北朝冶铁技术：春秋早期人工冶铁制品的发现

北朝之前，我国冶铁技术已达到相当高的水平。北朝期间，在炼钢及热处理等方面的技术又有所进步。特别是北齐綦毋怀文，在总结前人经验的基础上，造宿铁刀，改进和完善“灌钢法”，是我国炼钢史上的一项杰出成就。

一、北朝之前的冶铁技术

我国古代用铁的历史可以追溯到商代。1972年在河北藁城台西村商代遗址及1977年在北京平谷县刘家河村商代墓中，分别发现了一件铁刃铜钺。经检测，二者铁刃部分为陨铁。这表明当时人们已经对铁有所认识，如铁与青铜相比硬度更高，制成兵器刃部更锋利等。

大约在春秋早期，我国已发明了冶铁技术。1990年，河南省三门峡市虢季墓中出土了两件珍贵文物[862]：玉柄铁剑和铜内铁援戈。其中，玉柄铁剑残长34.2厘米，通体由铁、铜、玉三种材料复合而成；铜内铁援戈为铁援和铜内锻合而成，残长17.4厘米，内长7.4厘米，厚0.5厘米。经北京科技大学冶金史研究所鉴定，二者所用的铁均为人工冶铁，分别为“块炼渗碳钢”和“块炼铁”。这是我国目前已知的最早的人工冶铁制品，表明我国至迟在春秋早期已经出现了制造铁剑的技术。但在这一时期冶炼业并不发达，铁兵器的制造难以普及，所以在史籍中，并未有关于当时铁质刀剑太多的记载和说明。在近现考古发现中，铁质刀剑的实物也屈指可数。所谓“块炼铁”，是铁矿石在800℃—1000℃的条件下，由木炭还原得到的，出炉时是含有大量杂质的固体块。这种铁有几个缺点：一是生产效率低，产量小；二是需要反复锻打，才能制造一些形状简单的器物；三是含碳量很低，质地很软，即是熟铁。由于上述缺点，这种铁不可能得到普遍应用。人们在锻打块炼铁、制造铁器物的过程中，由于反复在木炭中加热，使铁吸收了碳，提高了含碳量，减少了夹杂物，于是得到了钢。可以说，这是最初期的炼钢术。用这种方法得到的钢，即为“块铁渗碳钢”。熟铁、钢及下面提到的生铁，都是铁和碳的合金。其中，含碳量小于0.05%者称为熟铁，含碳量在0.05%—2%者称为钢，含碳量大于2%者称为生铁。

大约在春秋晚期，由于鼓风方法和设备的改善，提高了炉温，发明了生铁冶铸技术。《左传·昭公二十九年》记载，周敬王七年（前513），晋国就用生铁铸造了一个铁质刑鼎，将范宣子所作的刑书铸在上面。战国时期，许多铁制农具都是生铁铸造。但生铁比较脆，不能锻打和延展，不适宜制造手工工具和兵器。因此，在生铁发明后的相当长一段时间内，人们所使用的锻件熟铁仍然是用“块炼法”得到的。而炼钢的原料也仍然是块炼铁。后来，人们在打制器物时，有意识地增加折叠锻打次数，一块钢往往需要打打烧烧，烧烧打打，重复许多次，所以把用这种方法炼出的钢称为“百炼钢”。百炼钢和块铁渗碳钢在工艺方法上虽然没有本质区别，但是由于百炼钢折叠锤打的次数更多，吸收了更多的碳，使钢的组织致密，成分均匀，质量提高。是时，此种百炼钢多用来制造宝刀、宝剑等兵器。或许早期的炼钢术就是在炼制刀剑过程中发明的。

西汉时期，出现了生铁炒炼技术，并逐渐取代了块炼法。所谓炒炼，就是把生铁加热成半液体或液体状态，然后加入铁矿粉，同时不断搅拌，利用铁矿粉和空气中的氧，烧去铁中的一部分碳，降低生铁中碳的含量，除去渣滓，制得熟铁。若含碳量控制得好，还可直接得到钢，称为“炒钢”。这是我国钢铁冶炼史上的一项重要成就。在河南巩县铁生沟西汉冶铁遗址中，还发现有多座炒钢炉。可见，西汉时不仅生铁炒炼技术已经相当进步，而且炒钢设备的规模也比较大。

