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。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試驗室,后來還給他一萬鎊(在那時是一筆相當可觀的數(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)的大學教育,而直接參加他父親的鋼鐵事業(yè)。年輕、好學、沉思的Hadfield 從實踐中學到很多知識,可以說是自學成才。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費力, “好象輪齒間有砂子一樣”。化學分析指出,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?，F(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 向當時的金相學名流請教。索氏用當時放大倍數(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(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,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(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(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,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量都大大提高了,每年節(jié)約的資金當以數(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,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(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史冊,值得后人效法。
——本文摘自《中國金相分析網(wǎng)》
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