合金鋼的早期發(fā)展史

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)國家的工農(nóng)業(yè)與國防,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(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)國家現(xiàn)代化程度的標(biāo)志。一個(gè)國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，因此可以說鐵銀合金是人類使用最早的一種合金鋼，盡管那時(shí)人們并不知道鎳的存在。到了十八世紀(jì)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，另一方面鉆(1735)、鎳(1751)、鎰(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(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)后鎢自淬鋼及高鎰耐磨鋼才問世。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(rèn)識，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，倫敦,Strand401。從印度購進(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銀、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%)，鉑(0.73-2.50%)及銠(0.40-1.60%)。此外還有鈀及鉞，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(shí)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(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)識使我們想到了銀與鐵或鋼的合金。因此我們配制了銀含量從3到10%的合金,并且發(fā)現(xiàn)它們在實(shí)驗(yàn)室或暖房里并不像鐵那樣容易生銹。但是鋼與銀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(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”。對于銘鋼,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”?？上н@方面的實(shí)驗(yàn)未進(jìn)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(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(yàn)對后來的發(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)行工作。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.Mushet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)，然后再在坩堝爐中溶化，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，主要是用于制造刀具的高碳鋼。轉(zhuǎn)爐及平爐鋼的大量生產(chǎn)使得機(jī)械加工工業(yè)得到很大的發(fā)展。原來使用的碳素工具鋼刀具的車削速率比較低,溫度不能超過200℃,顯然不能滿足加工工業(yè)的要求。在這種需求下,R.Mushet在1868年發(fā)展出高鎢自淬工具鋼，當(dāng)時(shí)稱之為R.Mushet特殊鋼，實(shí)用合金鋼特別是高碳合金工具鋼就是由此開始的。在此之前,Mushet曾在鋼的冶煉方面做過不少出色的貢獻(xiàn)。貝塞麥在發(fā)展轉(zhuǎn)爐煉鋼法方面遇到的主要困難之一是鋼中氣孔太多,Mushet認(rèn)為這是由CO產(chǎn)生的，建議在鋼水中加鎰鐵脫氧,終于使轉(zhuǎn)爐煉鋼法獲得成功。鋼中加入鏡鐵生成MnS以避免在軋鋼時(shí)斷裂也是他發(fā)明的。為此貝塞麥在1876年贊成把英國鋼鐵學(xué)會的貝塞麥獎(jiǎng)?wù)骂C發(fā)給Mushet。他還在1858年改進(jìn)了坩堝法煉鋼，不用價(jià)昂的滲碳鋼作原料，把鑄鐵粉碎成塊，與鐵礦石及鎰鐵放在坩堝爐內(nèi)冶煉成鋼。后來又在坩堝爐中把鑄鐵碎塊與鎢礦石或氧化鎢一起冶煉得出鎢鋼(也有人說他錯(cuò)把鎢礦石混進(jìn)去了)，這就是他的高鎢自淬火鋼的前奏。Mushet特殊鋼的特點(diǎn)有二:一是不需要淬火,鍛成刀具空冷后就有很高的硬度;二是用它制成的刀具的車削速度比碳素鋼刀具高幾倍，壽命還要長得多。Mushet自淬鋼也引起金相學(xué)創(chuàng)始人索氏的興趣，并作出鎢可以阻止鋼在淬火過程中轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的正確判斷。不過總的說來，由于金相學(xué)剛剛誕生(1863)，人們對于鋼的顯微組織還缺乏認(rèn)識，因此對上述兩種現(xiàn)象還有很大神秘感。特別是后來經(jīng)過改進(jìn)了的熱處理制度,更是令人迷惑。在鍛造后，刀刃部份急速加熱到“白熱”的過燒程度，在噴氣流中冷卻后磨去表層就能得到車削性能格外優(yōu)良的刀具。今天我們已經(jīng)習(xí)慣于高速工具鋼要在1250?1300c油淬，對此當(dāng)然不會感到驚訝了。R.Mushet特殊工具鋼的問世開始了高碳工具鋼的新紀(jì)元。后來的實(shí)踐證明適當(dāng)降低碳含量,還有硅、鎰含量增高銘含量，可以提高鋼的切削性能。在1900年巴黎博覽會上展出了美國Taylor和White研制出的改進(jìn)了的Mushet鋼制成的刀具，它的車削速度比碳鋼高出十幾倍，盡管刀具由于與工件磨擦生熱而呈暗紅色鋒利不減，削鐵如泥，觀眾無不瞠目結(jié)舌。此后,這種鋼就獲得了“高速鋼”的美名以“紅硬性”著稱不脛而走，迅速推廣。