古代冶金：中国河南汉代铁器的金相普查

北 京 栩 铁 举 院 学 报 年第 期 河 南 汉 代 铁 器 的 金 相 普 查 科研处冶金史组 执笔 邱 亮辉 摘 要 我国古代钢铁技未有重要 的发现和独特的体系 。 考古 发掘铁器 的金相考察 , 是认 识我国古代钢铁技术的重要手段 。 本文根据文物保护的要 求 , 改进金相检验方法 , 对河南出土 的 件铁 器进行金相普查 , 其中有 件是 汉代铁器 。 根据普查的结 果 , 对 汉代钢铁生产 的产品类型 、 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 技术和生产流程提出 自己的看法 , 对古 代生 铁 的冶铸、 炒钢和银造 、 脱碳铸铁和铸铁脱碳钢 、 展性铸铁及其球墨组织 等问题进 行初步的探讨 。 金相普查为深入 研究汉代铁器刻造 了条件 。 我国商周时期曾经使用陨铁器物 〔 〕一 〔 〕。 春秋时期开始炼铁并且进入铁 器时代 〔一 〕。 由于生铁冶炼及其柔化处理技术的发明 , 战国时期铁器的使月特 别是铁农具的使用 日 益广泛 。 秦汉时期封建国家的统一 , 促进 了冶铁生产的发展 , 逐渐形成我囚独特的钢铁冶金 技术体系 〕。 河南在我国早期冶铁技术史上占有重要的地位 。 战国时期以冶铁称著的宛玛 〔二、 邓师 、 棠溪 、 龙渊都在今河南省境内 。 河南仓城和告成两处战国铸 铁遗址已有相 当的规模〔 〕。 公 元前 年西汉政府实行盐铁官营 , 全国设铁官 处 , 有六处在今河南省境内〔 〕。 当时总 管全国盐铁业的盐铁垂孔仅就在南阳地区“大鼓铸 ”。 据记载 “宛孔氏之先 , 梁人也 , 用冶铁 为业 。 秦伐魏 , 迁孔氏南阳 , ⋯ ⋯大鼓铸 , 家致富千金 ” 〔 〕。 东汉南 阳太守 杜诗制造水 排 , 并用于鼓铸 , “ 用力少 , 见功多 , 百姓便之 ” 〔 〕。 可 见南卜地区冶铁业之兴旺发达 。 河南省境内象南阳地区这样的冶铁旅地还有不少 。 目前已经发现的河南汉代冶铸铁器的遗址 有十五处之多 , 遗址面积从儿万平方米到十几万平方米 。 如 年发掘的郑州古荣镇汉代冶 铁遗址面积约十二万平方米 , 是汉代河南郡官营第一冶铁作坊 , 简称 《河一 》〔 〕。 年 发掘的巩县铁生沟汉代冶铁遗址而积二万多平方米 , 是汉代河南邵官营第 二冶吠 作坊 , 简称 《河三 》〔 〕。 年发拟的南阳瓦房庄汉代铸铁遗址面积约十三万平方米 , 是汉代南阳郡 官营第一铸铁作坊 , 简称 《阳一 》〔 〕。 此外 , 汉代弘农郡的宜 〔 〕、 绳 也〔 〕、 颖川翔‘ 的阳城〔 〕、 南阳郡的比阳 〔的等处 , 从文献记载和出土实物可以判定曾设有冶铸作坊 。 这些冶铁遗址出土文物的科学考察 , 可以增加对古代冶铁技术的了解 。 过去对古代铁器 进行考察的数量较少 , 如 一 肠 年河南辉县固围付发掘五座大型魏墓出土战国铁器 件 〔 〕, 仪有六件进行过金相考察〔 〕。 解放初期出土大批战国两汉铁器〔 〕, 有 件进行 〕生 金相 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 〔 〕。 年以来对较多的 占代铁器进 行分析 , 发现了春 伙战囚时期的块炼训、 、 万寿 铁 、 展性铸铁 和钢剑 〕, 渗碳钢及其淬火工艺 〔 〕, 两汉时期的脱碳铸铁 、 炒钢 、 铸 铁脱碳钢 、 灰 口铁 、 带有球墨的展性铸铁等 〕一〔 〕。 其中对燕下都出土铁器 、 满城汉墓 铁器 、 淹池容藏铁器 、 南阳瓦房庄遗址铁器进行批量较大的分析和考察 。 从地区来看 , 对河 南省的汉代冶铁技术进行比较集中的研究 〕, 取得了对古代冶铁技术全面的认识 。 最近 , 我们同河南省和郑州市博物馆合作 , 对河南出土 件铁器进行第一 次铁器表面 的金相普查 , 对告成战国铸铁遗址 〕、 铁生沟汉代冶铁遗址 〕和古荣汉代冶铁遗址 〕 出生的铁器 , 凡是没有全部锈蚀的都做了金相分析 , 以期对汉代冶铁一般生产流程 、 铁器的 冶炼和铸造 、 炒钢和锻造 、 脱碳铸铁和铸铁脱碳钢 、 展性铸铁和球墨展性铸铁等有进一步了 解 , 并为深入取样的研究提供线索 。 一 、 汉代冶铁一般生产流程 汉代冶铁的生产流程缺乏文献记载 , 除对遗址进行研究分析外 , 通过金相分析研究金属 的组织可以了解到铁器类型 , 进而推测其生产工艺和生产流程 。 但金相方法通常需要取样 , 才能充分取得科学资料 。 然而为了确定生产流程 , 需要对尽 一 可能多的铁器进行金相鉴定 。 