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世界末日之後,你必須成為會做工具的工具人!——《最後一個知識人》

攸關生存的金屬

金屬具有完全不見於其他材料的種種特性。有些十分堅硬、強韌,適合用來製造工具,武器或結構零件,好比釘子或完整大梁。不過金屬也具有可塑性,不像陶瓷那麼酥脆——金屬受壓時會變形,不會碎裂,還可以拉成細絲,能用來固定、製造圍籬或傳導電力。多種金屬還能抗拒非常高的溫度,是打造高性能機器的理想材料。

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能夠製造金屬器具,將大大地增加你在末日生存的能力。圖/wikipedia

你在「大墜落」過後,必須盡快重新養成的能力,不只是掌握用鐵,還得加上鐵碳合金:。鋼含有鐵、碳混合原子,而且遠遠超過各部分的加總。把碳原子納入,大幅改變了金屬的特性,而且你可以因應不同用途,改變碳原子比例,從而控制鋼的強度和硬度。

我們到後面才會檢視,該如何從無到有,開始製造鐵和鋼,因為緊接災後,你肯定很容易就能撿到鋼鐵材料。只要重新學會鐵匠的傳統技能,這些撿來的品項,也就可以活化再利用:在平爐(編按:有蓄熱室的煉鋼爐)或鍛造爐上的砧板一邊處理作品,一邊讓它保持灼熱,同時也用鎚子和鐵砧改造外形。綜觀整段文明史,人類之所以有辦法利用堅硬的鐵,理由便在於,鐵受熱會暫時改變物理特性,質地軟化並具展延性,得以搥打塑造成形,輾軋成薄片或者抽成管、線。這很重要,因為這表示,你可以使用鐵製工具來處理鐵材,製造出更多工具。

如何加工鐵器

用鐵製造工具,最重要的知識就是有關於如何讓鐵硬化的原理——淬火回火。要讓鐵硬化,可以把它加熱至火紅,好讓內部鐵碳晶體,轉化為硬組態的同素異形體(編按:同一元素因為分子式排列方式不同而有不同的物理形態,但化學生質相似)(它沒有磁性——這可以在加熱時檢測)。不過隨後若是讓它緩慢冷卻,這種晶體就會恢復原來形式,所以必須急速冷卻,才能得到你想要的。採淬火加工,再把高熱鐵件泡進水中或油中。然而堅硬的物質也會很脆——易碎裂的鋼鎚、劍或彈簧都毫無用處——所以製品淬火之後還必須回火。這種做法是再加熱,維持較低溫度一段時間,讓某個比例的分子結構鬆弛開來——刻意犧牲材料的部分強度,換回一些柔軟度。你可以經由回火來調節鐵的材料特性,而這就是因應功能來需求改造金屬的基本要點。

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掌握了焠火跟回火技術,就能因應需求作出不同硬度的鐵器。圖/owenon@flickr

還有一項重要技術到比較晚近才發展成形,那就是銲接,用已融金屬來膠合金屬。乙炔能產生的熱度,凌駕所有可燃氣體,在氧氣流中的燃燒溫度超過攝氏三千二百度。要產生銲接氣炬,可以經由一支點燃的噴嘴,分別控制加壓氧和乙炔氣流。純氧可以藉由電解水取得,或者往後將液化氣體分餾後來取得。乙炔可以取水與碳化鈣塊相互反應後釋出,而碳化鈣本身,則是取生石灰和木炭(或焦炭)一起擺進火爐加熱生成,這兩種物質我們已經介紹過了。除了膠合金屬,氧乙炔火燄還能做為鋼鐵的切割氣炬,產生氧氣噴流來燒熱金屬,再切出整齊的線條。

電弧銲機所產生的溫度還更高,約可達到攝氏六千度——如舞動閃電的威力。串接一批電池或使用一台發電機,就能產生充足電壓,持續觸發火花(或電弧),躍過目標金屬和碳電極的間隙,讓電極在金屬表面移動,就能銲熔或切割。這種臨時湊合的氧乙炔氣炬或電弧切割機,是拾荒小組奉派進入死寂城市時不可或缺的設備,可以用來拆解廢棄殘骸,拾回最有用的物資。使用電弧爐是熔解廢鋼料,回收再利用的有效做法。電熔爐基本上就是台巨型電弧銲機,電力從大型碳電極湧現,通過金屬並熔解,裡面還有石灰岩助銲劑,用來去除雜質,表面化為熔渣,熔鋼則如水壺倒水般傾倒出來。使用可再生電源來運作的電弧爐是一門必須掌握的重要技術,這樣才能紓解末日後世界對熱能燃料的需求。

不過取得金屬物資的能力,只做對一半,你還必須能夠熟練處理這類材料,依你所需樣式打造成形。假使你找不到還能操作的工具機,那麼你有多少機會,可以從頭製造出新機具?

