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淬火简史

2019年06月12日来源:中国冶金装备网阅读数:分享到:

淬火是和钢铁冶炼密切相关的,就对淬火应用上按年代划分大致可以分为三个阶段,从公元前400年到大致在公元后1500年左右,人们对淬火的了解,是一种自发的,感性的和作坊式的,同时被深深蒙上了神秘甚至是迷信的色彩;从1500年到1880年左右,开启了实验科学时代,人们开始对钢铁相变进行全面科学探索,一些重要的规律陆续被发现和建立起来,如马氏体转变理论,淬透性理论,相变理论等,为人类大量运用钢铁,开启工业革命奠定了结构材料基础。当然,整个材料学科仍在不断发展和进步,主要的发展方向是

1)在钢铁材料品种继续丰富的基础上,具有高的比强度的新金属材料如各种铝镁合金得到快速发展;

2)陶瓷材料通过增韧机制已有较广泛的实际应用;

3)以高效合成为代表的高分子材料快速发展;

4)金属基复合材料既保持金属良好韧性又有超高强度,可在严峻环境下使用;

5)介于宏观和微观之间的纳米材料被认为是21世纪最有前途的功能材料。而我们致力简要回顾淬火的历史,无疑会有助于加强对材料科学发展的理解。


淬火的简史


淬火的历史自然和铁的使用联系在一起。在旧约圣经的《创世记》(Genesis4:22)里有关于铁冶炼的最早记载。


“Zillah also had a son, Tubal-Cain, who was an artificer of bronze and iron.” (Zillah 也有一个儿子,叫Tubal-Cain , 他是一个铜铁匠).


Cain 来自阿拉伯语,含义是铁匠,同时,Cainities很可能指位于今天的亚细亚中东部的一个部落,赫梯(Hittites),在公元前2000年至1200年间曾极为强盛。虽然还不清楚到底是谁首先制造出钢(铁的含碳量可以从2.11%-4.3%,而钢的含碳量一般不超过1%,最多2.11%,所以需要从炼铁得到的铁中进一步熔炼脱碳,才能得到钢,所谓的百炼成钢,淬火也主要是针对钢而言的),但有一般认为在公元前1400-1200年的赫梯时代已经有较多的炼铁装置了。在有人类历史的第二个千年里,已经有很多关于炼铁的记载,如荷马史诗(公元前880年),希罗多德(Herodotus , 公元前446年)和亚里士多德(Aristotle ,公元前350年)的作品中。由于各地的铁矿石的质量差异及匠人技艺差别等,这个时候可能已经有钢出现,但产量应较有限。欧洲的工匠们在公元后第一个千年里改进了他们的冶炼淬火工艺,使制造的盔甲质量有所提高,如爱尔兰人传说中提到寻找圣水或者用血液对图2的Ekkisax 钢剑的进行淬火。但总体而言,欧洲的技术并不领先。到十字军东征时代的12世纪,中东穆斯林民族的钢铁冶炼和淬火技术已经远远超过了欧洲人,而这时日本人从中国唐代学得的唐刀制作技术,甚至超过了穆斯林的冶金技术。

应该说冶铁技术开始于小亚细亚,中国冶铁技术起步稍晚,但中国的钢铁冶炼和处理技术,后来居上,不仅快速地掌握了炼铁技术,而且发明了生铁和生铁制钢技术包括淬火在内的钢热处理技术,为人类文明做出了杰出贡献。


铁的冶炼技术最早包括两种基本技术,一是称为块铁冶炼,在1150℃左右进行冶炼结果为固体,铁的质量不高,另一称为生铁冶炼法,在1150-1300℃下冶炼,冶炼的结果是液体,可以进行连续冶炼,而生铁冶炼正是中国做的改进和发明。为进一步改善生铁的性能,中国发明了铸铁脱碳和铸铁韧化技术,前者是通过脱碳制做钢,后者是将白口铸铁中的渗碳体分解成石墨。河南登封出土的战国铁锄组织,可以看出已经将渗碳体分解成球状石墨组织,说明我们已经掌握了铸铁的热处理技术。


在这些的基础上,中国进一步发明了炒钢和百炼钢技术,前者是炉中鼓气,后者则是反复锻打,使其组织细密,然后进行淬火,多用来制做宝刀名剑。江苏徐州出土的五十炼钢钢剑的进行组织,其中可以可出清晰的条状锻打形变组织。


在公元3-4世纪,中国发明了灌钢技术,即所谓“杂炼生鍒作刀镰者”,这里的生就是“生铁“,鍒是“熟铁”,按不同比例组合加热到熔点以上,就可以根据需要获得需要成分和性能的钢铁。为配合钢性能的充分发挥,中国古代也对淬火介质做了多方面的探索工作,西汉司马迁所著《史记·天官书》中就有“水与火合为焠(淬)” 。汉班固所著《汉书·王褒传》中有“……巧冶铸干将之朴、清水焠其锋”的记载。辽阳三道壕出土的西汉钢剑即为淬火马氏体组织。三国时,浦元对淬火工艺已经有了较深刻了解,掌握了不同水质对钢淬火后质量的影响规律。南北朝时的棊母怀文已经知道使用多种淬火介质,对淬火冷却速度与钢淬火后性质之间的关系有了一定的了解,他提出了“浴五牲之溺,淬以五牲之脂” 的淬火冷却方法。在冶铁发明前,中国已经有铜冶炼的丰富经验。而就其思想体系方面的原因在于春秋战国时,中国形成了百家争鸣的学术局面,以整体论、系统观和辩证思想为基础的诸子百家学说,为钢铁冶炼和淬火技术具备了丰富的哲学内涵。




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