人猿相揖别。 只几个石头磨过， 小儿时节。 铜铁炉中翻火焰， 为问何时猜得？ 不过几千寒热。 人世难逢开口笑， 上疆场彼此弯弓月。 流遍了，郊原血。 这是毛主席词 “贺新郎读史”的上阕。毛主席这首词讲的是几千年来阶级斗争的历史，但也涉及到人类文明的进步历程。人类由类人猿进化来后即进入了原始社会，这大致上也就是石器时代，人类能利用的主要是简单的石头工具，时间漫长，而且文明程度低级有限。人类掌握金属冶炼技术，进入金属文明，实际上是几千年的时间即“不过几千寒热”。大致上奴隶社会相当于铜器文明，封建社会则是铁器文明，遗憾的是很多钢铁被用来制造武器了，出现了很多战争和流血。 淬火是和钢铁冶炼密切相关的，就对淬火应用上按年代划分大致可以分为三个阶段，从公元前400年到大致在公元后1500年左右，人们对淬火的了解，是一种自发的，感性的和作坊式的，同时被深深蒙上了神秘甚至是迷信的色彩；从1500年到1880年左右，开启了实验科学时代，人们开始对钢铁相变进行全面科学探索，一些重要的规律陆续被发现和建立起来，如马氏体转变理论，淬透性理论，相变理论等，为人类大量运用钢铁，开启工业革命奠定了结构材料基础。当然，整个材料学科仍在不断发展和进步，主要的发展方向是： 1）在钢铁材料品种继续丰富的基础上，具有高的比强度的新金属材料如各种铝镁合金得到快速发展； 2）陶瓷材料通过增韧机制已有较广泛的实际应用； 3）以高效合成为代表的高分子材料快速发展； 4）金属基复合材料既保持金属良好韧性又有超高强度，可在严峻环境下使用； 5）介于宏观和微观之间的纳米材料被认为是21世纪最有前途的功能材料。而我们致力简要回顾淬火的历史，无疑会有助于加强对材料科学发展的理解。 淬火的简史 淬火的历史自然和铁的使用联系在一起。在旧约圣经的《创世记》（Genesis4:22）里有关于铁冶炼的最早记载。 “Zillah also had a son, Tubal-Cain, who was an artificer of bronze and iron.” (Zillah 也有一个儿子，叫Tubal-Cain , 他是一个铜铁匠). Cain 来自阿拉伯语，含义是铁匠，同时，Cainities很可能指位于今天的亚细亚中东部的一个部落，赫梯（Hittites），在公元前2000年至1200年间曾极为强盛。虽然还不清楚到底是谁首先制造出钢（铁的含碳量可以从2.11%-4.3%，而钢的含碳量一般不超过1%，最多2.11%，所以需要从炼铁得到的铁中进一步熔炼脱碳，才能得到钢，所谓的百炼成钢，淬火也主要是针对钢而言的），但有一般认为在公元前1400-1200年的赫梯时代已经有较多的炼铁装置了。在有人类历史的第二个千年里，已经有很多关于炼铁的记载，如荷马史诗（公元前880年），希罗多德（Herodotus , 公元前446年）和亚里士多德（Aristotle ，公元前350年）的作品中。由于各地的铁矿石的质量差异及匠人技艺差别等，这个时候可能已经有钢出现，但产量应较有限。
