從玉剛到合金鋼——刃具鋼演化簡說

在刀刃鋼鐵中添加其他金屬元素，與古代煉鋼的碳素鋼迥然有別，故稱之合金鋼。塊燒法煉就的生鐵，因為古代鼓風量少，無高大煙囪幫助空氣對流，爐心溫度不夠高，流出的鐵水含碳量太多，其中含碳量在4%~8%左右者，因為不適合制器，故被英國人稱為豬鐵（pig iron），日本人則稱之為玉鋼，是用傳統工藝製作武士刀、生魚片刀的鋼鐵原料。

▲日本刀劍博物館門前的古法玉鋼——日本刀的原料

▲日本玉鋼晶體顯微放大外觀

這種含碳量多的生鐵在中國宋代被稱為銑。今天含碳量在2%~5%的鐵稱為生鐵、鑄鐵，多用於鑄造水溝蓋、窗柵或者大灶鑄鐵鍋等。在宋代，已經懂得將銑投入冶鐵爐中再煉，流出來的鐵水含碳量降低了，成為更有實用價值的生鐵。人類工業化史上第一種大量生產的鐵水的爐稱為高爐，高聳的煙囪成為其特徵，煙囪產生對流效應，機器強力鼓風增加高爐進氣量助燃，爐心溫度比傳統的冶煉爐更高，銑鐵中多餘的碳大部分被燒掉，流出來的幾乎都是生鐵，但還不是用途最廣的鋼。

▲鑄鐵井蓋

▲日本刀匠鍛打玉鋼

日本刀的玉鋼，經過約20餘次的熾熱高溫鍛打，在高溫下碳的活性遠大於鐵而被氧化燃燒掉，得到含碳量約0.7%~0.9%的高碳鋼，即可用於鍛造武士刀。在高溫鍛造過程中，鋼鐵所含的碳燃燒喪失的現象稱為失碳，是鍛造任何鋼鐵器物都必須慎重考慮的變量。荀子《勸學篇》的「百鍊鋼成繞指柔」，就是指失碳的現象，因為高溫鍛造時間太長，次數太多，鋼鐵內碳元素耗盡，變成熟鐵而失去熱處理變堅硬的物理性質，簡單來講就是鋼鐵變熟鐵了！

含碳量在0.02%以下的鐵稱為低碳鋼，無法以熱處理的方式增加其硬度、彈性、韌性等物理性質。含碳量在0.4%~0.6%的鐵稱為中碳鋼，用於製作帆船的船釘、螺絲等，含碳0.4%的鐵熱處理後的最大硬度約HRC50度，後者多用於製作鐵軌、輪船鋼板，熱處理後勉強能接受的最高硬度大約為HRC57度，用於此程度的鋼製作刀具，刀口容易產生微小缺口，所以打鐵鋪一般價位的鐮刀鋤頭菜刀都不耐用，原因就在於此。

只有含碳量在0.7%~1.1%稱為高碳鋼，但0.75%~0.85%含碳量的刀具刀口最鋒利，刀口韌性最佳，不易產生小缺口，防鏽能力也相對最好。含碳量超過0.9~1.1%，刀口更鋒利，但更容易產生小缺口，刀口也相對容易生鏽。

用生鐵高溫鍛打製成的鋼效率太低，中國古代有多種生產高碳鋼的方法，例如東漢《太平經》記載有炒鋼法，之後的文獻多有提及，而英國到了18世紀中葉才發現怎麼炒鋼。炒鋼的原理大致如下：將高溫鐵水劇烈攪拌，讓碳和雜質被空氣氧化而得到鋼，但炒鋼製得的鋼質量不穩定，可能炒得熟鐵、中碳鋼、高碳鋼。

▲現代鋼廠炒鋼煉鋼

另一種制鋼方法稱為灌鋼。南北朝東魏、北齊（約公元550年前後），有位叫綦母懷文的工匠首創一種灌鋼法——即把生鐵加熱到熔化的鐵水，澆淋在他稱為的「柔鋌」上面，應該就是今天的可鍛鐵上，澆淋幾次就能製成鋼，他稱為「宿鐵刀」，再用動物油脂、尿液（現改用碳酸氫鈉水）淬火，能斬甲30札。

南北朝梁代陶弘景、宋代沈括《夢溪筆談》也曾提及灌鋼。其中宋應星寫於明末崇禎年間的《天工開物》提到：「生鐵片放在上面、熟鐵片放在下，生鐵先化，滲淋熟鐵之中。」灌鋼製法先收集各種重複鍛造多次，已經嚴重失碳的熟鐵或低碳鋼，與高質量的生鐵按一定的比例，一層含碳量在0.2%~0.4%的中低碳鋼，一層含碳量約2%的生鐵互相堆放，外面包上黃泥，放入高溫火爐中持續加熱，用黃泥包住生鐵能阻隔空氣氧氣，當內部溫度高達900~1200℃時，碳不會燃燒，反而游離侵入低碳鋼內，使得各層生鐵、熟鐵含碳量達到均勻，此物理現象是非常重要的鋼鐵製作工作原理，稱為滲碳。等到時機恰當，夾出黃泥包，敲掉黃泥，迅速將鋼鐵塊鍛打成型，分塊鑿制斬斷估亂所需坯體，用於進一步鍛造其他器物。用這種方法生產高碳鋼器物，特別是刀劍、農具等，其效率是日本玉鋼傳統鍛打法的數倍以上。高效率生產高碳鋼的灌鋼技術若以宋代為標準，至少領先西方世界七八百年！