製作小型工作室

一九八○年代,一位機械師提出了一項優雅的例證,他打造出一個支具齊備的五金工作坊——包括車床、金屬成型機、直立鑽床和銑床等一應俱全——材料不過就是黏土、沙、木炭和幾塊廢金屬。鋁是個不錯的選擇,因為鋁熔點低,方便鑄造,而且非常不容易腐蝕,因此就算在末日災變過後許久,依然可以找到。

這項出色計畫的核心是個小型鑄造設備,撿來的金屬桶,裡面鋪了一層黏土耐火內襯,使用木炭焙燒,並從桶側導入氣流來強化燃燒作用。用這台火爐熔化撿來的鋁,已經綽綽有餘,接著就可以把熔融金屬倒入模範裡,鑄造出五花八門的機具零件。外範的製造原料可以採用細沙混入黏土(做為黏著劑)並添點水,接著讓它緊緊包覆內模,外框則是個兩件式木盒。

以下影片,示範了如何用生活中可見的器具製作一個小型鑄造廠,並在融化鋁罐後,用沙範創造出五花八門的器具。

要打造的第一台機器是車床。簡單的車床含一件平坦長梁,稱為床座,頭座固定於一端,另一端則是尾座,能鬆開鎖具並沿著床軌左右滑動。工件裝置於頭座上的心軸——或栓在面板上,或以可動爪夾頭鉗住——接著整個工件由一套滑輪或齒輪系統帶動,繞著這個中心軸旋轉,至於原動力就看你已經駕馭了哪些類型(水車、蒸汽機或馬達)。尾座可以用來支撐工件的另一端,並能因應不同長度沿著床座滑動,也可以裝上鑽頭等工具,於是你就可以旋轉工件並沿著中心軸線鑽孔。車床還有個刀座,上面安裝切削工具,同樣能沿著床座滑動,由於採用橫滑台,能精準調校工件位置,邊轉動邊切削,雕琢出合宜的剖面。最令人稱奇的是,這台車床不只能夠複製出它本身的所有零組件,打造出更多車床,而且當你憑空徒手製造這第一台車床,還在初步階段之時,已經可以利用它來打造出其餘必要零件,完成這項設備。

車床

車床,含左側用來固定工件的頭座(主軸台)和旋轉心軸,以及右側的尾座,還有中間承托切削工具的活動式刀座。

為了能在工件上切出精確螺紋,你必須沿著床座方向安裝一根長條導螺桿,就能順暢移動刀座,而且最好是與頭座、心軸的齒輪耦合,讓雙方動作完美協調。你在末日後世界真正得期盼能撿到已經做好的長條導螺桿,因為要切削出螺距固定的螺紋,可說難如登天。依我們的歷史經驗,第一道精密的金屬螺紋是歷經反覆改良,走過漫長進程,才終於打造成形,接著才以此製造出其他眾多成品,你肯定希望不必再次走過這趟路程。

一旦車床到手,你就可以運用它來製造組件,完成其他遠遠更為複雜的工具機,好比銑床。車床的用途是利用車刀來處理在夾頭上旋轉的工件,銑床則是用轉動車刀,切削固定在夾頭上的工件,具有十分廣泛的功能——有了銑床之後,你大致就能打造出其他零件。所以這項示範,也就相當於技術史的縮影:簡單的工具製造出比較複雜的工具,包括自己的進化版,並反覆這個循環,一步步向上推展。

