合金鋼的早期發(fā)展史

1、合金鋼的早期發(fā)展史歷史學(xué)家用石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代劃分人類歷史的進(jìn)程，可見材料是人類文明的標(biāo)志。如果允許把這種考慮進(jìn)一步引伸的話，在19世紀(jì)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(jìn)入了鋼器時(shí)代。人民的生活，一個(gè)國(guó)家的工農(nóng)業(yè)與國(guó)防，無不與鋼密切相關(guān)，因此人們習(xí)慣于用鋼產(chǎn)量衡量一個(gè)國(guó)家的國(guó)力，用每人每年消耗的鋼材衡量一國(guó)人民的生活水平。合金鋼在機(jī)械、物理、化學(xué)性能方面都要比碳鋼優(yōu)越，可以說是鋼器時(shí)代的突出代表和一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志。一個(gè)國(guó)家如果沒有自己的合金鋼系統(tǒng)，就不可能建立一個(gè)完整的工業(yè)體系。早在史前時(shí)期，人們就使用鐵隕石制造武器、工具和手飾，因此可以說鐵饃合

2、金是人類使用最早的一種合金鋼，盡管那時(shí)人們并不知道饃的存在。到了十八世紀(jì)后半葉，一方面鋼的土甘期冶煉法(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，另一方面鉆(1735)、饃(1751)、鎰(1774)、鋁(1782)、鴇(1783)、銘(1798)、鋸(1801)、鈕(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(jì)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。下面我們重點(diǎn)介紹 合金鋼在十九世紀(jì)與二十世紀(jì)初的幾個(gè)重要發(fā)展進(jìn)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(xué)方面的貢獻(xiàn)是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)，這是盡人皆知的。但是，他也是一個(gè)偉大的冶金學(xué)家，并且他的科

3、學(xué)研究生涯還是從合金鋼研究開 始的，這一點(diǎn)卻不為人所熟知。關(guān)于這一點(diǎn)的原因可能有二，一是法拉弟在電磁學(xué)方面的輝煌成就掩蓋了他在冶金方面的貢獻(xiàn)，二是他在合金鋼方面的研究并未直接導(dǎo)致出實(shí)用的合金鋼，直到半個(gè)世紀(jì)后鴇自淬鋼及高鎰耐磨鋼才問世。盡管如是，法拉弟在1820 - 1822年對(duì)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(rèn)識(shí)，并推崇他為合金鋼的開發(fā)先鋒。眾所周知，法拉弟是因?yàn)榈玫诫娀瘜W(xué)方面的泰斗Davy的賞識(shí)而被皇家學(xué)院雇用的。當(dāng)時(shí)Stodart是這個(gè)學(xué)院的一個(gè)年長(zhǎng)的成員，他既是一個(gè)研究鋼制刀具的冶金學(xué)家，又是從事這種買賣的商人。 他的商業(yè)名片上印有：“J . Stodart，

4、倫敦,Strand 401。從印度購(gòu)進(jìn) Wootz鋼, 經(jīng)Stodart先生的完善處理(基于多年的試驗(yàn))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(dāng)時(shí)，印度的Wootz鋼塊是公認(rèn)制做刀具的最好鋼料，英國(guó)大量進(jìn)口，并研究 仿制。在這種背景下，法拉弟進(jìn)入皇家學(xué)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(yàn)”(1820)，“論鋼的合金” (1822)。那時(shí)他們認(rèn)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

5、鋼這個(gè)名詞要到晚 一些時(shí)候才在文獻(xiàn)中使用。在1820年,Stodart已六十歲，而法拉弟才29歲，大量試驗(yàn)工作都是法拉弟進(jìn)行的。我們今天還有時(shí)用炒菜這個(gè)詞匯形容合金鋼配方的試驗(yàn)，法拉弟也不愧為這方面的大師。他不但在鋼中加入了饃、銘、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 %)，鉗(0.73 - 2.50 %)及銬(0.40 - 1.60 %)。此外還有鋁及鉞，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(dāng)多的非常昂貴的鉗族金屬，今天恐怕也不會(huì)再有人做這樣的嘗試。法拉弟研究合金

