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中國(guó)熱處理技術(shù)發(fā)展史-在線瀏覽

2024-08-08 23:41本頁面
  

【正文】 理技術(shù)之一。固體滲碳鋼可以制作更加鋒利、細(xì)長(zhǎng)的兵器,是換代的兵器材料。固體滲碳制鋼在我國(guó)的應(yīng)用比國(guó)外制鐵業(yè)的發(fā)源地落后了大約十個(gè)世紀(jì)。我國(guó)出土的塊煉鐵實(shí)物不多,考古證實(shí)在春秋晚期墓葬中已經(jīng)出現(xiàn)中碳的塊煉鐵滲碳鋼。經(jīng)大量的考古證實(shí),我國(guó)鑄鐵的發(fā)明大約在春秋中期。屬于戰(zhàn)國(guó)早期用白口鑄鐵制成的產(chǎn)品亦發(fā)掘出十余件[13]。珠光體層的存在,使白口鑄鐵具有韌性,很明顯這是通過退火處理得到的組織。這一鐵已基本繡蝕,其殘部經(jīng)金相檢驗(yàn)表明,其基體組織為鐵素體脫碳層,石墨組織為比較完善的團(tuán)絮狀退火石墨。據(jù)分析其大約是經(jīng)過在900℃或稍高的溫度下,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的退火,使?jié)B碳體分解,得到團(tuán)絮狀的石墨,歐洲同類型的可鍛鑄鐵的出現(xiàn)是在1720年之后[14]。 根據(jù)文物考古分析,中國(guó)古代淬火技術(shù)可能最早被應(yīng)用于塊煉鐵中。%~%,整支劍身由高碳層與低碳層相間組成,刃部主要由淬火馬氏體所構(gòu)成。經(jīng)過鍛打塊煉鐵,鐵吸收了炭份,減少了夾雜物就成為鋼。這一煉鋼技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是“百煉鋼”技術(shù)。最常用的是汞齊法,即將被鍍金屬溶于水銀中,然后采用擦涂的方法將其被覆于基材之上。已知早期的鎏金物件為山東曲阜出土的長(zhǎng)臂銅猿,墓葬年代為春秋戰(zhàn)國(guó)之交?!敝袊?guó)古代的玻璃制造術(shù)也是在周朝開始發(fā)展起來的。此外,還在金村、長(zhǎng)沙、輝縣等地戰(zhàn)國(guó)墓葬中,出土過一批白色、翠綠色、暗綠色的玻璃制品,色澤美觀,大都半透明。與西方常見的“鈉鈣玻璃”在成分上有很大的差異。而且在兩漢時(shí)期,炒鋼技術(shù)已經(jīng)普及,用此技術(shù)可生產(chǎn)出熟鐵。這時(shí)期的工匠在掌握和應(yīng)用鋼鐵退火加工方面取得很大進(jìn)步。滿城1號(hào)漢墓和呼和浩特二十家子出土的同時(shí)代的鎧甲片都是塊煉鐵材料,從其表層的顯微組織觀察,為鐵素體組織,其最終的處理工藝應(yīng)屬于退火工藝。結(jié)果表明被普查的鐵器的40%屬鑄鐵經(jīng)脫碳處理而制取的鋼件,其中大部分的農(nóng)具的顯微組織均為珠光體和滲碳體,甚至有一部分滲碳體已經(jīng)球化。脫碳處理是一種化學(xué)熱處理?;铱阼F內(nèi)部的石墨成片狀,是性能較好的鑄鐵,當(dāng)代的灰口鐵是靠添加促進(jìn)石墨化元素和控制冷卻速度實(shí)現(xiàn)的。北京鋼鐵學(xué)院冶金史教研室曾經(jīng)普查了漢代的鐵器,發(fā)現(xiàn)在鑄造生鐵中灰口鐵占21%、麻口鐵占4%,他們認(rèn)為漢代灰口鐵的生產(chǎn)已屬成熟的工藝,麻口鐵則是生產(chǎn)灰口鐵時(shí)偶然得到的[16]。