法拉第研究印度烏茲鋼塊開啟了人類合金時代

大名鼎鼎的英國發明家，物理學家法拉第曾經也是一名刀客，他曾經受一個特別喜歡烏茲鋼大馬士革的朋友兼領帶代維的委託，研究了烏茲大馬的特性，他認為烏茲大馬是一種合金，於是——

眾所周知,法拉弟是因為得到電化學方面的泰斗Davy 的賞識而被皇家學院僱用的。當時Stodart是這個學院的一個年長的成員,他既是一個研究鋼製刀具的冶金學家,又是從事這種買賣的商人。

他的商業名片上印有:「J . Stodart ,倫敦,Strand 401。從印度購進Wootz 鋼,經Stodart 先生的完善處理(基於多年的試驗) 而成為歐洲最好的鋼,用以製造外科手術刀、剃刀及其它刀具」。當時,印度的Wootz 鋼塊是公認製做刀具的最好鋼料,英國大量進口,並研究仿製。在這種背景下,法拉弟進入皇家學院,他的第一樁研究工作就是「印度Wootz 的分析」(1819) 。顯然,他是受了Stodart 的影響並有仿製Wootz 鋼的打算的。

接著他與Stodart 發表了兩篇有關合金鋼的論文:「改善鋼的合金試驗」(1820) ,「論鋼的合金」(1822) 。那時他們認為鋼是一種組元,合金元素是另一種組元,因此稱之為鋼的合金,而合金鋼這個名詞要到晚一些時候才在文獻中使用。在1820 年,Stodart 已六十歲,而法拉弟才29 歲,大量試驗工作都是法拉弟進行的。我們今天還有時用炒菜這個辭彙形容合金鋼配方的試驗,法拉弟也不愧為這方面的大師。他不但在鋼中加入了鎳、鉻、銅等合金元素(到10 %) ,並且也加入了一些貴金屬,如金(0.61 –1.00 %) ,銀(0.15 – 0.46 %) ,鉑(0.73–2.50 %) 及銠(0.40–1.60 %) 。此外還有鈀及鋨,他還試圖在鋼中加入鈦,由於爐溫不夠高未能將TiO2 還原而未成功。像他們那樣在鋼中加入相當多的非常昂貴的鉑族金屬,今天恐怕也不會再有人做這樣的嘗試。

法拉弟研究合金鋼的實際目的是非常明顯的,在1820 年的論文中曾對此有所闡述:「在鐵和鋼與其它金屬的合金試驗中,我們的目的是雙重的：一方面探討人工配製的合金在製造刀具方面是否比最純的鋼為優;另一方面,這些合金在相同的條件下是否較不容易氧化。還有一個附帶的目的就是探討這些合金用於製造反射鏡的可能性」。這些也反映在他的報告中:「眾所熟知,鐵隕石不易生鏽,這種認識使我們想到了鎳與鐵或鋼的合金。因此我們配製了鎳含量從3 到10 %的合金,並且發現它們在實驗室或暖房裡並不像鐵那樣容易生鏽。但是,鋼與鎳的合金比純鋼還容易氧化」。又如:「鋼與1.5 %銠的合金有良好的可鍛性,比普通鋼硬,可以製造優良刀具。這些刀具的淬火溫度要較最好的鋼還高70°(注:華氏) ,這一事實意味著這種鋼有較高的硬度和密度。用這種合金製造的剃刀有優良的切削性能」。

對於鉻鋼,Stodart 及法拉弟的初步研究結果是: 「有良好的可鍛性,雖然硬,但無裂紋」。可惜這方面的實驗未進行下去,否則說不定他們還會發現不鏽鋼呢!

法拉弟在實驗室中發現銀和鋼的合金有良好的可鍛性,質地堅硬,表面光亮,可做多種刀具和工具。由於銀的價格不高,供應充足,他認為銀鋼有推廣的可能性,因此還在Sheffield 的一家鋼廠中進行了生產性的實驗,並制出一些刀具分贈親友。

法拉弟在合金鋼方面的研究在當時並沒有產生什麼直接有意義的結果,因為那時的工業生產,除了一些刀具如剃刀、手術刀外,對合金鋼並沒有什麼需求。但是法拉弟在合金鋼方面的系統試驗對後來的發展還是有啟發性的,它的深遠意義不能低估。當法拉弟發明電磁感應而成名後,有人問他電磁感應有什麼用,他的回答是:「我親愛的先生,嬰兒又有什麼用?」這個比喻也完全適用於法拉弟的合金鋼研究,它代表一種新生事物,有非常強大的生命力,後來終於發展成為今天的龐大合金鋼系統。

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