日本的刀材料分析


材料分析 2017-11-07 11:52:31 材料分析
[摘要]日本的刀材料分析日本刀制法  炼钢  日本刀的材料钢,被称作和钢(わこう,Wakou)或玉钢(たまはがね,amahagane)。玉钢以日本传统土法炼成。这是一种低温炼钢法,炉温不超过1000℃。  此程序-材料分析-日本的刀材料分析

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日本的刀材料分析

  日本刀制法

  炼钢

  日本刀的材料钢,被称作和钢(わこう,Wakou)或玉钢(たまはがね,amahagane)。玉钢以日本传统土法炼成。这是一种低温炼钢法,炉温不超过1000℃。

  此法看似原始,但相比近代的高温炼钢法,能炼出品质纯良的好钢。不过高温炼出的钢材较软,易打造成形,而低温炼出的钢材较硬,较难打造,可以说制作日本刀是人力密集型的工事,是以血汗换取的品质。

  根据不同地区,不同的流派,所用钢材成分多少会有差异。大体上玉钢所含成分如表所示。

  水减

  即淬火工艺,淬火即所谓的热处理,日本称为水减(みずへし,Mizuheshi)。从现代材质学的角度来看,这个步骤算是刀匠控制钢材含碳量的手法。

  刀工将加热后的和钢锤打成扁平的厚度为约5mm的薄片。

  看似简单的工序,其实不然,为了控制钢材的含碳量 ,加热次数有严格限制;而且和钢的硬度在其续渐冷却时会有所改变。只有有经验的刀工才能准确把握施锤力度的变化,在限定的加热次数下将玉钢打炼成厚薄均一的薄片。

  钢片成形后,刀工会用水将其急速冷却。可使钢多余的含碳部分剥离。使刀剑本身具有良好弹性,刀口坚硬不易缺口。刀匠要对钢片的温度和用水的份量有极准确的把握,才能够得到含碳量合适的材料。

  锻炼

  刀工将烧红的钢块捶打锻造,钢块捶打开后再折叠起来捶打,如此反复,追打到第10次,就会有1024层的钢材,通过这一步骤,可将钢中 硫等杂质和多余的碳素等清除,以增钢材弹性与韧性。这就好比揉面一般,捶打的层数越多,钢材中的碳和各种成份就会更加均一,铁晶体也会更细致,最终锻造出来的钢材品质均一、达数千层,十分强韧。

  钢材搭配

  日本刀的造形不论刀尖或整个刀身是以圆为基础造型,刀身之所以为弧形主要是钢材的搭配以及淬火所造成的。

  首先,刀工以碳素含量多而硬的刃金(はがね,Hagane)、皮鉄(かわがね,Kawagane),将碳素含量少而质软的心鉄(しんがね,Shingane),包裹起来日语称做造込(つくりこみ,Tsukurikomi)这样的双重构造是日本刀的一大特点。

  外侧的刃金和皮鉄使得刀锋利而且有适当的硬度不至于弯折。此后的烧入阶段以碳素量和焼入的冷却速度控制刀尖和其他的部分的体积膨胀量的差。

  从而使刀尖产生强烈的压缩应力使得宝剑更不易破损,并且形成弯刀的弧度。

  揭秘日本顶级武士刀制造

  在远离了战场厮杀的现代,日本刀的艺术价值越来越受到重视,但是很少有人能道出一把刀的独特之处。正宗的日本刀在制法上具有相当高的技术,总体来说需要经过选钢、冶炼、锻造、刀工制刃、淬火、研磨之后,由刀工配白木柄鞘以保存刀刃待售之用,而刀柄、鞘、镡等刀装为另一行当,由专门的金工(锷工)装饰,且各有名师。日本历史上的刀工各有派系,还有的是幕府、大名的专属工匠。详细步骤如下:

  选材和炼钢

  日本刀的原材料,被称作玉钢(たまはがね,Tamahagane)。玉钢以日本传统土法炼成。这是一种低温炼钢法,炉温不超过1100℃,远不能达到摄氏1500度的纯铁熔点,虽说含有杂质的矿石熔点要比纯铁低不少,但在这么低的温度下,铁矿石依然是很难完全融化的。

  因此当时的日本刀匠为了获取理想的材料并炼去其中的杂质,在冶炼原材料上使用了表面积远大于大块矿石的砂铁,以求能更好地融化矿石,但同时炼制的时间也变得相当长,常常需要三天三夜甚至七天的不间断熔炼。

  这种砂铁本身的纯度很高,碳的含量非常低。然后砂铁在形成钢的时候,得做一个炉,那个炉得选择很干燥的地方,那个炉的"构造也十分复杂,如何通风、如何保温都很讲究。

  花很多时间做好一个炉之后要不断地用炭来烧,一定要低温精炼,低温才能做到最纯净的效果。把砂铁放到炭上面,然后又放一层炭,然后又放一层砂铁,层层重叠,在不同的火候和温度下烧好几天,最起码连续三天三夜,之后在第四天早上会拆掉冶炼炉,在炉子里面露出一块冒着气泡看似熔岩的物体 (耗费材料26吨铁矿和木炭), 此时“玉钢”冶炼师必须选择哪些部位可以送到刀匠那里去做刀。