为 此 , 必须从保护文物出发 , 减少对文物的取样 。 用表面金相分析方法 , 对文物进行不取样的 初查和筛选 , 以便减少取样分析 。 经过反复试验 , 利用牙科牙钻改装成磨样抛光机 , 在铁器 表面诱层 以下 毫米深处磨出 平方毫米左右的平面 , 经过抛光就可以直接在金相显微镜 下观察 。 当然这种观察的结果只反映文物表面的组织 。 这对于内外组织均匀的文物来说 , 不会影 响检验结果的准确性 , 而对于组织不均匀的文物 , 只能代表其表面组织状况 。 例如 , 对铁生 沟遗址出土 件铁器进行表面金相普查 , 并对其中 件进行取样复核和研究 , 其结果表明 , 件铁器中有 件和普查结果相符 , 件对普查结果有所补充 见表 。 表 铁生沟铁器两种检验结果的分析 文物名称 表面金相检验结果 取样金相 分析结果 原 因 分 析 铁箭傲 , 铸铁脱碳钢 展性铸铁 表面脱碳没有团絮状石墨 , 普查时看做铸铁脱碳钢 故表面金相 一 墨铁 铸性 球展铁价 ’ ’ , 铸铁脱碳钢 铁撅齿 , 铸铁脱碳钢 脱碳铸铁 铁钟 , 自 口 铁 脱碳铸铁 铁片 ‘ , 自 口 铁 灰 口 铁 球状石墨出现在心部 , 表而金相 济六没 有发现 , 故判为铸铁脱碳钢 表面系共析组织 , 心部仍为莱氏体组织 , 故表面金相普查看到的是表面组织 因锈蚀较深 , 表 迈去锈后直接看到心部 白口铁 铁片有可能主要是灰 口 铁 , 局部地区有 自口 铁组织 卜 表 说明认器内部和表面组织差异越人 , 农而沙查和取 样分析结果越不一致 。 山此可见 表面普查的结果只有相对的意义 。 利用这种方法 , ‘ 对河南古荣和铁生沟汉代冶铁遗址和王湾 、 东史马等汉代窖藏铁器 件进行表面金相普查 。 检查结果见表 。 普查的汉代铁器品种较全 , 但铁兵器较少 , 农具 、 工具占绝大多数 。 撅 、 铲 、 锄 、 铎 、 插 、 镰等农具 件 , 约占检验铁器总数的 。 普查发现的金相组织主要有白口铁 、 灰 口 铁 、 麻 口铁 、 展性铸铁 少量带有球墨 、 脱碳铸铁 、 铸铁脱碳钢 、 炒钢等七个类型 。 原始 的块炼铁工艺 , 即铁矿石在低温固体状态下直接还原的产品几乎没有 。 灌钢工艺 即后来史 书 〔 〕一〔 〕上记载的 , 把一定比例的生铁烧化溶滴在熟铁之间 , 通过加热锻打 , 使成为碳 分均匀的钢 , 因为它的金相组织特点尚未搞清楚 , 暂时区分不出来 。 表 汉代铁器金相普查结果 耘 一 丽 一 撅 阔 ⋯铀 厉轴承 翅 削 、 钉 一盯刀百智犷 一 球状石墨 “ ‘ ,‘ ⋯ ⋯ ⋯ 翻 ’一珠光泳董 ’ ’ ⋯ ⋯ 万不刃 — , 铁素体型 ‘” ‘ ⋯‘ ‘ ” ” ”脱碳淞 , 小 一 厂司 ⋯ 。 炒 钢 卜 ⋯下叮 一 门 卜卜下 一 】⋯不一 计 ,‘ ‘臼飞 一 ⋯ 。。 普查的汉代铁器中 , 白口 铁 、 灰 口 铁 、 麻 口 铁系铸造产品 , 共计 件 , 约 占检验铁器总 数的 。 展性铸铁 、 脱碳铸铁 、 铸铁脱碳钢则是铸造白口 铁退火的产品 , 总共 件 , 约 占 。 炒钢是另一种工艺类型的产品 , 即生铁加热到半熔化状态 , 吹入空气炒炼成钢的工 艺 。 炒钢产品 件 , 约占 。 以上各类产品几乎都经过铸造 , 可见铸造工艺在汉代冶铁技 术中占有较为重要的地位 。 从各种工艺生产的铁器数量来判断 , 汉代冶铁的基本工艺是 生 铁冶铸一脱碳退火 。 它比欧洲十八世纪前冶铁生产中普遍采用的块炼铁一锻造工艺 , 无论在 生产效率上或者质量上都优越得多。 应当指出 , 生铁炼钢是冶金生产技术的重大发明 。 在这以前炼钢的原料是块炼铁 , 它在 木炭中加热到 ℃以上长期保温 , 或者锻造时在木炭中反复加热 , 碳渗透到铁中 , 使之成 钢 , 叫做块炼渗碳制钢法 , 简称渗碳钢 〔 〕。 由于块炼铁生产工艺复杂 , 大大限制了炼钢生 产的发展 。 铸铁脱碳成钢和生铁炒炼成钢的技术划时代地开辟了以生铁为原料炼钢 的 新时 期 。 因为生铁比块炼铁容易生产 , 产量很大 , 生产效率高 , 成本低廉 , 使钢的工具和兵器的 广泛使用成为可能 , 对整个社会生产力的提高有显著的作用 。 根据以上汉代的冶铁工艺 , 按照生产的先后顺序 , 参考 考古 发掘 的冶铁设施和作坊布 局 , ‘ 可以推测其一般生产流程大体如表 所示 。 