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我国铁器开始出现的时期远在商代以前，但是铁农具真正并且明显地在农业生产中发挥作用却是从战国中期开始的。先秦两汉时期，手工业生产门类逐渐齐全，影响较大的就有冶铁、炼铜、纺织和漆器制造等，汉代冶铁、制盐、铸钱成为三大官府手工业。这些手工业的产品都是当时社会生产和生活中的常用品，特别是铁器。铁制的生产工具对农业生产的开展产生了较大的影响。
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①中国社会科学院考古研究所：《殷墟妇好墓》，文物出版社，1980年，第103页。
(一)铁器制造和使用的早期阶段
我国新疆地区自公元前1000年左右即已进入早期铁器时代①。2001年，新疆伊犁地区尼勒克穷科克水电站工地发掘墓葬55座，绝大多数出土铁器，年代在公元前1000年到公元前5世纪②。哈密焉不拉克墓地发现7件铁器，有刀、剑、戒指各1件及碎块4件，年代为公元前1300年左右③。西亚各地发现的铁器早到公元前30世纪中叶，公元前12世纪前后地中海地区已经普遍使用铁器。为此，有学者认为冶铁和铁器是由西向东传播的④。2009年，甘肃临潭县磨沟寺洼文化墓地M444出土铁条1件，M633出土铁锈块1件。根据C测年数据，两墓的年代为公元前14世纪，M633处于齐家文化向寺洼文化的过渡时期，时代稍早于M444⑤。这似乎也与西来说相吻合。我们不参与铁器起源问题的讨论，只想在此说明从早期铁器到铁农具使用的过程。
中原地区用铁是从商代开始的，使用的是一种自然铁——陨铁。陨铁经过锻打后施于铜兵器的刃部，以增强兵器的强度。20世纪30年代，河南浚县辛村发现商末周初的铁刃铜钺、铁援铜戈各1件，使用的是陨铁⑥。20世纪70年代，河北藁城台西村商代中期墓葬出土铁刃铜钺1件，铁刃是陨铁热锻后嵌到钺体上的⑦。1977年北京平谷刘家河商代中期墓葬出土形制相同而略小的铁刃铜钺，刃部亦为陨铁加工而成③。这些都是局部使用自然铁的兵器。
西周晚期已出现初期的炼铁术——用低温(1000℃)固体还原的块炼法，生产出具有较强延展性但结构疏松、含杂质较多的低级形态的块炼铁，又称海绵铁。炼出的铁沉在炉底不能保持液态流出炉外，只能等冷却后从炉中将铁块取出，出铁少而慢。1990～1991年，河南三门峡虢国墓地两座西周晚期大墓中出土了铁器和铜铁复合制品共6件，其中3件使用陨铁，镶玉铜柄铁剑、铁援戈和铜酸铁叶矛等3件兵器的用铁部
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①陈戈：《新疆察吾乎沟口文化略论》，《考古与文物》1993年第5期。
②新疆文物考古研究所：《尼勒克县穷科克一号墓地考古发掘报告》，《新疆文物》2002年第3、4期(合刊)。
③新疆维吾尔自治区文化厅文物处、新疆大学历史系文博干部专修班：《新疆哈密焉不拉克墓地》，《考古学报》1989年第3期。
④刘学堂：《中国冶铁术的起源》，《中国文物报》2004年4月2日第7版。
⑤陈建立、毛瑞林、王辉、陈洪海、谢焱、钱耀鹏：《甘肃临潭磨沟寺洼文化墓葬出土铁器与中国冶铁技术起源》，《文物》2012年第8期。
⑥白云翔：《先秦两汉铁器的考古学研究》，科学出版社，2005年，第25页。
⑦叶史：《藁城商代铁刃铜钺及其意义》，《文物》1976年第11期。
⑧张先得：《北京平谷刘家河商代铜钺铁刃的分析鉴定》，《文物》1990年第7期。
