鋼鐵時代 合金鋼和坩堝鍊鋼法的發展歷程

1911年,第三次十字軍東征 雙方統帥是獅心王李察和傳奇的薩拉丁 兩個牛人在雅法城外鬥嘴 薩拉丁拋出一襲沙巾 寶刀揮去,割成兩半 歐洲人大驚,大馬士革刀自此揚名 它堅韌鋒利,寒光凜然,有獨特的細碎花紋 大馬士革城是當時的兵器中心 制刀的原料來自印度 那就是神奇的烏茲鋼 在西方快鍊鐵和東方高爐外 印度人用的是第三條技術路線 乾鍋法 乾鍋能阻止鐵與碳過度接觸變成生鐵 方便控制碳含量 除了不能連續生產 是很先進的工藝 西高址山脈有優良的鐵礦 它有磁性 沃成粉後容易剔純 避免了東西方鍊鐵中的大量爐渣 將礦石粉末和木炭 茅竹 以及某些植物樹葉裝進粘土乾鍋 在炭火加熱中 輔料融化在鐵質內 滲碳的不均勻 加上礦石粉末中的極硬的結晶體 形成燦熱繁星的花紋 將乾鍋敲碎 得到半球形鋼錠 脫碳處理後 歐洲騎士夢寐以求的烏茲鋼就誕生了 這是開了掛的技能 有一定偶然性 超越了當時的時代 1991年 學者用隧道顯微鏡 發現了烏茲鋼內部的碳納米管 相當於混凝土鋼筋 管內是堅硬的金屬碳化物 現代機牀刀具就鑲嵌着它 用於攻堅 微觀下 刀刃有很多碳納米管組成鋸齒 使用磨損後會露出更多 所以大馬士革刀越用越鋒利 碳納米管和金屬碳化物是現代技術 古印度人是怎樣做到的 至今是未解之謎 未盡後的上千年裏 大馬士革刀和烏茲鋼 被波斯商人不斷運到中國 古書稱爲雪花冰鐵 是制刀的上等材料 13世紀 蒙古序列物建立耶爾汗國 禁止民間造兵器 繁榮千年的大馬士革刀消亡 烏茲鋼也逐漸凋零 還有觀點認爲 烏茲鋼凋零的原因 是優質鐵礦耗盡 無數愛好者對此着迷 出現模仿技法 將含碳不同的兩塊鐵融合鍛打 也能得到類似的花紋 不過它不含碳耐米管 和大馬士革刀是兩回事 1735年 英國亞伯拉罕達比將煤幹流 得到焦炭 解決了燃料問題 五年後 亨茲曼發明了乾鍋鍊鋼法 他將爐子埋進地下保溫 用更高煙囪 更多焦炭 大力出奇跡 爐子與地窖相連 方便清理爐灰 並加熱鼓風空氣 爐溫提高到1600度 歐洲第一次煉的液態鋼水 第二項突破是用石墨和黏土 製成實用的乾鍋 同行福克僞裝成乞丐 在血液求救 進入工廠窺探到技術 這一方法隨之流傳開來 液態鋼水可以方便調整成分 所以乾鍋鋼質地很好 但產量低 價格高昂 乾鍋鍊鋼法爲法拉第的研究提供可能 工業革命迅速發展 需要加工大量金屬 人們想起了削鐵如泥的大馬式格刀 烏茲鋼再次被關注 一位旅行者在印度購得幾塊烏茲鋼 交給了英國皇家學會 此時年輕的法拉第得到化學泰斗代爲的賞識 研究烏茲鋼是他的首個科研項目 方法跟炒菜差不多 在乾鍋里加上各種金屬來研究特性 法拉第先後實驗了近百種金屬 做了詳細的記錄 雖然沒有造出烏茲鋼 但這是對合金鋼最早的系統研究 他成爲合金鋼先驅 對後世啓發極大 法拉第後來轉向電磁學研究 成爲電氣革命的一代宗師 雖然沒能造出烏茲鋼 也煉高碳鋼卻是很輕鬆 它淬火後很硬 用作機牀刀具 