表 ‘ 汉代冶铁作坊一般生产工艺流程 仁巫亘 一 一画纽生⋯⋯一 ⋯二二厂 一 二下 ⋯ ‘ 低碳钢 , 锻造 ———— 】 一 — 分 寸六铸铁脱碳钢 ⋯, —— ’ ‘一燮望望一一 成 品 止亡,卫卫 户⋯﹄卜 咔匣巫 画一巫一一 珠珠光体展性铸铁铁 铁铁素体展性铸铁铁 球球墨展性铸铁铁 一一今 今︸ ︷白口铁一 一亘区 ⋯ 一图朋圈圈一土囚困个︷回园一 牵 一周朋澎一·曰旧同图一个一恩圈周一 今咔 一采矿一一烧炭一 二 、 生铁的冶炼和铸造 铁器普查结果表明 , 生铁的冶铸是汉代最重要的冶铁技术 。 , 卜 我国是世界上冶铸生铁最早的国家 。 迄今 出土 可以确定为春秋时期的铁器有十件左右 〔 〕。 其中铸铁有长沙识字岭 号墓出土的铁镭 〔 〕, 杨家山“ 号墓的鼎形器 、窑岭 号墓铁 鼎 和六合程桥 号墓出土的铁丸 〕等 。 由于年代久远 , 铁器锈蚀很严重 , 对它做金相鉴定 是很困难的 。 柯俊首先在程桥铁丸的锈层中发现生铁所特有的莱氏体共晶组织的残迹 图一 , 本文附图均见图版 。 随后又发现洛阳水泥厂工地出土战国初期的铁铸是铸铁 , 并且经过脱 碳退火热处理成为韧性较好的 、 能够用于实际生产的铁器 〔 〕。 战国中期的兴隆铁范也是铸 铁的产品 〔 〕。 铁范的使用说明当时铸铁生产的广泛性 。 燕下都战国晚期墓出土一批铁器 , 不少是铸铁产品 〕。 登封告成战国遗址有大量白口铁铸件 图二 , 巩县铁生沟大约有 件汉代白 口铁 图 今裕弃 , 这些 白口 铁中共晶白口铁约占一半 。 过共晶和亚共晶各占四分之一左右 。 它绝大部分 妙羚 ‘ ” 一 ’ 、 一 ” ’ 一 ” ” 一 ” , · 一 一 护 · 一 沁 攘扮东从 , 」卜,乓石 飞笋 · 才泛少」找万 丫睁‘二 八 认 , 用来制作撅 、 铲 、 锄 、 烨等农具 , 除了犁铎可以直接作为成品外 , 其余很可能是作为热处理 的原料。 正因为白口铁既可做成品 , 又可做原料 , 所 以铁器普查中白口铁多到约占普查铁器 总数的四 分之一 。 灰 口铁是含有片状石墨的铸铁组织 , 铸造性能好 , 凝固收缩时体积变化小 , 适合铸造各 种器物 。 目前经过鉴定的最早的灰 口铁是公元前 年满城汉墓出土的轴承 铁钢 , 它的金 相组织是片状石墨均匀地分布在珠光体的基体上 图四 。 由于灰 口铁中石墨有润滑作用 , 做轴承 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 是很适宜的 。 铁器的金相普查中 , 约有 的灰口铁 。 除了做轴承外 , 还用来做铁撅和铁板等材料 。 , 铁板 , 石墨片较细 , 基体以珠光体为主 , 兼有少量铁素体 图五 。 山东莱芜出土汉代铁范的金相组织 图六 和满城汉墓出土的铁犁的金相组织都兼有白 口铁和灰 口铁两种组织 , 是谓麻 口铁组织 。 麻 口铁的机械性能也介于自口铁和灰 口铁之间 。 这次铁器普查中发现麻 口铁四件 , 有撅 、 釜 、 浇 口铁等 。 铁生沟 , 铁器的麻 口铁组织如 图七 。 普查的铁器中有铸造生铁 件 , 其中白口铁占 , 灰 口铁 , 麻 口铁 。 显然前 两种是比较成熟的工艺 , 而麻口 铁很可能是生产白口铁和灰 口铸铁中偶然得到的产品 。 这批 铸造生铁中有代表性的铁器化学成分 如表 。 表 河南汉代铸铁成分 文 物 名 称 碳 ⋯硅 ’ 锰 磷 金相组织 白口铁 灰 口铁 麻 口铁 ‘一︸。月勺刀潇任,,月 ⋯ 八︸八八︸日︵日︸今自,曰,︼,‘,土叮‘八“,自月任山,自 ⋯⋯ 一八残铁铲 铁生沟 , 残铁板 铁生沟 , 残铁器 铁生沟 , 生铁板 铁生沟 生 铁 古 荣 铁 板 古 荣 铁 板 古 荣 。 麻 口铁 灰 口铁 一曰,工办︸,工八‘八 ⋯ 八﹄︸ 以上化学成分分析结果表明 , 古代铸铁一般含碳较多 , 含硅较低 。 这是冶炼温度较低造 成的 。 同时 , 据以上和另外约 件古代铁器成分分析〔。〕的结果 丧明 , 古代铁器 含硅一般不 超过 , 个别的达到 左右 , 比现代铸铁特别是灰 口铁的含硅量低得多 , 是冶炼温 度较低的佐证 。 破和 硅都是促进石墨化的元素 。 古代铸铁中含碳较多 , 有利 于铸铁的石墨 化 , 而含硅较低则又不利于石墨的形成 。 与现代生铁比较铸铁 含磷偏高 , 金相观察有明显的 磷共晶 。 含磷偏高 , 一方面可以提高铁水流动性 , 改善铸造性能 , 另一方而 含磷过高会造成 冷脆 。 古代铸铁中含硫等杂质较少 , 这是木炭炼铁的结果 。 汉代冶炼生铁的高炉形式多样 。 铁生沟冶铁遗址有圆形炼炉六座 , 炉缸直径 一 米 , 残高 米左右 。 古荣冶铁遗址有椭圆形炼炉两座 , 东西并列 , 间隔 米 。 炉缸呈椭 圆 形 , 现存南北长轴 米 , 东西短轴 米 图八 。 炉底还有残存的铁块和因炉底耐火材料 烧 裂而流入缝中的铁 。 