世界不思議

不鏽鋼——從垃圾堆中「撿」出來的發現發明


不鏽鋼的發明已有近百年的歷史。隨著材料科學的飛速發展,不鏽鋼並沒有因為其優異的性能而被淘汰,而是與時俱進,不斷煥發出新的活力。尤其是對於這種從垃圾堆中「撿」來的發明,它可以獲得目前的狀態,這在一開始絕對是出乎意料的。

第一次世界大戰開始後不久,英國科學家亨利·布里利受英國軍械庫的委託修理和改進武器。當時,士兵在前線作戰中使用的步槍,經過長時間的射擊,很快就被磨損了,這不僅降低了射擊精度和射程,而且影響了步槍的使用壽命。他首先認為槍管不耐磨,應該用堅硬耐磨的材料製成。

於是布里利開始開發耐磨合金鋼。他認為各種金屬都有自己的優點。如果幾種金屬熔合成一種合金,它們可能不容易磨損。他在鋼中加入了各種元素,做了很多實驗,但都不理想,這讓他非常失望。布萊爾測試過的每一塊合金,如果磨損不好,他就把它丟在實驗室外面的垃圾堆里。隨著實驗的繼續,垃圾堆里的垃圾越來越多,布里利不得不把它清理乾淨。

在清理垃圾時,布里利的助手看到垃圾堆里的合金鋼大部分都生鏽了,但有一種合金像鏡子一樣明亮,沒有生鏽。助理很驚訝,很快把它撿起來交給了老師。布里利接過閃閃發光的合金鋼,仔細看了一會兒,納悶:這麼多合金鋼都成了銹疙瘩,為什麼沒有銹斑?

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布里利如獲至寶,對這種不鏽鋼進行了研究和分析。結果表明,該鋼含鉻量為12.8%,含碳量為0.24%。他把鉻鋼分別浸泡在酸、鹼和鹽溶液中,結果沒有銹跡。沒有發現耐磨材料,而是無意中發明了「不鏽鋼」。其性能由耐磨合金鋼轉變為耐蝕合金鋼。

這種不鏽鋼價格昂貴,因為它含有鉻,而且它比較軟,不耐磨。它有什麼用?布瑞爾苦思冥想,終於想到:明亮的不鏽鋼餐具實在太理想了,既高貴又典雅。1916年,布萊爾獲得英國技術專利,開始大量生產不鏽鋼。因此,他被稱為「不鏽鋼之父」。

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鋼鐵在潮濕的空氣或水中,會在其表面形成紅褐色的鐵鏽,這就是俗稱的鐵鏽。如果在鋼中加入鉻使其變成鉻鋼,鋼就不會生鏽。這是為什麼呢?

原來,在元素周期表中,鐵和鉻的排列位置很接近。它們具有相似的電子層結構和相同的晶格類型,並且它們的原子可以在晶格中的任何位置被替換。正是這種結構變化導致了鋼材性能的變化。具體來說,普通鋼材與水作用後,其中的鐵元素會與水形成水合氧化鐵,即紅褐色銹。但加入鉻後,由於鉻可以代替鋼中的鐵,它不會產生水合氧化鐵的銹,所以它會變成耐腐蝕的不鏽鋼。

鉻不鏽鋼可以通過在鋼中添加鉻來製造。同樣,如果加入鎳、錳、鈦、銅以及位置稍遠的鉬、鋁、矽和一些稀土元素,也可以製造出不同類型的不鏽鋼,這為開發多種不鏽鋼、擴大其應用範圍創造了有利條件。

布里爾利發明不鏽鋼後,鉻和鎳被用作製造不鏽鋼的主要元素。例如,最常用的鉻鎳不鏽鋼含有18%的鉻和8%的鎳。這樣,每年不鏽鋼生產中鉻和鎳的消耗量是相當可觀的。然而,地球上鉻和鎳的儲量不僅少而且分布不均。例如,鉻主要儲存在南非(占世界的70%)和辛巴威(占世界的21%),而鎳主要儲存在加拿大、中國和俄羅斯。因此,鉻和鎳是許多國家的稀缺資源。

美國和日本缺乏鉻和鎳資源,這迫使它們致力於無鉻鎳不鏽鋼的開發。美國開發的錳(30%)鋁(10%)不鏽鋼具有良好的耐海水腐蝕性和耐磨性。結果表明,在不鏽鋼中加入1%左右的矽,則具有較好的耐海水腐蝕性能,適合於電渣精鍊。

鑄態黃銅的硬度和抗拉強度均高於船用黃銅。因此,在船舶螺旋槳製造中,錳鋁矽不鏽鋼已逐漸取代黃銅。日本開發的無鉻鎳不鏽鋼是在碳含量小於0.4%的錳鋁矽不鏽鋼中加入微量釩、鈮、氮製成的一種新型耐蝕不鏽鋼。這種耐海水腐蝕性好的不鏽鋼已廣泛應用於船舶。

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