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金相學史話四.合金鋼的早期發展史 日期:2017.08.25

曆史學家用石器時代、銅器時代、鐵器時代劃分人類曆史的進程,可見材料是人類文明的標誌。如果允許把這種考慮進一步引伸的話,在19 世紀後半葉轉爐、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,一個國家的工農業與國防,無不與鋼密切相關,因此人們習慣於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、化學性能方麵都要比碳鋼優越,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誌。一個國家如果沒有自己的合金鋼係統,就不可能建立一個完整的工業體係。

早在史前時期,人們就使用鐵隕石製造武器、工具和手飾,因此可以說鐵鎳合金是人類使用最早的一種合金鋼,盡管那時人們並不知道鎳的存在。到了十八世紀後半葉,一方麵鋼的坩堝冶煉法(Huntsman ,1740) 流行起來,鋼的產量及應用範圍都有較大的發展,另一方麵鈷(1735) 、鎳(1751) 、錳(1774) 、鉬(1782) 、鎢(1783) 、鉻(1798) 、铌(1801) 、釩(1830) 等元素相繼發現並分離出來,這就為合金鋼在十九世紀的發展奠定了基礎。下麵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展進程。

1  法拉弟是發展合金鋼的先驅[1 ,2 ]

法拉弟是偉大的發明家,他在電磁感應及電化學方麵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,並且他的科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。關於這一點的原因可能有二,一是法拉弟在電磁學方麵的輝煌成就掩蓋了他在冶金方麵的貢獻,二是他在合金鋼方麵的研究並未直接導致出實用的合金鋼,直到半個世紀後鎢自淬鋼及高錳耐磨鋼才問世。盡管如是,法拉弟在1820 - 1822 年對合金鋼的係統研究在合金鋼發展史上的重要地位還是逐漸為人們所認識,並推崇他為合金鋼的開發先鋒[2 ,3 ] 。
眾所周知,法拉弟是因為得到電化學方麵的泰鬥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,他既是一個研究鋼製刀具的冶金學家,又是從事這種買賣的商人。他的商業名片上印有:“J . Stodart ,倫敦,Strand 401。從印度購進Wootz 鋼,經Stodart 先生的完善處理(基於多年的試驗) 而成為歐洲最好的鋼,用以製造外科手術刀、剃刀及其它刀具”。當時,印度的Wootz 鋼塊是公認製做刀具的最好鋼料,英國大量進口,並研究仿製。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 的影響並有仿製Wootz 鋼的打算的。接著他與Stodart 發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麵的大師。他不但在鋼中加入了鎳、鉻、銅等合金元素(到10 %) ,並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 %) 。此外還有鈀及鋨,他還試圖在鋼中加入鈦,由於爐溫不夠高未能將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鉑族金屬,今天恐怕也不會再有人做這樣的嚐試。

法拉弟研究合金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:一方麵探討人工配製的合金在製造刀具方麵是否比最純的鋼為優;另一方麵,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於製造反射鏡的可能性”。這些也反映在他的報告中:“眾所熟知,鐵隕石不易生鏽,這種認識使我們想到了鎳與鐵或鋼的合金。因此我們配製了鎳含量從3 到10 %的合金,並且發現它們在實驗室或暖房裏並不像鐵那樣容易生鏽。但是,鋼與鎳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,可以製造優良刀具。這些刀具的淬火溫度要較最好的鋼還高70°(注:華氏) ,這一事實意味著這種鋼有較高的硬度和密度。用這種合金製造的剃刀有優良的切削性能”。

對於鉻鋼,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”。可惜這方麵的實驗未進行下去,否則說不定他們還會發現不鏽鋼呢!