炉壁残高 米 , 炉后壁厚 米 , 两侧壁厚 肠米 图九 。 古荣炼铁炉周围清理出炉内积铁块及烧结炉料九个 。 其中最重的两块铁块 各 又 多吨 , 呈椭圆形 , 一 民轴 氏 米 , 短轴 民 一 米 , 底厚不均 妓厚处 米 , 址 沐处 任米 图十 。 炉底粘结有耐火材料。 积铁块的形状 、 大小与一号炼炉炉缸底部基本相符 。 据此 推测它是一号炼炉停炉后 , 冻结的炉底积铁 。 值得注意的是积铁一侧有一根铁柱 , 断面呈扁 圆形 , 直径约 米 , 向外倾斜 与积铁平面呈 。 角 , 高约 米 。 铁柱下部和积铁粘结一 半 七部分叉 , 很 可能是风 口 以下的炉内结瘤 。 结瘤上部含碳只有 , 下部含碳 , 说明铁在下降过程中逐渐渗碳而成生铁 。 硅 含量上部为 , 下部 , 从一个侧面反 映炉内温度的变化 图十一 。 从结瘤高度和各部位成分推算炉子高度约 米 。 估计高炉炉 客可达 立方米左右 。 鱿 从大 量未经燃烧的炉料来看 , 炼铁燃料是栗木烧成的木炭 , 火力足 , 灰分少 , 强度大 , 适于炼铁 。 古代炼铁炉旁残留 立方米的铁矿石堆 。 据分析 , 含铁 , 氧化硅 , 氧 化侧拓 , 氧化钙 , 氧化镁 , 氧化锰 , 硫 , 磷 , 属于含 铝较高 、 含铁较富的赤铁矿 。 这些矿石经过破碎筛选 , 粒度大都在直径 毫米左右 , 适合当 时高炉冶炼的需要 。 炼炉附近有不少破损的鼓风管 , 陶管内径 毫米 , 外层是草拌泥 , 大都经过高温 烧烤。 但未发现鼓风器 。 据记载 , 战国 以来川牛皮或马皮做的囊鼓风 〔 〕一 〔 〕。 山东出土 汉代画 像石的冶铁图绘出了囊的形状 〔 〕。 三 、 炒钢和锻造 汉代生铁冶炼技术已经发展到较高的水平 。 在展性铸铁制造的墓础上 , 古代铁工发明了 把生铁炒炼成熟铁或钢的新工艺 。 这种工艺把生铁放在特定的炒钢炉内加热 , 使呈半熔融状 态 , 边吹空气边搅拌 , 空 ‘口扫氧和生铁充分接触 , 生铁的含碳量因城化而逐渐下降 , 变成熟 铁或不同含碳 准的钢 , 生铁 , 一 ,所 含硅 、 锰等元索城化后生成硅酸盐夹杂 。 捉高 一 钢的生产效 率 , 上 改湃 一 ’ 臼可的质量 。 炒钢 ’艺生产铁器的金相特点 , 最早是从山东苍山出土东汉姗炼环首大刀和洛阳 西晋徐 美人墓出土铁刀的金相研究中得到的 〔 〕。 环首钢刀全 一 长 厘米 , 刀背上有错金铭文 “永初六年五月丙午造姗谏大刀吉羊宜子孙 ” 〔 〕。 说明大刀造于公元 年五月丙午 , 金 相组织均匀 , 由很细的珠光体和少量铁素体组成 , 含碳量约在 。 一 之间 , 刃部经过淬 火 , 有马氏体组织 。 夹杂物系硅酸盐 , 成分比较均匀 , 含氧化亚铁很少 。 炒钢的夹杂物比生 铁及其柔化产韶为多 , 一般金相观察是很容易区别的 。 而块炼铁的夹杂是以氧化亚铁和硅酸 盐共晶为主 , 其成分 也有差别 , 利用电子探针它和炒钢是可 以区别的 。 汉代铁器金相普查中发 现炒钢 件 , 占普查铁器的 左右 。 产品类型多为镣 、 剑 、 钉 、 环等小锻件 。 其金相组织 分为铁素体型 、 铁素体一珠光体型 、珠光体型三种 。 铁生 沟出土的 , 铁环 图十二 , 属 犷铁素体型 。 品粒均 匀 , 直 径约 微米 , 炒炼以后经反复锻扫 , 停锻温度较高 。 ’ , 铁剑 是 铁素体一珠光体塑 以铁素体为上 炒钢 图十止 。 采 铁撅刃部是品粒较细的珠光体 型炒钢 图十四 , 品粒度 一 级 , 含碳 一 , 图十四下部靠近铁撅的基体和刃部的 另一侧均为铁素体组织 。 有可能是炒炼得到的熟铁锻打成撅 , 然后刃 口贴钢 也是炒炼得到 的高碳钢 。 之灯弋关于炒钢的记载很少 , 但 , 以找到一些 句接的描述 。 《太平经 》曾记载 “ 使 几师 击冶石 , 求其铁烧冶之 , 使成水 , 乃后使良工万 锻之 , 一 少成莫邪 ” 〔的 。 这里 “ 求其铁烧冶 之使成水 ” , 当时能烧成水的只能是生铁 , 而不 ,刁 ‘ 能是块炼铁或者钢 。 而生铁性脆不 能 ‘ , 蚕飞 六 ‘ , 了 , 厂 一几‘ 泣缸 、访「 。, 二 “ 使良工万锻之 ” 。 因此 , 可能的解释只能是从矿石炼出铁水 , 炒炼成钢 , 反复锻打成优质 的钢器 。 稍后的著作中有两道关于炒钢的算术题 一是用 斤生铁炼黄铁 即熟铁 , 每 升耗 两 即损耗 , 计算结果是炼出黄铁 斤 两 , 二是用这些黄铁再炼成钢铁 斤 两 株 丝 , 、 损耗率 〔 〕。 