冶金术的金属合金

在古代，人类主要利用的金属是铜合金与钢及铁。然而在古老文化的发源地，使用金属的历史上，都是铜器在于铁器之前。主要分析有下列几项原因：

1. 自然界中有著色泽醒目的红铜，但只有色泽暗沉且罕见的陨铁，并不引起人们的注意。

2. 炼铜较炼铁容易，因为使用木炭烧炼氧化铜的温度约五、六百度，而铜的熔点约一千度较铁的熔点一千五百度来得低。

在古代常用的金属合金为：

铜合金　锌黄铜　红铜　青铜　冶铁　 炼钢　金属锌　金　银　铅和锡 在古代人类所利用的金属主要是铜合金，冶铜是人类认识和利用金属材料的开始，也是人们最早掌握的化学反应之一。从发现并使用天然红铜，到冶炼铜矿石而获得青铜合金，金属化学便是由此而深入展开。

从目前的考古发现来看，中国最早一批原始冶铜器物是属于新石器时代中期的制品。而目前出土的各种青铜器中，尤其以商、周时期为最。从工具到农具，从兵器到礼器，从生活用具到装饰品，都反映了青铜材料在当时社会生产力发展的主导作用。而最早被人类认识和利用的金属材料是铜及其合金。在《周礼?考工记》中的「六齐」规则，这是中国，也是世界上最早的关于合金配比的科学文献。

胆水制铜法

〝胆水制铜法〞是中国古代的一种湿法冶铜方法，这项技术是现代水法冶金的先驱。其方法将铁放在胆水〈硫酸铜水溶液〉中﹐铜离子即被铁所取代而使铜沉淀。

〈胆水：

天然的含硫酸铜的泉水，它的形成是因为天然的硫化铜矿石经风化氧化，一部份便会生成可溶性硫酸铜，经过地下水、雨水的浸泡与淋洗，便会溶解而汇入泉水中。这种胆水只要铜的浓度足够，就可以做为水法制铜的原料。〉

而这冶铜反应的发现，远在汉代《淮南万毕术》卷下，即有记载：〝白青得铁即化为铜〞。书上所指的〝白青〞是〝水胆矾〞。唐代《新修本草》关于石胆〈CuSO ?5H O〉也有叙述：〝磨铁作铜色，此是真者〞。

约在五代时〝胆水制铜法〞正式成为一种实用性生产铜的方法。 到了宋代，胆铜的更是蓬勃的发展，据《宋会要?食货篇》记载，北宋徽宗年间以胆水制铜的地区有十一处。而这些浸铜法的工厂到了元代，由于胆铜中铁杂质也较多，因此便渐渐衰退。top 在中国的冶金史和化学史上，锌黄铜的冶炼是一项十分重要的成就。据考，中国早期的铜大多是从波斯或西域传入的，元代以前锌黄铜常被称做〝铜〞或〝石〞，是一种貌似黄金的铜锌合金，常被用来假冒黄金。在一本炼金术著作曾记载；以百鍊金铜一斤、太原产炉乾石一斤，沿细混匀，在加入木炭，放于铁罐密封，在风炉中加热烧两夜，最後以猛火锻烧六小时；冷却後，将罐内物质洗净，便得到金**的铜，有就是〝点石成金〞。

宋元先民以菱锌矿（ZnCO3 俗名叫炉甘石）与赤铜、木炭混合密封烧炼而得铜。明代中期冶炼黄铜的技术有了重要发展，大约在嘉靖年间，主要表现在人们已能冶炼出金属锌，并直接采用金属锌和红铜合炼。锌黄铜的出现使得明代嘉靖以前用锡铅青铜铸造的钱币，骤然变成清一色的锌黄铜钱币。top 在远古人的眼裏，天然红铜只是一种奇特、不易碎裂，有著光泽的红色石头。它质软可经，锻打和加热熔化可以改铸红铜的器形，这就增加了人们对红铜的兴趣，并利用此特性来制造供人玩赏的装饰品。

