在我国古代科技成就中，冶金技术是令世界瞩目的，本章主要介绍中国古代冶金技术中的一些主要成就，并对我国青铜文化的起源之谜作简要解读。
第一节 中国古代冶金技术成就概述
中国古代冶金技术主要包括青铜冶炼技术、铸铁冶炼技术、钢铁冶炼技术以及其它合金的冶炼技术。本节简要介绍前三种冶炼技术的主要成就。
一 中国古代的青铜冶炼技术
目前现有史料表明，我国冶铜技术要比西亚和欧洲晚1000多年。但是，我国早在夏代，就已经掌握了红铜的冷锻和铸造技术，夏末商初时期就能进行青铜冶炼和铸造。商代中期以后就进入了高度发展的青铜文化时期，这对于同一时期的西亚和欧洲的青铜文化来说就显得相形见绌，根本无法与之相比较。在我国河南的商代遗址中出土了大量的青铜器，其中主要是礼器、兵器、日用器皿和部分生产工具（包括手工工具和农具），浑厚、庄重、质朴的司母戊大方鼎，是目前所发现的世界上现存的远古时期的最大青铜器（见图3—1）。它重875公斤，
高133厘米，长118厘米，宽75厘米，其后发现的司母辛大方鼎（安阳妇好墓出土）重805公斤，是仅次于前者的大方鼎。此外还有四羊尊等青铜器精品（见图3—2）。
春秋战国时期，我国古代的青铜冶炼技术达到了高峰。冶金工人已经掌握了冶炼青铜的关键技术——铜锡等金属的比例配方和冶炼温度的判定方法。成书于春秋末期的《考工记》一书中对冶炼锡青铜提出了六种不同的配比方式——即“六齐”之术：
“金有六齐，六分其金而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金而锡居一，谓之大刃之齐；五分之金而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。”
这六种配比有两种分析结果，其一为16.7%，20%，25%，33.3%，40%，50%或者为14.3%，20%，25%，28.6%，33.3%。前一种结果与实际情况要相符合一些。因为含锡量为17%左右的青铜呈橘黄，很美观，声音也很好，这正是铸造钟鼎之类所需要的双重效果。《考工记》中的记述大体上正确地反映了我国古代青铜器合金的配比规律，是世界上最早的青铜合金配比的经验性科学总结。
图3—1商代司母戊大方鼎 图3—2商代四羊尊
《考工记》中还对冶炼过程中的温度变化作了如是的定性描述。冶炼工匠们通过炉中火焰的变化情况来判断炉中的温度高低：
“凡铸金之状，金与锡黑浊之气竭，黄白次之；黄白之气竭，青白次之；黄白之气竭，青气次之，然而可铸也。”
在日常生活中经常用到的一句成语“炉火纯青”就是指这种情况。这充分说明青铜冶铸在我国古代社会中已占有十分重要的地位，并且很早就在日常生活中有所反映。这一记述与现代冶炼过程中观察高炉温度的技术要求基本相符。
春秋战国时期的青铜器，以其器薄形巧，纹饰纤细而又清晰而著称。这是铸造技术和金属的铸造性能得到提高和改善的结果。1978年，湖北随县曾候乙墓出土的青铜器反映了春秋前期，我国青铜冶铸业的生产能力和技术水平。其中有一套编钟共64枚，是迄今为止世界上所发现的最早也是最完整的组合编钟（见图3—3）。据有关部门统计，此墓地出土青铜器总重量达10吨左右，约需原料为12吨。曾国——西周初期的一个不大的诸侯国（春秋前期为楚国所灭），能够制造如此大量的青铜器，这就充分反映了当时的铜矿开采和青铜冶炼技术已经非同寻常，很不一般了。
图3—3湖北随县曾候乙墓出土的青铜编钟
我国在春秋战国时期的青铜兵器制造已十分发达，特别是青铜剑的制作进入了一个鼎盛时期。干将、莫邪、巨阙、纯钧、太阿、龙泉、土市等名剑就是在这一时期制造成功的。
1965年，在湖北江陵县楚墓中出土的春秋时期越王勾践的两把宝剑，其剑身正面近格处刻有两行鸟篆铭文“越王勾践，自作用剑”八个大字（见图3—4）。该剑出土时置于黑漆木剑鞘中，至今仍毫无锈蚀，寒光逼人，锋利如常，可将二十多层纸一划而破。越人袁康在《越绝书》中曾对当时的铸剑名家欧冶子为越王勾践铸剑时的情景作了如是描述：