人們發現高碳鋼常溫下很硬 溫度到200度就不行了 機牀運轉中 弓箭高速旋轉 氣銷溫度很容易升到幾百度 只好經常停下來降溫 1868年 英國冶金家馬希特將鑄鐵與烏礦石放入乾鍋 也煉出烏鋼 它甚至不需要淬火 空氣中冷卻後就足夠硬 車銷速度成倍提高 美國泰勒和冶金學家懷特 又加進木格等其他金屬 車銷速度高出十幾倍 刀具熱到暗紅 仍然鋒利不減 削鐵如泥 由此獲得了高速鋼的美名 以紅硬著稱 高碳合金工具鋼開始迅速推廣 大量焦炭 燒一個小小乾鍋 消耗巨大 合金鋼產量很低 多是做刀具 19世紀末 隨着溫度更高的平爐法出現 合金鋼迎來量產時代 哈德菲爾德出身於鋼鐵世家 自學成才 他發現一組含硅膏的齒輪次品 運轉中似乎有磁性 決定研究硅合猛 1882年發明高猛鋼 兩年後發明硅鋼 高猛鋼只能焦鑄 它很反常 淬火後反而有韌性 越磨越硬 震動了學術界 它廣泛用在火車倒叉 挖掘機 鐵鏟和球磨機等需要耐磨的地方 硅鋼的電磁性能優良 渦流損失小 適合製造變壓器和電動機 它有利的推動了電氣革命 以1925年的世界用電量估計 硅鋼片節約了上億美元 當時有評價說 硅鋼創造的財富超過巴拿馬運河 這兩種神奇金屬引領了合金鋼時代 這彷彿打開了寶庫 在那個時代 古 鎳 蒙 木 鎢 鉻 銳 鋼等元素已經發現 大量學者投入研究 實驗各種比例和組合 新的合金鋼不斷出現 原來古代稀有貴重的隕石鐵 成分是鐵鎳合金 變得廉價易得 20世紀初 汽車業繁榮 高強度合金鋼使得汽車更加輕快 兩者相互促進 合金鋼的種類和產量迎來了爆發 推動變革最快的還是軍事 一戰步槍的槍膛極易磨損 損壞率很高 英國學者布雷爾利受政府委託研究改進 他想發明耐磨的合金鋼 進行多種配方的實驗 進展並不順利 廢鋼塊在露天越堆越高 日曬雨淋 變得鏽跡斑斑 在清理時 人們發現有幾塊廢鋼閃閃發亮 從而認識到鐵鑌合金的耐腐特性 它雖然不能造槍 但可以做餐具 發展到今天 身邊暴露在空氣中各類物品 大都是不鏽鋼製成的 它已經走進了千家萬戶 在列強軍備競賽中 各國首先裝備鎳鋼 各項機械性能提高近一倍 之後出現了含鎳和鋼的克魯勃鋼 甚至在空冷後就能得到馬屍體 是製作各種火炮 二戰中 德國被卡脖子 被加拿大切斷鎳的來源 後來土耳其的鉤也斷了 只好用錳鋼甚至碳鋼 二戰末期德國的虎王坦克 是虎式坦克的升級版 雖然設計更爲優秀 卻再也沒有戰爭初期 免疫一切攻擊 大殺四方的霸氣 鋼材性能下降是重要原因 鎳 鉤 錳 木 鎢這些金屬成爲戰略資源 各個交戰國士落珍寶 合金鋼產量大增 戰後對民用影響深遠 二戰末期航空進入噴氣時代 高溫合金開始蓬勃發展 起先還是合金鋼的範疇 後來出現了鎳基合金和鈷基合金 添加了各種矽油元素 工藝更爲複雜 在長時間的高氧化 高腐蝕 複雜硬力條件下 具有良好的穩定性和可靠性 被稱爲工業皇冠上的明珠 廣泛應用在航天 能源 核電和交通運輸上 隨着科技進步 合金鋼將繼續在各個方面 深刻改變着人類生活