现代科学技术研究了古印度的“乌兹钢”,发现它的含碳量在2%左右。用扫描电镜观察以后,竟然发现其中有很多的碳化三铁的颗粒,还有一些碳纳米管和纳米级的碳化铁结构。神奇的印度人,总是给人带来意想不到的惊喜!
【大马士革钢制成的锋利的刀刃。】
以前一般认为中国古代的青铜器很发达,冶铁技术来自西方,但最新的考古证据表明世界上最早炼出的生铁(cast iron)来自中国南方,在江苏省南京市六合区出土了一颗用生铁球做的艺术品,它来自公元前五世纪,当时这里属于吴国。这种生铁的碳含量大于2%,同样很脆,不能用来做兵器的刀刃,主要用来做铁犁和铁质容器。中华农耕文明如此发达,铁犁功不可没。
【产自南京六合的生铁球。】
南方的吴越文明在学会铁器技术后迅速发达起来,吴越先后成为霸主,轮番挑战中原各国,也将先进的冶铁技术带到中原。
并没有足够的证据表明吴越文明已经将铁器用于武器,当时最有名的铸剑师是来自吴越的欧冶子以及他的徒弟干将、莫邪,他们铸造的绝世名剑只在传说之中,现已无从考证。有人指出一些史料记载欧冶子已经开始铸造铁剑,并给越、楚等国的士兵大规模供给装备,但现在出土的春秋战国时期的兵器仍然以青铜器为主。也可能是因为铁剑容易锈蚀,不易留存下来;还有可能是秦始皇收天下铁器,铸以为金人十二。
【浙江湖州莫干山上干将莫邪的雕塑。】
到了汉朝,出现了最早的炼铁高炉,铁匠们用黏土砌成很高很厚的墙壁,形成一个密闭空间,这样的设计使炉内温度接近铁熔点,再加入一些含磷矿石提高铁的流动性,帮助熔融状态的铁和炉渣分离。这种高炉可以连续生产,跟窑炉相比无疑提高了效率,因而可以用于大规模生产。
铁匠们发现,过高的温度会让生产的铁更脆,缺乏韧性,现在我们知道这是因为炉内温度超过铁的熔点,碳也溶解到铁水中,就只能得到高碳的生铁。铁匠们通过精密的设计和控制比例、通风,可以让温度恰好在铁熔点之下,这样就可以得到更纯的铁,碳含量在0.05%以下,这就是熟铁。相比于硬而脆的生铁,熟铁很软,不能用作兵器,但延展性很好,可以被打造成铁丝、铁板,还可以用来跟生铁一起炼钢。
这种高炉炼铁方法一直到15世纪才传播到西方,英国人改进了这种方法,用焦炭取代木炭,产出的铁杂质更少,效率更高。
【《天工开物》里的配图:中国的高炉炼铁方法。右图展示了从铁矿石生产生铁块的过程,左图展示了