  主持烧这个炉的人,完全靠的是个人的感觉、传统的经验。如果判断有失误,玉钢就会有杂质,纯度就不会那么高,所以这一直是日本很绝的工艺。

  锻造

  这是日本刀制作过程中的重要工序,即制刀的第一步。即是指刀匠师将钢料加热至赤红

  而进行捶打锻造,钢块捶打开后再折叠起来捶打,如此反复,使钢料得以延展。通过这一步骤,可将钢中硫等杂质和多余的碳素等清除,以增钢材弹性与韧性。

  这就好比揉面一般,捶打的层数越多,钢材中的碳和各种成份就会更加均匀。铁晶体也会更细致,最终锻造出来的钢材品质均一、达数千层,十分强韧,最终成为质地均匀的钢料。

  说到折叠的次数,一般有两种理解。一种理解是锻造师用大锤实际敲打玉钢的次数,那么如果敲打一千次的话,锻打过程中玉钢脱碳,导致刀身含碳量几乎变为零,不能被用作刀材了。另一种理解是玉钢实际被折叠的层数 。

  锻造师敲打玉钢坯子方式各异,因此刀胚内的碳分布产生区别,碳多的地方就会黑一些,因此会形成波浪、扭结、树轮等不同的纹理。这些纹理被称为“地肌”(地肌じはだ)地肌在抛光之后会显现在刀身上,观赏时光线最好是从你的后上方照射过来。

  覆土烧刃和淬火工艺

  淬火即所谓的热处理,日本称为水减(みずへし,Mizuheshi)。从现代材质学的角度来看,这个步骤算是刀匠控制钢材含碳量的手法。

  为了让刀身具有良好弹性,并且保持刀刃坚硬不易缺口,日本刀匠师会依据秘方用粘土、木炭粉和磨刀石的粉末调制出烧刃土,然后均匀的涂在刀面上可在硬化过程中隔绝保护刀刃的各个重要部位在内部较为软的钢和坚硬的刀刃的相交处会有一条明显的线其实就是“刃纹”(也是上品武士刀的重要标志)。

  然后再在黑暗的锻造场地进行火炼(在黑暗的场地能用眼睛准确的判断出刀刃的温度几时达到需要的温度800度为最佳,也就是刀刃达到朝日般的艳红的时候),淬火的时候必须使用清水,将达到温度的刀身放进水中,这样覆盖着薄薄黏土的部位会急速冷却然后变的十分坚硬,覆盖着薄薄黏土的边缘部位快速冷却似的钢内的碳受到极大的压力这个部位就会成为刀刃 ,(注意武士刀的弧度由此而来不是刀匠在打制的时候打成的弯度)。

  其原理为:因为主体覆盖着较为厚的黏土冷却速度因而变慢,所以保存有较大的韧性冷却过程中的结构变化导致武士刀弯曲,一把上品的武士刀的弯曲程度为月牙的形状。

  研磨

  此时刀已基本成型,需要开始转入更细致的深加工。一把顶级的日本刀,不能单只注重刀的美感或刀的斩切能力。斩切能力和美感的平衡问题永远是研磨的核心内容。

  研磨的第一阶段,是修饰整形,其主要目的是整理形状,研磨出作品的初步形态。这个阶段的步骤多少,因对象不同有一定区别。譬如新锻造好的刀与成品刀重新研磨,就有差异。新造的刀,不用去表面浮锈和可能深入刀身的锈点,但要矫正一些锻造瑕疵,如锻打痕迹或镐线不直等,这需要动用多项工具和工艺。而古董刀则可能存在另一些问题,譬如侧弯,就不能回炉也不能冷锻,不然会严重损伤刀体甚至改变晶体结构,所以是个很考技术的工序 。

  第二阶段是细致研磨:大体研磨完毕之后,磨刀匠会使用细小的砥石头进行研磨,(每颗只是切割很小的石头大约只有一粒米的大小进行研磨)。一般这个时候的研磨部位基本上都是“刃纹”两边以及刀刃的抛磨。这个时候要小心一般会割伤自己手同时也需要极大的专注力。时间依据各个不同的刀匠流派为准则 大体都是6至8天时间。

  第三阶段:整体研磨的方法很神秘,每一个磨刀匠在次都会想办法保密,所以我们只能知道个大概:研磨师傅用特有的方法将刀刃磨白,露出软硬两种钢交会的那条线。以达到逐渐让金属内在美呈现出来的结果。其次是磨尖刀尖具体方法和打磨刀刃一样,但是更细心和专注。

  但是再打磨刀尖的时候各个磨刀匠都有自己独特的秘方,所以最后所呈现出来的效果也是各有不同。然后再继续打磨10天左右,达到抛光师傅的满意程度。这样一把上品的武士刀才算是真正的大功告成。

