【元素家族——連載131】鐵器時代（二）——鐵匠的藝術

上一篇我們提到地球上鐵資源實在太豐富了，幾乎隨處可見。見過有國家沒有金銀銅的，但很少見到有國家沒有鐵的。地殼裡的鐵元素在金屬大家庭中僅次於鋁，由於鐵的反應活性也不差，所以地球表面看不到天然純鐵，它都以氧化物或鹽類的形式存在著。

下面我們來看看它們的分類吧！

磁鐵礦，四氧化三鐵，黑褐色。純潔的磁鐵礦經常形成正八面體晶體，有金屬光澤。在所有礦石中磁性最強的。中國古代稱它為「磁石」，並利用這一點發明了司南，也就是最早的指南針。

【磁鐵礦晶體，可以看出很明顯的正八面體結構。】

赤鐵礦，三氧化二鐵，規則的結晶體呈鋼灰色，稱為「鏡鐵礦」；而不規則的氧化鐵是鬆軟的土狀，大多呈紅褐色，稱為「赭石」。用它們在石頭上劃刻，會出現鮮紅色。遠古人類在戰鬥之前用這種礦石在自己面部、身體上擦拭，不愧是裝X神器啊。後來它又被作為顏料，即「鐵紅」。

【赤鐵礦。】

針鐵礦，水合氧化鐵，呈黃褐色，晶體為片狀、柱狀或針狀，是富鐵礦物風化之後的產物。這種鬆軟結構跟鐵鏽很相似，也被用於顏料，即「鐵黃」。英文名「Goethite」，取自於德國大文豪歌德的名字，因為這位老兄除了寫作還酷愛在戶外收集各種礦石。

【針鐵礦晶體。】

褐鐵礦，顧名思義，是褐色的鐵礦石，它的成分也是水合氧化鐵，但是結晶水的數目比針鐵礦多得多，所以更加鬆軟，鐵含量更低，是品味較低的鐵礦石。

【褐鐵礦。】

菱鐵礦，碳酸亞鐵，一般是灰白色。

【菱鐵礦。】

黃鐵礦，二硫化亞鐵，類似黃金的顏色，所以經常被騙子用來冒充黃金，歷史上的「愚人金」就是這玩意。破解方法很簡單，黃鐵礦的比重只有4.9，遠遠低於黃金的17.9，用手掂量掂量就知道了。

由於其中含硫，一般的煉鐵工藝較難處理產生的二氧化硫氣體，所以很少用黃鐵礦來冶鐵，而是用它來生產硫酸。

【用黃鐵礦冒充的假金錠。】

鐵礦石往往跟其他礦物伴生，比如重晶石、方解石、螢石，更不用說那些無處不在的長石、石英等硅酸鹽礦物了，因此將鐵元素從這些礦石中提煉出來，是一門藝術，是一個漫長的故事。

最早煉出的鐵是生鐵塊，西方叫做「豬鐵」，我真的沒有寫錯別字，不是鑄鐵，就是豬鐵（Pig iron）。在用一個耐火磚製造的窯爐，將木炭和鐵礦石混合加熱，儘管溫度還沒有達到鐵的熔點，但已經足夠碳去還原鐵礦石了，最終得到的生鐵塊含碳量較高，大於3.5%，裡面還夾雜著很多從鐵礦石帶來的硅酸鹽類，非常脆，加上特別容易鏽蝕，因此不能被直接使用，需要繼續冶煉。

【簡易窯爐。】

世界上最早的鋼出現在公元前六世紀的印度，泰米爾人以磁鐵礦為原料，用特殊的方法鼓風，得到的產物比生鐵要堅硬的多，特別適合做武器。亞歷山大大帝遠徵到印度後，將這種鍊鋼方法帶到中東、埃及和歐洲，這種鋼被稱為「烏茲鋼」。

由於位於地理要衝，敘利亞首都大馬士革是重要的兵器生產地和交易地，這些古兵器大多都用這種初級鋼材，所以它又被稱為「大馬士革鋼」，這種「大馬士革鋼」製成的兵器幾乎佔據了中古時期西方世界的武器市場。

