Thời đại đồ sắt: vì sao sắt đến muộn hơn đồng mà rồi thay thế đồng

Sắt đến muộn hơn đồng vì nó khó làm hơn hẳn: sắt nóng chảy ở khoảng 1.538 °C, cao hơn đồng hơn 450 độ, vượt quá sức lò than củi cổ đại. Người xưa không nấu chảy sắt mà lấy nó ra ở thể rắn, thành một khối xốp lẫn xỉ, rồi phải đập rất nhiều lần mới dùng được. Nhưng một khi đã nắm được cách làm, sắt thắng đồng vì một lẽ đơn giản: quặng sắt có ở gần như khắp nơi, còn thiếc thì không.

Vì sao sắt khó luyện hơn đồng nhiều như vậy?

Có ba trở ngại chồng lên nhau.

Thứ nhất là nhiệt độ. Lò than củi thổi bễ thời cổ thường đạt khoảng 1.150–1.300 °C ở vùng nóng nhất. Đủ để nấu đồng, đồng thiếc; không đủ để sắt chảy lỏng.

Thứ hai là ôxy. Sắt bám ôxy chặt hơn đồng. Khoáng vật đồng có thể bị khử ở vài trăm độ; ôxit sắt cần môi trường giàu khí CO hơn, nóng hơn và lâu hơn.

Thứ ba là sản phẩm. Đồng luyện xong chảy thành giọt, gom lại, rót khuôn được ngay. Sắt luyện xong là một cục xốp, đầy lỗ, lẫn xỉ, trông chẳng giống kim loại chút nào. Một người thợ quen với đồng hẳn dễ coi nó là đồ hỏng.

Vì thế, trong hàng nghìn năm, con người biết sắt nhưng gần như chỉ có sắt thiên thạch — những khối sắt niken rơi từ trời xuống, có sẵn ở dạng kim loại. Hạt chuỗi sắt ở Gerzeh (Ai Cập), khoảng năm 3200 trước Công nguyên, và con dao găm trong mộ pharaoh Tutankhamun (thế kỷ 14 trước Công nguyên) đều được xác định là sắt thiên thạch nhờ hàm lượng niken cao. Sắt khi ấy là thứ quý hiếm, đôi khi được đặt ngang vàng.

Lò luyện sắt xốp hoạt động ra sao?

Cách luyện sắt phổ biến suốt hơn hai nghìn năm là lò luyện sắt xốp (tiếng Anh: bloomery). Đó là một ống lò đắp bằng đất sét, cao cỡ ngang ngực tới đầu người, có một hoặc vài lỗ ở chân để thổi gió bằng bễ.

1. Thợ đốt than củi cho lò thật nóng, rồi lần lượt đổ từ trên miệng xuống từng lớp than và quặng sắt đã nghiền, đã nung sơ.
2. Than cháy thiếu ôxy sinh khí CO. Khí này đi lên, lấy dần ôxy khỏi quặng: hematit thành manhetit, rồi thành ôxit sắt II, rồi thành sắt kim loại — tất cả ở thể rắn.
3. Phần đá thừa trong quặng kết hợp với ôxit sắt thành xỉ. Loại xỉ giàu sắt này chảy lỏng ở khoảng 1.200 °C, nhỏ giọt xuống đáy hoặc chảy ra ngoài qua lỗ tháo.
4. Các hạt sắt li ti dính kết lại thành một khối xốp ở đáy lò, gọi là khối sắt xốp.
5. Sau nhiều giờ, thợ phá cửa lò, lôi khối sắt còn đỏ rực ra, đập ngay khi còn nóng để ép xỉ ra ngoài và nén sắt lại.

Một mẻ có thể cho vài ký tới vài chục ký sắt, nhưng hao rất nhiều: phần lớn sắt trong quặng đi theo xỉ. Những đống xỉ khổng lồ quanh các khu luyện sắt cổ, có nơi hàng trăm nghìn tấn, là dấu vết dễ nhận nhất cho khảo cổ học.

Rèn khối sắt xốp thành đồ dùng như thế nào?

Khối sắt xốp phải được nung lại và đập đi đập lại nhiều lần. Mỗi lần đập, xỉ bị ép ra, các lỗ rỗng khép lại, sắt chặt dần. Sản phẩm là sắt rèn: gần như không có cacbon, dẻo, dai, hàn rèn được (nung hai miếng tới gần trắng rồi đập dính vào nhau). Soi dưới kính hiển vi vẫn thấy những sợi xỉ nhỏ chạy dọc theo thớ — dấu hiệu nhận biết sắt rèn cổ.

Nhưng sắt rèn mềm. Một lưỡi rìu sắt rèn nguyên chất chưa chắc hơn rìu đồng thiếc tốt. Sắt chỉ thật sự vượt đồng khi thợ biết thêm hai việc:

• Thấm cacbon: giữ sắt lâu trong than nóng đỏ, cacbon ngấm dần vào lớp ngoài, biến lớp đó thành thép.
• Trui: trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh trong nước hoặc dầu. Thép có cacbon khi trui trở nên rất cứng — điều mà đồng thiếc không làm được.

