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末日后你必须成为会做工具的工具人

工具人

末日后你必须成为会做工具的工具人(工具人)

金属具有完全不见于其他材料的种种特性。有些十分坚硬、强韧,适合用来制造工具,武器或结构零件,好比钉子或完整大梁。不过金属也具有可塑性,不像陶瓷那么酥脆——金属受压时会变形,不会碎裂,还可以拉成细丝,能用来固定、制造围篱或传导电力。多种金属还能抗拒非常高的温度,是打造高性能机器的理想材料。

能够制造金属器具,将大大地增加你在末日生存的能力。

你在大坠落过后,必须尽快重新养成的能力,不只是掌握用铁,还得加上铁碳合金:钢。钢含有铁、碳混合原子,而且远远超过各部分的加总。把碳原子纳入,大幅改变了金属的特性,而且你可以因应不同用途,改变碳原子比例,从而控制钢的强度和硬度。

我们到后面才会检视,该如何从无到有,开始制造铁和钢,因为紧接灾后,你肯定很容易就能捡到钢铁材料。只要重新学会铁匠的传统技能,这些捡来的品项,也就可以活化再利用:在平炉(编按:有蓄热室的炼钢炉)或锻造炉上的砧板一边处理作品,一边让它保持灼热,同时也用鎚子和铁砧改造外形。综观整段文明史,人类之所以有办法利用坚硬的铁,理由便在于,铁受热会暂时改变物理特性,质地软化并具展延性,得以搥打塑造成形,辗轧成薄片或者抽成管、线。这很重要,因为这表示,你可以使用铁制工具来处理铁材,制造出更多工具。

如何加工铁器

用铁制造工具,最重要的知识就是有关于如何让铁硬化的原理——淬火和回火。要让铁硬化,可以把它加热至火红,好让内部铁碳晶体,转化为硬组态的同素异形体(编按:同一元素因为分子式排列方式不同而有不同的物理形态,但化学生质相似)(它没有磁性——这可以在加热时检测)。不过随后若是让它缓慢冷却,这种晶体就会恢复原来形式,所以必须急速冷却,才能得到你想要的。采淬火加工,再把高热铁件泡进水中或油中。然而坚硬的物质也会很脆——易碎裂的钢鎚、剑或弹簧都毫无用处——所以制品淬火之后还必须回火。这种做法是再加热,维持较低温度一段时间,让某个比例的分子结构松弛开来——刻意牺牲材料的部分强度,换回一些柔软度。你可以经由回火来调节铁的材料特性,而这就是因应功能来需求改造金属的基本要点。

掌握了焠火跟回火技术,就能因应需求作出不同硬度的铁器。

还有一项重要技术到比较晚近才发展成形,那就是銲接,用已融金属来胶合金属。乙炔能产生的热度,凌驾所有可燃气体,在氧气流中的燃烧温度超过摄氏三千二百度。要产生銲接气炬,可以经由一支点燃的喷嘴,分别控制加压氧和乙炔气流。纯氧可以藉由电解水取得,或者往后将液化气体分馏后来取得。乙炔可以取水与碳化钙块相互反应后释出,而碳化钙本身,则是取生石灰和木炭(或焦炭)一起摆进火炉加热生成,这两种物质我们已经介绍过了。除了胶合金属,氧乙炔火燄还能做为钢铁的切割气炬,产生氧气喷流来烧热金属,再切出整齐的线条。

电弧銲机所产生的温度还更高,约可达到摄氏六千度——如舞动闪电的威力。串接一批电池或使用一台发电机,就能产生充足电压,持续触发火花(或电弧),跃过目标金属和碳电极的间隙,让电极在金属表面移动,就能銲熔或切割。这种临时凑合的氧乙炔气炬或电弧切割机,是拾荒小组奉派进入死寂城市时不可或缺的设备,可以用来拆解废弃残骸,拾回最有用的物资。使用电弧炉是熔解废钢料,回收再利用的有效做法。电熔炉基本上就是台巨型电弧銲机,电力从大型碳电极涌现,通过金属并熔解,里面还有石灰岩助銲剂,用来去除杂质,表面化为熔渣,熔钢则如水壶倒水般倾倒出来。使用可再生电源来运作的电弧炉是一门必须掌握的重要技术,这样才能纾解末日后世界对热能燃料的需求。

不过取得金属物资的能力,只做对一半,你还必须能够熟练处理这类材料,依你所需样式打造成形。假使你找不到还能操作的工具机,那么你有多少机会,可以从头制造出新机具?

