烏茲鋼（化學材料）

烏茲鋼（化學材料）

烏茲鋼 （化學材料） 次瀏覽 | 2022.09.08 10:12:06 更新 來源 ：互聯網 精選百科 本文由作者推薦 烏茲鋼化學材料

在英美和歐洲大多的地方被稱為Wootz。wootz在《牛津簡明英漢袖珍辭典》解釋：wu:ts?n.伍茲鋼，武氏坩堝鋼是；在《英漢漢英雙向詞典》中的解釋：古代印度以土法所制之鋼鐵，“印度鐵”；亦稱?wootz?steel。大馬士革刀用烏茲鋼錠制造。

中文名

烏茲鋼

別名

印度鐵

英文名

Wootz steel

工藝過程

坩堝加工方法、坩堝內燃燒變化

簡介

定義

在英美和歐洲大多的地方被稱為Wootz。wootz在《牛津簡明英漢袖珍辭典》解釋:[wu:ts]n.伍茲鋼,武氏坩堝鋼是；在《英漢漢英雙向詞典》中的解釋:古代印度以土法所制之鋼鐵，“印度鐵”；亦稱wootz steel。

“烏茲鋼”與“大馬士革鋼”

大馬士革鋼又稱為結晶花紋鋼.是一種古代粉末冶金和鍛造技術完美的結合.在英美和歐洲大多數的地方被稱為WOOTZ而在其原產地印度巴基斯坦一直到波斯則成為FULAT在俄羅斯的高加索地區被成為BULAT.WOOTZ的花紋是天然形成的不像折疊鋼一樣是用人工硬將性質不同的材料焊接起來再折疊鍛打.

印度Wootz鋼：坩堝冶煉超高碳鋼（含碳1.5～2％），在公元前6至5世紀時，由位于印度西北角的Hyderabad（翻譯作：海得拉巴，現在屬于巴基斯坦）的冶煉工人制成的，后來被售到“安息”（波斯）、條支甚或是埃及等，它們的冶煉方法是：將黑錳礦、竹炭及某些植物葉子密封在一個陶爐里燃燒加熱，當這些東西熔化后，其渣滓形成一團金屬，然后將此金屬反復熔化、冷卻四五次，最后煉成直徑為5英寸，厚度為0.5英寸，重約2英鎊的金屬塊。（William.Reid的《西洋兵器大觀》）

在印度被制成的金屬塊，不能直接被命名為大馬士革鋼，而它們被叫做大馬士革鋼，是因為這些金屬被販賣到大馬士革（位于今天的敘利亞境內）這個城市后，用來煉制成武器，即大馬士革劍（或大馬士革刃）之后，才得名的。或者應該這樣說：當中世紀歐洲入侵耶路撒冷（即十字軍東征）時期，歐洲人看到他們的敵人使用這種武器時，才以為這種原本原材料是來自印度的武器，就是在大馬士革取材制煉的，因此就有了“大馬士革鋼”這個說法。至于“印度鐵”，姑且是看作以這個金屬塊來源而進行的命名，而“烏茲（Wootz）”則可能是最原始的叫法。另外，大概是因為“Wootz”被簡單翻譯成“烏茲”，中國人可能不好理解，所以第一位翻譯它的人，命名他們為“印度鐵”，有利于理解，因此這是比較正常的現象。