6、鋼的實(shí)際目的是非常明顯的，在1820年的論文中曾對(duì)此有所闡述：“在鐵和鋼與其它金屬的合金試驗(yàn)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(gè)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(bào)告中：“眾所熟知，鐵隕石不易生銹，這種認(rèn)識(shí)使我們想到了饃與鐵或鋼的合金。因此我們配制了饃含量從3到10 %的合金，并且發(fā)現(xiàn)它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室或暖房里并不像鐵那樣容易生銹。但是，鋼與饃的合金比純鋼還容易氧化”。又如：“鋼與1.5 %銬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

7、度要較最好的鋼還高70 (注:華氏)，這一事實(shí)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(duì)于專&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(shí)驗(yàn)未進(jìn)行下去，否則說不定他們還會(huì)發(fā)現(xiàn)不銹鋼呢！法拉弟在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)銀和鋼的合金有良好的可鍛性，質(zhì)地堅(jiān)硬，表面光亮，可做多種刀具和工具。由于銀的價(jià)格不高，供應(yīng)充足，他認(rèn)為銀鋼有推廣的可能性，因此還在Sheffield的一家鋼廠中進(jìn)行了生產(chǎn)性的實(shí)驗(yàn)，并制出一些刀具分贈(zèng)親友。法拉弟在合金鋼方面的研究在當(dāng)時(shí)并沒有產(chǎn)生什么直接有意義的結(jié)果，因?yàn)槟菚r(shí)的工業(yè)生產(chǎn)，除了一些刀具如剃刀、手術(shù)刀

8、外，對(duì)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(yàn)對(duì)后來的發(fā)展還是有啟發(fā)性的，它的深遠(yuǎn)意義不能低估。當(dāng)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(gè)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(qiáng)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(jìn)行上述有關(guān)鋼的大量試驗(yàn)的同時(shí)，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(xué)方面去了，未再在合金鋼方面進(jìn)彳T工作。盡管如是，法拉弟仍不愧為一位偉大的冶金學(xué)家和合金鋼研究的前驅(qū)。2 從R.Mus

9、het的特殊鋼到高速鋼在轉(zhuǎn)爐煉鋼法發(fā)明(1856)之前，鋼的生產(chǎn)方法很落后，先把高碳生鐵煉成熟鐵，進(jìn)行 滲碳制成滲碳鋼(表面碳高，內(nèi)部碳低)，然后再在堪竭爐中溶化 得到成分均勻的鋼。這種煉鋼 法的周期要幾天，每爐的產(chǎn)量也不過幾十公斤。因此鋼的價(jià)格昂貴，產(chǎn)量不大，主要是用于制造ieini, i s re to ions w omL a nd na lamin ad sywent o me I t andHprole n nmood ofion as te slK. ml ande Hi ng ml of lalst ona nd Hi oe inoi pe He s . ad n Hi l To

10、 urn n nen ml a nd lemmell ukimllell. Hl en Knncr ucal inje I t is a major K i c de cmae I y te iri Iola commune s o dUllmlled by te HI ncialf - tp|l t, we mu Hi HiIHL a I d a illiln re ”-me is of fta.pr mr iollen wilie Hl en me t he m ns no I to n sns therle Ri . , me d mln of te ml, L morepe ssur

11、e For pomyrln Hlnoimoi w 01al e mus I n anil t on aals mi nd, LiaslL lais, sin in be Hill nlsl, t ca n be no sak rim e - ll on a nd lemmell lesprecaccuaePre. i none t id out ter- le of ml pe ople a s son a spos11bHi come upexe poaeti shihis, sae car,builontleba mentmanget Toimli e - b - l llepohLire

12、uctel, icr e tleinensilofresurce iiteLaki, a eae wil Imie d kldsi -li Bi us lL a combi lain of empl omet e ntee Keslikr poaeti eaiain poietieaicaton,eucat etyale“n, medi cal a meas, due t dietsof pol cies lose pol ces e nsuretle com pbeknof mis frpohLi eaiai onkr t le r T o atemob t le const owsIFer

13、uaitlisea l promu-e d bi te s hion l e promo.L ura niain ins plpoIo a I lee t t le peopecietee d, fur mode niaions siat miaton,ecoloLicil.(Bnad culra l“- of new uLh I iain pH l wl clin cIcHLiH cs Il t o constucti sie,furlestelUlenilL atasort wae sppli a nd iaia a nd mwae, wase disosa Liound, ulieLak

