汉代环首刀的国内首次研磨研究报告

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QUOTE:以下是引用玉兔在2009-4-23 16:34:37的发言：
好好学习.慢慢弄懂<img src="http://www.dixinzhai.com/bbs/Skins/default/topicface/face5.gif"/>
兄所言极是！

剑易生

闫兄说的是！我可能是过于强调字眼了，汉代工匠从泥范到陶范在到铁件的铸锻不可能不会意识到水分对材料的影响，但就烧刃而言有无此概念可能需要商确！

刀匠

感谢剑易生兄弟的分析!
诸多问题还需要咱们大家不断分析，不断研究。不过就就我们研磨的一些实物来看，汉代已经有烧刃技术了，而且成熟。

剑易生

几个很有意思的现象的浅见：
》》在研磨了几道砥石后，我们发现环首刀的弹性有所下降，这种现象的出现是否表明着此环首刀是包钢复合工艺，也就是钢在外铁在内，表面钢铁削减所造成的呢？
———弹性下降的原因可可能是铁元素化学反应后流失，使材料分子结构产生缺陷，外加交互性运动施力的校正，破坏了原金属相对稳定的结构而产生。  而对于包钢猜想个人投发对票，包钢所包的钢通常为质软的精铁，而汉精鐡的来源，一为自然获得如殒铁和含碳量小于0.03%的鐡矿原石，二为锻打后脱杂脱碳的加工品。这两种都为难得稀贵材料，环首刀做为当时量产的兵器多不可能采用这样费力稀缺的材料；二环刀结构讲当时还是以刺击功能为主，韧性要求相对不是很高，如果锻打最后阶段采用横向包折方式，其形成的栋以足够满足当时韧性需要，没有必要采用包钢形式。同时从在其它一些资料研究的汉剑来看，中心断面碳化较表层严重的现象来看，其内部材质含碳应大于皮层材质，此现象与包钢目地方法明显有出入，以此类推本人认为此剑包钢观点可能不成立。
》》此刀有三段不同的硬度，刀尖向环手位置480毫米处为前段，480至600毫米处为中段，600至1000毫米处为后段。环首刀中段硬度最高—HRC58；前段的硬度次之—HRC55，后段部位的硬度最小—HRC50。这些是自然形成还是工艺所至呢？如果是特殊工艺，那又出于什么原因呢？
———这种现象与今天大多刀剑作坊出的现象相近，主要出在加温炉和加热方式上，当火量面积小于刀剑长度，抽拉加温时总是会出现温度差问题，温度高的淬火成马氏体，温度低点的成索氏体、托氏体之类硬度相差不等。
———这把环首刀始终没有出现烧刃，是因为技术？还是因为战火（火烧造成退火现象导致刃部淬火纹路消失）？还是因为本身烧刃幅度较窄，加上年代久远腐蚀严重，导致刃部残缺，烧刃尽失呢？
———烧刃技术从相关文献来看在汉时大概还没有出现,三国时的刀匠在淬方面才开始意识到介质对硬度的影响,到南北朝才有了双液淬火技术,在汉恐怕还没有发明烧刃技术才对!
———此环首刀刀尖锻打纹理不同于后期的明清刀剑，此刀刀尖前段纹理没有折回，成为切断式纹理，是否当时还没有产生折回的锻造技术？这与研磨师在2005年研磨的一把宋代削刀有所类似。
———个人看法,汉时钢铁冶炼还处在炒钢阶段,无法于后的宿钢法比.因炒钢的含碳和杂质较多在折打焊合中融合能力不足,如用折回方式可能会产生内折挤压层开现象,影响刀品质而没有采用此法做刀.另真正严谨的刀匠在折回方式上会采用热錾后反面折回方式煅打,这样刀纹顺畅品质好而不产生折回纹.