东汉时期，由于水力鼓风机械——水排的运用，使冶铁炼钢业得到较快的发展，主要兵器已全部为钢铁所制，从而完成了生产工具和兵器的铁器化进程。是时，制造生产工具和兵器所用的钢材，多是以炒钢为原料冶炼的百炼钢。其冶炼方法多用炒钢多层积叠、反复折叠锻合法。1974年，在山东苍山县汉墓中，出土了一把东汉永初六年（112）制造的钢刀[863]，全长111.5厘米，上有错金铭文“卅湅大刀”等字。湅，通“炼”。据分析，此刀是由炒钢折叠锻打而成，其刃部组织分层，为30层左右。1978年，在徐州市铜山县的一座小型汉代砖墓中，发现了一把东汉章帝建初二年（77）的“五十湅”的长钢剑[864]，钢剑锋部稍残，无首，通长109厘米。经考察，此剑亦是由炒钢折叠锻打而成，其刃部组织亦是分层，约为60层。一般炒钢经反复锻打、千锤百炼后，便可进一步排除夹杂、均匀成分、致密组织；多层积叠时，往往还可起到刚柔相济的作用。这种方法传到了日本后，对日本刀的工艺产生了重要影响。

魏晋时期，基本沿用和推广汉代的一些冶铸技术。1974年，河南渑池出土的窖藏铁器[865]，计有60多种、4000多件、3500千克；种类包括铁范、农具、手工业工具、兵器、交通工具、铁材、烧结铁等。据考察，除了六角锄和铁板镢等少数器物为汉器外，其余多数是属于曹魏至北朝时期的物器。这大体上反映了当时的冶铸情况。另外，史籍中有关当时“百炼”型钢铁刀剑的记载，比前代明显地增多。例如东汉建安年间（196-220），曹操曾命有司用百炼钢锻打造而成的五把宝刀，名曰“百辟刀”；三国时期，蜀国蒲元在成都为刘备造了“七十二炼”刀五千把，又在斜谷为诸葛亮造“称绝当世”的“神刀”三千把；十六国时期，夏赫连勃勃凤翔年间（413-417），“造百炼刚刀”。这些说明当时百炼钢的冶炼已较为普遍。

二、北朝对冶铁业的管理

冶铁业关乎国计民生，北朝各政权非常重视冶铁业的发展，自上而下地设置管理冶铁业的机构和职官。北魏立国初期，置左民尚书，管理包括冶铁业在内的手工业生产。孝文帝太和改制，设太府寺，“统左中右三尚方，左藏，司染，诸冶东、西道署”。东、西道冶署是专管冶铁业的中央职官。“诸冶东道又别领滏口、武安、白间三局丞。诸冶西道又别领晋阳冶、泉部、大、原仇四局丞”。即东道冶署在太行山以东的滏口（今邯郸市峰峰矿区）、武安（今河北省武安县）、白间（今河北省易县一带）设置冶局；西道冶署在太行山以西的晋阳（今太原市晋源区）、泉部（今山西省东南一带）、大（今河南省沁阳、济源一带）、原仇（今山西省盂县）设置冶局。这些地方都是传统的冶铁业中心，设冶局，作为管理、经营地方矿冶、铁器的专门机构。北齐沿袭北魏的冶铁业管理制度。北周时，冬官下属置司金，掌矿冶铸造。其职官有司金中大夫，小司金下大夫，小司金上士。另有典丱中士、下士，冶工中士、下士，铸工中士、下士，锻工中士、下士等矿冶铸造业各职官。这样，对冶铁业的管理更加细致周全。

北朝时期，钢铁产量很高。上文所述的渑池窖藏铁器便是一例。又如《宋书·索虏传》记载[866]，宋文帝元嘉二十七年（450），南朝刘宋军队北伐北魏，破济州，“取泗渎口，虏碻磝戍主”，获取了大量的战利品。其中，包括“铁三万斤，大小铁器九千余口，余器仗杂物称此”。碻磝，古津渡、城名。故址在今山东茌平县西南古黄河南岸，北魏时为河南四镇之一，又为济州（今山东省东阿县）治所。东晋十六国、南北朝时为军争要地。从刘宋军队缴获的大量铁器来看，说明碻磝铁冶规模不小。北齐、北周时，铁冶业的规模及产量基本等同北魏。

