坩堝鋼

坩堝鋼(英語:crucible steel)指的是在坩埚中融化鐵合金製成的鋼。生鐵碳含量高,雖硬但容易斷裂;熟鐵碳含量低,雖有彈性但容易變形;的碳含量介於兩者之間,兼具兩者優點,因此控制鋼的碳含量關乎其品質。坩埚钢由於隔離了原料與熱源,可以精準控制產品的碳含量,得以鑄造品質優良的機械或工具用鋼[1]。在坩埚中添加助焊劑(如石灰石)則可以去除鐵漿中的和其他杂质。

Kirk nardebàn是一種坩埚钢製刀刃特有的圖紋。桑德王朝,1750-1794。伊朗。(Moshtagh Khorasani, 2006, 506)

中世紀使用煤或木炭來煉鋼,很難將鍋爐升溫至可以融化熟鐵或鋼的溫度,但可以融化含碳量較高、較易融化的生鐵,所以有些南亞中亞的工匠會將熟鐵或鋼浸泡在融化的生鐵中,使生鐵中的碳擴散到熟鐵或鋼裡,以降低生鐵的含碳量。融化的生鐵和無法完全融化的熟鐵或鋼會組成一種高碳、不均勻的複合鋼,鍛造或拋光時鋼材上會自然出現複雜的圖案,例如大馬士革劍中使用的烏茲鋼。坩堝鋼與當時其他的煉鋼方法相比,其碳含量與品質更高。

18世紀,英國的本傑明·亨茨曼(Benjamin Huntsman)改良了坩埚钢的煉製方法,去除更多雜質,並消除了中世紀複合鋼的不均勻性。亨茨曼使用焦炭來煉鋼,產生的溫度可以將熟鐵和鋼完全融化,使其可以均勻混和;不再使用生鐵當作材料;花更長時間融化並冷卻鐵漿,讓碳可以更均勻的擴散;加入助焊劑使雜質可以浮到鐵漿表層以方便去除。亨茨曼開啟了現代化的煉鋼工藝,優質鋼材製造的零件、機械有助於工業革命的發展。

傳統坩堝鋼编辑

工業革命以前,坩堝鋼產業聚落分布於印度斯里蘭卡中亞。這些地區生產的坩堝鋼聞名於阿拉伯世界,如大馬士革劍便是由黎凡特地區的鐵匠採用印度的烏茲鋼鍛造而成。根據伊斯蘭文本記載,傳統上生產坩堝鋼有三種方式[2]

第一種方法為固體滲碳法。此法最常見,是烏茲鋼的工藝基礎,被稱為烏茲滲碳法或印度法[3]。該法將熟鐵裝在坩堝或木炭爐中加熱,以使碳滲入熟鐵中變成鋼[4]。由於當時技術無法完全熔化熟鐵,原料是在固態狀態下完成滲碳的步驟。關於其碳來源,現在的伊朗政府指定了多種有機材料,包含石榴皮、橡子、橙皮等果皮、树叶以及蛋清和贝壳。一些印度資料中也有提到木片,但沒有任何資料提到木炭[5]

第二種方法是將生鐵脫碳[3]

第三種方法則將熟鐵與生鐵(或高碳鋼)同時在坩鍋中加熱熔化混和(但熟鐵熔化不完全)使碳由生鐵進入熟鐵[4]。這種方法有時被形容為共熔法(co-fusion process)或共熔法。該方法的變體主要出現在波斯和中亚,但在印度海得拉巴也有发现[6],被称为德干法(Deccani,用於製造水波紋劍刃)或海得拉巴法(Hyderabad process)。 [7]

 
坩埚钢製剑刃的“木纹”图案,桑德卡扎尔早期,伊朗。(Moshtagh Khorasani 2006, 516)