(以上均为个人看法,望版主指正)

玉兔

好好学习.慢慢弄懂

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前面学习过了，顶贴拿分。[em74]

刀匠

<table>
<tr>
<td>吉林榆树老河深鲜卑墓地</td>
<td>剑2件，刀4件</td>
<td>炒钢</td>
<td>西汉末东汉初</td>
</tr>
<tr>
<td>陕西扶风官务村汉墓</td>
<td>剑1件</td>
<td>炒钢锻制（百炼钢）</td>
<td>新莽时期</td>
</tr>
<tr>
<td>江苏徐州段山汉墓</td>
<td>长剑1件</td>
<td>炒钢锻制（百炼钢）</td>
<td>东汉早期</td>
</tr>
<tr>
<td>云南晋宁寨山古墓</td>
<td>剑1件</td>
<td>铸铁脱碳钢锻铁件</td>
<td>东汉</td>
</tr>
<tr>
<td>北京清河镇冶铁遗址</td>
<td>1刀1剑</td>
<td>铸铁脱碳钢锻铁件</td>
<td>东汉</td>
</tr>
<tr>
<td>广东广州龙生岗汉墓</td>
<td>刀1件</td>
<td>铸铁脱碳钢</td>
<td>东汉</td>
</tr>
<tr>
<td>广东广州汉墓</td>
<td>剑1件</td>
<td>马氏体＋残余奥氏体，锻铁件</td>
<td>东汉后期</td>
</tr>
<tr>
<td>山东苍山东汉墓</td>
<td>长刀1件</td>
<td>炒钢锻制（百炼钢）</td>
<td>东汉后期</td>
</tr>
<tr>
<td>内蒙古商都县东大井墓地</td>
<td>刀1件</td>
<td>低碳钢锻制品</td>
<td>东汉晚期</td>
</tr>
<tr>
<td>湖南资兴汉墓</td>
<td>削刀1件</td>
<td>低碳钢</td>
<td>东汉晚期</td>
</tr>
</table>

刀匠

两汉刀剑科学分析鉴定参考资料

<table>
<tr>
<td>出土地点</td>
<td>鉴定样本</td>
<td>鉴定结果</td>
<td>年代</td>
</tr>
<tr>
<td>河北易县燕下都东沈村</td>
<td>削刀1件</td>
<td>中碳钢</td>
<td>汉代</td>
</tr>
<tr>
<td>河南陕县汉墓</td>
<td>剑3件</td>
<td>炒钢</td>
<td>西汉</td>
</tr>
<tr>
<td>河南永城西汉梁国王陵</td>
<td>刀2件</td>
<td>块炼铁热锻件和冷锻件、脱碳钢锻打件</td>
<td>西汉</td>
</tr>
<tr>
<td>湖南长沙汉墓</td>
<td>剑1件</td>
<td>铸铁脱碳钢锻铁件</td>
<td>西汉</td>
</tr>
<tr>
<td>云南晋宁石寨山古墓</td>
<td>剑1件</td>
<td>高碳钢</td>
<td>西汉</td>
</tr>
<tr>
<td>广东广州西汉南越王墓</td>
<td>剑1件、削刀1件</td>
<td>亚共晶白口铁铸铁件、锻铁件</td>
<td>西汉前期</td>
</tr>
<tr>
<td>广东广州汉墓</td>
<td>削刀1件</td>
<td>金相组织为马氏体＋奥氏体</td>
<td>西汉前期</td>
</tr>
<tr>
<td>江苏徐州狮子山西汉楚王陵</td>
<td>刀1件</td>
<td>块炼渗碳钢</td>
<td>西汉早期</td>
</tr>
<tr>
<td>河北满城汉墓</td>
<td>剑2件</td>
<td>块炼渗碳钢（百炼钢雏形）</td>
<td>西汉中期</td>
</tr>
<tr>
<td>河北满城汉墓</td>
<td>刀1件</td>
<td>中碳钢</td>
<td>西汉中期</td>
</tr>
<tr>
<td>北京大葆台汉墓</td>
<td>削刀一件</td>
<td>块炼铁</td>
<td>西汉晚期</td>
</tr>
<tr>
<td>辽宁辽阳三道壕遗址</td>
<td>1剑1刀</td>
<td>铸铁脱碳钢锻铁件</td>
<td>西汉晚期</td>
</tr>
</table>