Thép trui quá cứng thì giòn, nên sau trui người ta thường nung lại ở nhiệt độ thấp hơn cho bớt giòn, gọi là ram. Bộ ba thấm cacbon – trui – ram là nền tảng của nghề làm công cụ thép suốt hàng nghìn năm sau.

Thời đại đồ sắt bắt đầu ở đâu và khi nào?

Từng có một câu chuyện phổ biến: người Hittite ở Anatolia giữ độc quyền bí mật luyện sắt, đến khi vương quốc này sụp đổ khoảng năm 1200 trước Công nguyên thì bí mật lan ra. Các nhà nghiên cứu ngày nay coi đây là chuyện bị thổi phồng. Văn bản Hittite có nhắc tới sắt như món quà ngoại giao quý, nhưng không có bằng chứng về một nền công nghiệp sắt lớn hay một "bí mật" được canh giữ.

Bức tranh hiện nay phức tạp hơn: sắt luyện từ quặng đã xuất hiện lẻ tẻ ở Cận Đông từ thiên niên kỷ thứ 2 trước Công nguyên, rồi trở nên phổ biến từ khoảng thế kỷ 12–10 trước Công nguyên, khi mạng buôn thiếc đứt gãy sau sụp đổ cuối thời đại đồ đồng.

Châu Phi hạ Sahara là một trường hợp đáng chú ý: ở đây dường như không có "thời đại đồ đồng" rõ rệt, người ta chuyển thẳng từ đồ đá sang sắt, và nhiều kiểu lò luyện sắt độc đáo đã phát triển tại chỗ. Trung Hoa cũng là ngoại lệ lớn, được bàn riêng trong bài về gang Trung Hoa cổ.

Vì sao sắt rốt cuộc thay thế được đồng?

Không phải vì sắt luôn tốt hơn. Một chiếc rìu đồng thiếc đúc tốt có thể ngang hoặc hơn rìu sắt rèn kém. Sắt thắng ở chỗ khác:

• Quặng ở khắp nơi. Sắt chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất, là nguyên tố phổ biến thứ tư. Quặng sắt có trong đất đỏ, trong đá ong, trong bùn đầm lầy (quặng sắt đầm lầy ở bắc Âu). Làng nào cũng có thể tìm được quặng gần mình.
• Không cần đường buôn xa. Đồng thiếc cần hai kim loại từ hai nơi; sắt chỉ cần quặng và than tại chỗ.
• Rẻ hơn khi làm nhiều. Vì nguyên liệu sẵn, sắt dần trở thành vật liệu của số đông, không còn là của giới quý tộc.
• Nâng cấp được thành thép. Khi đã biết thấm cacbon và trui, công cụ sắt thép vượt đồng thiếc về độ cứng.

Hệ quả lớn nhất có lẽ nằm ở nông nghiệp. Lưỡi cày, lưỡi cuốc, liềm, rìu sắt giúp nông dân phá rừng, cày đất nặng nhanh hơn, mở rộng ruộng đồng. Đồ đồng từng là của nhà giàu; đồ sắt về tới tay người làm ruộng.

Lò luyện sắt xốp còn tồn tại tới khi nào?

Lò sắt xốp sống rất lâu. Ở châu Âu, nó dần lớn lên, có bễ chạy sức nước từ khoảng thời Trung cổ, và nhiều nơi vẫn dùng tới thế kỷ 18–19 dù lò cao đã xuất hiện. Lò rèn kiểu Catalan ở dãy Pyrenees là một biến thể nổi tiếng còn chạy vào thế kỷ 19.

Khi lò được làm cao hơn, thổi gió mạnh hơn, sắt trong lò hấp thụ nhiều cacbon hơn và bắt đầu chảy lỏng, vì hợp kim sắt – cacbon chảy ở nhiệt độ thấp hơn sắt nguyên chất nhiều. Đó là lúc gang ra đời — và từ đó là câu chuyện của lò cao.

Hôm nay có thể thấy dấu vết thời đồ sắt ở đâu?

Vài gợi ý cho người muốn xem tận mắt:

• Các bảo tàng lịch sử thường có tủ trưng bày nông cụ sắt cổ: lưỡi cày, rìu, liềm. Hãy để ý lớp gỉ phồng tách thành từng lớp — sắt rèn có xỉ xen giữa thớ thường gỉ theo kiểu này.
• Các khu thực nghiệm khảo cổ ở châu Âu (Anh, Đan Mạch, Áo) thỉnh thoảng dựng lại lò sắt xốp cho khách xem, có thợ bảo hộ đầy đủ đứng lò.
• Ở Việt Nam, công cụ sắt sớm xuất hiện ở giai đoạn cuối văn hoá Đông Sơn; Bảo tàng Lịch sử Quốc gia có trưng bày một số hiện vật.

Còn một điều nữa nên nhớ: luyện sắt là việc của nhiệt độ trên một nghìn độ, xỉ nóng chảy và khí CO không màu không mùi. Người thợ cổ trả giá bằng sức khoẻ; ngày nay việc này chỉ diễn ra trong xưởng có thông gió, đồ bảo hộ và người được đào tạo.