分为块炼铁或块炼渗碳钢制成①。渗碳成钢是在块炼法基础上出现的一种早期的简便成钢技术，用木炭加热块炼铁并反复锻打，碳不断渗入铁件从而使其硬度增大成钢。这项技术伴随着块炼法一直使用到汉代②，现在仍在采用的熟铁渗碳炼制钢的方法，其原理同古法渗碳成钢是一样的。
春秋时期仍以块炼法为主，但至迟在春秋中期发明了生铁冶炼技术，出现了生铁制品。生铁是在较高温度(1146℃)条件下熔化铁矿石，在液态状态下用木炭还原法取得的，故生铁冶炼术又被称为高温液态还原法或熔炼法，炼出的生铁含碳量高，质地坚硬，性脆。20世纪80年代中期，山西曲沃县天马—曲村遗址出土春秋早期偏晚和中期偏晚的生铁残片各1件③。1964年江苏六合程桥出土春秋晚期的生铁丸1件④。1976年长沙春秋晚期墓出土了一把钢剑⑤。20世纪七八十年代清理的陕西凤翔南郊春秋晚期秦公一号大墓，虽经汉、唐、宋各代247次盗掘，仍出土了各类文物3500余件，其中有20多件铁铲、铁锸等⑥。湖南长沙杨家山M65(《长沙楚墓》M26)出土的生铁鼎和窑岭M15(《长沙楚墓》M102)出土的生铁鼎年代为春秋晚期或春秋战国之际⑦。春秋时期铁器的出土数量增多，见于报道的有80余件，出土于山东、江西、湖南、湖北、河南、山西、陕西、甘肃、宁夏等省区⑧。
生铁可用来直接铸造器件，提高了生产效率，所以熔炼法是一种先进的冶炼方法。中国是世界上最早使用生铁冶炼技术的国家。但生铁韧性较差，性脆易折，适应面窄。大约在春秋晚期或春秋战国之交出现了热处理技术(又叫铸铁柔化处理或退火脱碳工艺)，将生铁铸件加热并持续保温，进行长时间高温退火处理，改变铸铁的内部结构，从而改善铸铁的性能，获得具有一定韧性和硬度的可锻铸铁，可以广泛用于生产工具的制作材料。现在所知最早的退火脱碳标本是1976年河南新郑唐户村南岗M7出土的残板状铁器，时代为春秋晚期⑨。
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①河南省文物考古研究所、三门峡市文物工作队：《三门峡虢国墓》第一卷，文物出版社，1999年，第126、530页，第559页附录三。
②河北满城汉墓仍有块炼渗碳钢铸件。见《满城汉墓发掘报告》附清华大学铸工教研组室所做的《满城汉墓部分铁器的金相学考察报告》，文物出版社，1980年，第388～389页。
③北京大学考古系商周组、山西省考古研究所：《天马—曲村(1980～1989)》，科学出版社，2000年，第59、1180页。
④江苏省文物管理委员会等：《江苏六合程桥东周墓》，《考古》1965年第3期。
⑤长沙铁路东站建设工程文物发掘队：《长沙新发现春秋晚期的钢剑和铁器》，《文物》1978年第10期。
⑥韩伟、焦南峰：《秦都雍城考古发掘研究综述》，《考古与文物》1988年第5、6期(合刊)。
⑦长沙铁路车站建设工程文物发掘队：《长沙新发现春秋晚期的铜剑和铁器》，《文物》1978年第10期。
⑧白云翔：《先秦两汉铁器的考古学研究》，科学出版社，2005年，第24～27页。新疆地区出土的早期铁器也有一定数量，但由于它们的具体年代及来源尚无法确定，未在统计之内。
⑨柯俊、吴坤仪、韩汝玢、苗长兴：《河南古代一批铁器的初步研究》，《中原文物》1993年第1期。