刀匠

有关汉代环首刀研究的相关资料和文献附属

“百炼钢”——以炒铁为原料，以反复叠打和控制碳分为其工艺特征。它在东汉已广泛使用，到三国时期高度成熟，从此为历代所沿用，成为人们所推崇的制钢技术和优良钢种。（出自《中国古代金属技术——铜和铁造就的文明》）
1、1968年河北满城汉墓出土中山靖王刘胜佩剑和错金书刀，其制作工艺是经反复折叠锻打并施以淬火工艺，其刘胜佩剑的低碳层厚仅0.05—0.1毫米，维式硬度900公斤/平方毫米，经鉴定为块炼渗碳钢（百炼钢雏形）。
2、1974年山东苍山出土一把东汉环首钢刀，通长112厘米，刀身宽3厘米，刀背厚1厘米，环首呈椭圆形，环内径2—3.5厘米，刀身有“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊（祥）宜子孙”铭文。经鉴定含碳量在0.6%－0.7%，炒钢锻制（百炼钢）。
3、1978年徐州铜驼山东汉墓出土一柄钢剑，通长109厘米，身长88.5厘米，宽1.1—3.1厘米，脊厚0.3—0.8厘米，剑把正面有错金铭文：“建初二年（公元77年）蜀郡西工官王愔造五十湅□□□孙剑□”，内侧上阴刻铭文“直千五百”四字。“西工官”是蜀郡的工官，王愔是工官姓名。铭文说明这把钢剑是蜀郡工官用“五十湅”工艺制成的。经鉴定含碳量最高0.7%，最低0.4%，炒钢锻制（百炼钢）。
4、日本熊本县玉名郡江田村船山古坟出土错银铭文钢刀，铭文有“八十湅”字样，并记有书者张安之名，此刀制作于公元5世纪前期。
5、1961年日本奈良县古墓出土一把钢刀，上有错金铭文：“中平□（年）五月丙午，制作（支刀），百湅清（钢），上应星宿，（下）辟（不祥）”。中平是公元184—189年东汉灵帝年号。铭文说明这把钢刀用“百炼”工艺制成的。
日本石上神宫藏有来自百济的钢刀，铭文为“泰□四年六月十一日丙午正阳，造百湅七支刀”，此刀制作于

刀匠

刀匠

以上五种现象还有待进一步研究证实。
二、环首钢铁刀单面修复后的科学检测分析
在环首刀做完研磨保护工作后，我们于2007年年底首先委托钢厂钢铁化验室、河北省师范大学物理实验室进行金相显微镜、光谱分析仪、XRD(X射线衍射)分析仪和红外光谱分析仪四项设备的无损检测，综合检测结果如下：
刀体材质比较纯净，未发现有盐类与硫化物的存在，XRD设备自动检测该器物材质为“不锈钢”。器物含有：Fe(铁)、Cr(铬)、V(钒)、Ru(钌)、Pt(铂)、Pd(钯)、Ti(钛)，以上元素均以合金形式存在，其中Cr(铬)的含有量较大。器物中不含有Al(铝)、Au(金)、Co(钴)、Ge(锗)、Ni(镍)的成分。
此次检测也让我们解开了上面所说“在研磨过程中不产生氧化”现象的原因，Cr(铬)的大量加入使钢铁产生了抗氧化能力。但关于环首刀的其他现象还有待我们研究。下一步我们要把此环首刀送交到北京科技大学冶金与材料史研究所进行全方面的检测和鉴定，根据检测和鉴定的结果进行研讨和研究，最后解开这把环首刀之谜。

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（七）研磨小结
环首刀研磨后的尺寸
全长：1207mm
刃长：1007mm<
茎长：200m
上部幅厚：5mm
上部幅宽：19.2mm<
下部幅厚：8.8mm
下部幅宽：27.5mm
内弧弯度：4mm<
重：925克

