历史学家用石器时代、铜器时代、铁器时代划分人类历史的进程,可见材料是人类文明的标志。如果允许把这种考虑进一步引伸的话,在19 世纪后半叶转炉、平炉现代炼钢方法的出现使钢的产量猛增,人类就可以说进入了钢器时代。人民的生活,一个国家的工农业与国防,无不与钢密切相关,因此人们习惯于用钢产量衡量一个国家的国力,用每人每年消耗的钢材衡量一国人民的生活水平。合金钢在机械、物理、化学性能方面都要比碳钢优越,可以说是钢器时代的突出代表和一个国家现代化程度的标志。一个国家如果没有自己的合金钢系统,就不可能建立一个完整的工业体系。 早在史前时期,人们就使用铁陨石制造武器、工具和手饰,因此可以说铁镍合金是人类使用最早的一种合金钢,尽管那时人们并不知道镍的存在。到了十八世纪后半叶,一方面钢的坩埚冶炼法(Huntsman ,1740) 流行起来,钢的产量及应用范围都有较大的发展,另一方面钴(1735) 、镍(1751) 、锰(1774) 、钼(1782) 、钨(1783) 、铬(1798) 、铌(1801) 、钒(1830) 等元素相继发现并分离出来,这就为合金钢在十九世纪的发展奠定了基础。下面我们重点介绍合金钢在十九世纪与二十世纪初的几个重要发展进程。
法拉弟是伟大的发明家,他在电磁感应及电化学方面的贡献是现代文明的基础,这是尽人皆知的。但是,他也是一个伟大的冶金学家,并且他的科学研究生涯还是从合金钢研究开始的,这一点却不为人所熟知。关于这一点的原因可能有二,一是法拉弟在电磁学方面的辉煌成就掩盖了他在冶金方面的贡献,二是他在合金钢方面的研究并未直接导致出实用的合金钢,直到半个世纪后钨自淬钢及高锰耐磨钢才问世。尽管如是,法拉弟在1820 - 1822 年对合金钢的系统研究在合金钢发展史上的重要地位还是逐渐为人们所认识,并推崇他为合金钢的开发先锋。 众所周知,法拉弟是因为得到电化学方面的泰斗Davy 的赏识而被皇家学院雇用的。当时Stodart是这个学院的一个年长的成员,他既是一个研究钢制刀具的冶金学家,又是从事这种买卖的商人。他的商业名片上印有:“J . Stodart ,伦敦,Strand 401。从印度购进Wootz 钢,经Stodart 先生的完善处理(基于多年的试验) 而成为欧洲最好的钢,用以制造外科手术刀、剃刀及其它刀具”。当时,印度的Wootz 钢块是公认制做刀具的最好钢料,英国大量进口,并研究仿制。在这种背景下,法拉弟进入皇家学院,他的第一桩研究工作就是“印度Wootz 的分析”(1 南宁pm2.5819) 。显然,他是受了Stodart 的影响并有仿制Wootz 钢的打算的。接着他与Stodart 发表了两篇有关合金钢的论文:“改善钢的合金试验”(1820) ,“论钢的合金”(1822) 。那时他们认为钢是一种组元,合金元素是另一种组元,因此称之为钢的合金,而合金钢这个名词要到晚一些时候才在文献中使用。在1820 年,Stodart 已六十岁,而法拉弟才29 岁,大量试验工作都是法拉弟进行的。我们今天还有时用炒菜这个词汇形容合金钢配方的试验,法拉弟也不愧为这方面的大师。他不但在钢中加入了镍、铬、铜等合金元素(到10 %) ,并且也加入了一些贵金属,如金(0.61 –1.00 %) ,银(0.15 – 0.46 %) ,铂(0.73–2.50 %) 及铑(0.40–1.60 %) 。此外还有钯及锇,他还试图在钢中加入钛,由于炉温不够高未能将TiO2 还原而未成功。像他们那样在钢中加入相当多的非常昂贵的铂族金属,今天恐怕也不会再有人做这样的尝试。
步行速度
法拉弟研究合金钢的实际目的是非常明显的,在1820 年的论文中曾对此有所阐述:“在铁和钢与其它金属的合金试验中,我们的目的是双重的:一方面探讨人工配制的合金在制造刀具方面是否比最纯的钢为优;另一方面,这些合金在相同的条件下是否较不容易氧化。还有一个附带的目的就是探讨这些合金用于制造反射镜的可能性”。这些也反映在他的报告中:“众所熟知,铁陨石不易生锈,这种认识使我们想到了镍与铁或钢的合金。因此我们配制了镍含量从3 到10 %的合金,并且发现它们在实验室或暖房里并不像铁那样容易生锈。但是,钢与镍的合
金比纯钢还容易氧化”。又如:“钢与1.5 %铑的合金有良好的可锻性,比普通钢硬,可以制造优良刀具。这些刀具的淬火温度要较最好的钢还高70°(注:华氏) ,这一事实意味着这种钢有较高的硬度和密度。用这种合金制造的剃刀有优良的切削性能”。
对于铬钢,Stodart 及法拉弟的初步研究结果是: “有良好的可锻性,虽然硬,但无裂纹”。可惜这方面的实验未进行下去,否则说不定他们还会发现不锈钢呢!