這是發(fā)掘出的最早的灰口鐵。當(dāng)然,漢代灰口鐵也有可能是依靠控制凝固的冷卻速度而得到。更值得注意的是在被普查的鐵器的內(nèi)部出現(xiàn)了球墨組織。我國(guó)的考古工作者通過對(duì)某些具有球墨組織的鐵器的分析表明,其球狀石墨的形貌、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能與現(xiàn)代靠添加球化劑獲得的石墨無異。而國(guó)外的研究者是在1942年對(duì)意外獲得的高韌性鑄鐵的金相觀察后才進(jìn)而確定出鑄鐵的球墨化退火工藝[17]。這時(shí)期發(fā)明的“百煉鋼”的主要用于制造兵器的技術(shù)。在西漢中晚期,我國(guó)又出現(xiàn)了新的煉鋼技術(shù)“炒鋼”,這是在生鐵冶鑄技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種煉鋼新技術(shù)。炒鋼的出現(xiàn)也大大促進(jìn)了百煉鋼技術(shù)的發(fā)展,人們可以以炒鋼為原料,經(jīng)過反復(fù)加熱、折疊、鍛打成質(zhì)量很好的鋼件。這期間古代工匠還發(fā)明了局部淬火,對(duì)徐州獅子山楚王陵出土的4件鑿刀的金相分析””表明,該4件鑿刀都經(jīng)過對(duì)刀頭的局部淬火處理,以獲得刀頭硬、刀體韌的效果。三國(guó)時(shí)期的蒲元明確指出水質(zhì)對(duì)淬火的影響。刀成,自言漢水鈍弱,不任淬用。”不同的水質(zhì)對(duì)淬火的影響不可否認(rèn),但在《蒲元傳》中可能是過分強(qiáng)調(diào)了。我國(guó)對(duì)淬火技術(shù)有重大貢獻(xiàn)的另一人是南北朝的綦毋懷文。以柔鐵為刀脊,浴以五牲之溺,淬以五牲之脂,斬過三十札。文中還可見綦毋懷文創(chuàng)造性地提出了采用尿液的淬火工藝。令人們感興趣的是,如何來理解文中提及的“浴以五牲之溺,淬以五牲之脂”,如果是雙液淬火,則這一出現(xiàn)在公元6世紀(jì)的淬火技術(shù)則是一個(gè)重要的突破。 中國(guó)瓷器的制作有悠久的歷史。它的制作是將高嶺土做成瓷坯,在其中摻入酸性氧化物,經(jīng)攝氏1000℃的高溫煅燒,成為瓷器。解放后,從遍及南北的墓葬中,出土了許多東漢、三國(guó)、兩晉時(shí)代的青瓷器皿。在高溫下燒結(jié)的青瓷器,其胎骨的?;潭雀?,而且由于坯料加工精細(xì),其他雜質(zhì)很少,同時(shí)在其表面施一層青色玻璃質(zhì)釉,使得這種青瓷制品異常美觀、堅(jiān)硬,標(biāo)志著中國(guó)陶瓷生產(chǎn)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。 宋元時(shí)期古代工匠除了采用百煉鋼技術(shù)以外,還采用了熟鐵和生鐵合煉的技術(shù)。北宋的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中描述了團(tuán)鋼的制備方法,是“用‘柔鐵’盤屈之,乃以‘生鐵’陷其間,泥封煉之,鍛令相入,謂之‘團(tuán)鋼”。