法拉弟在實驗室中發現銀和鋼的合金有良好的可鍛性,質地堅硬,表麵光亮,可做多種刀具和工具。由於銀的價格不高,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,並製出一些刀具分贈親友。

法拉弟在合金鋼方麵的研究在當時並沒有產生什麽直接有意義的結果,因為那時的工業生產,除了一些刀具如剃刀、手術刀外,對合金鋼並沒有什麽需求。但是法拉弟在合金鋼方麵的係統試驗對後來的發展還是有啟發性的,它的深遠意義不能低估。當法拉弟發明電磁感應而成名後,有人問他電磁感應有什麽用,他的回答是:“我親愛的先生,嬰兒又有什麽用?”這個比喻也完全適用於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,後來終於發展成為今天的龐大合金鋼係統。

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 年發現了電磁感應,在1824 年發現蒸汽可凝成液體。隨著這些偉大發現,他的興趣就轉到電磁及化學方麵去了,未再在合金鋼方麵進行工作。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.Mushet 的特殊鋼到高速鋼[4 ,5]

在轉爐煉鋼法發明(1856) 之前,鋼的生產方法很落後,先把高碳生鐵煉成熟鐵,進行滲碳製成滲碳鋼(表麵碳高,內部碳低) ,然後再在坩堝爐中溶化,得到成分均勻的鋼。這種煉鋼法的周期要幾天,每爐的產量也不過幾十公斤。因此鋼的價格昂貴,產量不大,主要是用於製造刀具的高碳鋼。轉爐及平爐鋼的大量生產使得機械加工工業得到很大的發展。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的要求。在這種需求下,R.Mushet 在1868 年發展出高鎢自淬工具鋼(成份見表1) ,當時稱之為R. Mushet特殊鋼,實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 曾在鋼的冶煉方麵做過不少出色的貢獻。貝塞麥在發展轉爐煉鋼法方麵遇到的主要困難之一是鋼中氣孔太多,Mushet 認為這是由CO產生的,建議在鋼水中加錳鐵脫氧,終於使轉爐煉鋼法獲得成功。鋼中加入錳鐵生成MnS 以避免在軋鋼時斷裂也是他發明的。為此貝塞麥在1876 年讚成把英國鋼鐵學會的貝塞麥獎章頒發給Mushet 。他還在1858 年改進了坩堝法煉鋼,不用價昂的滲碳鋼作原料,把鑄鐵粉碎成塊,與鐵礦石及錳鐵放在坩堝爐內冶煉成鋼。後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(也有人說他錯把鎢礦石混進去了) ,這就是他的高鎢自淬火鋼的前奏。

Mushet 特殊鋼的特點有二:一是不需要淬火,鍛成刀具空冷後就有很高的硬度;二是用它製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創始人索氏的興趣,並作出鎢可以阻止鋼在淬火過程中轉變為珠光體的正確判斷。不過總的說來,由於金相學剛剛誕生(1863) ,人們對於鋼的顯微組織還缺乏認識,因此對上述兩種現象還有很大神秘感。特別是後來經過改進了的熱處理製度,更是令人迷惑。在鍛造後,刀刃部份急速加熱到“白熱”的過燒程度,在噴氣流中冷卻後磨去表層就能得到車削性能格外優良的刀具。今天我們已經習慣於高速工具鋼要在1250~1300 ℃油淬,對此當然不會感到驚訝了。

R.Mushet 特殊工具鋼的問世開始了高碳工具鋼的新紀元。後來的實踐證明適當降低碳含量,還有矽、錳含量,增高鉻含量,可以提高鋼的切削性能(見表1) 。在1900 年巴黎博覽會上展出了美國Taylor和White 研製出的改進了的Mushet 鋼製成的刀具,它的車削速度比碳鋼高出十幾倍,盡管刀具由於與工件磨擦生熱而呈暗紅色,鋒利不減,削鐵如泥,觀眾無不瞠目結舌。此後,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。經過進一步改進,在1906 年發展出今天使用的18-4-1型高速鋼,後來還有添加鈷的優質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。

3  Hadfield 是現代合金鋼的奠基人[ 2 ,6 ,7]

在十九世紀七十年代以前, 雖然法拉弟及Mushet 已經在合金鋼方麵進行了一些開創性的工作,但是這隻能算是現代合金鋼的前奏。到了十九世紀末,一方麵金相學正在興起,另一方麵鋼的現代冶煉方法也已經出現,這就為合金鋼的大發展在理論與實踐兩方麵奠定了基礎。而Hadfield 就是在這種時代背景下出現在合金鋼的舞台上,成為現代合金鋼的奠基人。