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18、olelicannotormoi-et a oos mase s ad ca ins i com biain i l poleti re ducin, com biewil tie sta I i work of一方面3 - 7 %Mn鋼很脆；另一方面，鎰含量超過15 %的鋼屬于另一種穩(wěn)定奧氏體型 ，耐磨性 能反而不好。Hadfield高鎰鋼的成分正好在這兩者之間 ，既有奧氏體基體，又不穩(wěn)定，耐磨性最 好。還是用炒菜作比喻，佐料要適當(dāng)，少了不行，過猶不及。Hadfield的高鎰鋼以耐磨聞名，而他的硅鋼卻以良好的電磁性能取勝。硅鋼的電阻 大,磁導(dǎo)率高，因此渦流損失及滯后損失都比較小，用它制造的變

19、壓器的鐵損要比用碳鋼及純鐵都小。用硅鋼制造的變壓器及電動(dòng)機(jī)體積小，消耗少。此外它還有不時(shí)效的優(yōu)點(diǎn)，而低碳鋼由于有時(shí)效現(xiàn)象（硬度增高，磁導(dǎo)率下降），用它做的變壓器及電動(dòng)機(jī)用過一段時(shí)間后就要拆開 去掉絕緣材料，熱處理后再重新組裝起來才能便用，既麻煩又浪費(fèi)。硅鋼的優(yōu)良性能是在1900年發(fā)現(xiàn)并受到人們重視的，那時(shí)的成分是0.20 %C ,2.5 %Si。硅鋼雖有優(yōu)良的電磁性能，但是從 Hadfield在1884年取得專利權(quán)到1906年Hadfield鋼廠售出第一噸硅鋼,Hadfield與各種習(xí)慣保守勢(shì)力進(jìn)行了近四分之一世紀(jì)的頑強(qiáng) 斗爭(zhēng)。他深有體會(huì)地說：“推廣新的合金鋼品種要克服許多種偏見，可能沒有人對(duì)

20、此比我有更深的體會(huì)的了。各式各樣的反對(duì)意見，有些是與新材料有關(guān)的，有些需要增添新設(shè)備，報(bào)廢老設(shè) 備。鋼廠要克服許多困難，學(xué)會(huì)生產(chǎn)新鋼種。值得慶幸的是，我們不會(huì)再為查理二世那時(shí)的反對(duì)意見所難倒了。那日曾宣布一條法律，禁止馬車在街上通過，因?yàn)檐囕啎?huì)損壞鋪路的石頭”。Hadfield首先遇到的困難是從實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模試驗(yàn)擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)的一系列問題，如硅鋼的冶煉、鑄錠、軋制制度都與碳鋼不一樣，開始時(shí)報(bào)廢的鋼材比成品還多，使這個(gè)新鋼種幾度幾乎夭折。接著是用戶報(bào)怨新鋼太貴，“為什么用點(diǎn)高爐就能冶煉的硅鐵就賣得那么貴？”他們不理解小批量生產(chǎn)的難處。另一方面他們對(duì)新鋼種所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益認(rèn)識(shí)不清。 此外,還要對(duì)變

21、壓器設(shè)計(jì)師進(jìn)行業(yè)務(wù)上的宣傳和再教育，使他們領(lǐng)會(huì)并掌握新的設(shè)計(jì)思想。最后還是Sheffield市供電公司在1903年用硅鋼片制造了一臺(tái)0.5千瓦的變壓器，硅鋼的鐵損小才為人所接受。同年 Hadfield獲得用硅鋼制造變壓器鐵芯的專利。但是,Hadfield的煩惱并未因此而終止。接著又發(fā)生了有關(guān)專利權(quán)的訴訟及美、英、 德哪一國(guó)最先用硅鋼制造變壓器的爭(zhēng)論。盡管美國(guó)及德國(guó)在1903年就早于英國(guó)（1906）生產(chǎn)商用硅鋼片，德國(guó)人最早指出硅鋼的電阻率比碳鋼高1 %可以減小渦流損失，但是第一臺(tái)用硅鋼片制造的變壓器還是在 1903年在Sheffield研制成功的。盡管Hadfield發(fā)明了硅鋼并獲得了專利權(quán)，但是他在專利申請(qǐng)中所提出的解釋“硅的凈潔（脫氧）作用”都是錯(cuò)誤的。后來的研究證明這是由于硅鋼容易產(chǎn)生有利的擇優(yōu)取向的 緣故，在這種認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上終于研制出鐵損更小的單取向及立方取向硅鋼片。1925年時(shí)硅鋼的鐵損比碳鋼小約