中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术
渗氮 渗碳 碳氮共渗
渗氮渗碳碳氮共渗碳氮共渗是一种常见的表面处理技术，通过渗碳和渗氮来改善材料的硬度和耐磨性。
本文将对渗氮、渗碳和碳氮共渗的原理、应用和工艺进行详细介绍。
一、渗氮渗氮是将氮原子渗入材料表面形成氮化物层的过程。
氮原子通过高温处理和氮气氛的作用，渗透到材料表面并与材料中的元素反应，形成硬质氮化物层。
这一薄层氮化物层不仅能提高材料的硬度和抗磨损性能，还能改善材料的耐腐蚀性。
渗氮的主要应用领域包括机械制造、汽车工业、航空航天等。
在机械制造中，渗氮可以增加零件的硬度和耐磨性，延长使用寿命；在汽车工业中，渗氮可以提高引擎零件的耐磨性和抗腐蚀性能；在航空航天领域，渗氮可以增强航空发动机部件的耐高温和耐磨性能。
渗氮的工艺流程一般包括清洗件表面、装配件和炉内预处理、渗氮和回火处理等步骤。
渗氮一般采用封闭式和开放式两种方式进行，根据具体应用需求可以选择合适的渗氮工艺。
二、渗碳渗碳是将碳原子渗入材料表面形成碳化物层的过程。
碳原子通过高温处理和含有碳气体的氛围，渗透到材料表面并在表面与材料中的元素反应，形成硬质碳化物层。
渗碳技术不仅能提升材料的硬度和耐磨性，还可以改善材料的断裂韧性和抗腐蚀性。
渗碳广泛应用于机械零件、钢铁制品等领域。
渗碳后的材料表面硬度高、耐磨性好，适用于制作耐磨零件，如轴承、齿轮等；同时碳化层的外表面与空气隔绝，降低了材料的腐蚀速率，提高了零件的使用寿命。
渗碳的工艺流程包括预处理、渗碳、淬火和回火等。
渗碳一般采用气体渗碳和液体渗碳两种方式进行，具体工艺参数可以根据材料的要求进行选择。
三、碳氮共渗碳氮共渗是将碳原子和氮原子同时渗入材料表面形成碳氮共渗层的过程。
碳氮共渗通过碳氮共渗剂和高温处理，使碳原子和氮原子分别与材料中的元素发生反应，形成硬质碳氮化物层。
碳氮共渗能够同时获得渗碳和渗氮的特性，提高材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。
碳氮共渗广泛应用于汽车工业、航空航天等领域。
在汽车工业中，碳氮共渗可以提高零部件的硬度和耐磨性，同时还可以提高零部件的抗磨损能力和抗腐蚀性；在航空航天领域，碳氮共渗可以增强发动机部件的抗高温性能和抗腐蚀能力。
金属热处理中渗氮工艺常识
金属热处理中渗氮工艺常识金属热处理中的各种渗氮工艺使氮原子渗入钢铁工件表层内的化学热处理工艺；传统的气体渗氮是把工件放入密封容器中﹐通以流动的氨气并加热﹐保温较长时间后﹐氨气热分解產生活性氮原子﹐不断吸附到工件表面﹐并扩散渗入工件表层内﹐从而改变表层的化学成分和组织﹐获得优良的表面性能。
如果在渗氮过程中同时渗入碳以促进氮的扩散﹐则称为氮碳共渗。
钢铁渗氮的研究始於20世纪初﹐20年代以后获得工业应用。
最初的气体渗氮﹐仅限於含铬﹑铝的钢﹐后来才扩大到其他钢种。
从70年{BANNED}始﹐渗氮从理论到工艺都得到迅速发展并日趋完善﹐适用的材料和工件也日益扩大﹐成为重要的化学热处理工艺之一。
渗入钢中的氮一方面由表及裡与铁形成不同含氮量的氮化铁﹐一方面与钢中的合金元素结合形成各种合金氮化物﹐特别是氮化铝﹑氮化铬。
这些氮化物具有很高的硬度﹑热稳定性和很高的弥散度﹐因而可使渗氮后的钢件得到高的表面硬度﹑耐磨性﹑疲劳强度﹑抗咬合性﹑抗大气和过热蒸汽腐蚀能力﹑抗回火软化能力﹐并降低缺口敏感性。
与渗碳工艺相比﹐渗氮温度比较低﹐因而畸变小﹐但由於心部硬度较低﹐渗层也较浅﹐一般只能满足承受轻﹑中等载荷的耐磨﹑耐疲劳要求﹐或有一定耐热﹑耐腐蚀要求的机器零件﹐以及各种切削刀具﹑冷作和热作模具等。
渗氮有多种方法﹐常用的是气体渗氮和离子渗氮。
气体渗氮：一般以提高金属的耐磨性为主要目的﹐因此需要获得高的表面硬度。
它适用於38CrMnAc等渗氮钢。
