合金鋼的早期發(fā)展史

1、合金鋼的早期發(fā)展史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世紀后半葉轉爐、平爐現代煉鋼方法的出現使鋼的產量猛增，人類就可以說進入了鋼器時代。人民的生活，一個國家的工農業(yè)與國防，無不與鋼密切相關，因此人們習慣于用鋼產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，因此可以說鐵饃合

2、金是人類使用最早的一種合金鋼，盡管那時人們并不知道饃的存在。到了十八世紀后半葉，一方面鋼的土甘期冶煉法(Huntsman ,1740)流行起來，鋼的產量及應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。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)展合金鋼的先驅法拉弟是偉大的發(fā)明家，他在電磁感應及電化學方面的貢獻是現代文明的基礎，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

3、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，

4、倫敦,Strand 401。從印度購進 Wootz鋼, 經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

5、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多的非常昂貴的鉗族金屬，今天恐怕也不會再有人做這樣的嘗試。法拉弟研究合金

6、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)現它們在實驗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”。對于專&鋼,Stodart及法拉弟的初步研究結果是：“有良好的可鍛性，雖然硬，但無裂紋”?？上н@方面的實驗未進行下去，否則說不定他們還會發(fā)現不銹鋼呢！法拉弟在實驗室中發(fā)現銀和鋼的合金有良好的可鍛性，質地堅硬，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生什么直接有意義的結果，因為那時的工業(yè)生產，除了一些刀具如剃刀、手術刀

8、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)明電磁感應而成名后，有人問他電磁感應有什么用，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鋼的大量試驗的同時，他還在1821年發(fā)現了電磁感應，在1824年發(fā)現蒸汽可凝成液體。隨著這些偉大發(fā)現，他的興趣就轉到電磁及化學方面去了，未再在合金鋼方面進彳T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。2 從R.Mus

9、het的特殊鋼到高速鋼在轉爐煉鋼法發(fā)明(1856)之前，鋼的生產方法很落后，先把高碳生鐵煉成熟鐵，進行 滲碳制成滲碳鋼(表面碳高，內部碳低)，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，每爐的產量也不過幾十公斤。因此鋼的價格昂貴，產量不大，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，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機體積小，消耗少。此外它還有不時效的優(yōu)點，而低碳鋼由于有時效現象（硬度增高，磁導率下降），用它做的變壓器及電動機用過一段時間后就要拆開 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。硅鋼的優(yōu)良性能是在1900年發(fā)現并受到人們重視的，那時的成分是0.20 %C ,2.5 %Si。硅鋼雖有優(yōu)良的電磁性能，但是從 Hadfield在1884年取得專利權到1906年Hadfield鋼廠售出第一噸硅鋼,Hadfield與各種習慣保守勢力進行了近四分之一世紀的頑強 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

20、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的，有些需要增添新設備，報廢老設 備。鋼廠要克服許多困難，學會生產新鋼種。值得慶幸的是，我們不會再為查理二世那時的反對意見所難倒了。那日曾宣布一條法律，禁止馬車在街上通過，因為車輪會損壞鋪路的石頭”。Hadfield首先遇到的困難是從實驗室小規(guī)模試驗擴大到工業(yè)生產的一系列問題，如硅鋼的冶煉、鑄錠、軋制制度都與碳鋼不一樣，開始時報廢的鋼材比成品還多，使這個新鋼種幾度幾乎夭折。接著是用戶報怨新鋼太貴，“為什么用點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的難處。另一方面他們對新鋼種所能產生的經濟效益認識不清。 此外,還要對變

21、壓器設計師進行業(yè)務上的宣傳和再教育，使他們領會并掌握新的設計思想。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)生了有關專利權的訴訟及美、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，但是他在專利申請中所提出的解釋“硅的凈潔（脫氧）作用”都是錯誤的。后來的研究證明這是由于硅鋼容易產生有利的擇優(yōu)取向的 緣故，在這種認識的基礎上終于研制出鐵損更小的單取向及立方取向硅鋼片。1925年時硅鋼的鐵損比碳鋼小約