與索氏一樣,Hadfield煉了一爐矽錳鋼(1.5 %C ,4.0 %Si ,8 %Mn) 。實驗結果是失敗了,但Hadfield 並不就此告終。他決定分別研究矽和錳對鋼的影響,在1882 年9 月發明了高錳耐磨鋼(又稱Hadfield 高錳鋼) ,在1884 年發明了製做矽鋼片的矽鋼,可以說是一箭雙雕。作為一個偉大的發明家,Hadfield 的可貴之處就在於從失敗中吸收教益,還有百折不撓的韌性。這兩種有奇異性能的新鋼種的出現,為人類進入合金鋼時代揭開了序幕。

Hadfield 在1882 年試製成功的高錳耐磨鋼的成分是:C 1.35 % ,Si 0.69 % ,Mn 12.76 %。它的特點是在淬火後不但不是硬而脆,反而有良好的韌性,而且是越磨越硬。這些反常現象在冶金界產生很大的震動,Hadfield 也因此一舉成名。但是,Hadfield 的事業也不是一帆風順的,他在理論與實踐兩方麵都遇到了一些困難。為了在理論上解釋這些反常現象,Hadfield 向當時的金相學名流請教。索氏用當時放大倍數最高(650 倍) 的顯微鏡進行了觀察,並沒有發現什麽能解釋這種反常現象的新的顯微組織。這是不足為奇的,因為索氏不是冶金學家。Osmond 不僅熟悉金相觀察,還用熱學方法對鐵的同素異構轉變做過深入細致的研究。他不但肯定了高錳鋼的基體是非鐵磁性的γ固溶體,還提出了磨擦產生表麵硬化的可能性。Osmond 能很快洞悉高錳耐磨鋼的奧秘,真不愧是一位偉大的金相學家!

Hadfield 在生產實際上遇到的困難是,這種鋼隻能鑄造,不能加工,一時找不到用處,就在這時他父親過早地逝世了,他繼承父業,花了十年功夫才在1892 年為這種鋼找到了第一個用途———電車軌道的道叉。在這之後,高錳耐磨鋼得到了日益廣泛的應用,並且經久不衰,今天仍在廣泛使用的高錳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認為“不僅是發明了一種有偉大科學意義和實用價值的新合金,並且在鋼鐵冶金史上可與鋼的淬火有同等重要意義”。而Hadfield 本人從這個發明得到的經驗是,在發展合金鋼的工作中,外推和內插都是不可取的。“一種實用價值非常高的合金可能就處於兩種毫無商業意義的合金成分之間”。的確如此,一方麵3 - 7 %Mn 鋼很脆;另一方麵,錳含量超過15 %的鋼屬於另一種穩定奧氏體型,耐磨性能反而不好。Hadfield 高錳鋼的成分正好在這兩者之間,既有奧氏體基體,又不穩定,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 的高錳鋼以耐磨聞名,而他的矽鋼卻以良好的電磁性能取勝。矽鋼的電阻大,磁導率高,因此渦流損失及滯後損失都比較小,用它製造的變壓器的鐵損要比用碳鋼及純鐵都小。用矽鋼製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點,而低碳鋼由於有時效現象(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後就要拆開,去掉絕緣材料,熱處理後再重新組裝起來才能便用,既麻煩又浪費。矽鋼的優良性能是在1900 年發現並受到人們重視的, 那時的成分是0.20 %C ,2.5 %Si 。

矽鋼雖有優良的電磁性能,但是從Hadfield 在1884 年取得專利權到1906 年Hadfield 鋼廠售出第一噸矽鋼,Hadfield 與各種習慣保守勢力進行了近四分之一世紀的頑強鬥爭[8 ,9 ] 。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。那時曾宣布一條法律,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模試驗擴大到工業生產的一係列問題,如矽鋼的冶煉、鑄錠、軋製製度都與碳鋼不一樣,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, “為什麽用點高爐就能冶煉的矽鐵就賣得那麽貴?”他們不理解小批量生產的難處。另一方麵,他們對新鋼種所能產生的經濟效益認識不清。此外,還要對變壓器設計師進行業務上的宣傳和再教育,使他們領會並掌握新的設計思想。最後還是Sheffield 市供電公司在1903 年用矽鋼片製造了一台0.5 千瓦的變壓器,矽鋼的鐵損小才為人所接受。同年Hadfield 獲得用矽鋼製造變壓器鐵芯的專利。

