天工开物---锤锻篇.pdf

1天工開物天工開物-錘鍛篇錘鍛篇時間：2003.10.31地點：圖書文物大樓 3F 會議室主讀人：洪良德 本文對於事實的陳述皆以諺語或以明確的數據表示，如1.莫邪、甘將雙龍飛躍，毋其說亦有徵焉者乎？（前言）2.諺云：萬器以鉗為祖，非無稽之說也。（治鐵）3.受鍛時十耗其三為鐵華、鐵落。（治鐵）4.凡爐中熾鐵用炭居十七，木炭居十三 。（治鐵）5.每鍬、鋤重一斤者，淋生鐵三乾為率。（鋤鎛）6.經錘折耗，鐵損其十者，銅只去其一。(治銅)本文共分為十二節：1.前言2.治鐵(鍛接)3.斤釜(刀具)4.鋤鑮(工具)5.差(木工刀具)6.錐(木工刀具)7.鋸(木工刀具)8.刨(木工刀具)9.鑿(木工刀具)10.錨(鍛造成品)11.針(鍛造成品)12.治銅(銅材)一.前言1.金屬及木材經過加工可成為各式各樣的器物。雖有如魯班、捶等名師巧匠，若無優良的工具，還是無法展現他們的巧藝。2.各種兵器（五兵）和金屬樂器（六樂）若無鉗與錘的作用是無法製成的。3.各種工具、製品，同樣經過猛烈的爐火加熱後，再行錘鍛，可製成大小形狀不一，有重達千斤的鐵錨，也有輕如羽毛（一髮）的小針。4.冶鑄鍾鼎的技巧讓位給錘鍛五金的奇功。2二.治鐵1.鐵製器具是用炒過的熟鐵做成的。2.將鐵鑄成砧（鐵砧），做為承受錘打的墊座。3.剛出爐的熟鐵稱為毛鐵。毛鐵鍛打時變成鐵華、鐵落(氧化鐵皮)，而有30之損耗量。4.已成廢品而未銹爛的鐵器叫做勞鐵（廢鐵）。勞鐵鍛打時只損耗一成。5.鍛鐵爐的燃料（1）煤炭佔 70，木炭佔 30。（2）火墨（俗名火矢，以堅硬的木條燒成，火焰比煤更猛烈。）（3）鐵炭（火焰不高的碎煤）。6.鐵的接合-在接口處塗上黃泥，鐵燒紅後立即把它錘合。錘合後，須燒紅再以斧斬斷，否則永不折斷。7.健鋼、健鐵-熟鐵和鋼鐵燒紅錘鍛後，質地還不夠堅固，乘出爐時把它放進清水裏淬之稱為健鋼、健鐵。8.焊鐵法（1）西洋各國使用焊藥。（2）中國小焊用白銅粉做焊料，大焊（鍛接）則用錘打接合。（3）西方的大砲有些是鍛成的，中國的大砲靠冶鑄。（註 4）【註解】1.生鐵(Pig Iron)：由赤鐵礦（含 4060Fe）或磁鐵礦（含 72Fe）在鼓風爐(Blast Furnace)與焦炭、石灰等熔化冶煉而成，供作鑄造、煉鋼、及製造煉鐵、熟鐵之用。其含鐵量約 94、碳 3.05.5、其餘為矽、錳、硫、磷等元素。2.熟鐵(Wrought Iron)：由生鐵用平爐法製成，含碳量少於 1的鐵金屬，通常含有 13極細而均勻分佈之熔渣，不能鑄造，僅可鍛造。其含碳量甚低，故不能淬火硬化，富展延性與韌性，易於鍛接。3.鑄鐵(Cast Iron)：生鐵在鼓風爐熔融後，調整其成分為含碳 1.7以上及其他幾種百分比較少的元素之碳鐵合金。普通鑄鐵含碳 2.703.60，其餘為矽、錳、硫、磷等元素，鑄鐵性硬脆，不能鍛造。含碳 0.150.5之碳鐵合金稱為鑄鋼。4.鋼(Steel)：鐵、碳及若干金屬元素的合金稱為鋼。鋼不含熔渣，在臨界溫度以下淬火時會硬化，可用於鑄造、輥軋或鍛造。