寻找红铜的过程中自然会发现与红铜相伴的铜矿石，特别像具有醒目翠绿色的孔雀石〔CuCO3?Cu〈OH〉2〕等矿石。一块烧炼的铜矿石逐使人们掌握了冶铜技术。铜矿常为共生，即与锡、铅等有色金属矿共存一处，冶炼这些共生矿得到的不是红铜而是青铜一类的铜合金，人们进而掌握了青铜的冶炼。top 青铜具有一定的硬度和坚韧性，既可作工具，又可制兵器，加上锡、铅的引入降低了冶铜的熔点，使冶炼青铜技术得到迅速发展。商周时期，中国的青铜冶铸业进入一个鼎盛期。大量出土的此间青铜器充分展示了中国古代青铜文化的灿烂光辉。

目前，出土的商周青铜器十分丰富，从工具到农具，从兵器到礼器，从生活用具到装饰品，均反映了青铜材料在当时社会生产力发展的主导作用。而在青铜冶铸的过程中，人们已认识到在青铜中，铜与锡铅的适当配比是非常重要的，因而总结了当时关于合金配比的经验，在《周礼?考工记》中留下了著名的「六齐」规则。这是中国，也是世界上最早的关于合金配比的科学文献。top 冶铁技术的发明是冶金史上继青铜之後的又一里程碑。这一发明无疑借助了人们在炼铜中所积累起来的炼炉设计和高温技术。一般来说，赤铁矿（Fe2O3 ）、磁铁矿（Fe3O4）、褐铁矿（含结晶水的Fe2O3）、菱铁矿（FeCO3）等铁矿石在木炭燃烧所产生一氧化碳（CO）的作用下，大约在摄氏六百至七百度之间〈600~700℃〉便开始还原反应，到摄氏一千度〈1000℃〉左右就有固态铁金属析出。但要想得铁水，温度至少要达到摄氏一千二百度〈1200℃〉。中国在春秋时期创造的高温液态法冶铸生铁，是世界冶金史上一个划时代的进步。欧洲一些国家虽然早在公元前一千年前後已能生产块炼铁，但是直到公元十四世纪才掌握生铁的冶铸。

炼铁、生铁和钢实质上都是铁碳合金。从化学角度来看，它们之间的主要区别在于含碳量的差别。含碳量在百分之零点五〈0．5%〉以下的是块炼铁；含碳量在百分之二至五之间〈2~5%〉的是生铁；含碳量介于中间的是钢。

在中国，块炼铁和生铁冶铸工艺几乎是同时出现，而且在相当长时间内共存和平行发展。由于生铁冶铸生产率高，成本低，加上人们很快又掌握了多种生铁「改性技巧」，所谓「改性技巧」即是今天所说的退火工艺。此技术遂渐成为中国古代冶铁业的主流，这就构成了中国古代冶铁技术发展的独特道路。目前出土的古代铁器，包括春秋晚期的铁柄铜剑、楚国时期的铁鼎、南宋以生铁铸造炮身以及各种农具。top 中国古代炼钢方法可分为两类。一是以块炼铁为原料，采用渗碳技术使其成钢。二是以生铁为原料，采取脱碳技术使其成钢。早期出现的大量钢制品主要是用第一种方法炼成，就是把块炼铁直接放在炽热的木炭上加热，渗碳，再经反复锻打而成；或将块炼铁与配入的渗碳剂及催化剂放在一起，密封加热成钢，这称之为「焖钢」。

生铁柔化处理加工展性铸铁的过程中，工匠右一次次的将技术革新。如西汉时期发明〝炒钢〞的技术、南北朝发明了〝灌钢〞等等的改革。虽然我国在冶铁的技术发展较晚，但在生铁制炼与制钢的技术不断革新的结果，在世界钢铁发展史上仍是留下辉煌的一页。top 除了黄铜以外，金属锌的冶炼亦显示出中国古代冶金化学技术的发达。