明代宋应星对炒钢有极其细致的描述 “凡铁分 生熟 、 出炉未炒则生 , 既炒即熟 , 生熟相和 , 炼成则钢 ” , “若道熟铁 , 则生铁流出时 , 相 连数尺内低下数寸 , 筑一方塘 , 短墙抵之 , 其铁流入塘内 , 数人执持柳木棍排立墙上 , 先以 污潮泥晒干 , 春筛细罗为面 , 一人疾手撒艳 , 众人柳棍疾搅 , 既时炒成熟铁 , 其柳木棍每炒一 次 , 烧折二三寸 , 再用则又更之 。 炒过稍冷之时 , 或有就塘内斩划成方块者 , 或有提出挥推 打圆后货者 ” 〕。 直到解放初期炒钢技术在河南 、 山西一带还很流行 。 这些后来的记载和 实践 , 对我们理解汉代炒钢技术不失为重要的参考材料 。 铁生沟汉代冶铁遗址中有 “ 低温炒钢炉 ” , 结构比较简单 图十五 。 筑炉时地下挖成 “击底 ” 形状的坑 , 四周 围用耐火材料夯筑作为炉膛 , 有鼓风管相通 。 推测当时的使用情 况 , 可能如下 将嫩料点燃 , 升温后加入碎铁料 , 强力鼓风 , 将铁熔融 , 利用空气或加入一 些铁矿粉作为氧化剂 , 用棍搅拌 , 降碳成钢 。 取出锻打 , 挤出大部分渣滓 , 制成一定形状的 铁器使用 。 汉代类似的炒钢炉在南阳瓦房庄 、 方城县等地冶铁遗址也有发现 。 我国炒钢技术的发明比欧洲早约 。年 , 炒钢技术在欧洲 世纪中叶始于英国〔 〕, 是 钢铁史上的一项重要革新 。 马克思曾经指出 “ 当大规模工艺在英国兴起的时候 , 发现了将 焦碳冶炼的生铁炼制成具有展性熟铁的方法 , , 这个炒钢技术 “ 由于煤和铁是现代工业的重 要因素 , 怎么样也不致于夸大这项革新的重要意义 ” 〔的 。 四 、 脱碳铸铁和铸铁脱碳钢 铸造生铁特别是白口铁 , 在使用中容易脆断 。 古代铁工们根据实践经验创造了在窑内退 火的技术 。 这种窑就慢慢转变为退火窑 , 甚至变成象铁生沟遗址发掘的那种相当先进的退火 炉 以前叫反射炉 图十六 。 它的先进性主要表现在燃烧室 、 烟道和炉膛分隔开来 , 使 燃烧产生的氧化性炉气和炉膛的铸件不直接接触 , 既可以减少铸件表面的氧化损失 , 又可以 缓慢升温 , 有利于铸件的金属组织转变 。 这种退火炉的先进性还表现在炉膛四壁和炉底都有 烟道 , 因而炉膛温度分布比较均匀 , 有利于成捆的铸铁件退火脱碳 , 并且得到柔化质量大体 均匀的产品 。 铸铁脱碳工艺一般是在特定的退火窑 炉 内 , 把铸铁件加热到一定温度 ℃ , 在固体状态下进行不同程度的氧化脱碳 , 可以得到脱碳铸铁和高碳钢 、 中碳钢和低碳钢 , 这 种工艺的特点之一是退火脱碳时基本不析出石墨 , 或者只在晶粒间界析出很少很细的石墨 。 特点之二是钢中夹杂物很少 , 这是因为它保留了生铁夹杂少的优点 , 而没有块炼铁和炒钢那 样多的夹杂物 。 我们把表面脱碳而中心仍为莱氏体组织的产品称为脱碳铸铁 , 把铸件整个断 面都脱碳成为钢的组织 尽管它含碳不均匀 的产品称为铸铁脱碳钢 。 最早的脱碳铸件是洛阳博物葫在洛阳水泥厂工地发掘出土的战国初期的铁铸 。 铸巳大部 锈蚀 , 妻部残留部分金属 , 经金相检验表面有 毫米左右的铁素体 、 珠光体带 , 内部是莱氏 体组织 。 珠光体带的边部含碳量有所降低 。 大冶铜录山古矿冶遗址出土铁锄的金相组织 , 中 心是过共晶莱氏体组织 , 两边是粗大的铁素体柱状晶组织 , 两种组织之间有 微米左右亚共 析过渡带 。 告成战国铸铁遗址出土 咒铁锄 , 中心是具有粗大一次渗碳体的莱氏体组织 , 边缘是共析组织 图十七 , 以上说明战国时期就有脱碳铸铁的产品 。 汉代铁器金相普查发现脱碳铸铁 件 , 包括撅 、 铲 、 锄 、 桦 、 插等农具和工具 , 占普查 铁器总数的 。 考虑到铁器普查只能观察其表面金相组织 , 因此 , 不排斥铸铁脱碳钢中还 有内部保留莱氏体组织而成为脱碳铸铁的可能 。可见脱碳铸铁实际的相对产量应当高于 。 铁生沟 , 铁桦心部是莱氏体共晶组织 , 两边是片间距很细的共析 、 亚共析和铁素 , 捧组织 , 各组织之间的过渡带比较明显 图十八 古荣出土铁铲的金相组织 , 在莱氏体和珠 完体之间过渡层很薄 , 表明它是通过在奥氏体成分范围很窄的较低温度下 即稍高于 ℃ 、 退火得到的 。 由于退火时间较长 , 局部地区还有石墨析出 。 这说明有的脱碳铸铁可能是展性 巴 “ 铸铁生产中因退火时间不足 , 未能析出石墨而得到的半成品 。 这两类产品在工艺上分得清 , 在金相组织上则难以区分 。 铁生沟 , 铁撅齿的金相组织中 , 脱碳的共析组织和莱氏体 组织之间没有明显的分界 , 形成犬牙交错的状态 , 而且其共析组织中部分碳化物球化 图十 九 。 