玉鋼:日本刀的材料鋼-中文百科頻道

冶煉燃料

衆所周知，日本是資源貧乏的島國，除去少量富鐵礦之外，古時根本采掘不到易生高溫的燃料礦源，自然環境的惡劣，使早期煉鋼隻得使用一種叫做[松炭]的燃料（注：即是把紫薪燃燒至半途予以熄火後所制成的木炭）。松炭燃燒時的最高溫度雖可達攝氏1200℃（注：鐵的完全熔解溫度為攝氏1538℃以上），但卻含有燃燒時間不長的缺點，故中期以後的煉鋼改采[佐倉炭]，遺憾的是仍非理想。一直到距今約三百餘年前的江戶時代初期，一位住在現在和歌山縣田邊市，名叫備中屋長右衛門的人，發明出一種以槲木為原料所制成，能長時間保持攝氏八百度左右低溫燃燒的[備長炭]後，這項難題方告解決。

海綿鐵

在始終無法獲得高溫燃料的環境下，日本人仍絞盡腦汁地開發出獨具特色的冶鐵技術。鐵礦和木炭混合後隻加熱到不超過1000℃，鐵礦石被一氧化碳還原成鐵，此時還原的鐵無法融化成液态。固态的單質鐵在這樣的高溫下，又會和一氧化碳發生滲碳反應。按照鐵碳合金相圖，此時的鐵雖然隻能溶解1.5%～1.7%的碳，但是最終的鐵的含碳量卻不取決與此。最終的含碳量取決于爐氣的碳勢和加熱的時間。這是因為隻要爐氣的碳勢足夠，鐵中的碳濃度超過了溶解度後，多餘的碳可以滲碳體的形式存在，而滲碳體的碳百分比是6.69%。冶煉冷卻後得到的鐵塊像海綿一樣成多孔狀，又稱為海綿鐵。

玉鋼缺陷

把海綿鐵敲成小塊。再以目視依照其斷面的光澤隻挑出含炭在1～1.7%左右且雜質較少者稱之為玉鋼。由此可見，玉鋼可以說成一種低溫冶煉的塊煉鋼。雖然日本擁有富鐵礦，但是這種土法冶煉鋼現在看來，其品質實在是不敢恭維。由于是固态冶煉，海綿鐵中的非金屬夾雜物不會象液态冶煉那樣變成爐渣而漂浮分離出來。而且冶煉配料時，有時人為的加入一些石英粉，使這種海綿鐵的非金屬夾雜非常的嚴重。海綿鐵不是均質的鐵塊，因為不會象液态冶煉那樣各部分相互融合而成分均勻。所以即使是初步遴選的玉鋼，其内部的含碳量和其它成分的分布也極不均勻。

玉鋼再煉

去除雜質，精選經初步遴選的玉鋼，還不能稱為真正的玉鋼。現代鋼廠冶煉出的鋼材沒有和玉鋼相對應的牌号，這并不意味着現代冶金技術的倒退。這是因為初選玉鋼的含碳量實在是範圍太大了：它跨越了從螺紋鋼筋>0.25%，汽車齒輪0.25～0.5%，彈簧0.6～0.8%，锉刀（1.0～1.2%）到瑪鋼水管接頭（含碳約1.7%）的所有鋼鐵牌号，并且包含一些人們并不想要的非金屬夾雜的材料。

所以還要進行一步日本工匠稱為“水減”的過程。這是一種通過熱處理去除雜質，進一步分揀不同含碳量材料的手法。它雖然采用了淬火為手段，但顯然與熱處理的目的不同，所以把它稱為熱處理不準确。工匠将加熱後的玉鋼用鋼錘打成扁平的厚度為約5mm的薄片。鋼片成形後，刀匠會用水将其急速冷卻，鋼含碳量多的部分會因為淬火造成過大内應力而淬裂剝離。含碳量較低的部分，不易淬硬，有較好的塑性。

這是因為淬硬的程度是和淬火溫度、加熱時間和含碳量密切相關的。含碳量越高，可以淬硬的淬火溫度就越低。比如含碳量1.0%以上的鋼，在770℃正常時間加熱即可淬硬。而含碳量0.35%的鋼，在這個溫度下加熱屬于半馬氏體（半麻田散體）淬火，淬火後的硬度就不高，加熱時間短時，甚至不能淬硬，需要提高到850℃。刀匠隻要采用較低的淬火溫度和較短的加熱時間，并且把握的得當，就可以将含碳量合适的材料淬硬而利于破碎分離。