渗氮后工件表面硬度可达HV850～1200。
渗氮温度低﹐工件畸变小﹐可用於精度要求高﹑又有耐磨要求的零件﹐如鏜床鏜杆和主轴﹑磨床主轴﹑气缸套筒等。
但由於渗氮层较薄﹐不适於承受重载的耐磨零件。
气体参氮可採用一般渗氮法(即等温渗氮)或多段(二段﹑三段)渗氮法。
前者是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。
温度一般在480～520℃之间﹐氨气分解率为15～30％﹐保温时间近80小时。
这种工艺适用於渗层浅﹑畸变要求严﹑硬度要求高的零件﹐但处理时间过长。
渗碳渗氮工艺
渗碳+渗氮表面处理工艺渗碳与渗氮一般是指钢的表面化学热处理渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。
可分为固体.液体.气体渗碳三种。
应用较广泛的气体渗碳，加热温度900-950摄氏度。
渗碳深度主要取决于保温时间，一般按每小时0.2-0.25毫米估算。
表面含碳量可达百分之0.85-1.05。
渗碳后必须热处理，常用淬火后低温回火。
得到表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。
渗氮应用最广泛的气体渗氮，加热温度500-600摄氏度。
氮原子与钢的表面中的铝.铬.钼形成氮化物，一般深度为0.1-0.6毫米，氮化层不用淬火即可得到很高的硬度，这种性能可维持到600-650摄氏度。
工件变形小，可防止水.蒸气.碱性溶液的腐蚀。
但生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。
主要用来处理重要和复杂的精密零件。
涂层、镀膜、是物理的方法。
“渗”是化学变化，本质不同。
钢的渗碳---就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950C),使活性碳原子渗入钢的表面,以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火,使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力,而心部仍保持足够的强度和韧性。
渗碳钢的化学成分特点(1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内,对于重载的渗碳体,可以提高到0.25--0.30％,以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。
但含碳量不能太低,否则就不能保证一定的强度。
(2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性,细化晶粒,强化固溶体,影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。
在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。
常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类(1)碳素渗碳钢中,用得最多的是15和20钢,它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。
但由于淬透性较低,只适用于心部强度要求不高、受力小、承受磨损的小型零件,如轴套、链条等。
(2)低合金渗碳钢如20Cr、20Cr2MnVB、20Mn2TiB等,其渗透性和心部强度均较碳素渗碳钢高,可用于制造一般机械中的较为重要的渗碳件,如汽车、拖拉机中的齿轮、活塞销等。
热处理工艺
热处理理论、工艺
姚富海
前言
热处理的概念 通过加热、保温、冷却，使材料的组织 结构发生变化，获得所需性能的热加工 方法。