“当造此剑之时，赤堇之山破而出锡，若耶之溪出铜。雨师扫沥，雷公出橐。蛟龙奉炉，天帝装碳。太一下视，天精下之。欧冶乃天之精神，悉其技巧，造为大型三、小型二：一曰湛卢，二曰纯钧，三曰胜邪，四曰鱼肠，五曰巨阙。”
湖北江陵楚墓中出土的这两把越王勾践剑，是不是欧冶子所铸之剑，编者不敢妄加论断。因为据不完全统计，目前已发现有铭文的先秦青铜剑约120把，仅历代越王剑就有45把，吴王夫差剑也有10把。这些剑虽在地下埋葬了2500多年，但剑的表面至今依然花纹清晰，光彩照人，其原因就是在剑身的表面有一层黝黑的镀铬防锈层。镀铬技术是近代才广为采用的一种金属表面处理技术，早在2500多年前的中国古代是如何完成这一道工艺技术的，
这至今还是个谜。在这一时期的青铜器制作过程中，还出现了另外一些新的工艺技术，如在青铜器表面嵌入金银丝的“金银错”，在青铜器表面涂金泥和刻划花纹的“鎏金”和“刻纹”，使得青铜器更华丽精美了。
在湖北江凌县还出土了一件有“吴王夫差自（乍）用 ”错金铭文的吴王夫差矛（见图3—5）。在河南省洛阳市出土了一件有“越王者旨于赐”错金鸟篆
图 3—4越王勾践 图3—5 吴王夫差矛
铭文的越王矛。这两件矛堪称春秋末战国初的精品。随着冶铁技术的日益发展和完善，西汉以后，我国社会已经进入了铁器时代。
二 中国古代的冶铁技术
我国古代用铁的历史可以追溯到商代。1972年，在河北藁（槁）城县出土了一件商代的铁刃铜钺（见图3—6）。虽然其铁刃是用陨铁为原料制成的，但它表明，其时我国的先民们，已经对铁的性能和它的使用价值有所认识，并且已能够进行锻打加工并与青铜铸接成器，这项工作无疑是在青铜冶铸作坊中进行的。我国人工铸铁技术发明于何时，至今尚难断言，但这项技术至迟始于春秋时期。因为在春秋战国之际和战国早期，冶铁技术曾先后出现过三次重大发展。 图3—6 商代的铁刃铜钺
铁分生铁和熟铁两种。包括钢在内，都是铁和碳的合金。含碳量小于0.05%的称之为熟铁；含碳量在0.05%——2%的称之为钢；含碳量在2%——6.67%的叫生铁。据《左传 . 昭公二十九年》记载，周敬王七年（公元前513年），晋国铸了一个铁质刑鼎。把范宣子所作的刑书铸在上面。铸刑鼎的铁，是作为军赋向民间征收来的。这说明至迟在春秋末期，民间就已经有了炼铁作坊，而且较好地掌握了生铁的冶炼技术。江苏六合程桥吴墓出土的铁丸和铁条，经金相分析，前者为白口生铁铸件，后者是用块炼铁（早期熟铁）锻成的。这是我国考古发掘，并经过科学分析后确定的最早的生铁冶铸实物，也是世界上最早的生铁冶铸实物。欧洲一些国家在公元前1000年前后已能生产块炼铁。公元初，古罗马已偶能得到生铁，但多废弃不用。直到公元14世纪欧洲才使用铸铁，其间经历了漫长的发展道路。相比之下，我国古代只用了较短的时间，就实现了生铁冶炼技术的突破性进展，出现了铸铁，这显然与我国商代高度发展的青铜冶炼技术有着密切的关系。因为青铜冶炼技术从矿石、燃料、筑炉、熔炼、鼓风和范铸技术等方面，为生铁的冶炼准备了坚实的技术基础。生铁冶炼技术的出现，为铁器农具的普遍使用，较大程度地提高农业生产力成为可能。
2.铸铁柔化技术——灌钢技术的出现
我国的技术专家们通过对洛阳水泥厂战国早期灰坑出土的铁锛和铁搏的金相分析后得知：它们都是生铁铸件经过柔化处理后而得到的产物。前者是经过较低温度退火得到的，是白心韧性（可锻）铸铁或铸铁脱碳钢件的前身；后者是经过较高的退火温度和较长的退火时间处理的，是目前人们所知道的最早出现的黑心可锻铸铁实物。欧洲只到1722年，才由法国人发明和使用白心可锻铸铁。1826年，美国人发明了黑心可锻铸铁，而在我国生产这两种高强度铸铁，比欧美要早二千年以上。
3.球墨铸铁