淬火後的玉鋼，需要進行一步日本工匠叫做“小割”的工序。将鋼料打碎成2到3cm長短的細塊。不碎的部份就是含碳量過低。可以大緻得到的玉鋼的碳含量約為1.0到1.7%，左下鐵約為0.7%庖丁鐵約為0.1到0.3%。把淬硬的薄片敲碎成小塊的方法，還可以有效的分離鋼片中的非金屬夾雜物。這是因為破碎會發生在非金屬夾雜物造成的缺陷處。

而玉鋼的非金屬夾雜物通常比較集中，沒有夾雜物的部分的玉鋼還是比較純淨的。在随後的鍛造中，這些處在碎片邊緣的夾雜物會因為鐵表面氧化剝落和自身缺少塑性的原因而脫落分離。盡管如此，玉鋼的殘留的非金屬夾雜物還是非常令人擔心的，所以用玉鋼打制的刀必須經過反複的折疊鍛煉，将夾雜物造成的缺陷沿着刀的縱向拉長變細，防止淬火或受力時因缺陷造成的應力集中而斷裂。

經過上述處理的玉鋼已經很接近現代的鋼了。玉鋼的平均含碳量（1.5%）大緻和現在的某些鋼锉刀（1.0～1.2%）比較接近。這是因為含碳量超過1.3%的碳鋼，性質很脆，沒有實用價值。而玉鋼在随後的折疊鍛打過程中，因為折疊和氧化脫碳的原因，含碳量會變得均勻，并且進一步的下降到0.8～1.0%。左下鐵的含碳量（0.7%）和現在的碳鋼彈簧絲含碳量（0.7%）是一樣的。庖丁鐵大緻和現在的建築螺紋鋼筋、角鐵含碳量相當。

成分

這是在維基百科查到的二戰時期的玉鋼成分表：鐵98.12%-95.22%；碳3.00%-0.10%；銅1.54%；錳0.11%；鎢0.05%；钼0.04%；钛0.02%；矽不定；其它微量。

成分作用

鐵

鋼中重要有害雜質的硫和磷，在表中并沒有列出，作為微量處理。在這裡可以看出，由于冶煉采用了含硫量很低的木炭和優質的富鐵礦，并且冶煉後的鐵不與爐料液态混合，得到的含硫、磷量還是很低的。現代的高級優質碳素鋼要求含硫量<=0.030%，含磷量小<=0.035%。由此可見，玉鋼含硫、磷低，适合鍛造，有利于韌性的提高。

碳在玉鋼中是主要的合金元素，含碳量的高低決定了玉鋼淬火前後的機械性能。含碳量越高的鋼，淬火後的實用硬度越高，但含碳量超過0.8%後，硬度随含碳量的增加不明顯。

銅

銅、錳、鎢、钼、钛都不是人們有意加入的元素，在這裡是雜質元素。但是這些元素常常被現代煉鋼工藝作為合金元素，加入鋼中。

銅1.54%，按含量是低合金元素。

銅在淬火的玉鋼中，主要是過飽和的固溶于基體組織中。由于淬火态鋼硬度、強度的主要取決于淬火馬氏體的碳含量，銅的強化作用不明顯。銅對未淬火的玉鋼有固溶強化作用。銅有助于提高鋼在空氣中的耐蝕性。

錳

錳0.11%；鎢0.05%；钼0.04%；钛0.02%――按含量是微量合金元素。

錳屬于弱碳化物形成元素。錳可以促進晶粒的長大，對需要反複加熱鍛造的玉鋼不利。錳可以提高鋼的淬透性，可以獲得更深的淬硬層深度。但是對厚度很小，要求淬硬層深度小外硬内韌的刀來說，錳的這一影響是負面的。錳對退火态和正火态的鋼有固溶強化作用，但是對于淬火态的鋼，硬度、強度主要取決于淬火馬氏體的碳含量，錳的強化作用不明顯。錳在鋼中可以和有害的硫形成高熔點化合物，減少熱脆，但對含硫量甚低的玉鋼幾乎沒有效果。總體來說，由于玉鋼中的錳含量隻有千分之一，各種影響可以忽略。

钛

钛屬于強碳化物生成元素，鎢、钼屬于中強碳化物生成元素。在玉鋼這種高含碳量的鋼中，它們以各自的碳化物形式出現（TiC、WC、MoC、W2C、Mo2C）。由于這些碳化物的熔點高、穩定性好，加熱到1000℃左右時才能熔入到奧氏體組織。而玉鋼的淬火溫度在780℃左右。再加上隻有萬分之幾的含量，這幾種元素不會對玉鋼的宏觀機械性能有影響。