【摘 要】 Faraday 進入皇家學院(Royal Institution) 后,在1820 - 1822 年間從事包括銅、鎳、鉻及貴金屬在內(nèi)的合金鋼研究,盡管未發(fā)展出有實際用途的鋼種,也可算是合金鋼研究的先驅(qū)。1856 年轉(zhuǎn)爐煉鋼法出現(xiàn)后,鋼產(chǎn)量猛增,Mushet 高碳高鎢自淬火刀具鋼應(yīng)運而生(1868) ,逐漸發(fā)展成18-4-1高速鋼(1906) 。Hadfield 在1882 年研制出高碳高錳奧氏體耐磨鋼,成分至今未變。他還研制出硅鋼片,并在1903 年制出第一臺鐵損小的變壓器。Brearley 在1913 年研制出低碳高鉻(1Cr13) 馬氏體不銹鋼,在這之后,鉻鎳奧氏體不銹鋼才問世。本世紀初汽車工業(yè)的興起,促進了合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展(合金鋼牌號前面冠以SAE 就是美國汽車工程師學會的縮寫) ,而兩次世界大戰(zhàn)都伴隨有合金鋼的產(chǎn)量及品種的大發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】 金相學;歷史;合金鋼
歷史學家用石器時代、銅器時代、鐵器時代劃分人類歷史的進程,可見材料是人類文明的標志。如果允許把這種考慮進一步引伸的話,在19 世紀后半葉轉(zhuǎn)爐、平爐現(xiàn)代煉鋼方法的出現(xiàn)使鋼的產(chǎn)量猛增,人類就可以說進入了鋼器時代。人民的生活,一個國家的工農(nóng)業(yè)與國防,無不與鋼密切相關(guān),因此人們習慣于用鋼產(chǎn)量衡量一個國家的國力,用每人每年消耗的鋼材衡量一國人民的生活水平。合金鋼在機械、物理、化學性能方面都要比碳鋼優(yōu)越,可以說是鋼器時代的突出代表和一個國家現(xiàn)代化程度的標志。一個國家如果沒有自己的合金鋼系統(tǒng),就不可能建立一個完整的工業(yè)體系。
早在史前時期,人們就使用鐵隕石制造武器、工具和手飾,因此可以說鐵鎳合金是人類使用最早的一種合金鋼,盡管那時人們并不知道鎳的存在。到了十八世紀后半葉,一方面鋼的坩堝冶煉法(Huntsman ,1740) 流行起來,鋼的產(chǎn)量及應(yīng)用范圍都有較大的發(fā)展,另一方面鈷(1735) 、鎳(1751) 、錳(1774) 、鉬(1782) 、鎢(1783) 、鉻(1798) 、鈮(1801) 、釩(1830) 等元素相繼發(fā)現(xiàn)并分離出來,這就為合金鋼在十九世紀的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。下面我們重點介紹合金鋼在十九世紀與二十世紀初的幾個重要發(fā)展進程。
1 法拉弟是發(fā)展合金鋼的先驅(qū)
法拉弟是偉大的發(fā)明家,他在電磁感應(yīng)及電化學方面的貢獻是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ),這是盡人皆知的。但是,他也是一個偉大的冶金學家,并且他的科學研究生涯還是從合金鋼研究開始的,這一點卻不為人所熟知。關(guān)于這一點的原因可能有二,一是法拉弟在電磁學方面的輝煌成就掩蓋了他在冶金方面的貢獻,二是他在合金鋼方面的研究并未直接導致出實用的合金鋼,直到半個世紀后鎢自淬鋼及高錳耐磨鋼才問世。盡管如是,法拉弟在1820 - 1822 年對合金鋼的系統(tǒng)研究在合金鋼發(fā)展史上的重要地位還是逐漸為人們所認識,并推崇他為合金鋼的開發(fā)先鋒。