在研磨过程中最值得提出的是此环首刀从未出现锻打瑕疵（加灰）现象，可见当时锻造工艺是如何的高超与精湛，这充分显示了千年前我国劳动人民在冶炼、锻造技术上的卓越成就。
另外，我们在研磨过程中发现了几个很有意思的现象：
A、在研磨了几道砥石后，我们发现环首刀的弹性有所下降，这种现象的出现是否表明着此环首刀是包钢复合工艺，也就是钢在外铁在内，表面钢铁削减所造成的呢？
B、平时在研磨过程中刀剑要与水接触自然会产生一些铁器锈渍，为了防止产生锈渍，在研磨刀剑使用的水中都会加入适量的防锈剂。而我们在研磨这把环首刀的时候出现一个奇怪的现象，在研磨用水未加任何防锈剂的情况下，整个研磨过程中未产生任何肉眼可见的氧化现象，钢铁青黑，没有锈渍，遇到这种现象还实属首例。
C、此刀有三段不同的硬度，刀尖向环手位置480毫米处为前段，480至600毫米处为中段，600至1000毫米处为后段。环首刀中段硬度最高—HRC58；前段的硬度次之—HRC55，后段部位的硬度最小—HRC50。这些是自然形成还是工艺所至呢？如果是特殊工艺，那又出于什么原因呢？
D、这把环首刀始终没有出现烧刃，是因为技术？还是因为战火（火烧造成退火现象导致刃部淬火纹路消失）？还是因为本身烧刃幅度较窄，加上年代久远腐蚀严重，导致刃部残缺，烧刃尽失呢？
E、此环首刀刀尖锻打纹理不同于后期的明清刀剑，此刀刀尖前段纹理没有折回，成为切断式纹理，是否当时还没有产生折回的锻造技术？这与研磨师在2005年研磨的一把宋代削刀有所类似。

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3、精细研磨：
精细研磨分为800—6000目五块研磨石，其主要工作是在保持姿形不变的前提下，消除整形和粗磨时残留在刀体表面的研磨痕迹。
4、擦拭研磨：
明代曹昭在《格古要论》中说“凡刀剑打磨光净，用金丝矾矾之，其花则见。”明代唐顺之《武编》和茅元仪《武备志》所载：“刀花，羊角煅灰，粉心水提过酸，酸草烧灰，硝酱”。可见，研磨刀剑首先是把刀剑的表面研磨平整光亮，最后用金丝矾、羊角灰、草木灰等天然物质对刀剑表面进行擦拭，擦拭过后的刀剑表面可显现出细腻的锻打花纹。此环首刀经过擦拭后，刀身泛着湛青的光泽，锻造纹理为流水纹且中间夹有椭圆状团打纹，细腻非常，可以想象此刀初始状态时是多么的完美漂亮。
（六）环首刀的缓蚀、封护处理
刀体单面研磨结束后，就应该对未做研磨的表面做缓蚀和封护处理了。缓蚀和封护处理可以使刀体不再被外界环境因素所腐蚀。
在进行缓蚀和封护前，应对环首刀进行一次强制干燥处理。理论上应采取恒温干燥箱在105℃条件下干燥2小时或用紫外灯控温在105℃干燥，但在实际工作中一般无法如此操作，应根据实际情况选择合适的干燥方法。由于我们无法找到一个与这把环首刀相匹配的恒温干燥箱，故我们用电热吹风代替，对环首刀实行热微风干燥。
干燥完毕后，我们选择使用了金属缓蚀剂，对未做研磨的刀体表面进行缓蚀处理。BTA是在我国文物界常用的金属缓蚀剂。因此，我们使用BTA溶液刷淋、涂抹在未做研磨的刀体表面上进行缓蚀处理。由于BTA易挥发，所起作用难以持久，所以需要进行阻止刀体与大气介质的直接接触的钝化封闭处理，经过钝化封闭处理后可以更有效地抑制腐蚀。研磨面则可采取每月打油保养来防止其锈蚀。
至此，环首刀的研磨保护工作完毕。
注：铁器的保存环境应在温度：14—20℃，相对湿度＜50%，最好在20%—30%之间。若条件允许，最好在铁器陈列时采取密封充N2等技术。