荷马史诗中有如图1斧头淬火描述。 熊熊的炉火， 照亮紫色的脸庞； 炙热的斧头， 淬入冰凉的水中， 引起滋嘶的声响； 配上适当的回火， 使钢变得更加坚强； 闪烁的火星， 就是那眼中绽放的光芒 这里附上英文，以求雅正。 “As when a man who works as a blacksmith plunges a screaming great axe blade or adze into cold water, treating it for temper, since this is the way steel is made strong, even so Cyclops’ eye sizzled about the beam of the olive….” Odyssey 9.389-9394, translation by R Lattimore 图2斯堪的纳维亚人的宝剑 欧洲的工匠们在公元后第一个千年里改进了他们的冶炼淬火工艺，使制造的盔甲质量有所提高，如爱尔兰人传说中提到寻找圣水或者用血液对图2的Ekkisax 钢剑的进行淬火。但总体而言，欧洲的技术并不领先。到十字军东征时代的12世纪，中东穆斯林民族的钢铁冶炼和淬火技术已经远远超过了欧洲人，而这时日本人从中国唐代学得的唐刀制作技术，甚至超过了穆斯林的冶金技术。 本文可以了解到全世界中部分国家或地区，包括阿拉伯、印度、日本、欧洲，对淬火在工业文明中所做的贡献。与此同时，中国在钢铁冶炼和淬火方面做出了杰出成就，好富顿国际公司也是这一历史长河中最重要的角色之一。 阿拉伯文明 目前关于伊斯兰人是如何进行淬火的记载尚不很多，但从有关十字军记述中能够了解大马士革钢剑的威力。据描述，钢剑是用“武兹”钢做的，砍向十字军的头盔，头盔马上破损，但大马士革剑的剑刃却不会有丝毫损伤，帕巾在大马士革剑刃上轻轻抹过，就会削巾为二，可见其之锋利无比。 大马士革刀剑的威力名扬全球，从目前别的地方的资料介绍中，可以间接了解他们的淬火过程。例如在印度文献中记载的武兹钢淬火，是刀剑上涂上热黏土、牛粪或者盐和油膏一类物质然后进行加热淬火，这和日本的刀剑制做技术大致是相同的。从现代的观点看，一方面有助于防止加热过程中氧化发生，另一方面可以促进后续淬火过程的冷却速度。 在俄罗斯的1814年的文献资料中介绍武兹钢剑在大麻油中淬火，铁匠们通常会给油中加入油脂和骨粉（从现代的观点看加入油脂和骨粉是为了缩短蒸汽膜，增加冷速和冷却的均匀性，类似我们现在的速冷剂）。描述说：如果是一把匕首就平着入油，如果是钢刀，就背部先入油，一直到油停止冒烟，标志着淬火结束，淬火后刀剑表面总是很脏，就将其在木头火堆上烤，用布片擦去脏污。（从现在的观点看，淬火入油方式是为了减少变形，而去除污垢的过程实际上是一个回火过程，消除淬火过程中产生的应力，防止脆裂）。 其淬火所用的淬火介质也是五花八门，阿拉伯古书曾记载了风冷淬火的情形“当工匠做好宝剑后，将其加热到赤红，交给等待在旁的骑士，骑士立即策马奔腾，同时在空中狂舞宝剑，马儿因之也更加奋蹄疾驰”。如下是一剂秘密的淬火介质配方。 1 okka Quick Lime (CaO) okka Soda (NaCO3) okka Carbonas/ Cupricus (Copper Oxide?) okka Arsenic Sulphate (AsS) 2 okka Radish juice 1 okka Wild Onion juice okka Valonia ash 1 okka Tar. Okka是重量单位，相当于1283克。