一、中国历史上的热火和 脱碳退火。 战国中晚期，我国发明了兵器的淬火技 术。 至西汉，热处理技术发展至较高水平， 出现了化学热处理，如用于刀剑上的表 面渗碳和渗氮。
5-2、感应加热表面淬火 分为：工频(50Hz)淬火；中频(1~10kHz)淬火、 高频(100~1000kHz)淬火。 加热温度：880~900 ℃。 一般零件淬透层深度为半径的1/10。根据淬透 层的深度，选择设备频率f。
f < 2500
δ x2
δx—淬透层的深度，cm。 频率愈高，淬透层愈薄。
四、淬火及回火
4-3、淬火加热温度的确定 亚共析钢(C<0.77%)： Ac3+(30~50℃); 过共析钢(C>0.77%)： Ac1+(30~50℃); 亚共析钢温度选择在Ac3以上是为了充分 溶解铁素体，使淬火后硬度较均匀。 过共析钢温度选择在Ac1以上是为了保留 未溶解的碳化物，以获得强度高、韧性 好的综合性能。
四、淬火及回火
4-7、淬火缺陷及其预防 (1)淬火变形、开裂 预防措施有： 均匀加热。工件加热时应均匀放置，防止单面受热， 轴类件应垂直悬挂。降低加热速度。 正确选择冷却方法。在保证硬度的要求下，采用冷 却缓慢的介质。淬火时注意均匀冷却。 及时回火。淬火微裂纹在残余应力作用下扩展，最 后发生时效断裂。淬火后及时回火是防止开裂的有 效措施。
?渗碳渗氮碳氮共渗表面处理工艺，可收藏
渗碳渗氮碳氮共渗表面处理工艺，可收藏材料热处理工程师材料及热处理是中国制造做专、做精、做强的短板之一，材料是制造业的基础，热处理是制造业的关键，弘扬“工匠精神”，共同提升中国制造核心竞争力。
渗碳与渗氮一般是指钢的表面化学热处理渗碳必须用低碳钢或低碳合金钢。
可分为固体、液体、气体渗碳三种。
应用较广泛的气体渗碳，加热温度900-950℃。
渗碳深度主要取决于保温时间，一般按每小时0.2-0.25mm估算。
表面含碳量可达百分之0.85-1.05。
渗碳后必须热处理，常用淬火后低温回火。
得到表面高硬度心部高韧性的耐磨抗冲击零件。
渗氮应用最广泛的气体渗氮，加热温度500-600℃。
氮原子与钢的表面中的铝、铬、钼形成氮化物，一般深度为0.1-0.6mm，氮化层不用淬火即可得到很高的硬度，这种性能可维持到600-650℃。
工件变形小，可防止水、蒸气、碱性溶液的腐蚀。
但生产周期长，成本高，氮化层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。
主要用来处理重要和复杂的精密零件。
涂层、镀膜是物理的方法。
“渗”是化学变化，本质不同。
钢的渗碳---就是将低碳钢在富碳的介质中加热到高温(一般为900--950℃)，使活性碳原子渗入钢的表面，以获得高碳的渗层组织。
随后经淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳抗力，而心部仍保持足够的强度和韧性。
渗碳钢的化学成分特点1)渗碳钢的含碳量一般都在0.15--0.25％范围内，对于重载的渗碳体，可以提高到0.25--0.30％，以使心部在淬火及低温回火后仍具有足够的塑性和韧性。
但含碳量不能太低，否则就不能保证一定的强度。
2)合金元素在渗碳钢中的作用是提高淬透性，细化晶粒，强化固溶体，影响渗层中的含碳量、渗层厚度及组织。
在渗碳钢中通常加入的合金元素有锰、铬、镍、钼、钨、钒、硼等。
常用渗碳钢可以分碳素渗碳钢和合金渗碳钢两大类1)碳素渗碳钢中，用得最多的是15和20钢，它们经渗碳和热处理后表面硬度可达56--62HRC。
古代的炼钢技术
古代的炼钢技术
在古代的中国历史长河中，炼钢技术一直是一个备受人们关注的领域。
古代中国的炼钢技术可以追溯到数千年前，虽然与现代的钢铁工业相比略显简陋，但古人们通过不断的实践和总结，逐渐形成了独特的炼钢技术，为后世的钢铁工业发展奠定了基础。