烏茲也好，大馬士革也好，這種工藝早已失傳，可惜可嘆！現代科學技術研究了古印度的「烏茲鋼」，發現它的含碳量在2%左右。用掃描電鏡觀察以後，竟然發現其中有很多的碳化三鐵的顆粒，還有一些碳納米管和納米級的碳化鐵結構。神奇的印度人，總是給人帶來意想不到的驚喜！

【大馬士革鋼製成的鋒利的刀刃。】

以前一般認為中國古代的青銅器很發達，冶鐵技術來自西方，但最新的考古證據表明世界上最早煉出的生鐵（cast iron）來自中國南方，在江蘇省南京市六合區出土了一顆用生鐵球做的藝術品，它來自公元前五世紀，當時這裡屬於吳國。這種生鐵的碳含量大於2%，同樣很脆，不能用來做兵器的刀刃，主要用來做鐵犁和鐵質容器。中華農耕文明如此發達，鐵犁功不可沒。

【產自南京六合的生鐵球。】

南方的吳越文明在學會鐵器技術後迅速發達起來，吳越先後成為霸主，輪番挑戰中原各國，也將先進的冶鐵技術帶到中原。

並沒有足夠的證據表明吳越文明已經將鐵器用於武器，當時最有名的鑄劍師是來自吳越的歐冶子以及他的徒弟幹將、莫邪，他們鑄造的絕世名劍只在傳說之中，現已無從考證。有人指出一些史料記載歐冶子已經開始鑄造鐵劍，並給越、楚等國的士兵大規模供給裝備，但現在出土的春秋戰國時期的兵器仍然以青銅器為主。也可能是因為鐵劍容易鏽蝕，不易留存下來；還有可能是秦始皇收天下鐵器，鑄以為金人十二。

【浙江湖州莫干山上幹將莫邪的雕塑。】

到了漢朝，出現了最早的煉鐵高爐，鐵匠們用黏土砌成很高很厚的牆壁，形成一個密閉空間，這樣的設計使爐內溫度接近鐵熔點，再加入一些含磷礦石提高鐵的流動性，幫助熔融狀態的鐵和爐渣分離。這種高爐可以連續生產，跟窯爐相比無疑提高了效率，因而可以用於大規模生產。

鐵匠們發現，過高的溫度會讓生產的鐵更脆，缺乏韌性，現在我們知道這是因為爐內溫度超過鐵的熔點，碳也溶解到鐵水中，就只能得到高碳的生鐵。鐵匠們通過精密的設計和控制比例、通風，可以讓溫度恰好在鐵熔點之下，這樣就可以得到更純的鐵，碳含量在0.05%以下，這就是熟鐵。相比於硬而脆的生鐵，熟鐵很軟，不能用作兵器，但延展性很好，可以被打造成鐵絲、鐵板，還可以用來跟生鐵一起鍊鋼。

這種高爐煉鐵方法一直到15世紀才傳播到西方，英國人改進了這種方法，用焦炭取代木炭，產出的鐵雜質更少，效率更高。

【《天工開物》里的配圖：中國的高爐煉鐵方法。右圖展示了從鐵礦石生產生鐵塊的過程，左圖展示了將生鐵塊煉成熟鐵的過程。】

很長時間內，煉鐵鍊鋼技術掌握在少數鐵匠手裡，他們將其視為獨門秘方，敝帚自珍，並未大範圍進行學術討論和交流。可以想像他們冶鐵鍊鋼的時候，就如同廚師在按照自己的獨門秘方烹調。這不科學……

1722年，法國人德羅米仔細研究了各種鋼鐵，指出之所以生鐵、熟鐵和鋼的性質完全不同，是由於其中的含碳量不同。含碳量超過2%的是生鐵，含碳量低於0.05%的是熟鐵，介於兩者之間的是鋼。

【法國人德羅米，第一個將鐵、鋼進行科學區分的人。】

從此以後，鋼鐵的生產成為一門科學。經過多年的發展，冶金學、金相學、金屬加工、熱處理、金屬表面處理等分支學科紛紛興起，鋼鐵完全深入到我們生活的方方面面，我們真正進入了鋼鐵的時代，被鋼鐵帝國所統治！

【鋼鐵帝國，我們樂在其中。】