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何为玉钢

发布日期:2010-07-28

日本刀的材料钢,被称作和钢(わこう?,Wakou)或玉钢(たまはがね?,Tamahagane)。这是一种用日本传统土法炼成的钢。
  



  冶炼过程
  众所周知,日本是资源贫乏的岛国,除去少量富铁矿之外,古时根本采掘不到易生高温的燃料矿源,自然环境的恶劣,使早期炼钢只得使用一种叫做[松炭]的燃料(注:即是把紫薪燃烧至半途予以熄火后所制成的木炭)。松炭燃烧时的最高温度虽可达摄氏1200℃(注:铁的完全熔解温度为摄氏1538℃以上),但却含有燃烧时间不长的缺点,故中期以后的炼钢改采[佐仓炭],遗憾的是仍非理想。一直到距今约三百余年前的江户时代初期,一位住在现在和歌山县田边市,名叫备中屋长右卫门的人,发明出一种以槲木为原料所制成,能长时间保持摄氏八百度左右低温燃烧的[备长炭]后,这项难题方告解决。
  在始终无法获得高温燃料的环境下,日本人仍绞尽脑汁地开发出独具特色的冶铁技术。铁矿和木炭混合后只加热到不超过1000℃,铁矿石被一氧化碳还原成铁,此时还原的铁无法融化成液态。固态的单质铁在这样的高温下,又会和一氧化碳发生渗碳反应。按照铁碳合金相图,此时的铁虽然只能溶解1.5%~1.7%的碳,但是最终的铁的含碳量却不取决与此。最终的含碳量取决于炉气的碳势和加热的时间。这是因为只要炉气的碳势足够,铁中的碳浓度超过了溶解度后,多余的碳可以渗碳体的形式存在,而渗碳体的碳百分比是6.69%。冶炼冷却后得到的铁块像海绵一样成多孔状,又称为海绵铁。
  把海绵铁敲成小块。再以目视依照其断面的光泽只挑出含炭在1~1.7%左右且杂质较少者称之为玉钢。由此可见,玉钢可以说成一种低温冶炼的块炼钢。
  虽然日本拥有富铁矿,但是这种土法冶炼钢现在看来,其品质实在是不敢恭维。由于是固态冶炼,海绵铁中的非金属夹杂物不会象液态冶炼那样变成炉渣而漂浮分离出来。而且冶炼配料时,有时人为的加入一些石英粉,使这种海绵铁的非金属夹杂非常的严重。海绵铁不是均质的铁块,因为不会象液态冶炼那样各部分相互融合而成分均匀。所以即使是初步遴选的玉钢,其内部的含碳量和其它成分的分布也极不均匀。
  去除杂质,精选
  经初步遴选的玉钢,还不能称为真正的玉钢。现代钢厂冶炼出的钢材没有和玉钢相对应的牌号,这并不意味着现代冶金技术的倒退。这是因为初选玉钢的含碳量实在是范围太大了:它跨越了从螺纹钢筋>0.25%,汽车齿轮0.25~0.5%,弹簧0.6~0.8%,锉刀(1.0~1.2%)到玛钢水管接头(含碳约1.7%)的所有钢铁牌号,并且包含一些人们并不想要的非金属夹杂的材料。
  所以还要进行一步日本工匠称为“水减”的过程。这是一种通过热处理去除杂质,进一步分拣不同含碳量材料的手法。它虽然采用了淬火为手段,但显然与热处理的目的不同,所以把它称为热处理不准确。
  工匠将加热后的玉钢用钢锤打成扁平的厚度为约5mm的薄片。钢片成形后,刀匠会用水将其急速冷却,钢含碳量多的部分会因为淬火造成过大内应力而淬裂剥离。含碳量较低的部分,不易淬硬,有较好的塑性。
  这是因为淬硬的程度是和淬火温度、加热时间和含碳量密切相关的。含碳量越高,可以淬硬的淬火温度就越低。比如含碳量1.0%以上的钢,在770℃正常时间加热即可淬硬。而含碳量0.35%的钢,在这个温度下加热属于半马氏体(半麻田散体)淬火,淬火后的硬度就不高,加热时间短时,甚至不能淬硬,需要提高到850℃。刀匠只要采用较低的淬火温度和较短的加热时间,并且把握的得当,就可以将含碳量合适的材料淬硬而利于破碎分离。
  淬火后的玉钢,需要进行一步日本工匠叫做“小割”的工序。将钢料打碎成 2 到 3 cm 长短的细块。不碎的部份就是含碳量过低。
  可以大致得到的玉钢的碳含量约为 1.0 到 1.7%,左下铁约为 0.7%,庖丁铁约为 0.1 到 0.3%。