球墨铸铁因所含的石墨呈球状而得名。它既有较高的经度，又有比较高的塑性和韧性，铸造性能和加工性能都比较好。
1924年，在河南渑（面）池县发掘了北魏时期的一个铁器窖，里面藏有由汉朝到北魏时期的铁器四千多件，包括工具、兵器、日用器皿以及铸范、铁材等。其中有一铁斧，进行过脱碳退火处理，铁斧的大部分组织相当于含碳0.4%的碳钢。组织中没有絮状石墨，但在斧的銎（穷）部（斧上装柄的孔）发现有相当于现代球墨铸铁中的球状石墨。直径20微米，分布在平均厚度为3.2毫米，长约50毫米的U形断面上，共约30颗，外形比较规整。有人认
为，这可能是由白口铸铁在退火过程中得到的。到目前为止，具有球状石墨的古代铁器已经发现了好几件。有人认为，这种球状石墨可能是在铸造过程中得到的，这在冶金史上是很少见的。因为多少年来人们就试图用白口铁退火的办法来实现以球墨代替絮状石墨的目的，但是难度相当大。
三 中国古代的炼钢技术
1.百炼钢
百炼钢是我国古代的一种炼钢工艺。1976年在湖南长沙出土了一口春秋末期的钢剑。经金相分析，它所用的钢为含碳量为0.5—0.6%的中碳钢。剑身断面可以看出反复锻打的层次。1974年山东苍山县出土过一把东汉永初6年（公元112年）制造的钢刀，其上有错金铬纹“卅湅大刀”等字样。经科学分析，它是由含碳0.6—0.7的炒钢反复叠折锻打而成的。跟比它稍早的西汉中期中山靖王刘盛墓中出土的刀剑相比，它的折叠层数更多，所夹杂物不但少而细小、而且其分布更加均匀，碳的分布也比较均匀，未见高低碳层。这说明冶炼加工次数的增多，使得钢的质量提高了。据说1961年在日本大和栎本东大寺古墓地也出土过一把我
国东汉中平年间（公元184—189年）制造的钢刀，上有错金铬纹“百练清刚”等字。这里的“湅”、“练”即“炼”，“刚”即“钢”。
文献上关于百炼钢的记载，以北宋时期的沈括在《梦溪笔谈》中的记载最为详细。他说把“精铁”锻打一百多火（次），每锻打一次后，就要称一次铁的重量，直到锻铁的斤两不减为止，此时的锻铁就成为百炼纯钢了。
百炼钢工艺的特点主要是反复加热锻打。锻打的目的是去除钢中的杂质，减小残留夹杂物的尺寸，并使其细化晶粒、均匀成分、致密组织、提高强度。这就是百炼钢的秘密和它的技术意义。由于百炼钢打制的刀剑刃口非常锋利，因而百炼钢主要用来制造宝刀、宝剑等兵器。
2.炒钢
炒钢是将生铁加热到液态或半液态，靠鼓风或洒入精矿粉，使硅、锰、碳氧化，让含碳量降到钢的成分。因为在冶炼过程中要不断地搅拌，好象炒菜一样，故而称其为炒钢。上面提及的“卅湅大刀”，1978年在徐州发现的一把汉章帝建初二年（公元77年）的“五十炼”钢剑
中国名剑都是以炒钢为原料，反复加热折叠锻打而成的。而欧洲用此炒钢法冶炼熟铁的技术是在十八世纪中叶才开始出现的，这要比我国晚了近1900余年。
3.灌钢法和鼓风技术
在汉代的炒钢和百炼钢的基础上，南北朝时，我国在制钢技术又出现了新的突破。《重修政和经史证类备用本草（卷四）》引陶弘景语：“钢铁是杂炼生鍒作刀镰者”，这是关于用生铁和熟铁合炼成钢（灌钢）的最早记载。北齐的綦（奇）母怀文用灌钢法造宿铁刀：
“其法，烧生铁精以重柔铤，数宿则成钢。已柔铁为刀脊，浴以五牲之溺（尿），淬（脆）以五牲之脂，斩甲过三十札。”
从这里可以看出，其时的炼钢技术不但已有较大的发展，而且淬火工艺也有了改革与提高。灌钢法在坩锅炼钢法发明之前，是一种先进的炼钢技术，对后世有重大的影响（坩锅炼钢法在1740年发明）。
冶铸中的鼓风技术，对青铜、钢铁的冶炼是致关重要的。最早的鼓风设备是个大皮囊，通过人力进行鼓风。后来发展到利用“马排”、“牛排”等畜力进行鼓风。东汉初年，南阳太守杜
诗利用水力来进行鼓风，这就是著名的“水排”，与其它动力相比，水排因其“用人少，见功多”而使得“百姓便之。”
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