經(jīng)過進(jìn)一步改進(jìn)，在1906年發(fā)展出今天使用的18-4-1型高速鋼，后來還有添加鉆的優(yōu)質(zhì)高速鋼和用鉬代替一部份鎢的鋼種。但是今天使用的高速鋼可以說與Mushet特殊鋼是一脈相承的。3Hadfield是現(xiàn)代合金鋼的奠基人在十九世紀(jì)七十年代以前，雖然法拉弟及Mushet已經(jīng)在合金鋼方面進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的工作，但是這只能算是現(xiàn)代合金鋼的前奏。到了十九世紀(jì)末，一方面金相學(xué)正在興起,另一方面鋼的現(xiàn)代冶煉方法也已經(jīng)出現(xiàn)，這就為合金鋼的大發(fā)展在理論與實(shí)踐兩方面奠定了基礎(chǔ)。而Hadfield就是在這種時(shí)代背景下出現(xiàn)在合金鋼的舞臺上,成為現(xiàn)代合金鋼的奠基人。與索氏一樣,Hadfield也是出生在英國Sheffield的一個(gè)鋼鐵世家中，小的時(shí)候他的父親（擁有一家鋼廠）就給他在家中建立了一個(gè)化學(xué)試驗(yàn)室，后來還給他一萬鎊（在那時(shí)是一筆相當(dāng)可觀的數(shù)目）作實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。無怪乎他在16歲那年就決定不去牛津或劍橋接受傳統(tǒng)的大學(xué)教育，而直接參加他父親的鋼鐵事業(yè)。年輕、好學(xué)、沉思的Hadfield從實(shí)踐中學(xué)到很多知識，可以說是自學(xué)成才。在1882年,一個(gè)有決定性影響的偶然事件發(fā)生了。Hadfield鋼廠的鑄鋼車間為一個(gè)軋鋼廠生產(chǎn)一對行星齒輪，不久后就接到用戶的反映說這對齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)力，“好象輪齒間有砂子一樣”?；瘜W(xué)分析指出，鋼中含有1.5%Si,可能是由于脫硅不充分而造成的。換了另一對成分正常的齒輪這個(gè)質(zhì)量問題就解決了，但是好奇的Hadifeld從這次事故聯(lián)想到用硅鋼制造砂面輪的可能性，于是煉了一爐硅鎰鋼（1.5%C,4.0%Si,8%Mn）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是失敗了，但Hadfield并不就此告終。他決定分別研究硅和鎰對鋼的影響，在1882年9月發(fā)明了高鎰耐磨鋼（又稱Hadfield高鎰鋼），在1884年發(fā)明了制做硅鋼片的硅鋼,可以說是一箭雙雕。作為一個(gè)偉大的發(fā)明家,Hadfield的可貴之處就在于從失敗中吸收教益，還有百折不撓的韌性。這兩種有奇異性能的新鋼種的出現(xiàn),為人類進(jìn)入合金鋼時(shí)代揭開了序幕。Hadfield在1882年試制成功的高鎰耐磨鋼的成分是：C1.35%,Si0.69%,Mn12.76%。它的特點(diǎn)是在淬火后不但不是硬而脆,反而有良好的韌性，而且是越磨越硬。這些反?，F(xiàn)象在冶金界產(chǎn)生很大的震動,Hadfield也因此一舉成名。但是,Hadfield的事業(yè)也不是一帆風(fēng)順的,他在理論與實(shí)踐兩方面都遇到了一些困難。為了在理論上解釋這些反?，F(xiàn)象,Hadfield向當(dāng)時(shí)的金相學(xué)名流請教。索氏用當(dāng)時(shí)放大倍數(shù)最高（650倍）的顯微鏡進(jìn)行了觀察，并沒有發(fā)現(xiàn)什么能解釋這種反?，F(xiàn)象的新的顯微組織。這是不足為奇的,因?yàn)樗魇喜皇且苯饘W(xué)家。Osmond不僅熟悉金相觀察,還用熱學(xué)方法對鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變做過深入細(xì)致的研究。他不但肯定了高鎰鋼的基體是非鐵磁性的Y固溶體，還提出了磨擦產(chǎn)生表面硬化的可能性。Osmond能很快洞悉高鎰耐磨鋼的奧秘，真不愧是一位偉大的金相學(xué)家！Hadfield在生產(chǎn)實(shí)際上遇到的困難是，這種鋼只能鑄造，不能加工，一時(shí)找不到用處,就在這時(shí)他父親過早地逝世了，他繼承父業(yè)，花了十年功夫才在1892年為這種鋼找到了第一個(gè)用途 電車軌道的道叉。在這之后,高鎰耐磨鋼得到了日益廣泛的應(yīng)用，并且經(jīng)久不衰,今天仍在廣泛使用的高鎰耐磨鋼的成分仍然和一百年前一樣,這也是合金鋼史上少見的。Osmond對高鎰耐磨鋼的發(fā)明給予了很高的評價(jià)，他認(rèn)為“不僅是發(fā)明了一種有偉大科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值的新合金，并且在鋼鐵冶金史上可與鋼的淬火有同等重要意義”。而Hadfield本人從這個(gè)發(fā)明得到的經(jīng)驗(yàn)是，在發(fā)展合金鋼的工作中,外推和內(nèi)插都是不可取的。“一種實(shí)用價(jià)值非常高的合金可能就處于兩種毫無商業(yè)意義的合金成分之間”。的確如此,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)慣保守勢力進(jìn)行了近四分之一世紀(jì)的頑強(qiáng)斗爭。他深有體會地說：“推廣新的合金鋼品種要克服許多種偏見，可能沒有人對此比我有更深的體會的了。各式各樣的反對意見，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)會生產(chǎn)新鋼種。值得慶幸的是，我們不會再為查理二世那時(shí)的反對意見所難倒了。那時(shí)曾宣布一條法律,禁止馬車在街上通過，因?yàn)檐囕啎p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，他們對新鋼種所能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益認(rèn)識不清。此外,還要對變壓器設(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、德哪一國最先用硅鋼制造變壓器的爭論。盡管美國及德國在1903年就早于英國（1906）生產(chǎn)商用硅鋼片德國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2