战国以前，我国用铁的历史已从经历陨铁、块炼铁走向生铁，它代表了我国早期冶铁技术发展的三个阶段，而块炼铁渗碳成钢和铸铁柔化处理(退火脱碳)分别是以块炼铁和生铁为基础发明的两项重要工艺，生铁冶炼则是冶铁技术开始走向成熟的标志。从目前考古发现来看，春秋中期以前的铁器数量少，且多局部施于兵器和其他小型器，春秋中期铁器开始增多，从春秋晚期开始，铁开始用于农具的铸造。而春秋中期也正是铜农具开始走向消退的时期。
(二)铁器的推广和普及阶段
战国时期，块炼法继续使用，生铁冶炼技术得到推广并有了进一步提高，而最为突出的成就是块炼铁渗碳成钢和铸铁柔化处理(退火脱碳)工艺的广泛应用。铸铁柔化成可锻铸铁或展性铸铁，具有较高的硬度和较强的韧性，既耐磨又抗冲击，可广泛应用到包括农具在内的各类工具的铸造。如，河南洛阳水泥制品厂战国早期灰坑出土的铁锛和铁铲是公认的经柔化处理的展性铸铁标本，其中铁锛是白心可锻铸铁初级阶段的产品，铁铲也具有黑心可锻铸铁组织①。战国中期以后，铸铁柔化处理技术渐趋成熟，发现的实例增多，如长沙战国楚墓出土的铁锸②，湖北大冶铜绿山出土的六角铁锄③，荆门包山楚墓出土的铁斧④，河北易县燕下都M44出土的铁䦆、六角铁锄和铁鳟⑤，石家庄市庄村遗址出土的空首斧和西安半坡出土的铁凿⑥等等，不但发现量多，分布地区也较广。
铁器铸造中除使用陶范、石范外，还使用金属范。金属(铁)范可反复使用，不但提高了生产的效率，而且保证了铸件规格的整齐划一，便于计量、安装或更换。河北兴隆寿王坟发现铁范42副计87件，包括锄、镰、䦆、斧、凿等农具、手工工具范和车马器范，重达95公斤。有内范、外范之分，有单合范，也有双合范，一范可铸两件铁器(图1-6)⑦。战国时期已有烘范窑，铸造前先烘范，铁液浇入范腔中流动性增强，可减少成品中的气泡和砂眼，保证了铸件的质量。根据对出土铁器的鉴定，当时在兵器铸造中已开始使用淬火工艺，如燕下都M44出土的2把剑和1把戟，都经淬火处理⑧。
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①李众：《中国封建社会前期钢铁冶炼技术发展探讨》，《考古学报》1975年第2期。
②湖南省博物馆、湖南省文物考古研究所、长沙市博物馆、长沙市文物考古研究所：《长沙楚墓》，文物出版社，2000年，第305页；华觉明、杨根、刘恩珠：《战国西汉铁器的金相学考察初步报告》，《考古学报》1960年第1期。
③冶军：《铜绿山古矿井遗址出土铁制及铜制工具的初步鉴定》，《文物》1975年第2期。
④何堂坤：《包山楚墓金属器初步考察》，湖北省荆沙铁路考古队：《包山楚墓》，文物出版社，1991年。
⑤河北省文物管理处：《河北易县燕下都44号墓发掘报告》，《考古》1975年第4期。
⑥华觉明、杨根、刘恩珠：《战国西汉铁器的金相学考察初步报告》，《考古学报》1960年第1期。
⑦郑绍宗：《热河兴隆发现的战国生产工具铸范》，《考古》1956年第1期。
⑧北京钢铁学院压力加工专业：《易县燕下都44号墓葬铁器金相考察初步报告》，《考古》1975年第4期。
从战国中期开始，铁制生产工具在当时的七国之域被广泛而大量地发现，遍及今河北、河南、陕西、山西、内蒙古、辽宁、山东、四川、云南、湖北、湖南、安徽、江苏、广东、广西、天津等省市自治区。迄今发现的先秦铁器上千件，绝大部分是战国中后期的，而铁农具又在其中占很大比重。所以，从铁器在生产中的数量来讲，真正的铁器时代应该是从战国中期开始的。