綜上所述，應該是先有“烏茲（Wootz）”，然后才有“大馬士革鋼”，“烏茲（Wootz）”因為出產于印度故也被翻譯作“印度鐵”。

歷史

高超的古印度冶金工藝

公元前8～前7世紀北非、歐洲相繼進入鐵器時代。當時使用的煉鐵爐主要是地爐和豎爐。地爐直徑約40厘米，深20厘米，冶煉海綿鐵。冶煉后取出全部爐料，經過錘打分離煉渣，或者先行破碎，分選后燒結鍛造成錠，這種方法稱為塊煉鐵法。在底格里斯河上游豪爾薩巴德王宮出土的鐵錠長30～50厘米，厚6～14厘米，重4～20公斤。這個時期的鐵劍，有的較軟，有的則經過滲碳和反復疊打，并經過快冷或淬火變得更硬。不受中國文化影響的地區，一直到14世紀后期，都以這種方法作為重要煉鐵方法，也發展了一些卓越的工藝，如印度在公元300年左右鍛造出“德里鐵柱”,高7.2米，重達6噸（公元五世紀笈多王朝時鑄造的巨大鐵柱．位于印度德里，至今毫無銹蝕）。在制鋼技術上,逐漸發展出用坩堝冶煉超高碳鋼（含碳1.5～2％）（印度Wootz鋼）或滲碳的高碳鋼和低碳鋼疊打，經淬火后獲得硬的刀刃，或用植物酸腐蝕得到各種花樣的大馬士革鋼（波斯制造后在大馬士革銷售）。

神奇的“德里鐵柱”

在印度首都新德里南郊的庫都布高塔墻內聳立著一根約7米高、直徑約半米的鐵柱。與身旁72米高的庫都布高塔相比，這根黑黝黝的鐵柱顯得很不起眼，但正是它吸引著大批游客和科學家們的注意。因為這鐵柱雖在露天經歷了上千年的風吹雨打，卻居然一點不生銹，堪稱世界奇跡。

從鐵柱上刻著的梵文看，這根鐵柱并非就地鑄造，而是公元5世紀時，被統治德里的伊斯蘭王朝從印度東部的比哈爾邦搬移過來的，傳說是為了紀念旃陀羅王而造。不過現在人們都習慣把它和2300多年前叱咤印度的一代梟雄———阿育王聯系在一起，叫它“阿育王鐵柱”。

據現代科學分析鑒定，這根鐵柱的鑄造時間應在1500多年前，但令科學家疑惑不解的是，至今鐵柱通體仍找不到一塊銹跡。要知道鐵是最容易生銹的金屬，一般的鑄鐵不用說千年，幾十年就銹跡斑斑了。即使在科學昌明的今天，人們仍然沒有找到防止鐵器生銹的良方，而古代印度人居然可以做到這一點，真是不可思議。最奇怪的是，如果印度人當時已掌握了如此高超的工藝，那他們為什么沒有代冶煉出其他不生銹的鐵器制品呢？汗牛充棟的古印度典籍中為什么也沒有關于這種秘技的任何記載呢？ 當地人稱，只要能背靠鐵柱將它環抱，許下的心愿就一定能夠實現，也許這鐵柱真具有一種神奇的力量，讓現代人的智慧在它面前也顯得無力。

工藝過程

坩堝加工方法

精煉后之鐵礦石弄干燥后,放入經火硬化的小型粘土坩堝內。以炭火之熱量而定出坩堝之尺寸，一般生產出來之鐵錠重約一公斤。把含炭之材料如：麻栗樹(teak)、木炭、毛竹及某些特選而他們認為是神圣之植物的葉，例如名(Huginay)及(Tangada)樹之果實加入坩堝中。坩堝是密封的再用炭火燃燒。印度有最優良之鐵礦：在印度坩堝系統用的是最好的鐵礦石，印度亦由此而聞名于世。經人工選用搗碎到粉末狀礦石，用淘洗法反復清洗，這樣礦石從雜質中分離出來,就像淘金人從其他雜質中分離出黃金的顆粒一樣。雖然波斯人及其他人已經觀察了印度鐵匠，并對熔化過程亦非常熟識，但因為沒有這種凈化及含量豐富的鐵礦所以始終不能夠用這種方法重新生產這種高質鋼。

