合金钢的早期发展史

1、合金钢的早期发展史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，因此可以说铁馍合

2、金是人类使用最早的一种合金钢，尽管那时人们并不知道馍的存在。到了十八世纪后半叶，一方面钢的土甘期冶炼法(Huntsman ,1740)流行起来，钢的产量及应用范围都有较大的发展，另一方面钻(1735)、馍(1751)、镒(1774)、铝(1782)、鸨(1783)、铭(1798)、锯(1801)、钮(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。1法拉弟是发展合金钢的先驱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

3、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，直到半个世纪后鸨自淬钢及高镒耐磨钢才问世。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，

4、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” (1819)。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

5、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馍、铭、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 %)，钳(0.73 - 2.50 %)及铐(0.40 - 1.60 %)。此外还有铝及钺，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钳族金属，今天恐怕也不会再有人做这样的尝试。法拉弟研究合金

6、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馍与铁或钢的合金。因此我们配制了馍含量从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，钢与馍的合金比纯钢还容易氧化”。又如：“钢与1.5 %铐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

7、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”。对于专&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

8、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彳T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.Mus

9、het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)，然后再在堪竭炉中溶化 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

14、i, 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 frpohLieaiaionkrtler T o atemob t le const owsIFeruaitlisea l promu-e d bi te s hion l e promo.

15、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, ulieuound, sucl as ifasLctureconstucin,stiletcrrae a

16、sale ad m ore labe eninnmet Ta ctlHi see t le fl s opal o ppoitniis fr poleti aBlain and delelpmetfurtHefois ticrra se forres i ls mHLH populn t te iounii （diHiciiouncis- s a nd centre concet d i n aau a I dtnsiom bib dele opmeni of urba constuctonadtou-m i ulsL caeul pa nni lL and const uct on of a

17、 number of sia be fr LSi lenta a ndaimtur towns andlHu,f I imilL one Hue one product, a eate pa - L iiohi to tie ma - nce as ea, our i niepi mp - e i on of te eai lL cadro of uasr oos mas at w ora Sih t le pi ob s of a lage numbe of peple Let ile mases Lie wloeleanesupporttadpraie,tsworawlcarion,abs

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钢很脆；另一方面，镒含量超过15 %的钢属于另一种稳定奥氏体型 ，耐磨性 能反而不好。Hadfield高镒钢的成分正好在这两者之间 ，既有奥氏体基体，又不稳定，耐磨性最 好。还是用炒菜作比喻，佐料要适当，少了不行，过犹不及。Hadfield的高镒钢以耐磨闻名，而他的硅钢却以良好的电磁性能取胜。硅钢的电阻 大,磁导率高，因此涡流损失及滞后损失都比较小，用它制造的变

19、压器的铁损要比用碳钢及纯铁都小。用硅钢制造的变压器及电动机体积小，消耗少。此外它还有不时效的优点，而低碳钢由于有时效现象（硬度增高，磁导率下降），用它做的变压器及电动机用过一段时间后就要拆开 去掉绝缘材料，热处理后再重新组装起来才能便用，既麻烦又浪费。硅钢的优良性能是在1900年发现并受到人们重视的，那时的成分是0.20 %C ,2.5 %Si。硅钢虽有优良的电磁性能，但是从 Hadfield在1884年取得专利权到1906年Hadfield钢厂售出第一吨硅钢,Hadfield与各种习惯保守势力进行了近四分之一世纪的顽强 斗争。他深有体会地说：“推广新的合金钢品种要克服许多种偏见，可能没有人对

20、此比我有更深的体会的了。各式各样的反对意见，有些是与新材料有关的，有些需要增添新设备，报废老设 备。钢厂要克服许多困难，学会生产新钢种。值得庆幸的是，我们不会再为查理二世那时的反对意见所难倒了。那日曾宣布一条法律，禁止马车在街上通过，因为车轮会损坏铺路的石头”。Hadfield首先遇到的困难是从实验室小规模试验扩大到工业生产的一系列问题，如硅钢的冶炼、铸锭、轧制制度都与碳钢不一样，开始时报废的钢材比成品还多，使这个新钢种几度几乎夭折。接着是用户报怨新钢太贵，“为什么用点高炉就能冶炼的硅铁就卖得那么贵？”他们不理解小批量生产的难处。另一方面他们对新钢种所能产生的经济效益认识不清。 此外,还要对变

21、压器设计师进行业务上的宣传和再教育，使他们领会并掌握新的设计思想。最后还是Sheffield市供电公司在1903年用硅钢片制造了一台0.5千瓦的变压器，硅钢的铁损小才为人所接受。同年 Hadfield获得用硅钢制造变压器铁芯的专利。但是,Hadfield的烦恼并未因此而终止。接着又发生了有关专利权的诉讼及美、英、 德哪一国最先用硅钢制造变压器的争论。尽管美国及德国在1903年就早于英国（1906）生产商用硅钢片，德国人最早指出硅钢的电阻率比碳钢高1 %可以减小涡流损失，但是第一台用硅钢片制造的变压器还是在 1903年在Sheffield研制成功的。尽管Hadfield发明了硅钢并获得了专利权，但是他在专利申请中所提出的解释“硅的净洁（脱氧）作用”都是错误的。后来的研究证明这是由于硅钢容易产生有利的择优取向的 缘故，在这种认识的基础上终于研制出铁损更小的单取向及立方取向硅钢片。1925年时硅钢的铁损比碳钢小约