《国语•齐语》记：管仲相齐时，曾提到“美金以铸剑戟，试诸狗马；恶金以铸锄夷斤劚，试诸壤土”。《管子•海王》：“今铁官之数曰……耕者必有一耒、一耜、一铋。若其事立。”《国语》借管仲之口叙事，说的是战国时期的事，《管子》也成书于战国，其时铁农具为农家所必备。《孟子•滕文公上》：“许子以釜甑爨，以铁耕乎？”直接以“铁”指代农器，说明铁器在农业生产中已是较为常见的工具类型，就像用瓦锅炊饭一样普通。战国铁农具已广泛用于农耕并在生产中起主导作用。
汉代冶铁业进一步发展，成为农业和一般手工业发展的重要基础和指标。汉武帝时在全国范围内实行盐铁官营，在重要产铁地置铁官进行管理，当时设铁官的有四十郡共四十九处，每个铁官下都有冶铸工场若干，按顺序编号，它们遍布今陕西、甘肃、四川、河南、山西、河北、山东、安徽、湖南、辽宁各地。两汉时期大部分时间实行盐铁官营，并在不产铁的地区普遍设小铁官。小铁官由地方县令、长兼领，主废铁回收和铸造。掌控了冶铁业也就掌控了国家的经济命脉，我们从铁官的分布情况可知当时冶铁业的普遍和发达，也可见冶铁业的重要和国家的重视。各地区冶铁的发展是不平衡的，山东地区有铁官12个，占全国1/4。河南地区冶铁作坊最为集中，经考古调查、发掘的有38处，占到已发现的汉代冶铁遗址的半数以上。而据《史记•南越列传》记：汉初“禁南越关市铁器”，看来南越不能自已铸铁为器，所需铁器主要依赖和北方地区的交易。
东汉冶铁业仍然是官府专营为主。《后汉书》虽没有记载当时国营铁场和铁官的设置情况，但《百官志》说“出铁多者置铁官，主鼓铸”。东汉王朝建立后，必然接收和继承了西汉时期的冶铁工场和矿井。经考古发掘、勘察的西汉时期的冶铁作坊多延续到东汉及以后。
根据已发表的资料，新中国成立后共发现汉代冶铁工场遗址近60处①。有的工场是在战国时期工场原有基础上发展起来的，如河南登封阳城冶铁工场和临淄故城的几处汉代冶铁遗址(合计40多万平方米)。大部分工场创建于西汉，沿用到东汉甚至更晚，少数始于东汉，有的已经发掘，规模都在1万平方米以上。具有代表性的有河南巩县(今巩义市)铁生沟、郑州古荥镇、南阳瓦房庄、温县招贤村、鲁山南关望城、泌阳下河湾和湖南桑植朱家台等，其中下河湾冶铁遗址是我国目前所见最大的，面积超过23万平方米，从战国中晚期开始生产②。
铁生沟是西汉中期到新莽时期河南郡铁官所属的第三号铁工场，遗址面积2.16万平方米，出土“河三”铭文的铁铧、铁铲、铁锸的铁范芯和大量泥范残块，发现叠铸范残块、叠铸范底版、叠铸直浇口铁等和炼炉、熔炉、锻炉、退火脱碳炉、炒钢炉、洪范窑、鼓风管等多种铸铁遗迹和遗物，完整地再现了汉代从开矿、冶铁到铸造成器的生产技术和工艺流程③，结合其他同类遗址的发现，我们从中可以了解汉代在冶铁铸造方面的技术成就。
汉代铸铁柔化技术广泛用于农具的加工，并在渗碳成钢基础上发展出炒拌制钢，通过控制炉温和氧化时间，炼出低碳熟铁和中、高碳钢。炒钢是铸铁退火脱碳成钢的进一步发展。脱碳(柔化)处理后，得到的铸件表层具有钢的属性，内部仍为生铁，是不彻底的脱碳，而炒钢已脱离了铸铁热处理的范围，成为生铁制钢的一项新技术。
不仅是铸造和加工技术上有了明显的进步，生产规模扩大，生产效率也大为提高。叠铸可能始于战国，但现在有关叠铸的实物还没有早于西汉时期的。叠铸是对小型器件进行批量生产的简便铸法，代表了汉代铸造技术的最高水平。由于汉代钱币的大量生产，推动叠铸技术日渐成熟并得到普遍的应用。其工艺过程是，以金属模盒翻制泥质子范，每片子范中间留有孔眼，将子范一层层叠合成套，中间孔眼形成总浇道，自上而下浇铸，一次即可得到多件器物。由于多层子范叠合成总体较大的叠铸范，所以在浇铸前往往要将范入窑烘烤，趁热取出浇铸，以保证铸器的质量。这种铸造方法效