古代中国炼钢的主要原料是铁矿石和木炭。
在古代，古人们很早就发现了铁矿石可以通过熔炼的方式提取铁水，而后经过淬火等工艺加工成钢铁制品。
古代的炼钢技术相对简单，主要通过在炼钢炉中加热铁矿石和木炭，利用木炭的高温燃烧，提高炉内温度，使铁矿石中的铁分析出并被吸附在木炭表面。
经过多次加热冷却，最终得到精制的钢材。
古代的炼钢技术在材料选择和工艺上有独特之处。
在材料选择方面，古人们十分重视铁矿石的质量和纯度，只有选用高质量的铁矿石才能保证最终炼得的钢质坚韧耐用。
而在工艺上，古人们还发明了许多炼钢工具，如炼钢炉、炼钢磨等，这些工具在炼钢过程中起到了至关重要的作用。
古代的炼钢技术虽然简单，但却有其独特的价值。
古人们在实践中不断探索，积累了丰富的经验，形成了一套完整的炼钢体系。
这些古代钢铁工艺的技术积累，为后世的钢铁工业发展提供了宝贵的历史经验和借鉴。
古代的炼钢技术，虽已随着时代的变迁逐渐淡出人们的视野，但其精髓却一直影响着今日的钢铁工业。
中国古代钢铁技术史
中国古代钢铁技术史嘿，朋友们！今天咱们来唠唠中国古代钢铁技术史，那可真是一部超级精彩又带感的历史呢。
你想啊，古代的钢铁技术就像一个神秘的魔法师在不断升级魔法技能。
最开始的时候，冶铁技术就像个刚学走路的小娃娃，摇摇晃晃的。
那时候的铁啊，产量低得可怜，质量嘛，就像是勉强拼凑起来的乐高小房子，不怎么结实。
随着时间的推移，就像小树苗慢慢长成参天大树一样，钢铁技术开始茁壮成长。
到了春秋战国时期，嘿，这冶铁就像是突然开了挂。
这时候的铁制品就像从普通的布鞋升级成了酷炫的运动鞋，在军事和农业领域开始大展身手。
那些铁制的兵器啊，就像是战士们手中锋利无比的大杀器，在战场上耀武扬威，仿佛在说：“我可不好惹！”再后来到了汉朝，钢铁技术像是被注入了超强的能量。
就好比一个本来只会做简单算术的小孩突然学会了高等数学。
炒钢法出现了，这就像是一场钢铁界的革命。
铁就像从一个灰姑娘一下子变成了公主，质量蹭蹭往上涨。
那些用炒钢法做出来的兵器和工具，简直就是钢铁界的超级明星，在各行各业闪闪发光。
唐朝的时候啊，钢铁技术就像一个经验丰富的老工匠，越发成熟稳重。
这时候的钢铁制品种类繁多得就像天上的星星，数都数不过来。
无论是华丽的装饰品，还是坚固耐用的农具，都做得相当精美，就像是一件件精心雕琢的艺术品。
宋朝呢，钢铁技术就像是一个充满创意的发明家。
灌钢法闪亮登场，这方法就像是给钢铁的性能来了个大升级。
钢铁就像被打了强心剂一样，变得更加坚韧。
那些钢铁制造的铠甲，就像钢铁战士的第二层皮肤，坚不可摧，在战场上保护着士兵们，就像超级英雄的护盾。
到了明清时期，钢铁技术虽然没有那种翻天覆地的大变革，但也像是一位坚守岗位的老伙计，稳步发展。
就像一辆一直平稳行驶的马车，虽然没有火箭般的速度提升，但也一直在前进。
中国古代的钢铁技术史就像是一部超级大片，充满了各种精彩的情节和神奇的转折。
它见证了中国古人的智慧和创造力，从一个小小的起点，一路发展成让全世界都惊叹的强大技术力量，真的是超级厉害，就像一颗璀璨的明珠在历史的长河中闪耀着永不磨灭的光芒。
【传统手工业】中国PK西方，古代冶铁技术哪家强？
【传统手工业】中国PK西方，古代冶铁技术哪家强？使用铁是人类发展史上的一块里程碑。
人类发明了冶铁术并制造出铁生产工具，从而把人类从奴隶制社会的茅屋里，推向到瓦宇、砖壁和玉阶的封建社会殿堂中，进而又推向高科技时代。
我国铁器的出现虽然晚于埃及等文明古国，但是，我国的封建社会却比欧洲早出现1000多年，其主要原因之一，就是以铁工具组成的生产力得到了高度的发展。
那么问题来了，到底古代冶铁技术哪家强？看看下面的文章就知道。
首先是西方——罗马代表团罗马的铁兵器，是块炼铁，由一种夹杂大量矿渣的海绵铁制成，是熟铁，并非钢，钢和熟铁是两个完全不同的概念，取代青铜的是热处理后的钢，而不是熟铁，熟铁的机械性能不如青铜。