脱碳铸铁因表面脱碳 , 韧性提高 , 使铸铁的性能得 以改善 。 特别是用于铁铸 、 撅 、 锄 、 桦 、 镭等农具 , 使用时有很大的优越性 。 因为这种铁器具有心部硬 , 表面软的特点 , 在工具 的刃部 , 使用时表面磨损 , 露出锋利的刃 口能够保持铁器锋利耐用的优良性能 图二十 。 过去对古代铸铁脱碳钢的了解很少 。 自从绳池汉魏窖藏铁器的金相检验中发现这种工艺 以后 〔 〕, 在满城汉墓 〕, 大葆台汉墓 〔 〕, 南阳遗址 〕, 铁生沟 〔 〕, 和古荣遗址 中陆续发现这种工艺生产的钢 。 最近我们在登封告成战国铸铁遗址发现成批早期铸铁脱 碳钢 检验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 待发表 。 这批铸铁脱碳钢以铁素体型的低碳钢居多 , 也有含碳比较高的 。 告成 , 铁撅锈蚀严重 , 氧化层较厚 , 金相组织为铁素体 , 有明显的加工形变的铁素体晶 粒 , 可能是脱碳后经过锻打的 图二十一 。 晶内硅酸盐夹杂很少 , 一些氧化铁夹杂是长期 埋藏在地下锈蚀所致 。 汉代铁器金相普查发现铸铁脱碳钢 件 , 占普查铁器的 , 绝大部分是撅 、 铲 、锄 、 钟 、 镭等农具 。 铸铁脱碳钢分为低碳钢 , 中碳钢 , 高碳钢三种类型 。 铁器的金相普查表明这 · 三种类型各占三分之一 。 从图二十二可以看出 铁撅以坚硬的高碳钢为主 , 铲 、 锄 、 镭以韧 性很好的低碳钢为主 , 烨 、 凿以强度较高的中碳钢为主 。 这些组织和铁器所要求的使用性能 大致符合 , 说明这种工艺是比较成熟的 。 铁生沟 , 铁铲和 , 铁锄是铁素体型的脱碳钢 , 含碳 以下 , 晶粒平均直径约 微米 。 铁生沟 , 铁铮也是珠光体型的脱碳钢 , 它 单担织不够均匀 , 夹杂物极少 , 边部有铸造缺陷 , 是典型的脱碳钢 图二十三 、 二十四 。 铁 生沟出土铁撅齿是珠光体和铁素体类型的脱碳钢 , 铁素体面积占 一 , 碳化物部分球化 图二十五 。 通过铁器的金相普查 , 使我们对铸铁脱碳钢工艺在我国古代冶铁技术中的重 要地位和作用有了新的从识 。 铸铁脱碳钢要求退火过程中不析出石墨 。 钢的脱碳程度与器件尺寸 、 退火温度和时间相 关 。 一般说来 , 退火温度越高 , 时间越长 , 脱碳越完全 。 同一退火窑内各个部分的温度不均 匀 , 往往得到不同含碳量的脱碳钢 。 因此 , 同一种用途的铁器常常有不同的组织 。 铸铁脱碳钢由于粗大夹杂物很少 , 性能良好 , 它可以成批生产 , 虽然需要较长时间的退 火 , 但总的生产效率较高 , 在不具备铸钢条件的古代 , 这种工艺实际上得到了类似铸钢的产 · ’ 品 , 对钢工具的广泛使用有重要的贡献 。 ‘ 价 五 、 展性铸铁及其球墨 汉代铁器金相普查结果表明 , 展性铸铁是生铁柔 化处理的另一 种索要产品 , 它共有 件 约占普查铁器总的 , 主要是一些铁撅 、 铸 、 铲 、 锄 、 哗 、 插 、 背等农具和工具 。 目前经过检验的最早的展性铸铁是洛阳出土战国初期的空首铁锄 吮 〕。个相检验 证明它是 自口铁经退火得到的展性铸铁 , 从体为纯排素体 , 有比较完善的团絮状退火石墨 。 这种展性 铸铁在战国中晚期 已被广泛用于农具 、 兵器 。 如长沙出土的战闰铁铲 〔 〕, 辉县 固围村战国 墓出土的铁器 〕, 易县燕下都 号墓出土的战国铁撅 , 蹲〔 〕, 郁是展性铸铁 。 河南泥池出土窖藏铁器 〔的 , 南阳遗址 〔 〕和铁生 沟 、 古荣遗址出土大批汉魏铁 器也具 有展性铸铁组织 。 铁生沟 , 铁锄是以铁素体为基体的展性铸铁 , 石墨分布不均匀 , 局部 地方石墨偏聚 图二十六 。 , 铁桦是以珠光休和铁素休为从体的展性铸铁 , 团絮状 石墨直径约 一 微米 , 有的地方成串分布 图二十七 。 , 铁铲是以珠光体为基体的 展性铸铁 图二十八 。 普查的 件汉代展性铸铁中铁素体和珠光体基体各占一半左右 。 展性铸铁的现代生产工艺要求铁水含有较多的碳和硅等石墨化元素 , 铸造时快冷得到自 口铁 。 把它加热到 一 ℃ , 保温一段时间后 , 缓慢降温到 一 ℃长期退火 。 黑心展性 铸铁是在氧化性介质巾进行的 , 退火过程中除发生石墨化过程外 , 还发生脱碳过程 , 使得铸铁 中大部分碳被氧化掉 , 所 以断 口 是黑 色的 。 总的石墨化处理的退火时间 , 需要 一 天 以上 。 铁生沟 , 铁镑的石墨团絮较好 , 直径约 微米 , 石墨周围是铁素体组织 , 但莱氏 休组织中碳化铁显然没有分解完 图二十九 。 