花纹奇特且魔性的大马士革钢，是如何被锻造出来的？揭秘大马氏革钢的铸造及原理

　　大马士革钢这类钢材最早出现于两河流域及恒河平原北部，其中可考的加工法是最早始于印度北部的印度坩埚加工法。它又称为结晶花纹钢、铸造花纹钢，是一种古代粉末冶金和锻造技术完美的结合。在英美和欧洲大多数的地方被称为乌兹（WOOTZ），而在其原产地印度巴基斯坦一直到波斯则称为FULAT。在俄罗斯的高加索地区被称为BULAT。当时的印度有着世界上最优良的铁矿，他们的坩埚里用的便是这种铁矿石。好的矿石造就了大马士革印钢，印度又因大马士革钢而闻名於世。

　　闻名遐迩的钢材的锻造工序其实也不怎么神秘。

　　1.精炼：经人工选用捣碎到粉末状的矿石，用淘洗法反复清洗，从而使矿石从杂质中分离出来。就像淘金者们从其他杂质中分离出黄金的颗粒一样。现在的洗煤厂还沿用类似的处理方法筛选优质煤炭。

　　其实波斯人（即现在的伊朗）和其他民族早已经观察了印度铁匠，并对熔化过程非常熟识，但苦于不似印度般拥有这含量丰富的极品铁矿，所以始终不能够用这种方法生产这种高质钢。

　　2.渗碳：精炼并干燥后的铁矿石放入经火硬化的小型粘坩埚内。

　　坩埚的尺寸依炭火热量而定，一般生产出来的铁锭重约一公斤。把一些含炭的植物如——麻栗树(teak)、木炭、毛竹及某些被认为有神圣意义的植物的叶子和果实，像名为（Huginay）及（Tangada）树之果实加入坩埚中，将坩埚密封后用炭火燃烧。持续加热时间从24到48小时不等。其间当温度从1000℃升到1200℃，矿石会转变成多孔的海绵体铁质，并留在坩埚底部。与此同时，在封闭状态下的坩埚内部，燃烧的炭（charcoal）和叶产生的碳（carbon）元素逐渐熔化在铁质内。

　　现代科学发现，毛竹含有的氧化矽（Silica）可以促进这一溶化过程，类似于催化剂。在此碳元素熔入过程中，铁不会达到其熔点。而通过固体扩散过程（solid diffusion process），碳元素被吸收。持续长时间的铸造后紧接着需要慢慢冷却到800℃约12至24小时。这样的设计是为了大量树状碳化铁晶体（large dendritic ironcarbide crystals） (该晶体也称为渗碳体（cementite）-Fe3C（即碳化三铁）能够优化形成和均匀分布于在满布小孔的海绵体铁体内。而这些大的晶体事实上就是大马士革钢花纹或水纹的主要成份。

　　渗碳体（cementite）或称碳化晶体（carbide crystals）非常坚硬且抗酸性强。这样的钢，表面被抛光後会呈现出带白色的银色。与此形成对比的珠光体（pearlite）则由粘结金属组成，经腐蚀后成黑色，这一黑一白就是大马士革钢表面产生不同颜色花纹的根源。

　　▲渗碳体

　　3.脱碳：钢锭冷却後还需脱碳热处理：冷却後把坩埚从火中移开，并打破。取出半球形（也有说是圆饼装，我个人更倾向于这种说法）的钢锭（ingot）。波斯人称为蛋（egg or baida），哈哈！将它放在铁砧上锤打——这是种硬度试验。经正常铸造的钢锭那是相当的硬啊，再怎么锤打後也不会有凹痕，故需用含有铁屑或粉末状铁矿石的黏土混合物覆盖，重新加热到火红色约700℃至900℃，从而强化钢锭的脱碳。之后再次锤打作硬度试验。如此这般重复，直到金属过到足够的软度以便锻造。

　　通常认为，有控制的反复捶打也可以使钢锭的含碳量达到理想水平。众所周知，含碳量太高了就成了生铁了，太低了又成不了钢。

　　有趣的是，日本刀的锻造过程中，用的是玉钢。其中有一个非常关键的过程是覆盖粘土混合物在刀身上后，（刀刃处覆盖的较薄，刀脊处覆盖的较厚）在火中炼造，使得刀刃处受热形成晶体，相对刀脊更坚硬锋利，刀脊处保持相对刃部较软，更有弹性。这样之后刀匠会迅速打破密封的粘土，大喝一声将刀浸入水中（通常时间都选在在半夜里，据说那样精力更集中）。这种冷热交替，热胀冷缩使得刃部的晶体收缩，变得更加坚硬，而收缩的痕迹就形成了日本刀上独有的特殊刃纹。日本刀的话题撤的有点远了，言归正传。

