作者：何堂坤
生铁和柔化处理技术

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百分之○·○五以下的叫熟铁，百分之○·○五到百分之二·○的叫钢，百分之二·○到百分之六·六七的叫生铁。

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。生铁的冶炼温度是一千一百五十到一千三百摄氏度，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。二是很早就对冶炼用的原料进行了比较好的选择和处理。三是很早就发明了比较高大的冶炼竖炉。一般认为，我国生铁技术的发明和发展同青铜技术有密切的关系。

可锻铸铁

可锻铸铁原是白口铁经高温退火得到的一种高强度铸铁，具有一定的塑性和冲击韧性。依热处理条件的差别，又可分成白心可锻铸铁和黑心可锻铸铁两种：白心可锻铸铁以脱碳为主，又叫脱碳可锻铸铁；黑心可锻铸铁以石墨化为主，又叫石墨化可锻铸铁。

国外的白心可锻铸铁是公元1722年由法国人首先发明的。公元1826年，美国人又发明了黑心可锻铸铁。此后一个相当长的时期里，人们都把白心可锻铸铁叫做“欧洲式可锻铸铁”，把黑心可锻铸铁叫做“美洲式可锻铸铁”。其实，这两种可锻铸铁，我国早在两千多年前都已经发明了。

洛阳水泥制品厂战国早期灰坑遗址出土过一件铁铲，铲体基本锈蚀，只在銎（qióng）部（装柄的孔）有部分金属残留，在金相显微镜下显示了黑心可锻铸铁组织，基体是铁素体，上面分布着团絮状退火石墨。这是到现在为止世界上经过科学分析的最早的铸铁可锻化退火处理件。战国中晚期后，可锻化处理工艺有了比较大的发展，主要表现在：第一，分布地域更广了。在北方，目前经分析过的有河北易县燕下都遗址的铁钁、铁锄、铁鐏等，在南方有湖北包山出土的空首斧、湖南长沙出土的铁铲等。第二，部分器件已经处理得比较好，器件断面基本上是可锻铸铁组织，中心没有白口铁残余，如燕下都的铁鐏等。汉代到南北朝时期，铸铁可锻化技术发展到比较成熟的阶段：一是使用范围有了进一步扩展。近年在山东薛城、河南南阳、渑池和巩义市，北京清河和大葆台，湖北铜绿山等地，都发现了这类器件。南阳瓦房庄出土的农器有十二件，经过分析，九件是普通可锻铸铁，两件是铸铁脱碳钢，只有一件是白口铁。二是技术水平有了进一步提高。凡处理过的器件，中心很少有白口铁组织残留，石墨发育比较好，形态多和现代可锻铸铁相当。这些可锻铁中，有白心的，也有黑心的，多数是农具。

铸铁可锻化处理有十分重要的意义。在常温下，碳在铸铁中主要有两种存在形式：一是化合态，主要是渗碳体；二是自由石墨态，有条状、团絮状、球状石墨等。碳的存在形式不同，同一成分的铸铁，性能也是不尽相同的。白口铁中，碳全部以渗碳体形式存在，因渗碳体硬度很高，塑性极低，所以白口铁性硬而脆。通过可锻化处理，白口铁中的碳或以自由石墨态形式析出，或因氧化而去除，从而使材料强度提高，硬脆性减少，综合机械性能得到改善。战国中期以后，我国在农业、手工业中这样广泛地使用了铁器，可锻铸铁的发明和发展是起了重要作用的。

球墨可锻铸铁

球墨可锻铸铁因所含石墨呈球状而得名。它有比较高的强度、塑性和韧性，铸造加工性能也比较好。

1974年，河南渑池发掘了一个北魏铁器窖，里面藏有从汉代到北魏的铁器四千多件，种类有生产工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。有一件铁斧，整体经过脱碳退火处理，器件断面大部分相当于含碳百分之○·四的中碳钢，没有石墨析出。但在銎的底部发现有球状石墨，直径是二十微米，分布在平均厚度约三·二毫米、总长五十毫米的U形断面上，共约三十颗，外形比较规整。这类具有球状石墨的铸件在南阳瓦房庄、巩义市铁生沟等两汉冶铸遗址也有发现。特别值得指出的是巩义市铁生沟一件汉代铁鑺，它的石墨发育良好，有明显的核心和放射性结构，和现行国家球墨铸铁标准一类A级相当。从现有研究资料看，这种球状石墨应是白口铁退火过程中得到的。

在国外，铸态球墨是1947年后使用了加入球化剂的方法才得到的。多年来，人们一直试图用白口铁退火的方式来获得球状石墨，但是难度很大。我国古代生铁含硅量长期偏低，在低硅的情况下，我国人民不但生产了大量具有絮状石墨的可锻铸铁，而且生产了部分球墨可锻铸铁，这在世界冶金史上是十分罕见的，实在难能可贵。