展性铸铁在欧洲的发现和使用是在 。年以 后 〔 〕, 当时得到的是具有珠光体基体及团絮状石墨组成的 “ 白心 ” 或“ 欧洲式 ”展性铸铁 。 由铁素体从体和团絮状石墨组成的 “ 黑心 ” 或 “ 美国式 ” 展性铸铁在二 一 · 世纪首先出现于美 国 。 然而这两种展性铸铁在我国战国时期 , 即公元前五世纪左右就 已经 出现 , 比欧洲早 一 二千 二百多年 。 在古代展性铸铁巾观察到球状石墨这一瓜大发现是柯俊与洛阳 船舶材料研究所 林春荣等 同志 , 在 年检验绳池汉魏窖藏铁器时发现的 。 在 号铁斧的妻部取样 , 平均厚约 毫米总长 毫米的 形稗面上发现约 颗球状石墨 , 其直径约 微米 图三十 ‘ 用定量金 相方法测定含碳量表明 凳部内表面基休含碳最最低 , 约 , 外表而则为。 一 。 年笔者对河南省博物甜提供的铁生 沟遗址出土汉代铁撅的检验中又发现石果球化很好的 古代铸铁 , 秦文秀等同志担任金相检验工作 〔 〕, 球状石墨具有辐射结构 , 在 倍视场下 观察平均有球墨 一 个 , 石墨分布均匀 , 其平均直径约 微米 。 墓体含碳不均匀 , 中心 含碳较高 , 平均含碳 左右 图三十一 。 为了促进对铸铁中球墨形成机理的研究 , 改进 现代展性铸铁和球墨铸铁的生产 , 我们曾将样品和全部资料送交铁道部戚墅堰工 艺研究所进 行 分析 。 他们做了深入的检查 , 认为铁撅的球化率符合现代一机部 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 一类 级 , 并月提出 球果有可能是退火得到的观点 〔 〕。 据传我们委托戚墅堰研究的样 异,又被转交给佛山球铁研 究所研究 。 随后我们还将另一块样品送交郑州机械研究所研究 。 我们希望有更多的科学 一 ’作 者来研究这种古代铸铁的球墨生成过程 。 最近对铁生沟铁器的普查中 , 又发现 , 铁锈含有球墨 。 球墨分布在中心 , 平均直径 。 微米 , 在 倍视场下观察有 一 个 , 球墨有辐射结构 。 基体是含碳不均匀的亚共析组织 图三十二 。 在古荣遗址铁器中发现 , 出土的 号一字插和采 号铁撅都是石墨球化 很好的古代铸铁 〔 〕, 石墨球的平均直径约 微米 , 球内具有辐射状结构 图三十三 , 在 倍视场下有球墨 一 个 , 分布均匀 , 球化良好 。 一 ‘ 炙锅 从休为珠 光体、图只十四 。 铁撅基体是铁素体和珠光体组织 图三十五 。 令人感兴 趣的是铁生沟和古荣遗址发现不少展性铸铁中出现部分球化很好 的 石墨 。 如 , 铁凿是部分球化石墨的展性铸铁 , , 铁器是球化较好的团块状石墨 。 古荣 采 尽 号铁撅等都是这一类产品 。 它 明显的表明这些球墨是在生产展性铸铁的退火过程中形成 的。 古荣采 号铁撅具有为数不多的球状石墨 , 直径约 微米 , 石墨有放射结构 , 而幕体仍 为莱氏体组织 图三十六 。 这是白口 铁退火生成球墨的又一个有力的佐证 。 铁器普查表明古代铸铁中球墨出现的比率只有 , 不可能是古代一种成熟的冶铁工 艺 , 而是古代生产展性铸铁时偶然得到的产品 。 现代球墨铸铁是在 年经过大量系统的研 究工作以后发现的 。 研究者曾受到展性铸铁中偶而出现的球状石墨的启发 〕。 如果 以上发 现发生在 年以前 , 必然会引起世界冶金界的震动 , 并且导致球墨铸铁这一重大技术的提 早发明 。 当然 , 现在发现这些球墨对我们研究石墨球化的机理和改善展性铸铁工艺仍有重要 的现实意义 。 ⋯ 河南汉代铁器普查的工作尚未结束 , 对重点的文物正在进一步取样研究 。 我们深深地感 谢河南省博物箱和郑州市博物馆对我们的支持和合作 。 木文由 ‘ 庄亮辉 执笔 , 金相工作由柯俊教授指导 , 刘建华 、 姚建芳等同志参加 。 注 释 ‘、护、,护、户沪月产 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 七色 〕 〔奋 ’ 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〕 爪 片 〔 〕 宕子 《关 一 几夔城商代铜诚铁刃的分析 》, 《考古学报 》 年第 期 。 《北京市平谷县发现商代墓葬 》, 《文物 》 年第 期 。 《 一 》, , 《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展的探讨 》, 《考古学报 》, 年第 期 。 《关千中国开始冶铁和使用铁器的问题 》, 《文物 》 年第 期 。 