熟铁的硬度很低，低到什么程度？钉书机用的钉子就是熟铁，手指稍微一用力就能扭成麻花，而且罗马的熟铁是海绵铁，含矿渣很多，还不如现代熟铁的质量，许多文献记载罗马人的铁剑一刺就弯，要在地上踩直了再用。
罗马古剑所以罗马多用宽短的短剑，因为他们的技术生产长剑比较困难，只能少量给军官和骑兵用，武器首先影响战术，而不是战术首先影响武器。
所以罗马到3世纪之前，只能维持少量骑兵，步兵短剑只能在大盾后面使用，整个罗马历史中都需要从东方进口钢铁，当时的亚历山大港的货物通关记录中进口钢铁占很大比例。
中国——汉朝代表团说到汉朝首先要从战国说起：战国时很多诸侯国都已经使用钢铁兵器了，秦昭王曰：“吾闻楚之铁剑利而倡优拙“。
楚国当时就大量使用铁剑，出土的楚国铁剑很强大，有的长1.4米，最长的1.52米，是对付骑兵用的，当时的罗马无法生产如此长的铁剑。
燕国士兵丛葬墓出土过15把铁剑，平均长90厘米，最长超过1米，取了3把检测，一把是低碳钢，另外两把是中低碳钢合锻的复合钢剑，还经过热处理，硬度大大提高，同时还出土了铁甲片。
中国古剑，果然不是一个长度的战国中山国的士兵“衣铁甲，执铁杖”，当时很多国家都普及了铁甲，06年新郑出土秦灭韩战场遗址，出土了十几具士兵遗骨，其中也发现了铁甲片。
中国古代冶炼技术
中国古代冶炼技术一．生铁和柔化处理技术1．生铁我们通常说的“铁”分“生铁”和“熟铁”两种，包括“钢”在内，都是以铁（Fe）和碳（C）两种元素为主的一种合金。
人们通常把含碳量在0.05%以下的叫熟铁，0.05%到2.0%的叫钢，百分之2.0%到百分之6.67的叫生铁。
人类早期炼得的熟铁通常叫块炼铁，它是铁矿石在八百到一千摄氏度左右的条件下，用木炭直接还原得到的。
出炉产品是一种含有大量非金属夹杂的海绵状固体块。
块炼铁和生铁比较起来，有如下几个缺点：一是它不能从炉里流出，取出铁块时，炉膛要受到不同程度的破坏，不能连续生产，生产率比较低，产量比较小。
二是成形费工费时。
三是所含非金属夹杂比较多，要通过反覆锻打才能排除。
四是含碳量往往比较低，因而很软。
生铁的冶炼温度是1150到1300摄氏度，出炉产品呈液态，可以连续生产，可以浇铸成型，非金属夹杂比较少，质地比较硬，冶炼和成形率比较高，从而产量和质量都大大提高。
由块炼铁到生铁是炼铁技术史上的一次飞跃。
我国钢铁冶炼技术的发展道路和世界各国是不完全相同的。
国外一般是先有块炼铁，经过长期缓慢发展之后才有生铁。
欧洲许多地方的块炼铁是公元前1000年前后发明出来的，但是直到公元十四世纪才有生铁。
我国却不是这样。
我国冶铁术大约发明于西周时期，比欧洲晚，可是它一经发明，不久就出现了生铁，后来者居上，使我国成为世界上最早发明并使用生铁的国家。
1964年，江苏六合程桥镇出土一件春秋晚期的铁块，经鉴定是白口生铁。
这是到现在为止我国出土并且经过科学分析的最早生铁实物。
战国中晚期，铁器在我国农业、手工业生产中占据了主导地位。
据不完全统计，目前出土的战国铁质生产工具大约十六种左右，其中多数是生铁和它的柔化处理件，块炼铁处于辅助地位。
这表明这时我国生铁生产已经有了比较大的发展。
我国生铁技术发明比较早的原因是多方面的，我们以为在技术上至少应包括以下几点：一是我国冶铜术中很早就使用了比较强的鼓风装置。
中国古代钢铁技术史
中国古代钢铁技术史咱今儿个来唠唠中国古代钢铁技术史，那可真是一部充满传奇色彩的故事集呢。
我就先从春秋时期说起吧。
那时候有个叫欧冶子的人，可算是铸剑大师啦。
有一天，楚王找到他，说：“欧冶子啊，咱楚国要称霸，得有厉害的兵器啊。
”欧冶子就挠挠头，笑着说：“楚王您放心，俺肯定给您铸出绝世好剑。
”他就到处找材料，在那深山老林里寻矿石呢。
他找啊找，终于找到了合适的矿石。
然后就开始生火熔炼，那炉火呼呼地烧着，就像一条发怒的火龙。