鋼概分為兩大類：一為碳鋼，係在鐵中加 1.7以下的碳。它有低碳鋼(含碳 0.3以下)、中碳鋼(含碳 0.30.7)、高碳鋼(含碳 0.72)。另一為合金鋼，係在鋼中添加 1 種或數種相當份量的鎳、鉻、鉬等元素，使其具有特殊性質。它有低合金鋼(含特別元素之和少於8.0)及高合金鋼(含特別元素之和超過 8.0)。3古代製鋼法：（1）將生鐵氧化，除去其大部分之雜質，製成煉鐵。（2）煉鐵經多次鍛擊製成板片，再疊合後鍛擊之，反覆數次，除去其大部分之雜質，而得煉鐵板或棒條。（3）將煉鐵板或棒條埋於木碳內，長時間加熱至櫻紅色溫度（約750 C），使碳滲入煉鐵板或棒條內而成鋼。（4）再加熱鍛造成均質之碳滲鋼，可淬火。現代煉鋼法：現代煉鋼法主要使用鹼性平爐法，分為兩個階段：第一階段是氧化-（1）使生鐵溶液與氧作用，除去其中 C、Si、Mn、P、S 等含量之大部分。（2）應用空氣或鐵礦石或廢鋼表面銹皮供給氧氣，使上述元素含量減至鋼內規定限度以下時，再增加鋼液內之碳量，使達到預定程度。第二階段是還元-還元鋼液內之 CO、FeO 等氧化物，此時所用之增碳劑兼還元劑為錳鐵、鏡鐵、矽鐵等合金生鐵與焦碳或無煙煤等所含之碳，滲入鐵液內而成鋼。5.鐵的接合法鐵的接合法有鍛接法（forge welding）、熔接法（fusion welding）、鑞附法（soldering）。（1）鍛接法：把軟鋼加熱到高溫約 13001400，然後在砧上錘擊接合之。因接合時之鍛擊可微化其晶粒，故接合處之強度與被接合材料相同。一般使用矽酸或硼砂為溶劑，用錳或磷為氧化劑，使接合面清淨，以免氧化鐵等化合物熔入接合面，不利於鍛接部位的密接。鍛接之接頭部位最好變粗而中間凸起，並使渣屑易因錘擊而排岀。鍛接法分為衝頭接合、重接合、啣接合等三種，如圖示。（2）熔接法：被接合材料之接合部位以氧乙缺火燄加熱或電弧熔接，達到熔接溫度，再將焊條熔解成液球滴下填充於接合部位。（3）鑞附法：被接合材料之接合面研磨清淨後，將焊劑塗於接合部位，待其乾燥後，置於火爐內或用氧乙缺火燄加熱接合部位，使焊料熔合黏著金屬接合之。鑞附法可分為-軟焊（soft soldering）：用錫與鉛之合金為焊劑，其熔點低，接合部位之強度較小。硬焊（hard soldering）：用銀、銅及鋅之合金為焊劑，其熔點高，接合部位之強度較大。46.健鋼、健鐵：目前通稱淬火。一般含碳量 0.5%以上的鋼才有可淬性。鋼經過淬火後通常需要再予退火或回火處理，以改善鋼質、增廣用途。（1）淬火（quenching）是驟然急速冷卻的意思，其目的是使鋼質硬化。一般將鋼材加熱至高溫約 750770，並經過一段時間保溫後，放置於水或油中冷卻之。（2）退火（annealing）是徐徐冷卻的意思，其目的是使鋼質軟化。一般將淬火過的鋼加熱至約 650，施以長時間加熱後，放置於熔槽中、空氣中或以細砂、稻草灰覆蓋之，讓其慢慢冷卻。（3）回火（tempering drawing）之主要目的是增加鋼質靭性。