制作小型工作室

一九八○年代,一位机械师提出了一项优雅的例证,他打造出一个支具齐备的五金工作坊——包括车床、金属成型机、直立钻床和铣床等一应俱全——材料不过就是黏土、沙、木炭和几块废金属。铝是个不错的选择,因为铝熔点低,方便铸造,而且非常不容易腐蚀,因此就算在末日灾变过后许久,依然可以找到。

这项出色计画的核心是个小型铸造设备,捡来的金属桶,里面铺了一层黏土耐火内衬,使用木炭焙烧,并从桶侧导入气流来强化燃烧作用。用这台火炉熔化捡来的铝,已经绰绰有余,接着就可以把熔融金属倒入模范里,铸造出五花八门的机具零件。外范的制造原料可以采用细沙混入黏土(做为黏着剂)并添点水,接着让它紧紧包覆内模,外框则是个两件式木盒。

以下影片,示范了如何用生活中可见的器具制作一个小型铸造厂,并在融化铝罐后,用沙范创造出五花八门的器具。

要打造的第一台机器是车床。简单的车床含一件平坦长梁,称为床座,头座固定于一端,另一端则是尾座,能松开锁具并沿着床轨左右滑动。工件装置于头座上的心轴——或栓在面板上,或以可动爪夹头钳住——接着整个工件由一套滑轮或齿轮系统带动,绕着这个中心轴旋转,至于原动力就看你已经驾驭了哪些类型(水车、蒸汽机或马达)。尾座可以用来支撑工件的另一端,并能因应不同长度沿着床座滑动,也可以装上钻头等工具,于是你就可以旋转工件并沿着中心轴线钻孔。车床还有个刀座,上面安装切削工具,同样能沿着床座滑动,由于采用横滑台,能精准调校工件位置,边转动边切削,雕琢出合宜的剖面。最令人称奇的是,这台车床不只能够复制出它本身的所有零组件,打造出更多车床,而且当你凭空徒手制造这第一台车床,还在初步阶段之时,已经可以利用它来打造出其余必要零件,完成这项设备。

车床,含左侧用来固定工件的头座(主轴台)和旋转心轴,以及右侧的尾座,还有中间承托切削工具的活动式刀座。

为了能在工件上切出精确螺纹,你必须沿着床座方向安装一根长条导螺杆,就能顺畅移动刀座,而且最好是与头座、心轴的齿轮耦合,让双方动作完美协调。你在末日后世界真正得期盼能捡到已经做好的长条导螺杆,因为要切削出螺距固定的螺纹,可说难如登天。依我们的历史经验,第一道精密的金属螺纹是历经反覆改良,走过漫长进程,才终于打造成形,接着才以此制造出其他众多成品,你肯定希望不必再次走过这趟路程。

一旦车床到手,你就可以运用它来制造组件,完成其他远远更为复杂的工具机,好比铣床。车床的用途是利用车刀来处理在夹头上旋转的工件,铣床则是用转动车刀,切削固定在夹头上的工件,具有十分广泛的功能——有了铣床之后,你大致就能打造出其他零件。所以这项示范,也就相当于技术史的缩影:简单的工具制造出比较复杂的工具,包括自己的进化版,并反覆这个循环,一步步向上推展。

从矿石中分离金属

不过万一你找不到纯化金属供锻造或铸造,或者你能捡到的都已经用光了呢?你该怎样从岩石炼出金属?冶炼的原则是去除矿石中金属化合物的氧、硫或其他元素。这必须消耗一种燃料来达到高温,还要一种还原剂和一种助熔剂。木炭(或焦炭)是发挥头两样功能的极佳用料,它能烧出猛烈火燄,在熔炉中燃烧时,还会释出一氧化碳,这种强效还原剂能去除氧气,留下纯金属。简陋炼铁炉的蓝图,看来就像烧制石灰的窑炉设计。炉内装填了一层层木炭燃料和粉碎的铁矿石。矿石混入一些石灰岩,做为助熔剂来降低耐火脉石(无利用价值的固体矿物)的熔点,让它在炉内化为液体并吸收金属杂质。助熔剂形成熔渣并流掉,于是你就可以从炉中提取纯金属珍宝。