欧冶子和他的徒弟们围着炉子，不停地往里加木炭，还得看着火候。
徒弟就问：“师傅，这啥时候能成剑啊？”欧冶子就说：“别急，这就像炖肉，火候不到，肉不香，剑也铸不好。
”就这样，经过千锤百炼，终于铸出了闻名遐迩的龙泉剑，那剑锋利得很，一下子就能把头发丝给割断。
再往后到了汉代，钢铁技术又有了大发展。
我听说啊，有个铁匠铺里，两个铁匠在聊天。
一个年纪大的铁匠对年轻的铁匠说：“小子，咱现在炼铁可不像以前喽。
”年轻铁匠就睁大眼睛问：“咋不一样了呢？”老铁匠就拿起一块铁，说：“你看这铁，现在咱有了高炉炼铁，这铁炼得更纯，杂质更少。
”年轻铁匠就好奇地问：“那这高炉是啥样的啊？”老铁匠就比划着说：“那高炉啊，高高的，就像个巨人站在那儿，里面能装好多矿石和木炭呢。
”在汉代，因为这高炉炼铁技术的发展，铁制的农具和兵器就更多了，老百姓种地有了更好用的锄头，士兵们也有了更坚固的刀剑。
到了唐朝呢，有个叫郭震的人，他对钢铁技术也挺有研究。
有一回，他到一个铁匠作坊去视察。
铁匠们正忙得热火朝天呢。
郭震就问一个铁匠：“你们这打铁可有啥秘诀？”铁匠就笑着说：“大人，俺们这打铁啊，就得心细。
就像绣花一样，每个步骤都不能马虎。
”郭震就点点头，他看到铁匠们在打造一种特殊的钢，这种钢打造出来的刀剑在阳光下闪闪发光。
郭震就感叹道：“咱大唐的钢铁技术真是厉害啊，这刀剑要是上了战场，肯定能让敌人闻风丧胆。
”唐朝的时候，钢铁技术的发展也带动了很多相关行业的发展，像兵器制造、建筑用铁构件等等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
中国古代的钢铁渗碳和渗氮技术 我国是最古老的文明古国之一,在金属热处理技术发展史上,我国古代先民做出过杰出的贡献,取得了许多伟大的成就。在化学热处理方面,我国先民依靠自己的聪明才智,发展了多种工艺,包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。这些技术的发展,推动了我国古代金属材料的应用和对材料的表面改性,形成了具有特色的古代热处理技术。本文在文献史料和考古成果综合分析的基础上,力图反映我国古代钢铁渗碳和渗氮技术状况,并提出一些分析见解,以求同行较全面准确地认识古代化学热处理的发展历程。限于热处理考古属交叉领域,不当之处在所难免,望予以指正。
1 钢铁渗碳技术 1．1 固体渗碳 固体渗碳是将工件埋入固体渗碳物质中进行处理的工艺,它是最古老的热处理技术之一。从公元前18世纪一直到18世纪,固体渗碳都是西方钢铁增碳的主流手段。因此在国外产生了多种不同的固体渗碳工艺,大体可分为灼烧法、焖熬法和层叠法。其渗碳工艺水平相当高,甚至在17世纪以后还开发出固体渗碳专用的窑炉和箱式炉。我国古代除了拥有传统的灼烧法固体渗碳方法以外,古文献中还描述了焖熬法固体渗碳方法。 1．1．1 灼烧法固体渗碳 一般认为人工冶铁的发源地是两河流域北部、土耳其及其附近地区。该地有很多的铁矿,而铜矿又较少。在靠近土耳其的Changar Bazar镇出土的匕首柄,其年代可定为公元前2700年以前。而根据报道,在Gizeh的大金字塔内遗存一块铁板,使人工冶炼金属铁板的年代提前到公元前2761年以前。这些人工冶铁器件是将铁矿石还原后经锻接的产物。人工冶铁的初级产品是海绵铁,它是由铁矿石在约1200℃的木炭火的温度下还原出来的,海绵铁是杂质含量很高的松散、柔软的金属块,其杂质主要有未还原的氧化铁、铁橄榄石、木炭粉等,为了用它制作器物,只有将其反复加热锻打、去渣、聚块、分散杂质后,才能获得可以造型的熟铁,这种熟铁通常被称为块炼铁。海绵铁的加热往往是在灼热的木炭中进行,其时铁被埋在木炭之间,在铁的作用下,未完全燃烧的一氧化碳发生分解,分解的活性碳形成高的碳势,铁在碳势气氛中,自然而然地被渗碳。这种不自觉的固体渗碳可以认为基本是与块炼铁同时出现的,可以说这是金属化学热处理的开端。 