眾所周知,法拉弟是因為得到電化學方面的泰斗Davy 的賞識而被皇家學院雇用的。當時Stodart是這個學院的一個年長的成員,他既是一個研究鋼制刀具的冶金學家,又是從事這種買賣的商人。他的商業(yè)名片上印有:“J . Stodart ,倫敦,Strand 401。從印度購進Wootz 鋼,經(jīng)Stodart 先生的完善處理(基于多年的試驗) 而成為歐洲最好的鋼,用以制造外科手術(shù)刀、剃刀及其它刀具”。當時,印度的Wootz 鋼塊是公認制做刀具的最好鋼料,英國大量進口,并研究仿制。在這種背景下,法拉弟進入皇家學院,他的第一樁研究工作就是“印度Wootz 的分析”(1819) 。顯然,他是受了Stodart 的影響并有仿制Wootz 鋼的打算的。接著他與Stodart 發(fā)表了兩篇有關(guān)合金鋼的論文:“改善鋼的合金試驗”(1820) ,“論鋼的合金”(1822) 。那時他們認為鋼是一種組元,合金元素是另一種組元,因此稱之為鋼的合金,而合金鋼這個名詞要到晚一些時候才在文獻中使用。在1820 年,Stodart 已六十歲,而法拉弟才29 歲,大量試驗工作都是法拉弟進行的。我們今天還有時用炒菜這個詞匯形容合金鋼配方的試驗,法拉弟也不愧為這方面的大師。他不但在鋼中加入了鎳、鉻、銅等合金元素(到10 %) ,并且也加入了一些貴金屬,如金(0.61 –1.00 %) ,銀(0.15 – 0.46 %) ,鉑(0.73–2.50 %) 及銠(0.40–1.60 %) 。此外還有鈀及鋨,他還試圖在鋼中加入鈦,由于爐溫不夠高未能將TiO2 還原而未成功。像他們那樣在鋼中加入相當多的非常昂貴的鉑族金屬,今天恐怕也不會再有人做這樣的嘗試。
法拉弟研究合金鋼的實際目的是非常明顯的,在1820 年的論文中曾對此有所闡述:“在鐵和鋼與其它金屬的合金試驗中,我們的目的是雙重的:一方面探討人工配制的合金在制造刀具方面是否比最純的鋼為優(yōu);另一方面,這些合金在相同的條件下是否較不容易氧化。還有一個附帶的目的就是探討這些合金用于制造反射鏡的可能性”。這些也反映在他的報告中:“眾所熟知,鐵隕石不易生銹,這種認識使我們想到了鎳與鐵或鋼的合金。因此我們配制了鎳含量從3 到10 %的合金,并且發(fā)現(xiàn)它們在實驗室或暖房里并不像鐵那樣容易生銹。但是,鋼與鎳的合金比純鋼還容易氧化”。又如:“鋼與1.5 %銠的合金有良好的可鍛性,比普通鋼硬,可以制造優(yōu)良刀具。這些刀具的淬火溫度要較最好的鋼還高70°(注:華氏) ,這一事實意味著這種鋼有較高的硬度和密度。用這種合金制造的剃刀有優(yōu)良的切削性能”。
對于鉻鋼,Stodart 及法拉弟的初步研究結(jié)果是: “有良好的可鍛性,雖然硬,但無裂紋”。可惜這方面的實驗未進行下去,否則說不定他們還會發(fā)現(xiàn)不銹鋼呢!
法拉弟在實驗室中發(fā)現(xiàn)銀和鋼的合金有良好的可鍛性,質(zhì)地堅硬,表面光亮,可做多種刀具和工具。由于銀的價格不高,供應(yīng)充足,他認為銀鋼有推廣的可能性,因此還在Sheffield 的一家鋼廠中進行了生產(chǎn)性的實驗,并制出一些刀具分贈親友。
法拉弟在合金鋼方面的研究在當時并沒有產(chǎn)生什么直接有意義的結(jié)果,因為那時的工業(yè)生產(chǎn),除了一些刀具如剃刀、手術(shù)刀外,對合金鋼并沒有什么需求。但是法拉弟在合金鋼方面的系統(tǒng)試驗對后來的發(fā)展還是有啟發(fā)性的,它的深遠意義不能低估。當法拉弟發(fā)明電磁感應(yīng)而成名后,有人問他電磁感應(yīng)有什么用,他的回答是:“我親愛的先生,嬰兒又有什么用?”這個比喻也完全適用于法拉弟的合金鋼研究,它代表一種新生事物,有非常強大的生命力,后來終于發(fā)展成為今天的龐大合金鋼系統(tǒng)。
就在法拉弟繁忙地進行上述有關(guān)鋼的大量試驗的同時,他還在1821 年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng),在1824 年發(fā)現(xiàn)蒸汽可凝成液體。隨著這些偉大發(fā)現(xiàn),他的興趣就轉(zhuǎn)到電磁及化學方面去了,未再在合金鋼方面進行工作。盡管如是,法拉弟仍不愧為一位偉大的冶金學家和合金鋼研究的前驅(qū)。
——本文摘自《中國金相分析網(wǎng)》
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