法拉弟在实验室中发现银和钢的合金有良好的可锻性,质地坚硬,表面光亮,可做多种刀具和工具。由于银的价格不高,供应充足,他认为银钢有推广的可能性,因此还在Sheffield 的一家钢厂中进行了生产性的实验,并制出一些刀具分赠亲友。
法拉弟在合金钢方面的研究在当时并没有产生什么直接有意义的结果,因为那时的工业生产,除了一些刀具如剃刀、手术刀外,对合金钢并没有什么需求。但是法拉弟在合金钢方面的系统试验对后来的发展还是有启发性的,它的深远意义不能低估。当法拉弟发明电磁感应而成名后,有人问他电磁感应有什么用,他的回答是:“我亲爱的先生,婴儿又有什么用?”这个比喻也完全适用于法拉弟的合金钢研究,它代表一种新生事物,有非常强大的生命力,后来终于发展成为今天的庞大合金钢系统。
就在法拉弟繁忙地进行上述有关钢的大量试验的同时,他还在1821 年发现了电磁感应,在1824 年发现蒸汽可凝成液体。随着这些伟大发现,他的兴趣就转到电磁及化学方面去了,未再在合金钢方面进行工作。尽管如是,法拉弟仍不愧为一位伟大的冶金学家和合金钢研究的前驱。2 从R.Mushet 的特殊钢到高速钢
在转炉炼钢法发明(1856) 之前,钢的生产方法很落后,先把高碳生铁炼成熟铁,进行渗碳制成渗碳钢(表面碳高,内部碳低) ,然后再在坩埚炉中溶化,得到成分均匀的钢。这种炼钢法的周期要几天,每炉的产量也不过几十公斤。因此钢的价格昂贵,产量不大,主要是用于制造刀具的高碳钢。转炉及平炉钢的大量生产使得机械加工工业得到很大的发展。原来使用的碳素工具钢刀具的车削速率比较低,温度不能超过200 ℃,显然不能满足加工工业的要求。在这种需求下,R.Mushet 在1868 年发展出高钨自淬工具钢 ,当时称之为R. Mushet特殊钢,实用合金钢特别是高碳合金工具钢就是由此开始的。
在此之前,Mushet 曾在钢的冶炼方面做过不少出的贡献。贝塞麦在发展转炉炼钢法方面遇到的主要困难之一是钢中气孔太多,Mushet 认为这是由CO产生的,建议在钢水中加锰铁脱氧,终于使转炉炼钢法获得成功。钢中加入镜铁生成MnS 以避免在轧钢时断裂也是他发
明的。为此贝塞麦在1876 年赞成把英国钢铁学会的贝塞麦奖章颁发给Mushet 。他还在1858 年改进了坩埚法炼钢,不用价昂的渗碳钢作原料,把铸铁粉碎成块,与铁矿石及锰铁放在坩埚炉内冶炼成钢。后来又在坩埚炉中把铸铁碎块与钨矿石或氧化钨一起冶炼得出钨钢(也有人说他错把钨矿石混进去了) ,这就是他的高钨自淬火钢的前奏。
Mushet 特殊钢的特点有二:一是不需要淬火,锻成刀具空冷后就有很高的硬度;二是用它制成的刀具的车削速度比碳素钢刀具高几倍,寿命还要长得多。Mushet 自淬钢也引起金相学创始人索氏的兴趣,并作出钨可以阻止钢在淬火过程中转变为珠光体的正确判断。不过总的说来,由于金相学刚刚诞生(1863) ,人们对于钢的显微组织还缺乏认识,因此对上述两种现象还有很大神秘感。特别是后来经过改进了的热处理制度,更是令人迷惑。在锻造后,刀刃部份急速加热到“白热”的过烧程度,在喷气流中冷却后磨去表层就能得到车削性能格外优良的刀具。今天我们已经习惯于高速工具钢要在1250～1300 ℃油淬,对此当然不会感到惊讶了。
R.Mushet 特殊工具钢的问世开始了高碳工具钢的新纪元。后来的实践证明适当降低碳含量,还有硅、锰含量,增高铬含量,可以提高钢的切削性能 。在1900 年巴黎博览会上展出了美国Taylor和White 研制出的改进了的Mushet 钢制成的刀具,它的车削速度比碳钢高出十几