  一般刀匠在最后将自己的名字、住所、制作年月铭刻在茎上。严格讲,铭是被利器 "切" 在或 "錾"在茎上的。一般的,在表面铭刀工名和住所(佩刀时向外一侧为表)、内侧铭制作年月和持刀者名,但是例外也很多见。以上步骤完成后,刀匠的工作到一段落,造鞘、装饰、卷柄等工序另有专人负责,不属于刀匠的工作范围。

  世界名刀都是什么材料制作的

  最近有一则有意思的新闻,说的是一个人放弃高薪躲入深山铸剑打刀,并且一把刀还能卖得上10万到20万。我的朋友圈里纷纷转发这一材料人新的致富之道(我倒是很怀疑现代制备方法做出来的能不能卖上这么高价)。发家致富放一边,世界上的确有很多上好的刀具,他们是用什么材质打造的?这或许也是一件值得探究的话题。

  世界名刀大致可以分为印度乌兹刀、大马士革刀、日本刀、马来克力士剑这几个体系。我国在近代由于种种原因,刀具制备工艺没落,所以没能在世界名刀上占有席位。

  印度乌兹刀——乌兹钢

  原产自印度乌兹地区的乌兹钢曾经是世界顶级刀具的原材料。欧美国家称之为Wootz,我国翻译成乌兹或者伍兹,或者直接叫印度铁。从成分上来说,乌兹钢是一种超高碳钢,碳含量在1.5%-2%之间。如果从类别上来说,乌兹钢是一种铸造型花纹钢。所谓花纹钢,是指这种钢材经过表面处理,会显示出特殊的花纹。除了乌兹钢这种铸造型花纹钢之外,还有锻造型花纹钢,前者天然形成,后者人为锻造。

  我们现在炼钢,使用平炉、电弧炉等等,但古代可没有这个条件。那乌兹钢是如何炼出来的?

  它是使用坩埚冶炼的方式制备的。印度冶炼工人将铁矿石、竹炭及某些植物叶子密封在陶罐中,加热熔融后得到一团金属。然后将它反复熔化、冷却,最终得到了乌兹钢锭。阿拉伯商人买回这种钢锭,制作出了举世闻名的大马士革刀。

  《自然》杂志曾经报道了一支由德国德累斯顿大学教授带领的研究小组对乌兹钢的研究。该小组在乌兹钢中检测出了微量的钒、铬、锰、钴、镍以及其他部分稀有元素,并且推测乌兹钢在熔炼过程中可能添加了肉桂树皮、乳香叶。

  然而遗憾的是,乌兹钢早在17世纪就已经开采殆尽了。所以,以此为原材料的大马士革刀也就成为了绝唱。

  现代大马士革刀——大马士革钢

  既然乌兹钢没有了,那怎么还会有大马士革刀?这就要说到大马士革钢了。由于乌兹钢的产量很低,到最后干脆就枯竭了,大马士革地区的工匠们就制造出与乌兹钢有些相似的大马士革花纹钢。

  大马士革花纹钢是用多种不同含碳量的钢材,经过多次折叠锻打而形成,制作成刀具同样有特殊的花纹。但它与乌兹钢有很大的区别,甚至根本没有什么联系。乌兹钢是一种均质材料经过熔炼而成,是铸造型花纹钢。而大马士革花纹钢是通过多种材料,依靠锻造的方式形成。

  相比乌兹钢的低产,大马士革钢是可以大批量生产的。大马士革钢的制作工艺,在其他地区也可以看到。

  马来克力士剑——陨铁

  马来克力士剑被称作南亚的冷兵器之王。据说《碧血剑》中,金蛇郎君所使用的金蛇剑,原型就是马来克力士剑。

  马来克力士剑的原材料也非常神奇,是用陨铁打造。陨铁在历史上具有非常神秘的色彩,在各小说中都是打造神兵利器的不二选择。不过马来克力剑用陨铁打造却是迫不得已,因为当时马拉西亚根本没有铁矿。

  除了使用陨铁之外,还需要当地特殊的锻造工艺才能打造出一把马来克力士剑。不过,这种锻造工艺早已失传。

  日本武士刀——玉钢

  玉钢,是日本以土法冶炼的制造刀具的钢铁,英文名Tamahagane。

  日本是一个资源匮乏的国家,炼钢技术有很大的不同,因为他们长期没有高温所需要的燃料——煤炭,所以采用的是一种低温冶炼方法。

  日本工匠首先将铁矿石和木炭混合放入炉中,然后加热冶炼。使用木炭作为燃料,冶炼炉的温度只有1150度左右,离熔点还很远。这种冶炼出来的铁,呈海绵状,也叫海绵铁。得到海绵铁之后,工匠们需要将其敲成小块,并根据断面仔细挑选出一些碳含量大约在1%-1.7%的块体,这就是初步的玉钢。同时被挑出的还有破面、铁滓、左下铁、庖丁铁。

  要注意的是,整把日本刀并不是全部用玉钢制作。一把日本刀,分为五个部分心金(刀身最中心的材料),刃金(刀刃的材料),栋金(刀背的材料),和两块侧金(从两侧包住刃金、心金和栋金的材料)。玉钢只用作刃金,其他部分则采用了左下铁(碳含量约为 0.7%)、庖丁铁(0.1 到 0.3%)等材质。

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