考古编辑

印度斯里蘭卡在公元300年前便有坩堝鋼出土。印度鐵礦石中含有微量的和其他元素,使當地生產的坩堝鋼具有良好的淬透性。通常假設其他地區出土的坩堝鋼(如德國的Ulfberht swords)是貿易自印度與斯里蘭卡[8],中亞的梅尔夫和阿希基特(Akhsikath)地區直到後期才成為重要的生產中心[9]

南印度和斯里兰卡编辑

印度-斯里蘭卡傳統的坩堝鋼生產技術被稱為烏茲工藝,製造的坩堝鋼被稱為烏茲鋼wootz,可能是是ukko一词的英文变体),在阿拉伯世界被稱為大馬士革鋼[10][11]。許多民族誌有關於印度坩堝鋼的生產記載,然而由於考古規模有限,目前只確認了四個地區的生產遺跡(一個在斯里蘭卡,其他在印度)[12]

印度南部已確定的坩堝鋼生產遺跡至少可以追溯到16世紀中葉[13],而尚未確認的遺跡中,最早的一個可以追溯至公元前三世纪至公元三世纪[14]。海德拉巴大約在17世紀成為主要的生產中心,當地的烏茲鋼和其他地方使用的滲碳法不同,以複合熔融將兩種不同碳含量的鐵合金融合在一起[15]

斯里兰卡最早确认的坩埚钢遗址位于中部高地北部地区的指关节山脈(knuckles)地區,可追溯至公元6世纪 -10世纪[16]。斯里蘭卡的坩堝鋼至少在9~10世紀就已經外銷並出名[17],與印度的鋼鐵產業同時並存[18]。12世纪,斯里蘭卡的Serendib似乎是坩埚钢的主要生產地,但產量在接下來的幾個世紀中下降,到19世纪只剩下一個小工业區留存[19]

最新的考古調查顯示,古代斯里蘭卡使用過去未知的生產技術[20]。斯里蘭卡的技術系統獨立於印度和中東[21],使用類似於鍛鐵的滲碳法[20],還發現一處位於Samanalawewa的古煉製廠在煉鐵過程中可能利用了當地盛行的西風。

中亚编辑

中亞在公元1世紀晚期開始生產坩堝鋼[22]。從考古遺址可以確定中亞在約8世紀末到12世紀末曾大規模生產[23]

烏茲別克斯坦東部兩個最出名的坩堝鋼生產遺址是費爾干納山谷的阿希基特(Akhsiket)和帕普(Pap)[24]。考古發現數十萬個坩堝碎片,通常帶有大量爐渣,與9~12世紀的煉鋼有關[22]。考古學家還確定了阿希基特遺址使用的滲碳法[5]非常獨特且僅出現於當地,因此被命名為費爾納干法(Ferghana Process)[25]。當地大約持續使用了費爾納干法約四個世紀。

伊斯蘭學者肯迪(公元801~866年)提到呼羅珊地區(包含內沙布爾梅爾夫赫拉特巴爾赫等城市)在公元9世紀是鋼鐵生產中心[26]。在梅爾夫發現的冶鐵工坊遺址可追溯至9世紀~10世紀初,可以從中了解當時如何使用共熔法製造坩堝鋼[27],可能與印度海德拉巴地區的製造工藝有關[28]

外界研究编辑

中世紀的伊斯蘭世界出現了一些關於劍與鋼的科學研究,例如8世紀的賈比爾、9世紀的肯迪、11世紀初的比魯尼、12世紀後期的奧塔蘇西(al-Tarsusi)和13世紀的Fakhr-i-Mudabbir。

歐洲可能在中世紀後期開始接觸亞洲生產的坩堝鋼[29]。16世紀已經出現實驗,研究對象被稱為大馬士革鋼,但不確定這批實驗品確切的產地來源。17世紀中葉之後,歐洲人藉由旅行者如弗朗西斯·布坎南的紀錄了解印度具有鍛造坩堝鋼的技術[30]。18世紀之後,許多歐洲科學家開始深入研究印度烏茲鋼[31],例如麥可‧法拉第與喬治·皮爾森[32](George Pearson,第一個在著作中使用"烏茲鋼"一詞的科學家[33])。