三、綦毋怀文和灌钢法

用生铁直接炒炼成钢，工艺比较复杂，技术不易掌握。因此，一般情况下要得到钢，往往仍然采用“百炼法”。但是，百炼钢的工艺费时费力，产量不容易提高，远远不能适应社会生发展的需要。大约在东汉末，我国可能已出现了炼钢新工艺“灌钢法”的初始形式。北朝之前，虽然有少量文献记载了灌钢法，但都非常简略，后人难以了解其具体含义和方法。《北齐书》及《北史》中记载了綦毋怀文的灌钢法，则是灌钢技术最详细、最明确的较早记载。可以说，綦毋怀文虽然可能不是灌钢法的最早发明者，但却是目前所知灌钢法的最早实践者和革新者，为灌钢法的发展作出了重大贡献。

（一）綦毋怀文其人

綦母怀文，生卒年代及其籍贯不详，北齐著名冶金家，曾“以道术事齐神武”[867]。齐神武，即北齐神武帝高欢（496-547），据此，綦母怀文应活动在东魏、北齐之际，官至北齐的信州（今四川省奉节县一带）刺史。綦母怀文在制造“宿铁刀”的过程中，用了灌钢法。对此，《北史·綦母怀文传》曰[868]：

怀文造宿铁刀。其法：烧生铁精，以重柔铤，数宿则成刚。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩甲过三十札。

宿铁，即灌钢。柔铤，指可锻铁料，可以是熟铁，也可以是钢。柔铁，即熟铁。刚，即钢。从这条文献中可知，綦毋怀文造刀的方法是：首先，把生铁和熟铁以灌钢法烧炼成钢。其次，使用复合材料技术，以熟铁为刀脊，宿铁为刀刃。再次，使用尿淬和油淬，即“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”。这样做出来的刀称为“宿铁刀”，极其锋利，能够一下子斩断铁甲30札。概言之，綦毋怀文造刀的方法包括3种技术：灌钢法、复合材料制刀技术、淬火技术。下面分别说明这3种技术的意义。

（二）灌钢法及其影响(www.xing528.com)

“其法：烧生铁精，以重柔铤，数宿则成刚。”意思是，将优质的生铁烧化，浇注在叫“柔铤”的可锻铁料上，经过数次灌炼，就可得钢了。由于让生铁和可锻铁料“宿”在一起，所以炼出的钢被称为“宿铁”。这种方法，后人叫做生熟炼或灌钢法。该方法同百炼法或炒炼法比较，有很多优点。其一，生铁作为一种渗碳剂，因熔化后温度很高，可以大大提高向可锻铁料中渗碳的速度，缩短冶炼时间，提高生产率。其二，生铁由于脱碳也可以变成钢，这样就可以增加钢的产量。其三，在高温下，可锻铁料中的杂质会被强烈氧化而除去，因而炼成后的钢可以减少锻打次数。其四，灌钢法操作简便，容易掌握和推广。