倘若熔炉的运作温度,达不到足以熔铁的高温,那么你就必须取出海绵团状固体金属,摆在铁砧上搥打,让铁融合在一起并打出残留熔渣。这种纯熟铁还不够坚硬,不能用来制造工具,必须再次用木炭猛烈加热,吸出一些碳并形成钢材,接着又一次摆上铁砧处理。这样反覆摺叠、打扁,基本上就是在搅拌固态材料,产生出均匀的钢材,最后便可以拿来锻造成最后形式。这是会令铁匠腰酸背痛的苦工,而且钢材产量也严重受限。发展出现代文明的关键,是养成有效大量制钢的产能。底下就告诉你该怎么做。

解决之道是强力鼓风让空气向上流过层叠炉料,增强燃烧。中国人在公元前五世纪就发明了鼓风炉(比欧洲早了一千五百多年),随后并改良设计,使用水车驱动活塞风箱。为达到更高效能,加热到更高温度,可以使用从熔炉烟道逸出的高热燃烧废气来预热空气,鼓风入炉。鼓风炉中刚熔炼完成的铁材吸收了许多碳原子,于是熔点便降到摄氏一千二百度。金属液化从炉底流出,沿着地面的沟渠,再注入一列铸范。最终成品就是生铁(pig iron,直译为「猪铁」)——起这个名字是由于,中世纪铸造工匠认为,那一个个铸范,看来就像一窝新生小猪依附着母猪吸奶。

炼铁鼓风炉。矿石、燃料和助熔剂从炉顶往下流,接着从炉底注入强烈高热气流,施压向上流过层叠炉料。

这种含碳量高的铁,熔点降低了,必要时可以重新熔解,像热蜡一般倒入范中。因此铸铁工序变得非常便利,能快速铸造出种种品项,如锅子、管路或机械组件等,维多利亚时代的人,还制造出许多铸铁大梁。不过铸铁有一项严重缺陷:由于含碳量高,质地很脆,举例来说,铸铁桥梁有个缺点,一旦结构元件受力弯折或拉伸,整座桥梁往往就会崩塌。

后来是一项革新发明,才真正使工业革命后期不断发展下去,采这种做法,就能把鼓风炉所炼出的生铁,轻松变换成钢材。就碳含量而言,钢的比例介于纯熟铁和酥脆的生铁或铸铁(34%)之间,从约含0.2%碳,用来打造机器齿轮或结构钢材的坚韧钢料,到约含1.2%碳,用来打造滚珠轴承和车床切削工具的坚硬钢料。所以你该怎样脱除含碳生铁?

贝塞麦炼钢转炉是个梨状巨桶,内衬耐火砖,安装在支轴上,因此桶子可以倾倒。先熔融生铁,注入容器,随后从桶底几个开孔把空气打进桶内,和冒出气泡的水族箱帮浦增氧机相似。额外的碳原子和氧反应,化为二氧化碳逸出,其他杂质也经氧化,合成熔渣后清出。这里有个很幸运的现象,碳原子燃烧时会释出充分热量,让铁里外都保持熔融状态。

这时会遇上难题,因为熔炼时必须把碳原子成分几乎全部去除,却仍得留下将近百分之一,实际操作时,很难准确判断。掌握最后成分的诀窍,要靠事后反溯法,先进行转化,直到你有十足把握,肯定所有碳原子都已经去除,接着就把你想放回纯铁里面的最后碳原子依比例混入。这种贝塞麦炼钢法是史上头一种廉价的大量炼钢法,你最好是尽快蛙跳返回这个时间点。

如果你所知道的文明已经不存在了,你要如何在新世界活下去?跳过原始生活,利用知识再开启明治维新、工业革命,而末日后的新文明,会是什么样的文明呢?来自科学家的末日狂想,形成一本事事未雨绸缪的科普之书。

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