具有冶煉生鐵堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的中國(guó)古人獨(dú)創(chuàng)了以熔融生鐵為滲碳劑的液體滲碳方法,極大地推進(jìn)了我國(guó)古代的鋼鐵制造業(yè)。采用液體滲碳方法制取“灌鋼”的技術(shù)可能很早,西晉的張協(xié)有“楚之陽劍,歐冶所營(yíng),乃煉乃爍,萬辟千灌”。這是我國(guó)古代熱處理技術(shù)的一項(xiàng)獨(dú)創(chuàng)性的成就。 明清時(shí)期,中國(guó)古代工匠采用了許多熱處理技術(shù)。如明代宋應(yīng)星的《天工開物》、明代方以智的《物理小識(shí)》、清代徐壽基的《續(xù)廣博物志》和清代陳克恕的《篆刻緘度》等。預(yù)冷淬火對(duì)減小刀具的畸變、提高刀具的強(qiáng)韌性有益處。劃后燒紅,退微冷,入水健。宋應(yīng)星在《錘鍛》篇中提及采用液體滲碳法對(duì)鋤具進(jìn)行表面處理的工藝。”可以看出,該工藝是將鋤具在熔化生鐵中滲碳,目的是使其表面成為高碳鋼,經(jīng)淬火后得到馬氏體而強(qiáng)化。明代宋應(yīng)星的《天工開物》中記載了一種燜熬法固體滲碳技術(shù),他寫道:“凡針,先錘鐵為細(xì)條。先蹉其末成穎,用小槌敲扁其本,剛錐穿鼻,復(fù)蹉其外。炒后以土末松木火矢、豆豉三物罨蓋,下用火蒸。這與當(dāng)今的裝箱固體滲碳方法如出一轍。最常見的固/液滲碳工藝是膏體法滲碳,是將含碳物質(zhì)混和于粘性物質(zhì)中,形成膏體,涂于工件表面,在后續(xù)的加熱處理中,碳滲入工件表面?!侗忝駡D篡》提及:“羊角、亂發(fā)俱煅灰,細(xì)研,水調(diào),涂刀口,燒紅,磨之。其中氧化鈣、碳酸鈣主要是被用作為載體,而未充分燃燒的生物角質(zhì)為含碳滲入劑?!逼渲醒蚪?、亂發(fā)是主要的含碳物質(zhì),含碳量高于其灰;“蟾酥”為癩蛤蟆皮下的汁液,是生物油脂,油脂不僅可做黏結(jié)劑,也可做滲碳劑:“自然灰”主要成分是碳酸鈉。這兩種添加劑都是很必要的,自然灰的應(yīng)用是一個(gè)明顯的進(jìn)展,不僅因?yàn)樽匀换襾碓聪鄬?duì)廣泛,更重要的是因?yàn)樘妓徕c具有明顯的碳原子的催滲效果。在《天工開物》、《繪事瑣言》等古籍中均有記載,即將金片初鍛后,層層疊入特制的烏金紙,扎成束,加以鍛打和退火。其最終退火處理是利用鍛造的余熱,將金片連同烏金紙緩慢冷至室溫。除金箔外,中國(guó)古代還有關(guān)于銀箔的記載。元代陶宗儀《南村輟耕錄》中載:“凡器作什物,以金薄或銀薄依銀匠所用紙糊罩,置金銀薄在內(nèi),逐旋細(xì)切取?!卞a箔是用量很大的金屬箔,其最大的用途是制作紙錢和裝飾。其加工制作也是采用層層疊合鍛打和退火,不同的是古人可能認(rèn)識(shí)到了錫的表面易形成隔層(即氧化層),因此不采取金屬片之間采用紙間隔的辦法。用蒸汽加熱可使溫度控制在略高于100℃,既可獲得很高的延展性,又可避免錫箔過度氧化。 從近代起,我國(guó)傳統(tǒng)冶鐵術(shù)已無法滿足市場(chǎng)需要,盡管仍有地方生產(chǎn)“灌鋼”或“蘇鋼”,如在安徽的蕪湖、湖南的湘潭、四川的重慶、威遠(yuǎn)等地人們還在使用這一傳統(tǒng)技術(shù),但在全國(guó)范圍內(nèi),這一傳統(tǒng)的液體滲碳制鋼法不再成為制鋼主要手段。從1868年開始,相繼建成福州船政局鐵廠、江南機(jī)器制造總局煉鋼廠、漢陽鐵廠漢冶萍煤鐵廠分公司、民族資本和興鐵廠、揚(yáng)子機(jī)器公司鐵廠本溪湖煤鐵股份公司鋼鐵生產(chǎn)廠,這些工廠不僅生產(chǎn)生鐵和熟鐵,還可提供大量的鋼材。