綦母怀文之后，灌钢法广泛传播，这对于增加钢的产量，改善农具和手工工具的质量，促进社会生产力的发展，起了积极作用。同时，对后世的炼钢生产也产生了深远的影响。隋唐时期，綦毋怀文灌钢法仍为冶炼家沿用，特别在河北中部一带广为传播。宋代，灌钢已经取代炒钢和百炼钢，成为当时的主要炼钢方法。沈括《梦溪笔谈》卷三《辨证一》记之曰：“世间锻铁所谓钢铁者，用柔铁屈盘之，乃以生铁陷其间，封泥炼之。”这种方法的要点是：把生铁放入曲盘的熟铁片中，入炉冶炼，并用泥封炉。封泥的作用有三：使铁料各部分均匀受热，让生铁缓慢熔化；防止生铁熔化后的流失，使之更好地与熟铁作用；防止和减少碳在炉气中的烧损。明代，灌钢技术得到进一步发展。宋应星《天工开物》第十四卷《五金》“铁”条曰：“凡钢铁炼法，用熟铁打成薄片，如指头阔，长寸半许，以铁片束包尖（夹）紧，生铁安置其上。又用破草覆盖其上，泥涂其底下。洪炉鼓鞴，火力到时，生钢（铁）先化，渗淋熟铁之中，两情投合，取出加锤。再炼再锤，不一而足。俗名团钢，亦日灌钢者是也。”这种方法的要点是：把生铁放在熟铁片上，入炉冶炼，并用草鞋涂泥盖在生铁上。覆盖泥草鞋的作用是：使大部分火焰反射入炉中，以提高冶炼温度，加速生铁熔化。这两种方法，都把熟铁加工成薄片，以增大生铁和熟铁的接触面积，有利于生铁中碳分的渗入。明代中期，灌钢法又出现了新工艺形式的“苏钢”。相传为江苏工匠始创，故名苏钢，这是灌钢法的最高形式。明代唐顺之《武编前集》卷五“铁”条曰：“熟钢……以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁于熟铁上，擦而入之。”熟钢，即苏钢。其工艺的要点是：先把熟铁放入炉内鼓风加热，后把生铁条的一端从炉口斜放入炉内加热。继续鼓风，使炉温不断升高。当炉温在1300℃左右时，炉内的生铁开始往下滴铁水，熟铁已经软化。然后，钳住生铁条在炉外的一端，使铁水均匀地淋到熟铁上，“擦而入之”，且不断地翻动熟铁。这样，就产生剧烈的氧化。淋完后，停止鼓风，夹出钢团，砧上锤击，去除杂质。一般要淋两次。《武编前集》又曰：“此钢合二铁，两经铸炼之手，复合为一，少沙土粪滓，故凡工炼之为易也。”用现代的观点看，这种方法是利用了生铁含碳量较高，熟铁含氧化夹杂较多的特性，用熟铁中的氧来氧化生铁中的硅、锰、碳。无需封泥及覆盖涂泥草鞋，亦可达到去除夹杂的目的。而且“凡工炼之为易也”，即工序简化，操作简单，效果却十分明显。清代，在安徽芜湖、湖南湘潭等地，苏钢仍然兴盛。

概言之，灌钢法是我国古代炼钢工艺中的最高成就，在坩埚炼钢法发明之前，它一直是最先进的炼钢方法，为我国古代炼钢技术的进步和钢铁生产的发展起了巨大的推动作用。

（三）复合材料制刀

在綦毋怀文之前，我国古代的钢刀大都用百炼钢制成，这样制作的刀、剑虽然性能优异锋利无比，但也存在不少缺陷，整把刀全部用百炼钢制成，因此价格昂贵。如东汉时一把名钢剑的价钱，当时可购买供七个人吃两年九个月的粮食。另外，用百炼钢制作刀剑，费时费力。三国时曹操命有司制作了五把宝刀，用时三年。綦毋怀文制刀，用灌钢（宿铁）作刃，以熟铁（柔铁）作刀背，即运用了复合材料制刀技术，这是制刀工艺的重大更新。也表明他对钢铁的性能有比较深刻的认识，并能根据刀的不同的部位合理地加工制造。刀的刃部需要比较高的硬度，刀刃才能锋利，所以要用钢来制造。而刀背却需要有比较好的韧性，使刀在接受较大的冲击力时不致折断，所以用熟铁比较合适。把二者巧妙地结合起来，既满足了实用要求，又节省了大量价格昂贵的钢材，利于钢刀的推广和普及。这种制刀工艺，当今还在沿用。

关于綦毋怀文制刀时的淬火技术，我们将在下文叙述。

四、热处理技术的进步

北朝时期，金属热处理中的铸铁可锻化退火和钢的淬火技术，保持着较高的水平。

（一）铸铁可锻化退火

退火是一种金属热处理工艺，是指先将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间。然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。铸铁可锻化退火则是将白口铸铁转变成可锻铸铁或“铸铁脱碳钢”的退火工艺。考古发掘发现，这一工艺我国在战国时期就出现了。东汉以后，发展到了较为成熟的阶段。北朝期间，仍然保持在较高水平上，这在渑池铁器中表现得最为明晰。北京钢铁学院（北京科技大学的前身）金属材料系中心试验室对渑池铁器作了化学成分分析。1976年，公布了部分分析结果，见表8-1。

表8-1　渑池部分出土铁器的化学分析[869]