一般將淬火過的鋼加熱至約 720以下，施以長時間保溫後，放置於水中、油中或空氣中冷卻之。（4）滲碳硬化法：鋼材置於滲碳箱內，再將滲碳劑填入後予以封閉，置於爐中加熱至 900950，施以滲碳作用後，將滲碳箱原封不動由爐中取出，放置空氣中徐冷之。7.鋼鐵加熱燒紅後，表面產生氧化鐵之薄膜，因其極薄，故透明而反光，現出各種顏色，工作者由薄膜顏色可以判斷溫度之高低，如表示。顏色溫度 F溫度 C顏色溫度溫度櫻桃紅1650899紫黃520271蒼藍600316深黃490254深藍570299草黃470243深紫550289淡黃450231淡紫530277灰黃4302208.錘鍛工具（1）鍛鐵爐(Forge Furnace)：爐身為磚鐵合製而成，如圖 2-1 示。（2）鐵砧(Anvil Block)：多用鍛鐵製造，砧面則鍛合厚度 6mm 鋼板，以增加其抵抗強度，如圖 2-2 示。（3）鐵錘（Hammer）：分為手錘及大鐵錘。手錘重量為 2.53 磅，大鐵錘重量為 814 磅，如圖 2-3 示。（5）夾鉗（Tong）：用於夾住紅熱工作物以便於鐵錘之錘擊。夾鉗依夾持材料的形狀分為平嘴夾鉗、圓嘴夾鉗、三角夾鉗等，如圖2-4 示。（6）鏨錘（Chisel）：用於切斷工作物，如圖 2-5 示。（7）型砧錘（Molder）：用於方形、扁形或半圓形工作物，如圖 2-65示。（8）平錘（Flatter）：用於打平工作物，如圖 2-7 示。（9）穿孔鏨（Punch）：用於工作物之穿圓形孔或錐形孔，如圖 2-8示。（10）鐵模（Mold）及花砧(Swage Block)：用於打造圓形或特別式樣之工作物，如圖 2-9 示。三.斤斧1.鐵製兵器，薄的叫刀或劍，背厚而刃薄的叫釜或砍刀。2.最好的刀劍裏面用熟鐵做骨架，表面包敷百煉鋼。3.凡健刀、斧，先要嵌鋼或包鋼，才能提高其硬度。4.羊頭：鍛打斧頭或鐵錘之空心柄所用之鐵模。5.打石用的錘面若有損耗凹陷，可用熔鐵補平。【註解】刀具被覆法：先將欲被覆的原材料研磨至所需尺寸與形狀，再將其均勻置入密閉的被覆爐中，然後依被覆的種類，選擇另一種被覆材料，由爐壁噴入燃燒之，使被覆材料包覆在原材料上面。四.鋤鎛1.鋤、鎛（闊口鋤）是開墾土地種植的農具。2.鋤用熟鐵鍛成，將熔化生鐵淋在鋤口，經淬火後，其質硬且堅韌。鋤每重 1 斤淋生鐵 3 錢，少則不夠堅硬，多則過硬容易折斷。【註解】生鐵淋口：在熟鐵（含碳量 0.25以內）鍛成的鋤口加熱至 1200，淋上一層薄的生鐵水，再將其加熱至 800，入水淬火約 5 秒鐘，使鋤口外表堅硬而內部柔韌，正是一般農具或手工具必要的特性。五.鎈1.鎈：目前通稱銼刀，用純鋼製成。2.銼刀的製法：先用小鑿在鋼質銼胚表面削出成排的縱、斜紋，鑿時要斜向進刀，紋溝才能有火燄式的鋒芒，鑿好後燒紅，取出稍冷一下，入水淬火，即成銼刀。3.銼刀的種類及用途（1）開鋸齒先用三角銼，然後用半圓銼。6（2）修平銅線用方長牽銼。（3）加工鎖和鑰匙用方條銼。（4）加工骨角用劍面銼。（5）加工木器用香銼。