一名研究人員大衛·穆希特(David Mushet)破解了印度烏茲鋼的製造方法[34],並於1800年為此申請了專利[35]。然而早在1740年代,本傑明·亨茨曼(Benjamin Huntsman)就已經開發出第一個成功的歐洲坩堝鋼製程[36]

近代製程编辑

18世紀,英國的班傑明·亨茨曼(Benjamin Huntsman)設計了一種新的坩堝鋼製程。他將碳鋼放在封閉式坩堝中以焦炭加熱,能夠達到1600°C的高溫,足以將碳鋼完全熔化,因此亨茨曼生產的鋼鐵與中世紀傳統製程不同,是均質、沒有花紋的[37]。由於亨茨曼的方法可以完全熔化鋼鐵,人們第一次有生產合金鋼的能力[38],因為製造合金鋼必須把其他金屬丟入完全熔化的鐵漿中。

隨著電弧爐的興起,坩堝逐漸在煉鐵工藝中被淘汰[39]

參見编辑

外部链接编辑

參考資料编辑

  1. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26] (英语). All high-quality tool steel and high-speed steel was long made by the crucible process,... 
  2. ^ Feuerbach et al 1997, 105
  3. ^ 3.0 3.1 Feuerbach et al 1998, 38
  4. ^ 4.0 4.1 Feuerbach et al 1995, 12
  5. ^ 5.0 5.1 Rehren and Papakhristu 2000
  6. ^ Feuerbach et al 1998, 39
  7. ^ Srinivasan 1994, 56
  8. ^ Feuerbach 2002, 13
  9. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 126
  10. ^ Srinivasan 1994
  11. ^ Srinivasan & Griffiths
  12. ^ Griffiths and Srinivasan 1997, 111
  13. ^ Srinivasan 1994, 52
  14. ^ Craddock 2003, 245
  15. ^ Moshtagh Khorasani 2006, 108
  16. ^ Feuerbach 2002, 168
  17. ^ Juleff 1998, 221
  18. ^ Juleff 1998, 220
  19. ^ Craddock 1995, 279
  20. ^ 20.0 20.1 Ranganathan and Srinivasan 2004, 125
  21. ^ Bronson 1986, 43
  22. ^ 22.0 22.1 Papakhristu and Rehren 2002, 69
  23. ^ Rehren and Papakhristu 2000, 55
  24. ^ Rehren and Papakhristu 2000, 58
  25. ^ Rehren and Papakhristu 2000, 67
  26. ^ Feuerbach 2003, 258
  27. ^ Feuerbach 1997, 109
  28. ^ Feuerbach 2003, 264
  29. ^ Craddock 2003, 251
  30. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 60
  31. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 78
  32. ^ Ranganathan and Srinivasan 2004, 79
  33. ^ Bronson 1986, 30
  34. ^ Bronson 1986, 31
  35. ^ Needham 1958, 132
  36. ^ Craddock 1995, 283
  37. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26] (英语). The process was devised again in Britain about 1740 by Benjamin Huntsman, who heated small pieces of carbon steel in a closed fireclay crucible placed in a coke fire. The temperature he was able to achieve (1,600 °C [2,900 °F]) was high enough to permit melting steel for the first time, producing a homogeneous metal of uniform composition that he used to manufacture watch and clock springs. 
  38. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26] (英语). The crucible process allowed alloy steels to be produced for the first time, since alloying elements could be added to the molten metal in the crucible 
  39. ^ The Editors of Encyclopaedia Britannica. Crucible process. Britannica. 2021-06-16 [2021-08-26] (英语). ...but it went into decline from the early 20th century, as electric-arc furnaces became more widely used. It is believed that the last crucible furnace in Sheffield was operated until 1968.