从今天观点看，也许不必这么复杂，主要是用盐加入水中使冷却更加快而均匀。 印度 印度在冶金上的最大贡献主要是生产出了前面提到的“武兹钢”，该钢质量很高，被出口到欧洲，中东和中国。当时的阿拉伯文献记载，印度人非常擅长制造这些高质量的钢铁，当时世界上很难有任何钢质量可与之比肩。印度实际上早在公元前5世纪就开始较大规模地生产武兹钢。其质量之高纵使按照今天的质量标准，也可圈可点。印度人将这些钢做好后，就像大饼一样出口到欧洲各地，然后由欧洲各地的工匠们将其再打制成不同的钢剑或器皿。 早期的文献描述武兹钢的生产过程。印度工匠把生铁打碎和事先称量好的焦炭一起放在坩埚中，坩埚加热到大致1200℃, 在生铁和碳的共同作用下（注意这里的焦炭的作用主要是还原作用，减少生铁中的含碳量，而好富顿所做的第一个基于动物骨头烧焦的焦炭是和含碳量较少的钢在一起是起增碳作用的），熔化点进一步降低，当坩埚开始震动时，铁熔化的声音也听得到。然后将坩埚缓慢冷却数日，大晶粒的渗碳体就会形成并会形成含碳1.5-2%的碳钢。（从现代的观点看，这就是一个典型的炼钢过程，从生铁练成了韧性好的钢，由于缓慢冷却，使碳主要以渗碳体的形式析出，一方面减少了生铁中的碳含量，提高了钢的韧性，另一方呢，钢种的渗碳体存在，也增加了钢的硬度和强度）。 然后会将这些钢加热到相对窄的温度范围600-850℃，在这个温度范围内，渗碳体是无法完全溶于基体组织中去，在经过锻造或者铁匠铺子中的捶打， 渗碳体晶粒就会破碎，形成如图3所示的具有斑纹的混合形变组织，并标有专门的商标—大马士革钢。（用今天的观点分析，在钢种具有细小的渗碳体组织，增加了钢的强度，而保持在较低温度加热锻打或捶打，让渗碳体无法溶入，这样钢本身具有较低碳含量，加上反复锤打有助于晶粒细化，这样大幅地提高了钢的韧性）。由于该钢性能质量如此优越，在世界各地都得到普遍应用。
日本 日本从中国学习了唐刀制造技术，其刀剑制做技术非常先进。直至今天日本的宝剑由于刃尖锋利且装饰美观，仍有广大的爱好者，一些日本人的武士道精神与日本高质量的刀剑制做是分不开的。 日本用于制做刀剑所用的铁矿石是采用含磷、硫杂质很低的铁矿石处冶炼的，其淬火方式和欧洲比较接近，在剑刃处采用高碳以求坚硬，在剑身处采用低碳以期塑韧，但欧洲是将整个刀剑淬在介质中，剑刃剑背的冷却速度相同，而日本却采用的是控制冷却技术，刀剑不同处的冷却速度不同。 加热前，工匠们会在刀剑表面涂覆一层具有高度机密的黏土混合层，它实际上是石粉、黏土和焦炭的混合物。石粉是防止黏土碎裂，而焦炭会在加热中焦化成炭粒，实际上构成了冷却过程中沸腾的形核处，降低了蒸汽膜稳定性，加快和均匀化了冷速。其关键点在于涂层的厚薄不一，在刀刃处涂得很薄，而刀背处却涂得较厚。这样在淬火时，刀刃处的淬火冷却速度很快，得到马氏体组织，而刀背处的冷却速度较慢，得到了珠光体和铁素体的混合组织。 这个精巧的淬火过程还在刀剑的刃部产生了益处良多的压应力。刀刃表面淬火时，因温度降低首先收缩，随后随着马氏体转变，刀刃部的体积膨胀，而心部因为冷却速度慢，不能得到马氏体转变，这样刀背部给刀刃部一个限制膨胀的应力（压应力），随着刀背部的进一步冷却，热胀冷缩，进而加大了给予刀刃部的压应力，所以，最终刀刃部承受的是压应力，不容易开裂。