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开创新纪元——粉末冶金大马士革钢时代的来临 (一)
2010-06-07 23:24:54 来源: 作者: 【 】 浏览:42959次 评论:0

□复燃

大马士革钢除了钢质好外,另一最显著的特点是表面呈现出充满艺术感的天然纹路。传统的大马士革钢按成因主要分为两种:第一种是铸造型大马士革钢,也称乌兹钢,产于古代印度,其纹路是在铸造过程中结晶而成,现在工艺已经失传;第二种是锻造型大马士革钢,也称焊接纹路钢,其纹路通过两种或两种以上钢材折叠锻打而成。这种技术很普遍,世界各个地区都沿用,只是风格有所不同。但在现代,传统的大马士革钢无论是性能还是成本都已经不是不锈钢产品的对手。然而就在大马士革钢趋于衰退的时候,采用粉末冶金新技术的当代大马士革钢进入人们的视线,使人们对这种古老钢材的重新应用看到了希望……

大马士革钢兴衰史

用现代术语来说,只含一种成分的钢称为单体钢,含两种以上成份的钢称为复合钢,大马士革钢可以看作是呈现出明显纹路的复合钢。大马士革钢在古代是高档优质钢材的代表,因为对于单体钢来说,其硬度和韧性永远是一对不可调和的矛盾——钢材的含碳量越高,硬度越高,而韧性则越低,韧性低则易折、易崩口;含碳量越低,韧性越高,硬度低则使制成的兵器易弯、易卷刃。而大马士革钢由于是以两种钢材复合而成,因此在硬度和韧性上取得了很好的平衡。此外,大马士革钢所呈现的特殊纹路也是其独有的身份特征,不仅从外观上与其他钢材区分开来,其千姿百态的纹路还具有相当高的艺术效果,体现了不同地区乃至不同制作者的独特风格。

到了近现代以后,现代工业炼钢技术飞速发展,人们不仅能够控制钢材中碳元素的含量,还可以随心所欲地控制铬、钼、钒、锰、钨、硫、磷等元素的含量,这在古代是很难做到的。这些元素对钢材的性能起到至关重要的作用,如铬可提高钢材的硬度、强度,并提高其抗氧化性,形成不锈钢,而硫、磷是有害元素,在钢材中的含量越少越好。现代技术可使化学元素含量达到最佳状态,从而使得现代单体钢的性能远远超过了古代的水平。这种情况令大马士革钢日趋没落,在很多人眼里,大马士革钢已成为一种“中看不中用”的奢侈品,只能作为单纯观赏性的工艺品把玩。

那么,假如使用两种现代单体钢结合制成大马士革钢,是不是性能更加优异呢?理论上说这是肯定的,但在实际操作当中,则面临着似乎无法克服的困难:由于现代优质钢材都是合金不锈钢,在高温条件下,钢材表面必然发生氧化,而现代优质钢中的铬、钨等元素的氧化物熔点高于钢的熔点,这些氧化物夹在欲锻合的两片钢材中间,使它们无法合为一体,即使勉强锻合,也会有“夹灰”的现象,层间结合得非常不紧密。因此,合金元素能使单体钢的性能大大提高,但同时又给折叠锻打技术制造了严重的障碍。有人采用的解决方法是在无氧环境下锻造,虽然可以成功,但这种方式成本太高,过程过于繁琐,操作难度非常高,难以得到广泛应用。

 

粉末冶金 峰回路转

正所谓“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。20世纪后期,瑞典发展起来的粉末冶金炼钢技术,为大马士革钢带来了新的转机。

上文说,现代炼钢技术可使化学元素达到最佳配比,但这种技术并非完善。传统的炼钢方法,是在炼钢炉中将液态钢水通过吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫、直接加入某种金属等方法达到所需的各种元素的配比,然后进入由耐火砖或耐火水泥制成的钢包中,再由钢包中倒入铸模中冷却,得到钢锭。在这个过程中,炼钢炉中的各种化学元素分布是最均匀的理想状态,而进入钢包以后,温度开始降低,这时钢水中的同种成分就会发生聚集现象,等到进入铸模中完全冷却,聚集现象更加严重,化学成分就远不及在炉中时均匀了。有一句俗语说“炉中是金,包里是银,冷却是石”,就是这个意思。

而粉末冶金技术,是当钢还完全是液态时,在无氧环境中从炉口中倒出,同时以高压氮气把钢水吹成雾化状态,使其化学元素来不及聚集就迅速固化成粉末,这样才得以保持其均匀的元素分布。此后在持续高温、高压的密闭容器中,将金属粉末重新焊接为成型钢材。由于元素分布均匀,这种技术炼出的钢材明显优于普通炼钢法生产的钢材。

过去,人们最喜欢用154CM钢材制作刀具,它本来是用于制造飞机螺旋桨的,后来由于飞机螺旋桨不再使用钢材,154CM就停产了。但刀具行业仍有需求,日本企业根据154CM元素含量的数据,用传统技术重新炼出了新的钢材,并将其命名为ATS34。瑞典Erasteel公司同样参照154CM的元素含量标准,但采用粉末冶金技术生产出了一种名为RWL34的钢材,通过对比,其性能明显优于日本的 ATS34。

那么,粉末冶金是如何用于制作大马士革钢的呢?1992~1995年间,瑞典 Erasteel公司在粉末钢的生产工艺流程中,增加了一套粉末分模的设备,使两种钢材的粉末通过这套分模设备按一层层的方式排列起来,再进行下一步的高温高压焊接过程,就形成了平行纹路的粉末冶金大马士革钢。采用另外不同的分模设备,还可以制成同心圆、马赛克两种纹路的钢材。这种粉末冶金的大马士革钢材具有超高的强度、层间强度、韧性和弹性,因为其突破了传统的折叠锻打制造方法,所以可以使用最合适的钢材进行熔合,完全消除了折叠锻打过程常出现的“夹灰”、层间局部焊接强度低等缺陷。此外粉末冶金制造的大马士革钢抗腐蚀性强,易于保养。这一技术现已申请了专利,并基于此在母公司的基础上专门成立了一个新公司——Damasteel。

▲粉末冶金大马士革钢的生产程序

 

 

 

 

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Tags:开创 新纪元 粉末冶金 大马士革 时代 来临 责任编辑:qbq_admin
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