3 Hadfield 是現(xiàn)代合金鋼的奠基人
在十九世紀七十年代以前, 雖然法拉弟及Mushet 已經(jīng)在合金鋼方面進行了一些開創(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)展在理論與實踐兩方面奠定了基礎(chǔ)。而Hadfield 就是在這種時代背景下出現(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的一個鋼鐵世家中,小的時候他的父親(擁有一家鋼廠) 就給他在家中建立了一個化學(xué)試驗室,后來還給他一萬鎊(在那時是一筆相當(dāng)可觀的數(shù)目) 作實驗費用。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 從實踐中學(xué)到很多知識,可以說是自學(xué)成才。在1882 年,一個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轉(zhuǎn)費力, “好象輪齒間有砂子一樣”。化學(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,于是煉了一爐硅錳鋼(1.5 %C ,4.0 %Si ,8 %Mn) 。實驗結(jié)果是失敗了,但Hadfield 并不就此告終。他決定分別研究硅和錳對鋼的影響,在1882 年9 月發(fā)明了高錳耐磨鋼(又稱Hadfield 高錳鋼) ,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),為人類進入合金鋼時代揭開了序幕。
Hadfield 在1882 年試制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。這些反常現(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)時的金相學(xué)名流請教。索氏用當(dāng)時放大倍數(shù)最高(650 倍) 的顯微鏡進行了觀察,并沒有發(fā)現(xiàn)什么能解釋這種反常現(xiàn)象的新的顯微組織。這是不足為奇的,因為索氏不是冶金學(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(chǎn)生表面硬化的可能性。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(xué)家!
Hadfield 在生產(chǎn)實際上遇到的困難是,這種鋼只能鑄造,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(yè),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。在這之后,高錳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 對高錳耐磨鋼的發(fā)明給予了很高的評價,他認為“不僅是發(fā)明了一種有偉大科學(xué)意義和實用價值的新合金,并且在鋼鐵冶金史上可與鋼的淬火有同等重要意義”。而Hadfield 本人從這個發(fā)明得到的經(jīng)驗是,在發(fā)展合金鋼的工作中,外推和內(nèi)插都是不可取的。“一種實用價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,錳含量超過15 %的鋼屬于另一種穩(wěn)定奧氏體型,耐磨性能反而不好。Hadfield 高錳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 的高錳鋼以耐磨聞名,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(xiàn)象(硬度增高,磁導(dǎo)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(xiàn)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(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(guī)模試驗擴大到工業(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(chǎn)的難處。另一方面,他們對新鋼種所能產(chǎn)生的經(jīng)濟效益認識不清。此外,還要對變壓器設(shè)計師進行業(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 年時硅鋼的鐵損比碳鋼小約2.5 % ,Hadfield 根據(jù)當(dāng)時全世界用電量估計,每年光是使用硅鋼片就能節(jié)約一億美元。今天的電能消耗及硅鋼質(zhì)量都大大提高了,每年節(jié)約的資金當(dāng)以數(shù)十億美元計,這是何等可觀的數(shù)目。有人說,硅鋼片雖小,它所創(chuàng)造的財富超過一個巴拿馬運河。如果沒有硅鋼片,廿世紀的電氣化就要昂貴和困難的多。
為了弄清硅鋼的本質(zhì),Hadfield 把一些鋼樣送給當(dāng)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(fā)現(xiàn)在3 %Si鋼中A1 及A3 臨界點就不再出現(xiàn),證明硅是縮小γ相區(qū)的元素。這與過去Osmond 發(fā)現(xiàn)在高錳鋼中錳有擴大γ相區(qū)適相反,合在一些就全面地概括了合金元素對γ相區(qū)的作用。這對研究合金鋼的顯微組織是十分重要的,Wever 后來對此又有所闡明。因此可以說,Hadfield 不但發(fā)明了兩種重要的合金鋼,同時也促進了合金鋼理論的發(fā)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,除了合金鋼外,他還有過不少其它貢獻,如他發(fā)現(xiàn)高碳高鉻鋼有良好的耐硝酸腐蝕的性能。后來Brearley 發(fā)明13 %Cr 鐵素體不銹鋼,在評審他的專利申請時有人指出Hadfield 的發(fā)現(xiàn)在先,對此持有疑義。Hadfield 為此寫了一封信給Brearlay ,一方面說明他本人的試驗是高碳高鉻鋼,不能同Brearley 的低碳高鉻鋼相提并論,另一方面他也沒有采用Brearley 建議的提高鋼的耐食物酸的熱處理制度。這就幫助了年輕一些的Brearley 獲得不銹鋼的專利,并被公認是鐵素體不銹鋼的發(fā)明人。Hadfield 的這種高尚科研道德已載入金相學(xué)史冊,值得后人效法。
——本文摘自《中國金相分析網(wǎng)》
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