大馬士革鋼

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更新時間: 2013-09-18

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大馬士革鋼(Damascus steel):《牛津英漢雙解詞典》解釋為:1. (鑄劍用的)大馬士革鋼 2. (類似大馬士革鋼的)水紋鋼。 「大馬士革鋼」是個廣義上的名字,從某種程度上就是表面花紋鋼的代名詞。

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1 大馬士革鋼 -大馬士革鋼簡介

2 大馬士革鋼 -大馬士革鋼刀的傳說與記載

3 大馬士革鋼 -大馬士革鋼製造工藝失傳之謎


  (引用他人的文章,根據《自然》雜誌的最新報道整理,僅供各位參考)

 
  伊斯蘭世界的科學家仔細研究和記錄了大馬士革鋼的製造方法。在整個伊斯蘭世界,刀劍製造師們都可以查閱這些記錄文獻,但他們絕對忠誠地保守著秘密,因為在那個戰爭勝負完全取決於冷兵器的時代,大馬士革鋼具有非同尋常的價值,因為它在那個古老的時代就把硬度與韌性兩個相互矛盾的屬性完美地結合在一起,而且能夠使刀鋒長期保持鋒利無比。

 
  大馬士革鋼的失傳過程一直是一個謎團。大家知道,高碳含量是鍊鋼過程的關鍵,但控制不好的話,就會成為鋼材的軟肋。高碳含量能產生鋒利的刃口和良好的保持性,但是碳在整個混合物中的數量幾乎是不可控的。含碳量太低的產物就是熟鐵,熟鐵太軟了無法用於兵器製造;含碳量太高的產物就是鑄鐵,鑄鐵又太脆了。如果加工過程有誤,鋼就變成碳化鐵的大鐵餅,這是一種脆得令人忍無可忍的鐵。在1095-1270年十字軍時代,為了戰爭的需要,歐洲刀劍工匠曾全力與阿拉伯同行相拼,他們嘗試了不同的加工工藝,他們將鋼與鐵用摺疊工藝打造,或者用銀和酸對鋼材進行處理,模仿大馬士革鋼所獨具的波紋結構,但都沒有成功。全世界各國的刀劍工匠也曾採用這種摺疊打造工藝,比如公元前6世紀的凱爾特人(蘇格蘭高地),公元後11世紀的維京人(北歐海盜)和11世紀的日本人,但都無法達到大馬士革鋼剛柔兼備、外觀華麗的至高境界。但奇怪的是:伊斯蘭的冶金高手卻可以控制高碳原料與生俱來的脆性,並將原料鍛造成戰鬥中使用的武器。然而,即便對它的發明者——伊斯蘭刀匠來說,這種技能也在18世紀中葉莫名其妙地失傳了。


  大家不難發現,這段歷史的一個疑點是:那時的阿拉伯世界擁有當時最先進的科研、教育和檔案體系,而且在那個冷兵器時代,鐵匠人數眾多,而他們都把這項有用的技術搞失傳了,這個說法總顯得過於牽強。最近,據《自然》雜誌報道,一支由德國德累斯頓大學教授帶領的研究小組,聲稱他們可能對大馬士革鋼這一特殊高碳鋼的生成機制及其消失原因有了新的觀點。而提出這個新觀點的基礎,則是最先進的材料科學:納米技術。


  製造大馬士革鋼的秘訣於18世紀中葉在原產地神秘失傳,歐洲和世界各地的的冶金專家所做的克服高碳鋼先天缺點的嘗試也都以失敗告終,那為什麼古代的敘利亞鐵匠就能夠成功地制出外觀華麗、內質堅韌的最終成品呢?根據納米技術的原理,摻雜在精鍊鐵製品中的微量雜質,對形成大馬士革鋼是至關重要的。但是,這些摻入的元素是什麼,它們是如何進入鋼材的呢?這個研究小組依靠最新的納米技術檢測了大馬士革鋼刀劍的微觀結構,他們決定從兩個方面入手來研究大馬士革鋼失傳之謎:一個是大馬士革鋼的原料本身,另一個是大馬士革鋼最終在中東進行鍛制的具體方法。已知的烏茲鋼鍛制添加物有肉桂樹皮和乳香葉,電子掃描顯微鏡還檢測出微量的釩、鉻、錳、鈷和鎳,以及其它一些稀有元素,這些元素顯示大馬士革鋼的原料來自印度的礦脈。