但是,Hadfield 的煩惱並未因此而終止。接著又發生了有關專利權的訴訟及美、英、德哪一國最先用矽鋼製造變壓器的爭論。盡管美國及德國在1903年就早於英國(1906) 生產商用矽鋼片,德國人最早指出矽鋼的電阻率比碳鋼高1 %可以減小渦流損失,但是第一台用矽鋼片製造的變壓器還是在1903年在Sheffield 研製成功的。

盡管Hadfield 發明了矽鋼並獲得了專利權,但是他在專利申請中所提出的解釋“矽的淨潔(脫氧)作用”都是錯誤的。後來的研究證明這是由於矽鋼容易產生有利的擇優取向的緣故,在這種認識的基礎上終於研製出鐵損更小的單取向及立方取向矽鋼片。

1925 年時矽鋼的鐵損比碳鋼小約2.5 % ,Hadfield 根據當時全世界用電量估計,每年光是使用矽鋼片就能節約一億美元。今天的電能消耗及矽鋼質量都大大提高了,每年節約的資金當以數十億美元計,這是何等可觀的數目。有人說,矽鋼片雖小,它所創造的財富超過一個巴拿馬運河。如果沒有矽鋼片,廿世紀的電氣化就要昂貴和困難的多。

為了弄清矽鋼的本質,Hadfield 把一些鋼樣送給當時英國的金相大師Stead(即用他的姓命名為斯氏體的斯氏) 進行顯微組織研究。斯氏發現在3 %Si鋼中A1 及A3 臨界點就不再出現,證明矽是縮小γ相區的元素。這與過去Osmond 發現在高錳鋼中錳有擴大γ相區適相反,合在一些就全麵地概括了合金元素對γ相區的作用。這對研究合金鋼的顯微組織是十分重要的,Wever 後來對此又有所闡明。因此可以說,Hadfield 不但發明了兩種重要的合金鋼,同時也促進了合金鋼理論的發展,充分說明實踐是理論的源泉這一真理。

Hadfield 終生從事合金鋼的研究,除了上述兩種合金鋼外,他還有過不少其它貢獻,如他發現高碳高鉻鋼有良好的耐硝酸腐蝕的性能。後來Brearley 發明13 %Cr 鐵素體不鏽鋼,在評審他的專利申請時有人指出Hadfield 的發現在先,對此持有疑義。Hadfield 為此寫了一封信給Brearlay ,一方麵說明他本人的試驗是高碳高鉻鋼,不能同Brearley 的低碳高鉻鋼相提並論,另一方麵他也沒有采用Brearley 建議的提高鋼的耐食物酸的熱處理製度。這就幫助了年輕一些的Brearley 獲得不鏽鋼的專利,並被公認是鐵素體不鏽鋼的發明人。Hadfield 的這種高尚科研道德已載入金相學史冊,值得後人效法。

4  廿世紀初的合金結構鋼[ 10 ,11]
合金結構鋼是合金鋼的中堅,不但量大、用途廣,並且牽涉到人類生活的各個方麵。在1900 年,美國的合金鋼的產量僅3000 噸,並且主要是鎳鋼,到了二次世界大戰時就上升到一千萬噸(圖1) 。當前,全世界的合金鋼產量約四、五千萬噸,其中主要是合金結構鋼。