▲《天工開物》的灌鋼冶銑鐵法

用高爐冶煉的大量生鐵必須再冶煉成鋼，才能製作鐵軌、橋梁、輪船等，因此陸續有多種煉鋼爐問世。其中常見的有平爐煉鋼法：爐內鋪上石灰，用於吸附硫、磷等雜質；朝平爐內高溫的鐵水噴吹氧氣，使平爐內一層薄鐵水中的碳燃燒，降低含碳量而得到鋼。其他還有多種類似的方法，限於篇幅就不在些一一介紹了。

由於目前碳鋼刀的鋼材絕大多數都採用工業制鋼。因此日本武士刀的文化價值在於，從最基本的礦砂、木炭、冶鐵（玉鋼）、鍛造、研磨、製作刀把和刀鞘等，幾乎與1000年前的方式一樣，如果深究其技術源頭，七八成來自於中國，確實有點令我們尷尬。

現代工業的煉鋼爐每冶一爐最少可能10噸，一把刀具只需幾百克的碳鋼，一爐鋼可制刀數萬把以上，若是刀廠商家囤一爐鋼的話，要存貨到多年才能用完？因此，世界各地的碳鋼鍛刀工匠，無不絞盡腦汁地發掘適用制刀的原料，例如銼刀、吊橋鋼纜、氣鑽鑿子、卡車避震彈簧鋼板、槍管、炮管，乃至於炮彈鋼等，不勝枚舉。

▲鋼廠煉出的鋼水，含鐵98%、碳0.04~1.5%、錳1%

此外，採用電渣重溶法還原製得的鋼，廢鐵原料含較多細微雜質，多數用於厚重的鋼構材料，並不適合做刀。美國工業規格編號1095（國產的稱為T-10A）的高碳鋼鋼材，廣為美國刀匠採用。1、0兩字說明碳素鋼不含其他金屬，9、5兩字代表含碳量0.95%。因為鍛制刀具必須在高溫中反覆加熱，這樣就會造成失碳，所以含碳量稍多於0.75%~0.85%，給刀匠預留出根據經驗調整的空間，比如在爐火中燒多久就會失掉多少碳。美國刀匠多喜愛採用含碳量在0.85%~0.9%的鋼，若提高淬火溫度，製作出來的刀刃非常鋒利，堪稱吹毛可斷，但是刀口的鋒利持久性比日本刀略稍差，這是日本和美國刀匠喜好不同所致。近年來美國手工刀匠名人輩出，碳鋼鍛刀成為潮流，高碳鋼編號擴增為1090、1085、1080、1075、1060等多種，數字的意義如同1095。

▲美國刀匠愛用1095碳素鋼鍛打做刀

19世紀末人們在碳鋼中開始嘗試添加各種金屬元素，例如：錳、鉻、鎳、鈷、釩、鉬、鎢等，添加每一種金屬元素的比例不同足以改變刀具的不同物理特性，以增加工具機工業刀具在高溫中維持削銑的鋒利度，因為經得起高速切削摩擦導致紅熱，而稱為高速鋼，常見的有各種鑽尾、圓鋸片、印刷切紙刀、銑刀、鑽頭等。

二戰期間，各交戰國擔心海洋受到軍事封鎖，各種製作合金鋼、工具鋼的重要金屬元素無法獲得（如德國反坦克之穿甲彈必需的鎢），便開始研究如何在儘量減少合金鋼添加其他金屬的情況下，獲得更好的刀口物理性質，自此低合金鋼的研發製造與利用，獲得了長足的進步。

以日本日立制鋼在日本安來這個地方生產製造得名的安來鋼為例，其中歷史悠久，在中國和日本的很多刨刀、木工鑿子都採用的青紙鋼1號、2號，含碳量依%次為1.2%~1.4%、1%~1.2%，鉻含量0.3%~0.5%、0.2%~0.5%，鎢含量1.5%~2%、1%~1.5%，其他雜質含量少，最佳硬度在HRC60~62度之間。含少量的鉻目的在於降低含碳量，以免鋼鐵容易生鏽。

▲採用1095碳素鋼的卡巴軍刀

鎢可以增加刀口切削軟材質的鋒利度和鋒利持久性能，為了避免添加太多造成刀口脆性增加，還需要添加釩、鉬、鈮等以提升刀口的韌性，這其實又違背了低合金鋼研發的本意。同樣的例子還有美軍二戰期間的幾款軍用短刀，如採用1095鋼的卡巴軍刀，因為便宜、鋒利又耐用，迄今還有很多人購買後用於戶外運動。

▲應用廣泛的卡巴軍刀