采用熔融生鐵作為滲碳劑的液體滲碳法的表面處理技術(shù)還有所發(fā)展,這些方法通常稱為“擦生”或“擦鏑”,其具體處理方法在不同地區(qū)還有許多種。在淬火及回火的工藝控制方面已很成熟,如民間在淬火劑的選擇上和進(jìn)行鋼鐵控冷自回火方面發(fā)展了很多技巧,如“淬黃火”和“淬白火”[20]等。燜熬法固體滲碳方法已成為滲碳的重要技術(shù),在近代被華中和華北地區(qū)的工匠所采用,他們所用的“釜”是鐵鍋,制備的鋼被稱為“燜鋼”。但是人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)卻花了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間和很大的代價(jià)。所以在我國(guó)的制造業(yè)中長(zhǎng)期存在著“重冷(冷加工)輕熱(熱加工)”現(xiàn)象,以致這個(gè)行業(yè)一直處于落后狀態(tài)。 由于工業(yè)基礎(chǔ)的薄弱和在戰(zhàn)爭(zhēng)中遭受的破壞,我國(guó)的熱處理在40年代還僅僅屬于一種作坊式的生產(chǎn),尚未形成實(shí)質(zhì)性的產(chǎn)業(yè)。當(dāng)時(shí)的熱處理操作大都是家傳技藝,籠罩著神秘氣氛,處于十分落后的境地。 我國(guó)的熱處理產(chǎn)業(yè)起源于50年代初蘇聯(lián)援建的156項(xiàng)企業(yè)。購買了大批蘇制熱處理設(shè)備、包括箱式、井式、鹽浴等40年代水平的電阻加熱爐,并相應(yīng)建立了第一批按蘇聯(lián)圖紙生產(chǎn)這些類型設(shè)備的電爐廠。50年代末和60年代初還有從蘇聯(lián)學(xué)習(xí)歸來一批熱處理專業(yè)的留學(xué)生。由此,從人才培養(yǎng)、研究與開發(fā),生產(chǎn)技術(shù)的革新和設(shè)備制造等方面初步形成了一個(gè)較完整的專業(yè)體系。 由于科研和生產(chǎn)應(yīng)用的脫節(jié),對(duì)革新生產(chǎn)設(shè)備的忽視以及長(zhǎng)期閉關(guān)鎖國(guó)造成的目光短淺,上世紀(jì)60、70年代的機(jī)械、冶金工廠的熱處理生產(chǎn)技術(shù)沒有出現(xiàn)明顯的進(jìn)步。 熱處理行業(yè)現(xiàn)狀 全國(guó)全能企業(yè)熱處理廠、分廠、車間、股份制、民營(yíng)熱處理企業(yè)約15000家。由于內(nèi)地許多地區(qū)在進(jìn)行國(guó)營(yíng)中小企業(yè)改制,華東、華南沿海城市民營(yíng)企業(yè)仍在不斷涌現(xiàn),也有不少外資企業(yè)準(zhǔn)備在沿海城市設(shè)熱處理加工廠,“十五”后期民營(yíng)與股份制企業(yè)總數(shù)仍會(huì)繼續(xù)上升。 按全國(guó)熱處理廠點(diǎn)15000家,每家平均員工25人計(jì),全國(guó)員工總數(shù)約37萬人。 熱處理加熱設(shè)備總數(shù) 在調(diào)查中。若以平均利潤(rùn)率10
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