倍,尽管刀具由于与工件磨擦生热而呈暗红,锋利不减,削铁如泥,观众无不瞠目结舌。此后,这种钢就获得了“高速钢”的美名,以“红硬性”著称,不胫而走,迅速推广。经过进一步改进,在1906 年发展出今天使用的18-4-1型高速钢,后来还有添加钴的优质高速钢和用钼代替一部份钨的钢种。但是今天使用的高速钢可以说与Mushet 特殊钢是一脉相承的。3 Hadfield 是现代合金钢的奠基人
在十九世纪七十年代以前, 虽然法拉弟及Mushet 已经在合金钢方面进行了一些开创性的工作,但是这只能算是现代合金钢的前奏。到了十九世纪末,一方面金相学正在兴起,另一方面钢的现代冶炼方法也已经出现,这就为合金钢的大发展在理论与实践两方面奠定了基础。而Hadfield 就是在这种时代背景下出现在合金钢的舞台上,成为现代合金钢的奠基人。
与索氏一样,Hadfield 也是出生在英国Sheffield的一个钢铁世家中,小的时候他的父亲(拥有一家钢厂) 就给他在家中建立了一个化学试验室,后来还给他一万镑(在那时是一笔相当可观的数目) 作实验费用。无怪乎他在16 岁那年就决定不去牛津或剑桥接受传统的大学教育,而直接参加他父亲的钢铁事业。年轻、好学、沉思的Hadfield 从实践中学到很多知识,可以说是自学成才。在1882 年,一个有决定性影响的偶然事件发生了。Hadfield 钢厂的铸钢车间
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为一个轧钢厂生产一对行星齿轮,不久后就接到用户的反映说这对齿轮运转费力, “好象轮齿间有砂子一样”。化学分析指出,钢中含有1.5 %Si ,可能是由于脱硅不充分而造成的。换了另一对成分正常的齿轮这个质量问题就解决了,但是好奇的Hadifeld从这次事故联想到用硅钢制造砂面轮的可能性,于是炼了一炉硅锰钢(1.5 %C ,4.0 %Si ,8 %Mn) 。实验结果是失败了,但Hadfield 并不就此告终。他决定分别研究硅和锰对钢的影响,在1882 年9 月发明了高锰耐磨钢(又称Hadfield 高锰钢) ,在1884 年发明了制做硅钢片的硅钢,可以说是一箭双雕。作为一个伟大的发明家,Hadfield 的可贵之处就在于从失败中吸收教益,还有百折不挠的韧性。这两种有奇异性能的新钢种的出现,为人类进入合金钢时代揭开了序幕。
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Hadfield 在1882 年试制成功的高锰耐磨钢的成分是:C 1.35 % ,Si 0.69 % ,Mn 12.76 %。它的特点是在淬火后不但不是硬而脆,反而有良好的韧性,而且是越磨越硬。这些反常现象在冶金界产生很大的震动,Hadfield 也因此一举成名。但是,Hadfield 的事业也不是一帆风顺的,他在理论与实践两方面都遇到了一些困难。为了在理论上解释这些反常现象,Hadfield 向当时的金相学名流请教。索氏用当时放大倍数最高(650 倍) 的显微镜进行了观察,并没有发现什么能解释这种反常现象的新的显微组织。这是不足为奇的,因为索氏不是冶金学家。Osmond 不仅熟悉金相观察,还用热学方法对铁的同素异构转变做过深入细致的研究。他不朝鲜族语言
但肯定了高锰钢的基体是非铁磁性的γ固溶体,还提出了磨擦产生表面硬化的可能性。Osmond 能很快洞悉高锰耐磨钢的奥秘,真不愧是一位伟大的金相学家!
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