渗碳法制钢

渗碳法这一术语涵盖了多种古代和现代工艺，其中铁在固态下从富含一氧化碳的气氛中吸收碳。一个例子是表面硬化：打铁匠可将半成品的刀片与木炭一同封装在密封容器中，加热到相当高的温度（通常约950°C）持续数小时，以产生数毫米厚的坚硬钢表面层。碳在铁表面被吸收并缓慢扩散到内部。

Derwentcote的炼钢

以下是Derwentcote炉的一些插图。更多信息见 Barraclough 1976a; 1976b; 及 1984。Percy（1864: 768–773）对此类炉型有更多记载。

1960年代。

1980年代，经English Heritage修复后。

面向游客的解说牌。

在工业规模上，本质上相同的工艺在18世纪和19世纪的欧洲被广泛用于为刀具行业生产高碳钢条。使用的大型炉子类似于英格兰纽卡斯尔（Newcastle）附近Derwentcote仍存留的那座。在此炉中，约十吨熟铁条与木炭一起封装在两个砂岩箱中。用煤火加热至约1100°C，持续一周或更长时间，然后让炉子冷却约一周，之后可取出钢条并进一步加工。

此处涉及的基本反应为：

这些反应向右进行的条件见此处。此外，木炭填料中通常混有催渗剂：现代实践中使用碳酸钡（BaCO₃），早期通常使用碳酸钙（CaCO₃）或碳酸钠（Na₂CO₃）。加热时催渗剂释放二氧化碳（例如 CaCO₃ = CaO + CO₂）；这取代了填料气氛中的氮气，增加了CO₂和CO两者的分压，从而允许更快的碳吸收速度，并提高铁表面平衡碳含量。

在1930年代的四川发现使用欧洲工艺，令人惊讶且费解。一份四川钢铁工业调查（罗冕 1936: 35–38）描述了威远县的一座渗碳炼钢炉，并给出了左侧的示意图。它显然是外国设计的。渗碳炼钢工艺是16世纪末的德国发明，发展成19世纪初最重要的炼钢工艺。贝塞麦（Bessemer）工艺的引入提供了更便宜的制钢方法，到1900年渗碳法已基本过时，尽管在谢菲尔德（Sheffield）和其他少数地方一直使用到1950年代。它是在何时、由何人引入四川的？

中国传统渗碳法

在中国，渗碳法制钢传统上称为焖。关于中国传统渗碳炼钢方法所知不多，但历史学家杨宽从一本与大跃进相关的手册中提供了一些有趣的信息。

炉子基本上与坩埚冶炼所用相同。焖罐（坩埚）为陶瓷或铁制。使用低温，不超过900°C，退火时间为9至24小时。如此低的温度和短时间仅能产生一两毫米厚的渗碳层，但据我所见的器物判断，打铁匠所用的钢材似乎非常薄（有时不足一毫米），因此这是一项合适的技术。

有些作坊仅用木炭作填料，但也可见到种类繁多的催渗剂。例如在河南鲁山县的一家作坊，要用60公斤熟铁制钢，填料为6公斤木炭、3.6公斤牛骨粉和2.4公斤硝石（硝酸钾，KNO₃）。牛骨提供碳酸钙。硝石是强氧化剂；很难理解它在此可能起什么作用——无论实际效果还是想象效果。其他配方还包括碳酸钠，其功能与其他金属碳酸盐类似，加热时释放二氧化碳。有一种配方包括“盐”，大概是氯化钠；这又能起什么作用呢？

在湖北宜都县的一家作坊，填料为2.4公斤木炭、12公斤牛骨粉和3公斤锯末。在此，牛骨既提供碳酸钙，也提供所需碳的绝大部分。锯末在其他一些配方中也有出现，提供碳，但还可能有什么其他功能？

参考文献