　　将钢锭的温度慢慢降低，并精确控制在700℃至900℃之间是一个非常重要的关键，当年的铁匠只能凭借个人经验，以火的颜色到达暗红时为标准进行锻造。因为温度高于900℃时，渗碳体和奥氏体的晶体（crystalsof cementite and austentite）就开始形成，碳元素开始熔解于钢锭，不仅又增加了硬度，还会造成晶体及波形花纹图案的损失。但若温度低於700℃,，钢就不能得到充份的锻炼。

　　因为欧洲的铁匠一般在1300℃的高温下来锻炼金属，（那年代没有温度计，全凭眼睛看，有些有经验的铁匠还掌握着吐口吐沫到火里测试温度的技术）因此他们永远没能掌握到锻炼大马士革钢的技术。

　　由于对钢锭的有控制式热处理和轻度的锻炼，覆盖的粘土，包括含有铁锉屑或粉末状铁矿石，都在使钢锭表面脱碳，另外氧化作用亦产生同样的作用。钢锭的碳分逐渐减少，从原来的2.2%或更高降低至1.8%，即从白铸铁状态到UH碳钢。此过程俗称退火、球状处理（an annealing and spheroidizing treatment）。正是因为得以令碳成份减少及大的碳化晶体分裂或粉碎或球型化成较少之体积，结果钢条变得有可展性和有轫性。

　　制得：有人说，WOOTZ钢的制造方法分两种一种是脱炭法，另一种是加炭法。我不得其解，我上面讲的方法中本身就包含了这两个环节。整个制备过程中的最重点其实在于烧结铁饼时的温度控制和将铁饼锻造拉长时的最高温度。还有成品的厚度和原来铁饼的厚度比例也会决定将来的花纹明不明显。

　　现代的人们曾经寄希望于复制大马士革钢，坩锅公司曾经借助现代科技，用电子显微镜（估计扫描电镜、透射电镜、X衍射、原子吸收什么的都上了把）分析了大马士革钢的分子结构,并成功的复制出了大马士革钢，其钢锭有和古钢材类似的花纹，测试时却发现并不能与古钢材的性能比拟。

　　那么古人是怎样将钢坯打制成刀剑的呢？据现存文献与专家的分析，是先在钢坯上钻孔（钢坯为圆饼状），再斩断一边，最后将环状的的钢坯成条后再打制成刀形。在所有的大马士革刀剑中最为贵重的为“默罕默德的天梯”——也就是传说中的“梯子纹”！

　　真正制成后的大马士革钢的花纹基本上是两种性质不同的材料，亮的地方是纯的雪明炭铁硬度比玻璃还大；暗的地方的结构是属于奥氏体和波氏体。整体含炭量大约是在1.5~2.0 ％之间。就是因为在韧性高的波来铁里均匀散布着比玻璃还硬的雪明炭铁。使得WOOTZ既具有非常锋利的刀锋，又拥有非常坚韧不会折断的刀身。大约十年前BLADE杂志有一篇关於WOOTZ钢的测试。

　　其一是锋利度的测试：在仔细研磨后的WOOTZ结晶花纹钢能一刀切断巨大打结的麻绳。

　　其二是刀身的韧性测试：把刃用夹具夹紧然后拿大铁锤来敲.结果费了很大的力气，WOOTZ刀刃被敲成U字型但是却没有折断。测试的结果证明了WOOTZ结晶花纹钢具有锋利和强韧两种特性於一身。

　　技术的遗失：WOOTZ的制造的费时费力，通常要花上两三个月的时间，而烧结的铁饼成功率又很低，当初会失传主要有两个原因。其一当时英国统治者为了保护当地仅剩的森林不使其沙漠化而禁止砍伐树木；其二是近代工业制钢的引进使WOOTZ在价格上无法竞争。

　　辨别：WOOTZ的花纹是天然形成的，不像摺叠钢一样是用人工硬将性质不同的材料焊接起来再摺叠锻打而成。更不可能是像某些作假高手那样用王水腐蚀一下成就的外观，汗啊！因此WOOTZ钢的花纹和摺叠钢有明显的差别。WOOTZ花纹比较细致看起来比较自然黑白的对比也比较大。在黑色的刀刃上分布着亮晶晶的雪明炭铁。古代波斯人把它形容成像夜空中的繁星一样漂亮的花纹。此外WOOTZ比起摺叠钢来是很不容易生锈。

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