從礦石中分離金屬

不過萬一你找不到純化金屬供鍛造或鑄造,或者你能撿到的都已經用光了呢?你該怎樣從岩石煉出金屬?冶煉的原則是去除礦石中金屬化合物的氧、硫或其他元素。這必須消耗一種燃料來達到高溫,還要一種還原劑和一種助熔劑。木炭(或焦炭)是發揮頭兩樣功能的極佳用料,它能燒出猛烈火燄,在熔爐中燃燒時,還會釋出一氧化碳,這種強效還原劑能去除氧氣,留下純金屬。簡陋煉鐵爐的藍圖,看來就像燒製石灰的窯爐設計。爐內裝填了一層層木炭燃料和粉碎的鐵礦石。礦石混入一些石灰岩,做為助熔劑來降低耐火脈石(無利用價值的固體礦物)的熔點,讓它在爐內化為液體並吸收金屬雜質。助熔劑形成熔渣並流掉,於是你就可以從爐中提取純金屬珍寶。

倘若熔爐的運作溫度,達不到足以熔鐵的高溫,那麼你就必須取出海綿團狀固體金屬,擺在鐵砧上搥打,讓鐵融合在一起並打出殘留熔渣。這種純熟鐵還不夠堅硬,不能用來製造工具,必須再次用木炭猛烈加熱,吸出一些碳並形成鋼材,接著又一次擺上鐵砧處理。這樣反覆摺疊、打扁,基本上就是在攪拌固態材料,產生出均勻的鋼材,最後便可以拿來鍛造成最後形式。這是會令鐵匠腰酸背痛的苦工,而且鋼材產量也嚴重受限。發展出現代文明的關鍵,是養成有效大量製鋼的產能。底下就告訴你該怎麼做。

解決之道是強力鼓風讓空氣向上流過層疊爐料,增強燃燒。中國人在公元前五世紀就發明了鼓風爐(比歐洲早了一千五百多年),隨後並改良設計,使用水車驅動活塞風箱。為達到更高效能,加熱到更高溫度,可以使用從熔爐煙道逸出的高熱燃燒廢氣來預熱空氣,鼓風入爐。鼓風爐中剛熔煉完成的鐵材吸收了許多碳原子,於是熔點便降到攝氏一千二百度。金屬液化從爐底流出,沿著地面的溝渠,再注入一列鑄範。最終成品就是生鐵(pig iron,直譯為「豬鐵」)——起這個名字是由於,中世紀鑄造工匠認為,那一個個鑄範,看來就像一窩新生小豬依附著母豬吸奶。

鼓風爐

煉鐵鼓風爐。礦石、燃料和助熔劑從爐頂往下流,接著從爐底注入強烈高熱氣流,施壓向上流過層疊爐料。

這種含碳量高的鐵,熔點降低了,必要時可以重新熔解,像熱蠟一般倒入範中。因此鑄鐵工序變得非常便利,能快速鑄造出種種品項,如鍋子、管路或機械組件等,維多利亞時代的人,還製造出許多鑄鐵大梁。不過鑄鐵有一項嚴重缺陷:由於含碳量高,質地很脆,舉例來說,鑄鐵橋梁有個缺點,一旦結構元件受力彎折或拉伸,整座橋梁往往就會崩塌。

後來是一項革新發明,才真正使工業革命後期不斷發展下去,採這種做法,就能把鼓風爐所煉出的生鐵,輕鬆變換成鋼材。就碳含量而言,鋼的比例介於純熟鐵和酥脆的生鐵或鑄鐵(3–4%)之間,從約含0.2%碳,用來打造機器齒輪或結構鋼材的堅韌鋼料,到約含1.2%碳,用來打造滾珠軸承和車床切削工具的堅硬鋼料。所以你該怎樣脫除含碳生鐵?

貝塞麥煉鋼轉爐(Bessemer converter)是個梨狀巨桶,內襯耐火磚,安裝在支軸上,因此桶子可以傾倒。先熔融生鐵,注入容器,隨後從桶底幾個開孔把空氣打進桶內,和冒出氣泡的水族箱幫浦增氧機相似。額外的碳原子和氧反應,化為二氧化碳逸出,其他雜質也經氧化,合成熔渣後清出。這裡有個很幸運的現象,碳原子燃燒時會釋出充分熱量,讓鐵裡外都保持熔融狀態。

這時會遇上難題,因為熔煉時必須把碳原子成分幾乎全部去除,卻仍得留下將近百分之一,實際操作時,很難準確判斷。掌握最後成分的訣竅,要靠事後反溯法,先進行轉化,直到你有十足把握,肯定所有碳原子都已經去除,接著就把你想放回純鐵裡面的最後碳原子依比例混入。這種貝塞麥煉鋼法是史上頭一種廉價的大量煉鋼法,你最好是盡快蛙跳返回這個時間點。


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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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