坩堝內燃燒變化

持續加熱時間從24到48小時不等，當溫度從1000攝氏度升到1200攝氏度，礦石會轉變成多孔的鐵質，并留在坩堝之底部.。坩堝在封閉狀態下，碳(carbon)來自燃燒的炭(charcoal)和葉并熔化在鐵質內.。毛竹含氧化矽(Silica)甚多可助溶化。在此過程中鐵不會達到其熔點，通過固體之擴散過程(solid diffusion process),碳被吸收.。持續長時間的鑄造(casting)緊接著慢慢冷卻到800攝氏度-約12至24個小時。這樣的設計是為了大的樹狀碳化鐵晶體(large dendritic ironcarbide crystals)(該晶體也稱為滲碳體(cementite)-Fe3C即碳化三鐵)的優化形成和均勻分布于在滿布小孔的海綿體鐵體內。這些大的晶體事實上是大馬士革鋼花紋或水紋的主要成份。滲碳體(cementite)或碳化晶體(carbide crystals)非常堅硬，抗酸性強，當鋼被拋光后會呈現出帶白色或銀色。與此形成對比珠光體(pearlite)由粘結金屬組成,經腐蝕成黑色，這說明為什么會產不同之顏色。

脫碳熱處理

冷卻后把坩堝從火中移開,并將其打破，取出半球形的鋼錠(ingot)。波斯人稱為蛋(egg or baida)。將它放在鐵砧上進行錘打，作硬度試驗。經正常鑄造的鋼錠很硬，經錘打后也不會有凹痕。故需用特別含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石之粘土混合物復蓋，從而強化鋼錠的脫碳。把鋼錠重新加熱到火紅色約700攝氏度至900攝氏度后，再通過錘打作硬度試驗。重復此熱處理過程，直到金屬過到足夠的軟度以便鍛造。鋼錠之鍛煉:將鋼錠之溫度慢慢降低，并控制在700攝氏度至900攝氏度之間。這溫度是一個非常重要的關鍵。鐵匠只能靠經驗，用眼看火之顏色，到達暗紅時進行鍛造。因為若溫度升高到900攝氏度以上將會把過程倒過來，而令滲碳體和奧氏體的晶體(crystalsof cementite and austentite)形成。溫度越高，碳熔解，造成晶體及波形花紋圖案之損失。若溫度低于700攝氏度，鋼即不能得到充份的鍛煉。因為歐洲之鐵匠一般在1300攝氏度的高溫下來鍛煉金屬，因此他們永遠不能掌握到鍛煉大馬士革鋼的技術。由于對鋼錠的有控制式熱處理和輕度的鍛煉,復蓋的粘土，包括含有鐵銼屑或粉末狀鐵礦石，使鋼錠表面脫碳另外氧化作用亦產生同樣的作用。鋼錠的碳分逐漸減少，從原來的2.2%或更高降低至1.8%，即從白鑄鐵狀態到UH碳鋼。此過程亦可稱為退火和球狀處理(an annealing and spheroidizing treatment)。令碳成份減少及大的碳化晶體分裂或粉碎或球型化成較少之體積。結果鋼條變得有可展性和有軔性。

研究美國金相

在之前美國科學家再對索林根刀廠對烏茲鋼的分析的后續深入研究中，也同樣提到了該轉變中先共析鐵素體在烏茲鋼花紋形成過程中的重要作用。

結論

綜合對烏茲鋼的研究結果，可以得出以下結論：

1.帶狀分布的先共析鐵素體的生成導致了二次碳化物沿著帶狀分布。而這些沿著一定規律排列的如銀河般的顆粒狀化滲碳體就是烏茲鋼花紋的最主要成因。

2.布拉特和亞共晶白口鑄鐵對比，在金相組織上十分相似，而與古代烏茲鋼卻有很大差別。所以可以認為阿諾佐夫派的俄式布拉特和烏茲鋼有本質上的區別，鑄鐵與鋼的區別。

3.古代烏茲鋼兵器絕大多數的整體硬度都在50hrc以下（并非大多數傳聞的60hrc以上），但是局部顯微硬度可以到65，而且抗斷裂能力非常之好。柔軟基體的烏茲鋼，在使用過程中往往體現出更好的鋒利度。尤其是在切割肌肉、筋腱、衣服等柔軟堅韌的纖維組織時更加明顯。這種能力可能由于硬質項的微鋸齒和柔軟基體的自剝落共同作用造成的。

4.由于Cr7C3顆粒尺寸遠遠大于Fe3C，而且極易剝落，如果制造含高鉻的不銹烏茲鋼只能令烏茲鋼所獨有的鋒利特性消失殆盡，因此應當認為得不償失。

參考資料