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福建快3开奖号码今天:我國古代的鋼的化學熱處理技術

我國古代的鋼鐵熱處理技術:鋼的化學熱處理

福建快3形态走式图 www.sedprr.com.cn 化學熱處理簡介:

鋼的化學熱處理就是將工件置于一定溫度的活性介質中加熱、保溫,使一種或幾種元素滲入其表層,利用化學反應、有時兼用物理方法改變鋼件表層化學成分及組織結構,以便得到比均質材料更好的金屬熱處理工藝。

現代離子滲氮:

由于機械零件的失效和破壞大多數都萌發在表面層,特別在可能引起磨損、疲勞、金屬腐蝕、氧化等條件下工作的零件,表面層的性能尤為重要。

經化學熱處理后的鋼件,實質上可以認為是一種特殊復合材料。心部為原始成分的鋼,表層則是滲入了合金元素的材料。心部與表層之間是緊密的晶體型結合,它比電鍍等表面復護技術所獲得的心、表部的結合要強得多。

離子滲氮爐:

鋼的化學熱處理的方法繁多,多以滲入元素或形成的化合物來命名,例如滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲硅、碳氮共滲、氧氮化、硫氰共滲和碳、氮、硫、氧、硼五元共滲,及碳(氮)化鈦覆蓋等。


古代化學熱處理:

我國古代鋼的化學熱處理包括表面滲碳和滲碳增氮和表面滲氮三個方面,主要用以改變器件表面或局部的化學成分和機械性能。


表面滲碳:

表面滲碳技術,至少可上推到漢魏時期,西漢中期的劉勝佩劍和錯金書刀內層含碳量最低處為0.05%,最高不超過0.150.4%,而表面含碳量卻達0.6%以上,澠池漢魏時代的一把鐵鐮,刃口中心珠光體量為30%,而邊緣卻達70%。顯然,這種碳分布是由于表面滲碳造成的。

圖3 錯金書刀上的高碳和低碳分層組織,夾雜物在高碳層

在分析劉勝錯金書刀時,人們還發現,在材料加工疊層界面上的夾雜物中,含有較多的鈣、磷、鋁。據認為,這很可能是使用了骨粉催滲劑的緣故。如果確實是這樣的話,便說明我國的滲碳技術在漢魏時代就達到了用催滲劑以提高滲碳效率的較高水平。

據《吳越春秋?闔閭內傳》所載,鑄劍師干將制劍時,遇到“金鐵之精不銷淪流”,乃“斷發剪爪,投入爐中,使童女童男三百人鼓橐(tuó)裝炭,金鐵乃濡(rú)。遂以成劍,陽曰干將,陰曰莫耶,陽作龜文,陰作漫理?!毖羈砣銜饈且恢忠院C嗵系墓燙逕賈聘種?。

根據描述的“三百人鼓橐裝炭”的情況看,更像是液體滲碳,可以認為干將在制劍時,將塊煉鐵的劍坯埋入以鐵碎末和含碳物質為主的滲劑中加熱,滲劑中的鐵達到一定含碳量后,“金鐵乃濡”,這時鐵碎末和鐵坯表面與含碳物質反應而熔化,“濡”指的是鐵坯未完全熔化。

受當時的加熱溫度所限,通過三百人鼓橐裝炭,有可能使煉爐的爐內溫度達到鐵碳合金熔點的下限1148℃,從而使塊煉鐵的劍坯獲得滲碳效果。

從此看來,《吳越春秋》描繪的事件極有可能是液體滲碳的開端。液體滲碳顯然是在當時的金屬加工工藝方面取得的一項突破性的進展,無怪乎先人的著作對此重筆稱贊。而此前,工匠運用的技術是未出現熔化的滲碳劑的固體滲碳方法。根據文獻分析,干將制劍事件大約是出現在公元前6世紀。

明代宋應星在《天工開物》卷十中談到過一種制針的滲碳工藝是:先用冷拔、剪切等方式把“熟鐵”制成針的雛形,然后把針坯“入釜慢火炒熬,炒后以土末入松木、火矢、豆豉三物罨(yǎn)蓋,下用火蒸,留針二三口,插于其外,以試火候。其外針入手捻成粉碎,則卜針火候皆足,然后開封入水健之”。

此“慢火炒熬”的目的主要是為了消除針坯成形過程中的內應力。固體滲碳劑中,松木火矢是一種木炭,同書有說明火矢是木材經“不閉穴火”所獲產物,是主要的滲入劑;豆豉也是含碳物質是輔助滲入劑,土末是分散劑,對防止含碳物質的相互黏結和炭黑的析出有一定的作用。