中碳合金結構鋼的發展是從十九世紀末對鎳鋼進行的研製開始的。自從法拉弟受到鐵隕石的啟發冶煉鐵鎳合金以來,許多人(包括貝塞麥) 都做過類似的嚐試,甚至稱為“隕石鋼”,但是大多都是由於氧、硫含量高容易產生鍛造裂紋而未能推廣。在1878 - 1888 的十年間,法國的冶金學家用錳脫氧成功地冶煉出可鍛的鐵鎳合金及鎳鋼。在這些試驗的啟發下,英國和法國的一些鋼廠開始生產鎳含量低於7 %的合金結構鋼。1889 年Riley 在英國鋼鐵學會報告了他對鎳鋼機械性能的係統研究。在碳鋼中加入4.7 %Ni 會使屈服強度由16 增到28 噸/英寸2 ,抗張強度由30 增到40.6 噸/英寸2 ,而麵縮及延伸率基本不變。他認為, “如果使用鎳鋼,蘇格蘭的Forth大橋就會變得輕一些和更敞亮一些,巴黎鐵塔也會變得更像一張網而美麗的多”。此外,他還指出鎳鋼的軍工意義, “我堅定地相信,軍械工程師們還從來沒有見到過像我今天向你們介紹的新鋼種這樣適合他們要求的材料,無論是裝甲還是武器”。
他的預言很快就被證實了,軍火工業是合金鋼發展的直接受益者。鎳鋼裝甲板首先在法國及德國使用,而保守的英國皇家海軍仍堅持使用碳鋼。結果在1890 年在美國海軍靶場的一次打靶試驗中當眾出醜,鎳鋼裝甲板完整無缺而碳鋼裝甲板則已碎裂。在這之後,克虜伯公司(德國發動兩次世界大戰的主要軍火供應商) 的“克虜伯鋼”(0.3~0.4 %C ,3~4 %Ni ,1.75~2.0 %Cr) 、法國船舶鍛造廠的0.4 %C ,2 %Ni ,1 %Cr 鋼相繼問世。這些鋼的淬透性很好,200mm鋼棒可以油淬淬透,有的甚至在空冷後就能得到馬氏體組織,適於製做重型火炮。

合金結構鋼與國防有密切關係可以從兩次世界大戰期間它的產量都有較大增長一點清楚地看出(圖1) 。由於合金元素的大量消耗(用於合金鋼的鉻占其總產量的50 %;鎳也是50 %;錳、鉬、鎢更高,占90~95 %;1950 年全世界用於煉鋼方麵的錳約為一千四百萬噸) ,交戰國都不得不采取節約措施,美國在二次世界大戰期間為了節約鎳,減少鎳鋼及鎳鉻鋼的產量,代之以合金元素種類多而含量低的鎳鉻鉬鋼, 即所謂的“國家緊急”NE 牌號(NationalEmergency) 。德國的情況更窘迫,鎳的來源(主要是加拿大) 被切斷,先是采用鉻鉬鋼,後來又改為鉻錳鋼,最後鉻的來源(土耳其) 也斷了,不得不用錳鋼甚至碳鋼製造武器。因此,合金鋼中所用的合金元素一向都被認為是戰略物質,平時就有儲存,以備不時之需。

隨著合金結構鋼的出現,熱處理工藝也有很大改進。為了提高防彈表麵的硬度,氣相表麵滲碳(1892) 及表麵淬火(1890) 方法相繼研究成功。在廣泛使用調質處理以提高鋼的強度當中,鎳鉻鋼的回火脆也出現了。克虜伯公司的工程師在1900 年就已從實踐中知道回火後快冷可以避免這種脆性的出現。在此之前(1883) ,有些鐵匠已使用回火後水冷以提高鋼的韌性, 並稱之為“水退火”(WaterAnncal) 。不過,回火脆這個名詞到1917 年才第一次提出,用鉬來抑製鎳鉻鋼的回火脆是1925 年發現的,在這之後鎳鉻鉬鋼就比較流行了。不過,鋼的回火脆是由磷、錫等雜質在晶界偏析引起的則是1956年以後才弄清楚的。

合金結構鋼很快也在民用方麵得到日益廣泛的應用。廿世紀初,正值汽車工業大發展的時期,合金鋼的種類迅速增多(圖1) ,兩者從此結下了不解之緣,互相促進。美國汽車學會在1910 年成立,1912年就製訂出SAE 合金鋼牌號,現在仍在使用。一個國家的合金鋼牌號由汽車學會製定,可見合金鋼對汽車工業的重要意義了。汽車之所以能越來越輕,跑的越來越快,主要原因之一就是使用了強度高的合金結構鋼。可以毫不誇大地說,沒有合金結構鋼,就沒有今天的汽車工業,更談不上宇航工業了。