对中国冶铁术的起源年代有很大的争议,迄今为止,我国发掘的年代最久远的块炼铁制品可能是新疆哈密三堡焉不拉克墓地出土的公元前1300年的弧背直刃刀。我国出土的较早的铁器还有和静察吾乎沟口一号墓地中出土的公元前1000年左右的铁器残片和河南三门峡市上村岭虢国西周晚期墓葬中发掘出土的公元前9至8世纪的铜茎玉柄铁剑等。也就是说在我国不自觉地应用固体渗碳工艺可能始于公元前1300年以前,一般早期的块炼铁产品的含碳量都很低,渗层很浅,有的铁器甚至测不出碳的存在。从不自觉地应用固体渗碳过渡到固体渗碳的诞生,从利用炭火外焰的加热功能到利用炭火内焰的渗碳功能,可能经历了相当长的一段时间。 当人们意识到在灼热的木炭中在不同情况下氧化的程度和硬化的效果不同,人们逐渐考虑如何改变加热方式,最简单的办法是将工件埋入炭火深处,尽管降低了工件加热的速度,却使工件容易在不完全燃烧的含碳气氛中获得一定的增碳效果,直到最后依靠添加渗碳物质和调整鼓风条件,使工件获得较高的含碳量,从而发展成为有意识的固体渗碳,这一方法在国外制铁业的发源地大约出现于公元前1800年以前。公元前12世纪的腓力斯铁剑的含碳量从0到0.8%C不等。埃及的公元前10世纪的斧头,心部含碳为零,刃部的含碳量达0.9%。而从考古发掘的含碳块炼铁器物来看,中国古代有意识的渗碳大约始于春秋时期,其年代大约在公元前7至前6世纪,出土的器物中的碳很容易被测出。我国出土的块炼铁实物不多,考古证实在春秋晚期墓葬中已经出现中碳的块炼铁渗碳钢。如对湖南长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑的分析表明,其含碳量为0.5%左右,属块炼铁渗碳钢制品,其年代为公元前6世纪左右。对燕下都的战国剑、满城西汉墓的刘胜佩剑等制品进行了较为详细的分析,表明它们的心部均为低碳钢,表层均为中高碳钢,在组织中还有很多的未经还原和熔解的FeO和2FeO·SiO2,这都是典型的块炼铁渗碳钢制 品。 1．1．2 焖熬法固体渗碳 焖熬法固体渗碳可能是从灼烧法固体渗碳发展而来的,采用灼烧法要获得理想的渗碳效果,必须将工件深埋于火炭之中,尽量减少渗碳气氛的流失,因而出现了焖熬法固体渗碳工艺。采用焖熬法可降低高碳势气氛的氧化和流失,从而使铁件具有更高的含碳量。国外考古发现,在印度很早就有采用坩埚进行渗碳的方法,是将熟铁和木炭混合装入坩埚,封闭起来后加热。这种采用坩埚的焖熬法固体渗碳在欧洲流行了很长的时期,成为中世纪国外制钢的主要手段之一。中国古代开始采用焖熬法固体渗碳年代尚无从知晓,看来采用的是完全不同的方法。 明代宋应星的《天工开物》中记载了一种焖熬法固体渗碳技术,写道:“凡针,先锤铁为细条。用铁尺一根,锥成线眼,抽过条铁成线,逐寸剪断成针。先其末成颖,用小槌敲扁其本,刚锥穿鼻,复其外。然后入釜,慢火炒熬。炒后以土末松木火矢、豆豉三物罨盖,下用火蒸。”可知当时的渗碳是在釜中进行的,采用釜外供热方式,固体渗碳剂中松木火矢是一种木炭,同书有说明火矢是木材经“不闭穴火”所获产物,是主要的渗入剂;豆豉也是含碳物质是辅助渗入剂;土末是分散剂,对防止含碳物质的相互黏结和炭黑的析出有一定的作用。这与当今的装箱固体渗碳方法如出一辙。它们的加热方式已不同于传统的内热式,而采用的是外热式。外热式与内热式比较,有明显的优点,主要是碳势高、碳源稳定、渗碳均匀。在近代这种焖熬法固体渗碳方法还被华中和华北地区的工匠采用,所用的“釜”是铁锅,制备的钢被称为“焖钢”。