这些分析结果表明：汉魏至北朝时期，大量的农具是白口铁经过可锻化退火制成的。而且，当时已发明了生铁铸件经脱碳处理变成钢件的新工艺。如Ⅰ式斧（471号）、Ⅱ式斧（299、257号）等部分生铁铸件，从器形看都是铸造的，但经过化学分析和金相观察得知，基本具有钢的组织和成分。说明这些器件由生铁铸成后，经有控制的脱碳退火处理，即在退火过程中把碳脱掉，使之基本不析出石墨，避免成为展性铸铁，直接得到钢件。是时，虽然炼钢技术已相当发展，但尚未达到高温冶炼液体钢的程度，所以还不能生产铸钢件。而锻钢的冶炼和加工效率又都相当低，并且所含的杂质也比较多。在不能炼出液体钢的历史条件下，通过脱碳退火的方法，即可得到称为“铸铁脱碳钢”的铸钢件。这种特殊的制钢的新工艺，是我国古代钢铁冶炼史上的一项重大发明，在世界冶金史上也具有十分重要的意义。另外，部分生铁铸件经脱碳退火成了熟铁和钢后，根据需要又进行了再加工。如Ⅱ式斧（257、277、299号）等在脱碳后对刃口又进行锻打加工，使其更加锋利。而Ⅰ式斧（471号）、“新安”铁镰（528号）等则在整体脱碳后又在刃部进行了局部表面渗碳，以提高刃口的硬度。这说明当时人们对于脱碳、渗碳已有了相当的认识，操作上亦表现了较高的技艺。铸铁可锻化退火技术的发明虽然早于北朝，但是，北朝期间却传承和发扬了这一技术。

（二）钢的淬火

淬火是一种金属热处理技术，主要用于钢件。其工艺过程是：把钢件加热到一定温度，然后突然浸在水或油中使其冷却，以增加硬度，或获得一些特殊的物理化学性能。我国古代许多著名的宝刀宝剑大都经过淬火处理。一些杰出的刀剑制造家还注意到用不同的水淬出的刀剑，它们的性能不同。例如龙泉剑是因为用龙泉水淬火而得名。曹丕命人制造的“百辟剑”，是用清漳水淬火的。蒲元淬刀，认为“汉水钝弱不任淬”，因此不用汉水而用蜀江水。可见，在北朝以前我国在钢的淬火方面虽然积累了丰富的经验，但始终没有突破水的范围。

綦毋怀文最先突破了以水淬火的传统方法。他在制作宿铁刀时，“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”，即使用了动物尿和动物油脂作为冷却介质。动物尿中含有盐分，冷却速度比水快，用它作淬火冷却介质，淬火后的钢比用水淬火的钢坚硬；而动物油脂冷却速度则比水慢，淬火后的钢比用水淬火的钢有韧性。这是对钢铁淬火工艺的重大改进，一方面扩大了淬火介质的范围，另一方面可以获得不同的冷却速度，以得到不同性能的钢。綦毋怀文虽然不一定懂得其中的科学道理，但是他使用的方法是正确的。

綦毋怀文还可能使用了双液淬火法，即先在冷却速度快的动物尿中淬火，然后再在冷却速度慢的动物油脂中淬火，这样可以得到性能比较好的钢，避免单纯使用一种淬火介质淬火（即单液淬火）的局限。因为只用一种淬火介质毕竟难以两全其美，如果使用的淬火介质冷却速度比较快，就容易引起工件开裂、变形等缺陷；如果淬火介质冷却速度缓慢，就会使工件韧性有余，硬度不足，难以满足使用的要求这样，就需要使用双液淬火法，即在工件的温度较高（一般为650℃—400℃）时，选用冷却速度较快的淬火介质，以保证工件的硬度；而在温度较低（一般为300℃—200℃）时，则选用冷却速度比较小的淬火介质，以防止工件开裂和变形，使其有一定的韧性。双液淬火法是一种比较复杂的淬火工艺，掌握起来并非易事，它需要操作者有很高的技术水平和丰富经验。既要掌握好开始淬火的温度（温度过高，淬火后工件发脆，温度过低，则硬度不够），又要掌握好从第一种介质取出的时机（实际也是工件温度）。这在当时没有测温、控温设备的条件下，完全依赖操作者的感观、把握和操作技巧。綦毋怀文能在这种困难条件下掌握如此复杂的淬火工艺，是在钢热处理技术上的创新，在我国热处理技术史上占有一席之地。