压应力不易开裂拉应力容易开裂，其道理和冬天很多小男孩的小手会裂口是一样的，冬天外面天气冷，皮肤表面倾向于收缩，但皮肤下的基体仍然保持相应的体温，不让收缩，给皮肤一个张开的力，即拉应力，从而皮肤就容易裂开。 图4 日本宝剑的制做过程 欧洲 欧洲的历史资料上有不少关于淬火的记载，例如最早由德国一个修道士写的书籍中描述过，用红头发小孩的尿对工具淬火比普通的水好，另外一个好的建议是用喂了蕨类食物的山羊的尿也不错。 在Giambattista Della Porta(1535-1615)出版的书籍”自然的神奇“（Natural Magic）对淬火有多方面的细致观察，提到如果钢件淬火时温度太高，看起来银白色的，就认为灵气已经耗尽，不宜淬火；如果是从玫瑰红到金黄色，则适宜淬火，而且可以适当将刀剑刃部预冷至蓝色或兰紫色，再淬火，同样可以得到需要的硬度；但如果钢件是灰色，则淬火后很难得到需要的硬度。 Porta 的观察非常重要，因为这实际涉及到两个问题，一是淬火加热温度的适当，欠热（灰色）固然不能淬硬，但过热（银白色）却容易出现裂纹，第二，提到预冷实际上涉及到两段淬火，让尖刃部适当预冷，既可以保证淬硬，又能防止出现裂纹。
Porta 的理性观察和分析，使它有可能对一些奇异的淬火介质颇不以为然。 Porta 还对淬火介质有着深刻的理解，提到用醋淬火和将盐溶解到水中，都能对淬硬有良好的促进作用（从现在的观点看，降低了蒸汽膜的稳定性，增加了冷速）。 他还提出为了防止裂纹，应该选用冷却缓慢的介质，例如提到如果淬水容易淬裂，应该在油中冷却。 但同时代还有别的很多人记述了各种各样的奇异淬火介质，稍作汇总如下：鸽子排泄物，面粉，蜂蜜，橄榄油和牛奶，尿，水，溶入动物脂肪的水，鲸油，蜂蜜，山羊尿，硼砂，橄榄油，盐等其它混在一起的物质，动物血，动物羝角屑末，蚯蚓酱，萝卜汁，牛油，植物汁等。 在19世纪早些年代，西班牙制作的刀剑质量较高，曾有记述西班牙刀剑的淬火过程：在云散星辉，南风习习的温暖的夜晚，加热刀具到樱桃红后，迅速淬入塔霍河中能够获得削铁如泥的效果。 应该说直到18世纪后半段，人们才区分了钢和铁，随着对钢铁相变理论和淬火介质冷却机制的认识，才对淬火和淬火介质的认识从自发上升到自觉，感性上升到理性，进入到现代科学阶段。 中国 应该说冶铁技术开始于小亚细亚，中国冶铁技术起步稍晚，但中国的钢铁冶炼和处理技术，后来居上，不仅快速地掌握了炼铁技术，而且发明了生铁和生铁制钢技术包括淬火在内的钢热处理技术，为人类文明做出了杰出贡献。 铁的冶炼技术最早包括两种基本技术，一是称为块铁冶炼，在1150℃左右进行冶炼结果为固体，铁的质量不高，另一称为生铁冶炼法，在1150-1300℃下冶炼，冶炼的结果是液体，可以进行连续冶炼，而生铁冶炼正是中国做的改进和发明。为进一步改善生铁的性能，中国发明了铸铁脱碳和铸铁韧化技术，前者是通过脱碳制做钢，后者是将白口铸铁中的渗碳体分解成石墨。图5是河南登封出土的战国铁锄组织，可以看出已经将渗碳体分解成球状石墨组织，说明我们已经掌握了铸铁的热处理技术。 图 5 河南登封出土的战国铁锄组织