1·2 液体渗碳 液体渗碳与固体渗碳比较,有渗速快、渗层厚度均匀和产品质量稳定等的优点。中国古人独创了以熔融生铁为渗碳剂的液体渗碳方法,极大地推进了我国古代的钢铁制造业。据《吴越春秋·阖闾内传》所载,铸剑师干将制剑时,遇到“金铁之精不销沦流”,乃“断发剪爪,投入炉中,使童女童男三百人鼓橐装炭,金铁乃濡。遂以成剑,阳曰干将,阴曰莫耶,阳作龟文,阴作漫理。”杨宽认为这是一种以海绵铁为原料的固体渗碳制钢之术。 根据描述的“三百人鼓橐装炭”的情况看,更像是液体渗碳,可以认为干将在制剑时,将块炼铁的剑坯埋入以铁碎末和含碳物质为主的渗剂中加热,渗剂中的铁达到一定含碳量后,“金铁乃濡”,这时铁碎末和铁坯表面与含碳物质反应而熔化,“濡”指的是铁坯未完全熔化。受当时的加热温度所限,通过三百人鼓橐装炭,有可能使炼炉的炉内温度达到铁碳合金熔点的下限1148℃,从而使块炼铁的剑坯获得渗碳效果。从此看来,《吴越春秋》描绘的事件极有可能是液体渗碳的开端。液体渗碳显然是在当时的金属加工工艺方面取得的一项突破性的进展,无怪乎先人的著作对此重笔称赞。而此前,工匠运用的技术是未出现熔化的渗碳剂的固体渗碳方法。根据文献分析,干将制剑事件大约是出现在公元前6世纪。 中国古代工匠主要通过3种方法获得含碳很低的铁与钢,一是块炼铁,二是退火脱碳钢,三是炒钢。他们称含碳很低的铁为熟铁,熟铁性软,为使其坚硬,中国古人发明了以熔融生铁为渗碳剂的液体渗碳方法。有关生铁与熟铁杂炼的记载很多。《北史》:“怀文造宿铁刀,其法烧生铁精,以重柔铤,数宿则成刚”。《重修政和经史正们类备用本草》中引南朝陶弘景语:“钢铁是杂炼生柔作刀镰者”。苏颂《本草图经》:“以生柔相杂合,用以作刀剑锋刃者为钢铁”。明代宋应星在《锤锻》篇中提及,锄用“熟铁锻成,熔化生铁淋口,入水淬健,即成刚劲”。 可以看出,该处理方法是将锄具在熔化生铁中渗碳,最终使得其表面成为高碳钢,经淬火后得到马氏体而强化。这是典型的采用液体渗碳对锄具进行表面处理的工艺,实际上成为一种制钢的方法,制取的钢被称为灌钢,是我国古代钢铁技术的一项独创性的成就。宋应星对此工艺描述得很详细,在《五金》篇中指出,将“熟铁打成薄片”,生铁安置其上,“火力到时,生钢(铁)先化,渗淋熟铁之中,两情投合。”关于灌钢,较早见于公元3世纪西晋张协的《七命》:“乃炼乃烁,万辟千灌。”其中“辟”是折叠,“灌”是渗入。这一工艺被李约瑟称为“合炼法”,英文是“co-fusion”,史密斯则认为这一工艺用“灌注法(perfusion)”来表达更贴切,“perfusion”刚好有“灌”、“渗”之意。采用熔融生铁作为渗碳剂的用于小农具生产的“灌注法”在前些年还在使用,有时这种方法也被误称为“擦生法”,从工件与生铁的作用时间和后续处理的情况来看。“擦生法”应属固体渗碳+加工的复合热处理范畴。国内外尚未见对液态生铁渗碳进行详细研究的报导,实验表明液态生铁的渗速相当快,因而在近代的中国这一工艺仍被广为采用。当然,以熔融生铁作为渗剂要比现在用熔融盐液作为渗剂的渗碳方法难得多,主要是加热慢、温度高、渗剂消耗大,而且更重要的是要将温度控制在共晶线和液相线之间,但对于不知渗碳原理的古代工匠来说,能想到这一方法真可谓匠心独具,也使我国古代的渗碳技术遥遥领先。国外液体渗碳技术是近代才发展起来的,波斯人从19世纪方才考虑以生铁取代木炭为渗碳剂的坩埚法渗碳方法。在西方工业国大规模应用气体渗碳方法以前,将熟铁块埋在熔融生铁之下进行渗碳反复处理仍是主要的方法。 1.3 固-液渗碳 固-液渗碳不同于固体或液体渗碳,它是以固态物质为骨架或载体、液态物质为渗剂的渗碳方式。最常见的固—液渗碳工艺是膏体法渗碳,是将含碳物质混和于粘性物质中,形成膏体,涂于工件表面,在后续的加热处理中,碳渗入工件表面。为了要在涂膏中获得液相,一般在膏体中都要添加盐类,盐在600~900℃经常呈熔融态。 中世纪的欧洲常用毛发、蹄角灰和盐作为膏体的主要填料进行渗碳。我国古代文献中多次提及膏体法渗碳。《便民图篡》提及:“羊角、乱发俱煅灰,细研,水调,涂刀口,烧红,磨之。”羊角、乱发经煅烧后主要成分为氧化钙、碳酸钙和未充分燃烧的生物角质,这些物质含碳。其中氧化钙、碳酸钙主要是被用作为载体,而未充分燃烧的生物角质为含碳渗入剂。明代《物理小识》“器用类·淬刀法”中干脆