  上述這些微量物質是原先就存在於原料鋼材中的,而這個研究小組還要做的是:在鋼材內部鑒別加工過程中所發生的量子水平上的變化(晶體的晶格結構、分子鍵的空間取向等),這些變化將決定鋼材最終的物理特性。他們假設在反覆加熱和鍛造的加工過程中,這種金屬中演化出一種叫做「碳化微米管」的微觀結構,這種極硬的微米管浮出金屬表面並決定了刀劍的硬度。因此,通過將烏茲鋼的特性與添加特定微量物質的鍛制方法相結合,伊斯蘭世界的鐵匠就能夠製造出大馬士革鋼。18世紀中葉所發生的變故就是原材料的化學成份發生了變化,礦石中一種或數種微量成份消失了,原因可能是特定的礦脈被采盡了。鐵匠們僅憑眼睛是無法察覺這樣的變化的,但是有趣的是,鐵匠們可能會通過將少量早期購入的原料摻入到后購入的原料中,以此來延續這種製造工藝的壽命。但是,當這些僅存的原料用盡了,大馬士革鋼的故事也就結束了。


 

4 大馬士革鋼 -近現代對於「大馬士革鋼」的研製


  由於印度的烏茲鐵礦在17世紀末被開採殆盡,所以鑄造型花紋鋼也消失了,大馬士革鋼刀的製作就此失傳。20世紀,不斷有人想利用現代的科學來分析和複製大馬士革鋼刀,但是都失敗了,而今大馬士革已經成為花紋鋼的代名詞了,現代的大馬士革鋼只是焊接型的花紋鋼了,而且這種花紋是為了美觀而製作的沒有實際的意義。


  在現代製造工藝的衝擊下,烏茲鋼錠的製作工藝已經失傳,現在的大馬士革花紋鋼是現代工藝的產物,應該說,真正的大馬士革刀已經失傳了烏茲鋼從冶鍊到鍛造對溫度的要求都很苛刻,冶鍊時溫度不得高於一千度,鍛造時必須低溫(即中國的所謂「冷鍛」)。鋼鐵在高溫下可塑性較好,一般製作刀劍都在高溫下將刀劍敲打成型。但烏茲鋼如果高溫鍛造,碳會大量流失,碳結晶也會被破壞,因此鍛打時溫度不能太高(自然也不能太低),很難掌握,所需的技術,經驗,勞力能比其他鋼鐵要多,成品率卻低得多。烏茲鋼刀的製作技術只流轉於印度,波斯和阿拉伯。歐洲人早在維京時代就通過「瓦蘭吉亞到希臘之路」進口烏茲鋼,但都是大體成型的鋼條,對於鋼錠如何加工成刀條歐洲人並不了解。十六世紀葡萄牙人曾劫掠過一艘滿載烏茲鋼錠的印度商船,運回歐洲出售,大多賣給了里斯本和馬德里的高級刀工。這些刀工用這些鋼錠製造精緻的匕首等物,發現成品沒有花紋(說明碳晶體已完全破壞),性能也平平,顯然歐洲人用的是自己的傳統鍛造工藝。


  大約從十八世紀後期開始,歐洲流行起增強花紋的技術,通過鍛打過程中不同材質鋼材疊加、凸模、切割等技術使花紋更加明顯,這種技術產生的大馬士革鋼叫作模式(Pattern)大馬士革鋼。大馬士革鋼有點向裝飾方向靠攏,也給人留下大馬士革鋼只適合工藝用途的印象。特別是當大馬士革鋼用於槍管、炮管製造時由於火藥燃燒產生的化學反應,槍膛內不同材料的變化不同,槍管內阻力迅速增加,嚴重影響使用,更加深這種印象。大馬士革鋼開始第二次衰落。