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另据杨泓著《中国古兵器》一书中对环首刀的形容：“形制简约，直身，一侧开锋利刃口，另一侧为厚重的刀背，刀尖斜直，刀身与刀柄无明显界限，柄端连铸一铁环，固有环首刀之称。”此书中并插有“东汉持环首刀武士画像石”图，图中可清晰看到环首刀刀尖为135度斜直状态。

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（四）环首刀腐蚀因素的消除处理
对于大多数出土铁器来说，认为不加何处理而能长期保存下来的侥幸想法是危险的。对环首刀表面进行去锈处理，不能从根本上抑制锈蚀的继续。所以要对环首刀的腐蚀因素进行消除处理。
首先是消除器物从地下带来的各种腐蚀活跃因素，而后再进行切实有效的防腐蚀保护处理。在彻底清除器物的腐蚀因素之前，必须分析清楚导致器物腐蚀的原因。环首刀的表面孔隙和锈层里都包含着从地下带来的可溶性、吸湿性盐类，这些是铁器锈蚀的重要因素，必须加以清除。
方法是将器物在弱碱性缓冲溶液中进行提取和置换，这样可以将器物上可溶性、吸湿性盐类从残余锈层中提取出来。因环首刀长度较大，没有合适的容器，我们则采用溶液刷淋的办法，每次刷淋后的提取液都用硝酸银检测方法进行检测，直至提取液中检测不出有可溶性、吸湿性盐类为止。这样器物上的腐蚀活泼性因素就基本上消除了，最后用蒸馏水洗去残留在器物上的提取液。
（五）选择环首刀单面，进行研磨
1、调直整形：
器物在地下埋藏时，可能会因为墓穴塌陷、地层变化或运输辗转等因素造成器物变形，因此就需要对环首刀进行调直整形。此环首刀从侧面观看刃体不在一条直线上呈现弯曲状态，说明刀体已变形，这对研磨来说是比较严重的问题。因此我们需要用木榔头或专用调直工具把刀体调直、整平。此项工作需要丰富的经验，一不小心就有可能导致刀体断裂，造成无法挽回的损坏。
因为不知道环首刀现今弹性状态如何，而专用工具施力又较重，易对器物造成损伤，因此我们在初始调直时先用手按压刀体轻微用力调整。经过数日多次的手工调整后发现此刀弹性非常好，甚至优于明清刀剑的弹性，最后选择使用专用工具调直。
2、整形研磨：
经过多方面分析商讨，研磨面选择为：以刀尖向上，刃部向前持握的左侧为研磨面，另一侧为原始面。
第一步是将环首刀的研磨面在细度120至700目的四块砥石上进行去锈粗磨整形。目的是去除研磨面表层的锈蚀并且对环首刀研磨面各个位置的定形。在去锈整形过程中我们依照环首刀的原始状态，确定刀体的切刃面宽度为7毫米，切刃角度为23度。
环首刀经过去锈粗磨，发现锈蚀层分为三层：
第一层，红色锈蚀。石子与沙土混合物，质地较松散。
第二层，黑色锈蚀（俗称的“黑色皮壳”）。非常坚硬，密度较大，耗费砥石。
第三层，红色锈蚀。顺着锻造纹理向下腐蚀，而且腐蚀程度很深。此红色锈蚀层的出现也证实了，表面上被 “黑色皮壳”包裹的器物，其下层仍存有锈蚀因素，它并不代表器物就处于稳定状态，只是这些锈蚀因素暂时没有显现在器物表面而已，如不进行科学的防腐处理，更深层的锈蚀还会在进行。
在刀身粗磨后我们发现，刃的切刃面与刀尖的切刃面交会处有一条凸起的筋线，且与两条切刃筋线形成的夹角汇聚在一点上，切刃筋线形成的夹角也为135度，这也充分证明了我们前期判断的正确性。