中国古代金属热处理技术：从退火到擦渗的千年传承
中国古代金属热处理技术：从退火到擦渗的千年传承
中国古代的金属热处理技术源远流长，早在殷商时期就有相关应用。从退火、渗碳到淬火和擦渗技术，这些工艺在不同历史时期不断发展和完善，展现了中国古代工匠的智慧。本文将带您回顾中国古代金属热处理技术的发展历程，感受古人的精湛技艺。
退火
河南殷墟出土的殷代金箔，经金相分析可知，是经过再结晶退火处理的，其目的是消除金箔冷锻硬化。1974年洛阳市出土的春秋末期战国初期的铁锛经过脱碳退火，使白口铸铁表面形成一层珠光体组织，以提高韧性。同时出土的铁铲是经过柔化退火的可锻铸铁件。
20世纪50年代山东薛城出土的西汉 (公元前206~公元24)铁斧是铁素体基体的黑心可锻铸铁，当时柔化处理技术已有较大的提高。明代宋应星著《天工开物》(成书于1634年，刊印于1637年)有锉刀翻新工艺的记载，说明齿尖已磨损的旧锉刀，先退火再用錾子划齿。书中还记载了制针工艺中工序间消除内应力的退火。
渗碳
这种工艺起源于战国后期所创造的渗碳钢。1968年河北满城出土的西汉刘胜(卒于公元前 113年)的佩剑，经分析，表面有明显的渗碳层，并经淬火，其硬度为HV9001170，而中心低碳部分的硬度为HV220300。表面硬度较高，锋利耐磨，而中心则有很好的韧性，不易折断。刘胜的错金书刀经过渗碳局部淬火后，刃部和刃背获得硬韧兼备的效果，可见当时刀、剑的热处理工艺已具有很高的水平。
《天工开物》叙述了古代制针用的渗碳剂和固体渗碳工艺。明末方以智著《物理小识》(成书于1647年)记载了3种渗碳剂:一是"虎骨朴硝酱，刀成之后火赤而屡淬之";二是"酱同硝涂錾口，锻赤淬火";三是用"羊角乳发为末，调敷刀口"。前两者都有一定的渗氮作用。
淬火
这种工艺首先用于熟铁渗碳淬硬。1965年河北易县燕下都遗址出土的战国后期锻剑等武器大都是经过淬火硬化的，经金相分析，发现了淬火产生的针状马氏体。《史记·天官书》(成书于公元前91年)有"水与火合为焠"之说。《汉书(记西汉事)·王褒传》有"巧冶干将之朴(窄长有短把的刀)，清水焠其锋"的记载。《太平御览·蒲元传》载三国时蜀人蒲元对他的"神刀"淬火用水的选择，虽多渲染，不尽可信，但当时确已认识到水质对淬火效果的影响。《北齐书·列传第四十一》载东魏、北齐间(534~577)的綦母怀文在"宿铁刀"淬火时"浴以五牲之溺，淬以五牲之脂"。可见当时已采用含盐的水和油作为具有不同冷却速度的冷却介质。
擦渗技术
擦渗是我国流传千百年一项金属表面强化工艺。在手工作坊中广泛应用，简单地说，就是在熟铁或低碳钢锻坯上，擦上或淋上一薄层生铁，在经过多次冷锻，成型后再加热淬火，使工件一面渗碳，并有生铁熔覆层，使表面强化，因而工件既耐磨又锋利。它是将锻造、铸造与热处理三结合的形变热处理复合工艺，在当今的入土农机具中仍有应用。
擦渗技术起源很早，公元四世纪南北朝时期，能工巧匠们发明了一种半液态钢，所谓的“杂炼生柔”，“生”指的是生铁液，“柔”指的是熟铁，将生铁液和熟铁混在一起煅炼，增碳排渣，即成制造镰刀、锄头的材料。到了公元十世纪的北宋时期，发展了这种炼钢技术。把工艺改进到将液态生铁浇淋到熟铁片的间隙内，经过多次加热与锤锻，使之成为中碳钢或高碳钢，叫做“团钢”或“灌钢”。擦渗工艺就是在这种工艺上创造出来的。
明代唐顺之撰写的《武编》一书中记载了擦渗工艺。他写道：“……或以生铁与熟铁并铸，待其极熟，生铁欲流，则以生铁于熟铁上，擦而入之”。显而易见，擦而进入表面的即为碳，即渗碳作用。
明末宋应星著的《天工开物》记载了另一种工艺方法。写道：“凡治地生物，锄镈之属，熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。每锄锹重一斤者，淋生铁三钱为率，少则不坚，多则过刚而折”。
这项擦渗技艺流传至今，演变成各种不同的操作工艺。如华北一带的“擦生”、东北地区的“铺生”、江西的“浇淋”等。古代手工业都能把它作为谋生的一项神秘的绝技，传儿不传女，并强调“渗料”要用古庙钟铁、古锅铁、山西疙瘩犁镜铁（即犁壁）。
的确，擦渗工艺的奥妙就在这个“渗料”上。为了揭开这个谜底。科技工作者曾取样于山西犁镜铁、古庙钟铁、山西平定坩埚铁、渗料铁等，作化学分析成分和物理分析金相组织。
从化学成分和金相组织分析可知，这种铁是高碳（3.2%～4.10%）低硅（≤0.50%）、其他杂质很少的白口生铁，其特点是熔点低、熔化温度范围窄，一旦冷凝后硬（≥50HRC）而脆。
擦渗机理：人们对这种千百年来祖先传下来的工艺有不同的见解，有人认为是简单的单面渗碳；有人认为是特殊的金属堆焊，还有人认为是渗碳兼金属熔覆。
有人曾对擦渗锄板进行金相分析，在其一角取样，金相如图5。图中Ⅰ是最外一层，是白口铁熔覆层，组织为渗碳体+珠光体，实际厚度0.14mm；Ⅱ是过共析层，含碳量>0.8mm，组织为珠光体+网状渗碳体；Ⅲ是共析层，含碳量为0.8mm，组织全部为珠光体，实际厚度0.23mm；Ⅳ是亚共析层，含碳量低于0.8mm，组织为珠光体+铁素体，即本性向金属过渡；Ⅴ是本体金属，组织为铁素体。
由于擦渗只是在工件的一个面上进行，另一面仍为低碳的熟铁，因此，工作时一面磨损快，男一面较慢，因而能够经常保持刃口的锋利，技术上叫做“自动磨锐”，也称自锐性强，这就是擦渗的奇特功效。
金属热处理的作用有哪些？
金属的硬度值越高表明金属抵抗塑性变形的能力越强，金属产生塑性变形越困难。现在的热处理设备指用于实施热处理工艺的装备，传统设备主要是各种热处理炉，感应加热设备，火焰淬火装置，各种表面强化装置等；现代热处理设备主要是自动化程度高，产品质量稳定，能批量处理的大型连续生产线、密封箱式多用炉生产线、真空及无人化感应加热设备等。
同时还有先进热处理工艺用的设备，如激光淬火和激光熔覆装置、多弧离子镀装置、离子注入设备等。要真正实现热处理技术的现代化，要靠热处理设备的现代化来做保证。
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
然而突出的特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。
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