【註解】1.銼齒的形狀分為單銼齒、雙銼齒、棘銼齒、曲銼齒，如圖 5-1示。2.銼刀依斷面形狀分類，如圖 5-2 示。（1）平銼：用於銼削一般平面。（2）方銼：用於銼削方孔、溝槽等。（3）三角銼：用於銼削凹角。（4）圓銼：用於銼削圓孔及凹曲面。（5）半圓銼：用於銼削圓孔及凹曲面。3.組合銼刀：由五支、七支等組合成一套，如圖 5-3 示，用於銼削較細小的平面或曲面，如加工鎖和鑰匙。六.錐1.錐用熟鐵錘成，不必加鋼。2.鑽的種類（1）裝釘書刊用圓鑽。（2）穿縫皮革用扁鑽。（3）木工轉索鑽孔用蛇頭鑽。（4）鑽銅片用雞心鑽。（5）鑽身上有三條陵的叫旋鑽。（6）鑽深四方而末端尖銳的叫打鑽。【註解】1.木材用鑚頭，如圖 6-1 示。2.轉索式鑽孔，如圖 6-2 示。3.手搖式鑽孔，如圖 6-3 示。4.一般鑽頭，如圖 6-4 示。圖(a)、(b)為二螺旋槽，一般用於金屬及非金屬材料之鑽孔。圖(c)、(d)為三螺旋槽及四螺旋槽，用於把孔擴大。圖(e)為直槽鑽頭，用於軟質材料，如銅鋁鎂及其合金之鑽孔。圖(f)、(g)、(h)為平鑽頭，自古以來所用的鑽頭，形狀簡單而容易製作，適於軟質材料或薄板之鑽孔，不適用於鋼7材。七.鋸1.鋸由熟鐵鍛成薄條，不加鋼亦不淬火。把薄條燒紅取出降溫，再于錘打以增強韌性，然後用銼刀銼成齒狀。2.鋸片裝置在鋸弓的方法如圖 7-1 示，鋸片裝在兩支短木柄的下端，短木柄作為鋸把，中間橫木為樑，短木柄的上端纏繞繩索，繩索中間插一支竹篾，旋轉竹篾拉緊鋸弓使鋸片伸直。3.長鋸用來剖開木料，短鋸用來截斷木料，最細的鋸齒用來鋸竹子。4.鋸齒用鈍時，用銼刀銼得鋒利。【註解】木工用鋸約分為下列五種：1.板鋸：鋸片寬又厚，屬於粗鋸，用於直線鋸割木材如圖 7-2 示。2.夾背鋸：鋸切比較小的木材如圖 7-3 示。3.規鋸：俗稱牛尾鋸，鋸切木材的圓孔或內曲面如圖 7-4 示。4.側鋸：鋸切開鑿長溝之兩側及鋸開木板中央部分如圖 7-5 示。5.線鋸：又稱彫花鋸、鋼絲鋸、弓鋸，鋸切彎曲度很小的木材如圖 7-6示。八.刨1.刨是把一寸闊的嵌鋼鐵片磨銳利，斜向裝進木製刨殼（刨台），稍為露出點刃口，用於刨平木材，古稱為準。2.大的刨是將刨殼反置使刃口向上，手持木料在其上抽削稱為推刨，製圓筒的木工常用它。3.平常用的刨則在刨殼穿著一支橫木條，刃口向下貼在木料上，雙手握執橫木條向前推，如圖 8-1 示。4.做精細工作用起線刨，其刀口闊二分多。5.能把木料括得極為光滑的刨稱為蜈蚣刨。【註解】木工用刨約分為下列四種：1.平刨：刨平木材的表面，如圖 8-2 示。2.槽刨：刨溝槽，如圖 8-3 示。3.邊刨：刨槽內邊面，如圖 8-4 示。4.滾刨：又稱曲線刨、彎刨，刨削不規則曲線、圓面、不均勻的表面。8九.鑿1.由熟鐵鍛成，刀口嵌鋼，鑿身是圓錐形空管以便裝進木柄，如圖 9-1示。2.用斧頭或木錘敲擊鑿柄，使刀口入木而鑿成孔，如圖 9-2 示。十.錨1.戰船或海船所用的錨有重達數千斤。2.錨的錘鍛法（1）三百斤以內的錨是將鐵材在爐內燒紅，把材料夾到砧上直接錘鍛加工而成。