠锻打,花纹不明显

  模式锻打大马士革钢(pattern forged)所有使用增强花纹模式的锻打大马士革钢

  特点:同上,但花纹较规则明显,有些纯用于装饰,比如国外有些很漂亮的模式锻打大马士革钢是高碳钢+镍20,甚至有用银、铜等有色金属加碳钢的。已经完全不能作为刀具了

  c. 粉末冶金锻打模式大马士革钢(PM pattern forged)

  特点:同上,不锈钢,由于成本问题,向两个方向发展,装饰及刀具。其中刀具用材只选择高级工具钢组合,同时拥有高的强度、硬度、韧性及花纹。

  注 1:国内有些人认为粉末冶金材料不如成分相同的普通冶金材料,这是非常严重的错误,由于粉末冶金的特点,材料局部缺陷控制、均匀性控制等方面比普通冶金高一个数量级。因此它的强度、耐磨性、硬度、韧性、锋利等方面都超过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术,普通冶金技术会象化油器汽车发动机几年内永久退出历史舞台。万一那天失传,将来也许会有人抢救这种技术,但目的不会是因为它好,而是...

  注2: 也许是我在国外较长时间,受西方影响不小,我不相信九斤老太的说法,我认为人类文明是在不断进步的,如果九斤老太这类人的话是真的,现在我们最好呆在树上,或干脆回到水里去,就为了...安全。

  注 3:粉末冶金模式大马士革钢仍然是一种锻打钢材,不过没有锻打焊接过程,但使用间接加热高压高温绝氧状态固结及热挤压工艺制成板材或棒材,再经过锻打制出花纹。但不锈、花纹、高硬度、强度同时作为设计目标,在前两个目标的制约下,根据木桶理论,它作为整体很难达到组成它的各项粉末钢材最好的硬度和强度、耐磨等指标。一般只能是中间范围罢了。

  注4:有人将wootz铁蛋子卖到挺高价格。其实58年大跃进时炼了不少这玩意,有的乡下还能找到,就是现在有些铸铁厂生产铸件时质量控制不好浇口也可能产生白口铁,那东西硬的很,当初我当钳工时常需要给铸件打毛刺,碰到白口铁有时把扁铲打圆了也打不出个坑。记得坛子里还是什么地方看到过一个法国专家描写的古代人给wootz蛋退火的内容,想象来挺好笑的...一个黑黑的印度人守在正加热的wootz蛋旁边,隔会儿拿小锤敲敲看快孵出小鸡没(看看是否可以锻打,大约是含碳量降到7%以下了),古代人的行为好理解,现代人就没必要了,除非想重新过下瘾,否则建议去铸铁厂,买块白口铁,已经没有什么杂质了,退火后锻打功夫可以省些,真的可以生产出快赶上硬质合金硬度的东西,就是加工费些事,比较脆,夹在软钢里可以成为硬度很高的刀(比现在作刀最硬的粉末冶金S60V都硬)。


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