  其實對於刀劍類冷兵器來說,鍛打類大馬士革鋼的產生就是因為可以有較高強度的同時增強韌性而產生的附加效果,例如中國、日本古代的夾鋼刀劍及多層鍛打水紋鋼就是即有高硬度、強度又有好韌性的例子。大馬士革鋼從開始就是高質量為目標的產物,花紋不過是其顯示標誌罷了,通過不同材質鋼結合在一起使其適用於高硬度、強度同時要求高韌性仍然在現代工業中廣泛應用。


  到二十世紀末,一種新興的大馬士革鋼又開始出現,這就是粉末冶金模式大馬士革鋼。它的生產是由於要製造不鏽鋼大馬士革鋼而產生的。(通常所說的不鏽鋼有兩大類,鉻不鏽鋼和鎳不鏽鋼,鎳由於對動物有明顯的致癌作用,許多領域無法應用,且自然儲量小,價格高,除特殊場合外其普及性遠小於鉻不鏽鋼,在上世紀美國、歐洲禁止在與人有密切接觸的材料中使用含鎳材料后,鎳不鏽鋼的產量及需求開始明顯減少。)人們除希望找到生產新一代高質量的工具鋼,同時還具有不鏽鋼及大馬士革花紋。但鉻不鏽鋼大馬士革鋼卻無法鍛打生產,原因是鍛打類大馬士革鋼要求分層焊接,但鉻不鏽鋼加熱生成的鉻氧化物熔點高於其本身,而鍛打焊接去除各層間氧化層的原理是鍛件加熱到氧化層熔點溫度以上,低於鍛件熔點溫度時通過鍛打將熔化的氧化物打出各層間隙實現。如果氧化層熔點溫度高於鍛件熔點,則氧化物阻礙焊接實現。因此生產鍛打類高鉻不銹大馬士革鋼只有兩條出路:或者是找到能夠降低氧化物熔點的助料,或者是絕氧鍛打。這兩點到目前為止都沒有找到適宜的方法。


  但上世紀開始的粉末冶金技術又用到了第四代大馬士革鋼的生產上,上世紀七十年代初期,瑞典和美國發明了粉末冶金技術。八十年代末期,美國和瑞典的研究人員試驗成功將兩種高鉻粉末金屬分別分層累加,然後高溫高壓固結的技術,繞過鍛打這一步驟直接生產出分層不鏽鋼,此後粉末冶金大馬士革不鏽鋼就只剩下如何使它具有花紋的工作了。這些研究成果導致瑞典人九十年代初開始生產不鏽鋼大馬士革鋼。由於粉末冶金具有材料的高度均勻性、組成高合金鋼的各個成分可精確控制等特點,可以比傳統冶鍊的同類鋼材有更高強度和硬度,他們要解決的問題是選擇兩種或更多種具有相近的熱工效應但有明顯的酸化反應材料。相同的熱工效應保障熱處理或鍛打(不含焊接)出模式大馬士革鋼,酸化反應差異大保障產品可以經過酸化處理生產強烈對比的花紋。從原理上來將,這種技術可以將幾乎任何兩種熱工效應類似的金屬製成大馬士革「金屬」。


 

5 大馬士革鋼 -大馬士革鋼的識別


  
  古今許多刀劍都標稱其採用「大馬士革鋼」。其實,真正的大馬士革鋼並不多見,通常所說的大馬士革鋼是將不同含碳量的碳鋼或純鎳等材料,經過多次摺疊鍛打而生成的。如此煉就的鋼,其表面形成不同的花紋和色澤。現在就讓我們甄別一下各種不同的大馬士革鋼吧……