锌是一种化学性质较活泼的金属元素。在自然界中没有天然的金属锌。闪锌矿（主要成分为ZnS）和菱锌矿〈ZnCO3〉是常见的两种锌矿石。将锌矿石和木炭一起加热冶炼，不难使金属锌被还原出来。然而锌的还原温度为摄氏九百零四度〈904℃〉，锌的沸点则是摄氏九百零六度〈906℃〉。两度之差造成每当金属锌被还原出来，立即变成蒸气而飞逸出炼炉；遇到空气，便会与二氧化碳结合回复成碳酸锌。因此在通常情况下，人们在冶炼中很难意识到金属锌的存在。当人们认识到这一现象，并摸索出炼锌的特殊设备和工艺之後，才能冶炼出金属锌来。这就是中国到了明代中期才冶炼出金属锌的一个重要原因。top 金在自然界多数呈游离状态，尽管稀散，却是人类最早使用的金属之一。金矿可分为〝原生脉金矿床〞和〝次生砂金矿床〞。脉矿中的金称〝山金〞，砂矿中的金称〝砂金〞。游离状态下的自然金呈金**，光耀醒目，较易发现和识别。

中国先民早在夏商时期已使用黄金，而现今出土的春秋战国时期的金器就更多了，这些文物反映了当时黄金加工技术已有很高水准。在识别真伪黄金的实践中，先民掌握了利用焰色反应和试金石的鉴别手段。top 银是一种白色金属，在自然界中呈单质状态的较少，多以硫化物状态伴生于其他有色金属矿石中。世界上百分之七十五〈75%〉的银来自含银的铜、铅、锌和金矿的处理过程中；其中百分之四十五〈45%〉产自铅锌矿，百分之十八〈18%〉产于铜矿；从单独银矿中产出的银仅占百分之二十〈20%〉。

从考古资料来看，春秋时期制作的错金银青铜器是使用金属银的最早实物例证。在战国时期，人们对错金银工艺和加工银制品技艺已有丰富经验。top 铅金属的熔点仅有摄氏三百二十七度〈327℃〉，只要把方铅矿放在柴堆上烧烤，熔化的液态铅就会流下。因此人们早在夏代已能熔炼出铅。

从考古资料来看，直到商代後期，铅制品才多起来，表明这时候炼铅技术得到了发展和普及。锡的熔点比铅还低。冶铸得锡器不难。可是由于锡器在低于摄氏十三点二度〈13.2℃〉的温度下会得锡疫，即白锡会变成粉末状的灰锡，故出土的早期锡器十分罕见。从出土的殷商时期的镀锡青铜器来看，当时人们已掌握铸造锡器和镀锡的工艺.

中国古代掌握制铁技术，大约是在春秋末年以后，战国期间已逐渐成熟。

制铁的基本原理，跟现在的基本相同。首先是冶铁，采用碳还原法。最早的时候，把铁矿石和木炭粒一层层相错铺在炉底烧，由于温度不够高，产出的是一块块软的生铁块，杂质含量高。然后将这些软铁块锻打成所要的形状，形状比较粗糙。后来发明了鼓风的工具，从而建造了大的鼓风炉，提高了炉温，能够炼出液体的生铁。于是有了铸铁技术，用陶土或铁制做模范，把铁水浇铸进去，从而造出了精细的产品，于是铁制的农具和精良的武器得以普及。再进一步就是进一步制含碳量更少、柔韧性更好的钢，但是中国古代无法达到足够的炉温，因此只能用长期加热和锻打的方法进行渗碳，制出“不合格”的钢，但比一般生铁已有了很大进步。与此同时，相关工艺也有很大发展，比如人们发现在冶铁过程中掺入其他金属矿石，可以制备有特殊性能的合金，以及在渗碳过程中加入骨粉（含磷）可以起到催化作用。

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