明 宋應星 天工開物中的抽線琢針圖


“松木”、“火矢”、“豆豉”為滲碳劑?!跋掠沒鷲簟?,就是滲碳過程。這里談了一整套滲碳工藝的操作:滲碳在釜中進行,有消除應力過程,有良好的滲碳劑,有指示針??杉竅嗟背墑斕墓ひ?。類似的工藝形式我國民間俗稱“燜鋼”,直到近代還在河南等地流行。

宋應星談到的滲碳劑是固體,我國在明清時代還使用過一種膏狀滲碳劉。它的工藝是,先把這種滲碳劑涂在需要處理的部位,然后“入火”,加熱,使碳滲入。

明,《便民圖篆》卷十五制造類?!暗閭幀碧跛擔骸把蚪?、亂發俱煅灰、細研、水調涂刀口,燒紅、磨之”。此“羊角灰”,“亂發灰”都含有碳酸鈣,作為滲碳劑,細研后用水調和成膏狀、涂于刀口便可“入火”加熱滲碳。

清,陳克恕《篆刻堿度》卷七”煉刀法”條說:“用酒蟹鉗嘴燒灰存性。仍用蟹酒調涂刀口,入火燒紅。復入蟹酒淬之。更涂鉗灰于上,如前燒紅淬酒。愈煉愈堅。依法煉畢,仍用火燒紅寸許,取懸火上,加昂出火外。漸漸退出,相其口上變色轉白未可亦淬,淬之則脆。既而轉黃轉青,淬之適中可用。太遲則火候過矣”。此“酒蟹嘴”為滲碳劑,“蟹酒”為催滲劑和淬火劑。整個工藝過程分為兩步:第一步是用反復加熱滲碳淬火來提高刃口硬度;第二步是回火處理,并根據回火色看回火的“適中”火候。


滲碳增氮:

上面談的工藝中,滲劑基本上是一些含碳物質,主要是對工件進行滲碳;此外,明清時期人們還使用過一種含氮滲劑,通常也做成膏狀,在滲碳的同時可能還有一些氮滲入,即現在所說的碳氮共滲。

《篆刻堿度》卷七“煉刀法條說:“用菊花鋼鍛而為刀,刀成乃礪,礪好乃煉。用箬(ruò)皮灰、牛角灰、青鹽、鹵砂、各五六分為末,將醋調涂刀口。向燈火上燒紅為度。入清水(原注:一法用甘草水,一法用醋)淬之。復煉如前。藥盡為止。煉而再磨”。此“煉”即加熱進行碳、氮共滲?!熬棧ǜ幀蔽恢只ㄎ聘?。

在此工藝配方中,箬皮是一種禾本科竹的皮,箬皮和牛角燒成的灰含有一定的碳成分,當然都含有一定的氮。而青鹽主要成分是氯化鈉,是滲碳處理的常用促進劑,添加青鹽主要是使其成為熔融狀態,因此,這可能屬于一種固液化學熱處理方法。

在此工藝中,鹵砂為氯化銨天然產物,含氮,其目的主要在于供氮?!案戳度縝啊敝饕茄飛?,根據“燒紅為度”,可以判斷其溫度約為650℃,因此,這種工藝極有可能是一種氮碳共滲。


表面滲氮:

在古代文獻的分析中,我們還注意到古人有僅采用含氮物質的處理方法?!蹲碳疃取范源擻邢晗訃鞘觶骸俺⒓緞碌墩?,用豬牙、頭發及硝,各燒灰等分,釅醋調畫刀口,如鋸齒狀,號為馬牙鋼?!逼渲邢跏竅跛峒?,屬供氮原料。

明,方以智《物理小識》卷八“器用類?淬刀法”條說:“以醬同硝涂鏨口,鍛赤淬火?!?/p>

其中醬可能是主要用作為黏結劑使用的, 而硝酸鉀為主要滲劑。硝酸鉀可加熱分解為亞硝酸鉀,而亞硝酸鉀會進一步在加熱的過程中析出氮原子,因此硝酸鉀可作為滲氮劑。以硝酸鉀為滲氮劑的滲氮方法現在仍被有時應用來代替氰化鹽進行液體滲氮。由于氯化胺和硝酸鉀的有效作用溫度均小于700℃。若采用鹵砂和硝作為滲入劑,古人一般不會用高于700℃的處理方法,因此,可以認為上述處理的主要效果是滲氮。


原文出處:我國古代的鋼鐵熱處理技術:鋼的化學熱處理



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