但是,從合金結構鋼的發展來說,這些尖端技術基本上還是使用一些在本世紀初就已定型現在仍在廣泛使用的久經考驗的成熟牌號,如美國的4340(0.4 %C ,1.65~2.00 %Ni ,0.70~0.90 %Cr ,0.20~0.30 %Mo) 。當年的汽車、坦克、火炮都廣泛使用這種鋼,後來的噴氣飛機使用它做起落架及大梁,晚近的火箭使用它做殼體。不過,由於對鋼的質量要求越來越高,冶煉技術也在不斷改進,由原來的平爐、電爐冶煉發展到今天的真空、電渣雙聯法,磷硫含量都控製在0.01 %以下。火箭殼體用的鋼板隻有0.5mm厚,一顆露在表麵的大夾雜顆粒就會產生嚴重的後果。因此,發展到今天,合金結構鋼的質量可能比品種更重要。用炒菜作比喻,還是原來受人歡迎的幾個拿手菜,不過由大鍋改為小灶,越炒越細,味道越香。為了保證鋼的質量及競爭能力,合金鋼的生產也越來越專業化。瑞典的SKF 滾珠軸承之所以在世界上受人歡迎,原因可能很多,但是他們的軸承鋼質量好肯定是一個重要因素。這家軸承公司擁有的一家鋼廠半個世紀以來就煉一種軸承鋼(1Cr15) ,從爺爺到孫子幾代都是相繼在一個車間幹活,並且是隻幹一種鋼。炒菜也自有家傳秘方,味道與眾不同。

牌號少,質量高,生產專門化,這是合金結構鋼的發展趨勢,也是值得我們重視和借鑒的。

5  不鏽耐熱鋼

鋼的定義原來是“鐵與碳的合金,可淬火硬化”。這個定義顯然隻適用於中碳和高碳鋼,因為建築上大量使用的低碳鋼就無須淬火。更不用說一些有特殊用途的低碳或超低碳( < 0.01 %) 合金鋼了,如前麵提到倒用。

鎳鉻奧氏體不鏽鋼主要是克虜伯公司的Mauer ,Strauss 等在1912 - 1930 年間陸續發展出來並加以完善的,按專利申請年份的記錄是:

1912  0.3 %C ,5 %Ni ,20 %Cr ;

1923  7~20 %Ni ,18~24 %Cr ,2~6 %Cu ;加2~4 %Mo ;

1926  20 %Ni ,25 %Cr ;

1928  7~12 %Ni ,18~25 %Cr ;

1929  加Ti ,V ,Zr ,Nb ,Ta 等固碳;

1930  冷加工後再結晶可以減輕碳的敏化;

隨著汽輪機特別是噴氣技術的發展,耐熱鋼的使用溫度不斷增高,人們發現奧氏體鋼的高溫強度比鐵素體鋼高。在原有鎳鉻奧氏體的基礎上加鉬、鎢、铌等元素提高其耐熱性,後來一方麵增加鎳含量,一方麵添加鋁、鈦以生成微小的Ni3 (Al ,Ti) 粒子產生沉澱強化,逐漸發展成鐵基高溫合金。再進一步的發展就是用鎳取代鐵作為基體而成為鎳基合金。

上麵是合金鋼早期發展的幾個重要裏程碑,在C. S. Smith 的“金相史”一書中對這些合金鋼的發展與金相學的關係有一段精辟的論述[5 ] ,借來作為本文的結論:

“金相學對於最早的一些重要合金鋼———錳鋼、矽鋼、鎳鋼、甚至高速鋼或不鏽鋼———的發明並沒有起到直接促進作用。相反,這些合金鋼的研究促進了金相學的發展。但是金相學對於這些材料的改進以及合金元素對相變的作用等知識的積累都是很重要的”。

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