同種來源生成的鋼


  1.東方大馬士革鋼


  東方大馬士革鋼是熔化、鍛煉和熱處理相結合的產物,是真正的大馬士革鋼。它使用單一的均質源即鋼錠進行製造。因其通過坩堝冶鍊而成,所以又被稱為「鎢秩」(wootz)鋼。處理后的晶體圖案存在著許多變化,刃上的晶體圖案經沖鍛後會有所改變。在刃上可用鈍刃鑿或沖模製成預先設定的設計樣式。東方大馬士革鋼最硬的元素是滲碳體,腐蝕和拋光后呈銀色或白色。珠光體(鐵素體和滲碳體的層狀形式)腐蝕后呈黑色。數個世紀以來,很多學者和研究人員想用最現代化的方法模仿製造,但到目前為止,很少取得成功。


異種來源生成的鋼


   1.晶體或顆粒狀大馬士革鋼
  晶體或顆粒狀大馬士革鋼的圖案非常精細,肉眼幾乎發覺不到。這些精細的粒子被稱為黑白粒子斑晶。這種鋼的優點是不易斷裂。
   2.機械加工仿大馬士革鋼
  機械加工仿大馬士革鋼通過機械改變焊接鋼層,或通過各種程序合成,主要是通過扭轉后銼磨(切削)而成。
   3.層焊大馬士革鋼
  層焊大馬士革鋼由不同質量的鋼和軟鐵組成,經錘打及焊接熔合令鋒刃堅硬,同時兼顧整體柔韌性。刃面的圖案除用酸蝕外,亦可用錘打、衝擊、銼和磨的方法製成。含有鎳的鋼可用來代替高碳鋼。在鍛煉中,古代鐵匠偶爾使用流星鐵來產生裝飾效果。水紋鋼使用含碳量不同的材料或利用其他元素如鎳製造而成,所以這種鋼又被解釋為本質上的異種鋼。經酸蝕后,鋼中最硬的元素由於耐腐蝕而顯示出白色或銀色。另一方面軟元素會受到腐蝕並改變顏色,通常變為黑色或棕色。
   4.表面處理仿大馬士革鋼
  表面處理仿大馬士革鋼是通過在刃面上塗清漆或使用抗蠟處理后,在防酸蝕的表面上雕刻出預定的圖案。這種圖案雖然清晰,但因看起來比真的還「真」,所以較容易識別。


 

6 大馬士革鋼 -以紋理精細度定質量


  大馬士革鋼以紋理圖案的精緻及複雜程度,而定出質量的高低。因為能有精細天然紋理的,必是用最優質的鋼製造所得。鋼中的晶體圖案有寬紋、窄紋、波狀紋、樹狀紋、球狀紋、晶體或晶粒紋,有的紋理扭轉捲曲像「螞蟻的足跡」。圖案稱為柯克納杜班(Kirk Narduban)的,其意為「40階梯級」,又稱「神梯」或「雅各布梯」,被認為是最精緻的大馬士革鋼圖案。這種圖案還可再細分為雙神梯(Double Kirk Narduban)圖案、玫瑰和螺旋(The Rose or Circle)圖案、神梯和玫瑰(Kirk Narduban and Rose)圖案、雙神梯和玫瑰(Double Kirk Narduban and Rose)圖案。


  另有被稱為「Qara Khorasan」的大馬士革鋼,其刃體帶有極細的黑色水紋、「Qara Tapan」的刃體有發黑色亮光的花紋、「Akparee」的刃體有如卷線或絲體花紋圖案、「Begumee」的刃體有如在水中流轉蕩漾的長絲花紋、「Zanjir」的刃體有如鏈索形的光亮花紋。而一般圖案的劍刃,被稱為沙姆(Sham)或敘利亞大馬士革鋼。
以顏色分類


  評估劍身最普遍的標準是顏色。大部分劍身的顏色,包括卡拉霍拉桑(Kara Khorassan),劍身的底色幾乎是黑色,帶有美麗的寬波浪圖案,如同流動的水。與之相似但黑色底較淺的,稱為卡拉塔班(Kara Taban)。其他還有白色、黃色或綠色。也有人試圖將劍身顏色和其製造場所或城市聯繫到一起。例如白色為主色的鋼被認為來自法爾斯(Fars)或庫法(Kufa);黑色的被稱為卡拉霍拉桑(Kara Khorassan),說明原產地在霍拉桑(Khorassan)。

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