（2）千今左右的鐵錨，則先架好木棚，由許多人站在棚上，一齊握住鐵鍊，鐵鍊末端分別繫住套在錨身兩端的大鐵環，把錨吊起來並按需要轉動，眾人合力把錨的四個爪逐個錘合上去。（3）接合鐵用的藥是篩過的舊牆泥粉，由一人把它不斷撒在接口處，一起與鐵材錘合，才不會產生小縫隙。2.錨算是最大的鍛造物品。十一.針1.針的製法（1）把鐵錘成細條。（2）將細鐵從鐵尺上的孔眼抽過成為鐵線。（3）將鐵線逐寸剪斷成針胚。（4）將針胚一端銼尖，另一端用小錘敲扁。（5）用硬錐鑽出針鼻，再把針的周圍銼平。（6）放辱鍋裏慢火炒熬，再用泥粉、松木碳和豆骨等掩蓋，下面再用火蒸。（7）留二、三針在外面做為觀察火候之用，當外面的針已經完全氧化到能用手捻成粉末時，說明蓋住的真已經夠火候了。（8）開封，將針淬火即成為針。2.縫衣服和刺繡用的針都比較硬。做帽子的針比較軟。針的軟硬在於淬火的方法上。【註解】拉線法是由熱軋製成的粗線材直徑約 5mm 經酸洗乾燥後冷拉（cold drawing）之，如圖 11-1 示。（1）由水平軸傳動捲筒 A，以拉鋼線捲繞在其上。（2）捲筒側有孔板 C，內嵌預定孔徑之拉模（drawing dies）。9（3）鋼線一端壓尖後插入模孔內，拉出即減小其直徑，流經數個逐漸縮小孔徑之拉模後，鋼線就被拉成細線。十二.治銅1.紅銅加鋅冶煉成黃銅，再熔化後經冷錘製造成物。由爐甘石煉成的黃銅，經熔化後要趁熱錘打。2.紅銅加砒霜等配料冶煉得成為白銅。白銅加工難，成本高。3.銅和錫的合金叫做響銅，可用做樂器。4.方形或圓形的用器可用走焊或加溫粘合。小件的焊接用錫粉做焊料，大件的焊接用響銅粉做焊料，銀器則用紅銅粉做焊料。5.鑼是在金屬熔成一團之後錘打而成。6.銅鼓和丁寧（小鐘）是先鑄成圓片，然後錘成。在銅鼓中心打出一個凸起的圓泡，用冷錘敲定音色，聲音的高低關鍵在於圓泡厚薄或深淺的分厘之差。7.銅質經過錘打後，表面呈啞白色而無光澤，但銼削後又呈黃色面恢復光澤。8.錘打時銅的損耗量只是鐵器損耗量的 1/10。9.銅有腥味而色澤美觀，因此，銅匠比鐵匠高一級。【註解】1.銅礦以黃銅礦（CuFeS2）、輝銅礦（Cu2O）等銅之硫化物礦為主，經電解形成之電解銅，其純度近 100。2.紅銅是銅礦在熔解鑄造時添加少許磷而脫氧鑄塊而成。3.黃銅是銅鋅（Cu-Zn）合金。工業用的黃銅以製造勳章、裝飾用品、電氣用品、樂器等。4.青銅是銅錫（Cu-Sn）及少量的鉛（Pb）合金，用於砲銅（兵器）、軸承、美術（祭器）、樂器等製造。5.白銅是銅鎳（Cu-Ni）合金加入砒霜，分為：（1）鍛造用白銅用於鉚釘、拉鍊、名牌、科學器具之製造。（2）鑄造用白銅用於砂模、樂器、鑰匙、家庭用品之製造。【參考資料】1.工程材料學陸志鴻 編著正中書局2.金工工作法王時傑 編著世界書局3.鋼熱處理學金鴻儒 編著百成書局4.工廠實習（木模）工廠實習編輯委員會新科技書局5.機械製造劉貝成等編譯高立圖書公司6.JIS 機械工作便覽賴耿陽 譯王家出版社10111213