在这些的基础上，中国进一步发明了炒钢和百炼钢技术，前者是炉中鼓气，后者则是反复锻打，使其组织细密，然后进行淬火，多用来制做宝刀名剑。图6是江苏徐州出土的五十炼钢钢剑的进行组织，其中可以可出清晰的条状锻打形变组织。 在公元3-4世纪，中国发明了灌钢技术，即所谓“杂炼生鍒作刀镰者”，这里的生就是“生铁“，鍒是“熟铁”，按不同比例组合加热到熔点以上，就可以根据需要获得需要成分和性能的钢铁。为配合钢性能的充分发挥，中国古代也对淬火介质做了多方面的探索工作，西汉司马迁所著《史记·天官书》中就有“水与火合为焠（淬）” 。汉班固所著《汉书·王褒传》中有“……巧冶铸干将之朴、清水焠其锋”的记载。辽阳三道壕出土的西汉钢剑即为淬火马氏体组织。三国时，浦元对淬火工艺已经有了较深刻了解，掌握了不同水质对钢淬火后质量的影响规律。南北朝时的棊母怀文已经知道使用多种淬火介质，对淬火冷却速度与钢淬火后性质之间的关系有了一定的了解，他提出了“浴五牲之溺，淬以五牲之脂” 的淬火冷却方法。 北京科技大学冶金和材料史在研究报告中，总结了中国古代钢铁技术的十大发明，如表1所示。
不少学者们从多个方面总结了中国在钢铁冶金和技术领先的原因主要有物质技术和思想体系两个原因。就当时的物质技术而言，首先在于中国具有先进的制陶技术，《庄子》中的“陶铸尧舜“和汉代淮安王刘安提到的“陶冶万物”即是这方面的生动反映；其次在古代冶铜技术发达，如开始毛主席诗词中的“铜铁炉里翻红焰”，在冶铁发明前，中国已经有铜冶炼的丰富经验。而就其思想体系方面的原因在于春秋战国时，中国形成了百家争鸣的学术局面，以整体论、系统观和辩证思想为基础的诸子百家学说，为钢铁冶炼和淬火技术具备了丰富的哲学内涵。例如晋代的杨泉在《物理论》中提到：“古有阮师之刀，以水火之齐，五精之陶，用阴阳之候，去刚软之和” ，就是说阮师掌握了火候（如热处理中的退火）、水的利用（如淬火）、冶金炉窑和铸造用陶技术以及氧化还原气氛，采用生铁和熟铁合炼，制成钢刀。图7是经过研磨后的汉代钢剑，可见被铁锈裹蚀了2000多年钢剑再度锋芒毕露，且保持了极佳的弹性，剑身表层为高碳钢强硬，心部为低碳钢弹韧，充分体现了我国古代分而合一的哲学思想。
在中国古代文献中有许多冶炼和淬火的记载，以诗词为例。李白著名的秋浦歌就是一幅瑰丽壮观的秋夜冶炼图： 炉火照天地，红星乱紫烟。 郝郎明月夜，歌曲动寒川。 苏轼也曾提到“为君铸作百炼刀，要斩长鲸为万段“，郭震提到“良工锻炼凡几年，铸得宝剑名龙泉“，更有龙泉剑淬火的描写，“七月七日授冶师，手作钳锤股为砺”，“欧冶将成器，投水化为龙”。白居易将铁与玉比较，认为铁是“才”，“大圭廉不到，利剑用不缺；当其斩马时，良玉不如铁“，但“玉”却相当于“德”，所谓“置铁在洪炉，铁消易如雪；良玉同其中，三日烧不热”。 所以，“君疑才与德，咏此知优劣”。 好富顿公司 值得指出的是，好富顿公司是在1865年成立，恰逢人们对钢铁相变和淬火介质机制的深化认识的年代，好富顿为人类的进步做出了应有的贡献。如下是好富顿在这个过程中所做的“世界第一”。
图8是好富顿公司在1923年前做的广告图面，上面的均匀化淬火的理念直至到今天仍具有重要的现实意义，因为很多淬火问题的来源都来自冷却的不均匀性。好富顿淬火油品牌Houghto-Quench（冷油系列）；Mar temp (热油系列)；Aqua-Quench(聚合物淬火介质)在业界享有盛誉，满足全球许多严格的技术标准要求，是保证高质量淬火的必选淬火介质。 文章为好富顿提供 |
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