辩证一》中说:“世间锻铁所谓钢铁者,用柔铁屈盘之,乃以生铁陷其间,泥封炼之,锻令相入,谓之‘团钢’,亦谓之‘灌钢’。此乃伪钢耳,暂假生铁以为坚,二三炼则生铁自熟,仍是柔铁。然而天下莫以为非者,盖未识真钢耳。”沈括虽然政治上有污点,但科学上贡献很大,这里就比较清楚的说明了宋代灌钢的一般工序。
虽然沈括记载的是宋代灌钢技术,但据李曜所知,后世大部分的铁坊也都是这么做的,包括淘宝网上那些卖龙泉宝剑的铁坊,这样做的似乎也有不少。具体就是把熟铁条卷成螺旋状,然后把生铁片塞入螺旋之间的空隙中。然后用泥封住炉灶,或者是封住铁团本身,开始燃烧加温,直到1200摄氏度以上,生铁熔化,由于泥封,生铁不会因氧化脱碳,而是变成铁水流入熟铁之间,然后冷却取出铁团锻打,就宣告炼制成功。而代州李家的李记铁坊所采用的办法跟这个法子倒是略有不同,主要是在前面几道工序有区别。李记铁坊是将熟铁锻成细条,然后盘成一团(形状大概类似蚊香),然后把生铁片置于熟铁“蚊香”之上,后面的工序则都一样。
这两种办法听起来都是不错的办法,技术简单,成本低廉,而炼出来的是钢。然而李曜很清楚,有两个问题不能忽视:第一、铁水本身,不是好的渗碳剂。除了中国的灌钢和欧洲曾短暂尝试的弥散法之外,古今都没有采用生熟铁杂合炼钢法的,尤其现代炼钢业无一采用这种方法,这就很能证明问题了。
铁水是一种粘稠的液体,这种特性使碳分和其它杂质较多的留在它的内部(不要忘记灌钢时铁团已经被泥封起来了,氧化现象是比较少的)而较少扩散出去。通俗一点说,就是让铁水熔化渗入熟铁,使它渗碳,这就好像把白糖洒在白饭上面,然后放入锅里蒸,却指望它从内到外变得一样甜那么困难(相信这个生活经验诸君都有)。所以绝大多数情况下,只能使碳分渗入熟铁较浅部位,而冷却后的铁水,成为钢中的高碳部分。也就是说,灌钢的特点就是含碳量不均匀;第二,更简单的问题在于地球重力。那铁水熔化后,会向下流,冷却后造成钢坯下部含碳量较高而上部含碳量较低——好吧,其实仍是含碳量不均匀。
那么解决这个问题的方法有没有?有。就是重复这一过程。早期灌钢耗费工时较多,就跟反复灌有关。然而,灌成钢团之后,它的塑性会变得很差,比如按照沈括所说的,把熟铁锻成细条,卷曲起来,这还是说铁,如果要是对钢进行操作,还要困难得多,甚至于不可行。而只灌一次的钢,显然是因为碳分不均匀的问
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