《中国历史上的钢铁冶金技术 》, 《 自然科学 》 卷 第 期 。 《中国冶金简史 》, 科学出版社 年 。 《史记 · 礼书 》, 《荀子 · 议兵篇 》。 河南省博物甜资料 。 《汉书 · 地理志 》。 《史记 · 货殖列传 》。 《后汉书 · 杜诗传 》。 《郑州古荣镇汉代冶铁遗址发掘简报 》, 《文物 》 年第二期 。 《巩县铁生沟 , 文物出版社 年 。 《南阳瓦房庄 》, 文物出版社待出版 《南阳汉代铁工厂发掘简报 》, 《文物 》 年第 期 。 《汉金文录 》, 《小校经阁金文拓木 》等著录有 “ 宜 ” 字铲 , 当系宜阳冶铁作坊 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〔 〕 〕 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〔 〕 产品 。 《绳池县发现的古代窖藏铁器 》, 《文物 》 年第 期 。 《汉书 · 地理志 》 “ 阳城有铁官 。 ” 中国历史博物馆收藏铁犁有隶体 “ 比阳 ” 铭文 , 推想冶铁作坊应设在泌阳县境内。 《辉县发掘报告 》, 科学出版社 年 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剥之若紊 。 ” 《汉画象石冶铁图说明 》, 《文物 》 年第 期 。 《山东苍山发现东汉永初纪年铁刀 》, 《文物 》 年第 期 。 《太平经 》卷 。 、月沪、沪口匀丹内声‘沪、 、沙、声甲‘吸几户、矛 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 《夏侯阳算经 · 称轻重 》。 《天工开物 , 卷 五金篇 。 , 年版 , , 转译 自《资本论 》英文版第一卷 由 编译的 年附录 , ” 反 。 一 , , , 矛 见 , , 一 。 《古代冶金技术的取大发现 —西汉铸铁中的球墨 》 , 《光明 日报 》 年 月 日。 《汉代铁裤的金相检查及其制造工艺的讨论 》, 《球铁 》 年第 期 。 , , 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 〕 〔 〕 〔 〕 〔 〕 《夏侯阳算经 · 称轻重 》。 《天工开物 , 卷 五金篇 。 , 年版 , , 转译 自《资本论 》英文版第一卷 由 编译的 年附录 , ” 反 。 一 , , , 矛 见 , , 一 。 《古代冶金技术的取大发现 —西汉铸铁中的球墨 》 , 《光明 日报 》 年 月 日。 《汉代铁裤的金相检查及其制造工艺的讨论 》, 《球铁 》 年第 期 。 , , 图七 铁生沟汉代遗址出 工几 厂, 铁器的麻 口 铁组红 火 图八 古尔汉代遗 址一号高炉炉缸 残迹 炉底 炉缸前壁 炉缸底部渗入的 铁 个 炉缸残壁 理理生二二竺竺竺 已 色色 一 月月月 咧咧片卞, 钾‘。卜卜卜卜 门门门门门门门门尸 ‘一理理 区习 耐 火 医习粘土加炭末和矿石扮 图九 厂荣 一 号 佰炉 炉缸残迹示意图 习十 一号高炉炉底积铁 炉底积铁 , 凹部 可能 是风 口 出铁 口 炉内结瘤 、、 口 口 萝吓贡、、 户‘少亡亡亡 州州匕户一一 , , 八八 图十一 一号高炉炉底积铁剖面图 图十二 铁生沟汉代遗址 , 铁环的炒钢夹杂和组织 图 一 · 四 杯 产 沟汉代遗 卜采 铁撅 的炒钢组织 火 图十三 铁生沟汉代遗址 ‘ , 铁剑的炒纲到啤之 红烧上 图 卜 杭 铁 , 三沟汉代 处万 内 少 ‘ ,〕” , 又奋 冬 ‘ ‘ 洁 侧曰 图十七 告成战国遗址出土 图十八 铁生沟汉代遗址出土 , 铁锄的脱碳铸 铁组织 铁烨的脱碳铸 铁组织 图 于九 铁生沟汉 万选址出上 一 , 饮撅 齿的脱碳铸 铁 坦织 人一 八 洲而 闷闷闷 图二十 脱碳铸 铁器物使用时保持许利刃 口 示 恋图 图二十一 告成战囚遗址 出土 , 铁撅的铸 铁 脱碳钢组织 检 查 狱 。 盆 袂璐 图二 一 二 不同 ‘产种铁器的 金相红织类型和检验铁器 数量的关系 珠光体型 豁知 铁素体型 图二十三 铁生沟汉代遗址出上 ‘ , 图二十四 铁生沟汉代遗址出土 , 铁桦的铸 铁脱碳钢组织 边部 铁锌的铸铁脱碳钢组织 图二十 铁 , 二沟汉代遗址出土铁撅 齿的 匆二 一 铁生沟汉代遗址出土 , 铸 铁脱碳钢组织 铁锄的韧性铸铁组织 图二十八 铁生沟汉代遗址出土 , 铁铸的韧性铸 铁组织 铁铲的韧性铸铁组织 图二十九 铁生沟汉代遗址出 , 铁铸的韧性铸铁组织 莱 氏体未完全分解 图三十 绳池汉魏窖藏 号铁斧及其球墨组织