  把淬硬的薄片敲碎成小块的方法,还可以有效的分离钢片中的非金属夹杂物。这是因为破碎会发生在非金属夹杂物造成的缺陷处。而玉钢的非金属夹杂物通常比较集中,没有夹杂物的部分的玉钢还是比较纯净的。在随后的锻造中,这些处在碎片边缘的夹杂物会因为铁表面氧化剥落和自身缺少塑性的原因而脱落分离。尽管如此,玉钢的残留的非金属夹杂物还是非常令人担心的,所以用玉钢打制的刀必须经过反复的折叠锻炼,将夹杂物造成的缺陷沿着刀的纵向拉长变细,防止淬火或受力时因缺陷造成的应力集中而断裂。
  经过上述处理的玉钢已经很接近现代的钢了。玉钢的平均含碳量(1.5%)大致和现在的某些钢锉刀(1.0~1.2%)比较接近。这是因为含碳量超过1.3%的碳钢,性质很脆,没有实用价值。而玉钢在随后的折叠锻打过程中,因为折叠和氧化脱碳的原因,含碳量会变得均匀,并且进一步的下降到0.8~1.0%。左下铁的含碳量(0.7%)和现在的碳钢弹簧丝含碳量(0.7%)是一样的。庖丁铁大致和现在的建筑螺纹钢筋、角铁含碳量相当。
  玉钢的成分,合金元素的作用
  这是在维基百科查到的二战时期的玉钢成分表:铁98.12% - 95.22%;碳3.00% - 0.10%;铜1.54%;锰0.11%;钨0.05%;钼0.04%;钛0.02%;硅不定;其它 微量。
  钢中重要有害杂质的硫和磷,在表中并没有列出,作为微量处理。在这里可以看出,由于冶炼采用了含硫量很低的木炭和优质的富铁矿,并且冶炼后的铁不与炉料液态混合,得到的含硫、磷量还是很低的。现代的高级优质碳素钢要求含硫量<=0.030%,含磷量小<=0.035%。由此可见,玉钢含硫、磷低,适合锻造,有利于韧性的提高。
  碳在玉钢中是主要的合金元素,含碳量的高低决定了玉钢淬火前后的机械性能。含碳量越高的钢,淬火后的实用硬度越高,但含碳量超过0.8%后,硬度随含碳量的增加不明显。
  铜、锰、钨、钼、钛都不是人们有意加入的元素,在这里是杂质元素。但是这些元素常常被现代炼钢工艺作为合金元素,加入钢中。
  铜1.54%,按含量是低合金元素。
  铜在淬火的玉钢中,主要是过饱和的固溶于基体组织中。由于淬火态钢硬度、强度的主要取决于淬火马氏体的碳含量,铜的强化作用不明显。铜对未淬火的玉钢有固溶强化作用。铜有助于提高钢在空气中的耐蚀性。
  锰0.11%;钨0.05%;钼0.04%;钛0.02%――按含量是微量合金元素。
  锰属于弱碳化物形成元素。锰可以促进晶粒的长大,对需要反复加热锻造的玉钢不利。锰可以提高钢的淬透性,可以获得更深的淬硬层深度。但是对厚度很小,要求淬硬层深度小外硬内韧的刀来说,锰的这一影响是负面的。锰对退火态和正火态的钢有固溶强化作用,但是对于淬火态的钢,硬度、强度主要取决于淬火马氏体的碳含量,锰的强化作用不明显。锰在钢中可以和有害的硫形成高熔点化合物,减少热脆,但对含硫量甚低的玉钢几乎没有效果。总体来说,由于玉钢中的锰含量只有千分之一,各种影响可以忽略。
  钛属于强碳化物生成元素,钨、钼属于中强碳化物生成元素。在玉钢这种高含碳量的钢中,它们以各自的碳化物形式出现(TiC、WC、MoC、W2C、Mo2C)。由于这些碳化物的熔点高、稳定性好,加热到1000℃左右时才能熔入到奥氏体组织。而玉钢的淬火温度在780℃左右。再加上只有万分之几的含量,这几种元素不会对玉钢的宏观机械性能有影响。
  至于网友津津乐道的“水铅”,恐怕没有人能说清楚它到底是什么元素,有人引经据典说是钼,有人证据确凿的说是钨。即使“水铅”用词的创造者现身,也难以统一说法。这些微量、痕量元素,在任何的钢中都会找到踪迹,对钢材性能的实际影响甚微。
  因此玉钢还是地地道道的碳钢,和我们常用的碳钢板锉很相近。这个名字起的很好,给人一种望文生义的误导。现代(包括二战)玉钢刀性能好过现代钢的(在同样工艺条件下)

 

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