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第30章 不锈钢和铬的发现

钢铁是现代工业的宠儿,宏伟的工业化计划需要各种钢材——不锈钢、结构钢、工具钢、滚珠轴承钢等等,它们大多含有铬。

不锈钢的发现是很偶然的。1913年,英国科学家布里尔在研制合金时,制得一种铬铁合金成品,因性能不符合标准,就把它抛在一边。过了一段很长的时间,废品堆里的不少金属已被锈蚀得千疮百孔、面目皆非了,而独独那块被抛弃的铬铁合金却依然故我,完整无恙。布里尔十分惊奇,把它拣回去重新研究,终于制成了最早的不锈钢。

为什么不锈钢特别耐腐蚀呢?原来铬在潮湿的空气中很稳定。当接触到强氧化剂浓硝酸时,首先在金属表面形成一层致密的三氧化二铬薄膜,阻止进一步被氧化。合金中添加铬,也会形成这种稳定的薄膜,阻止电化学腐蚀。

在钢中加进12%以上的铬(有的含铬17%~19%,含镍8%~13%),就得到不锈钢。这种钢的含碳量要求低于允许的最小含碳量(0.1%)。因为过多的碳会形成碳化物,在钢的晶粒边界析出,从而降低铬在晶粒内部的含量,使钢难以抵抗酸和氧的作用。

不锈钢具有很好的韧性和耐腐蚀性。人们曾做过试验:用重量都为20克的不锈钢和普通碳素钢各一块,放进稀硝酸中煮上一天,取出称重,结果普通碳素钢重136克,而不锈钢却重198克。在常温下,不锈钢同空气、水蒸气、海水、酸、碱等接触,耐蚀性很好。因此汽车工业普遍地采用不锈钢来造内燃机零件;化学工业用不锈钢来制造各种管道、反应塔等防腐设备;造船工业用不锈钢来制造轮船、汽艇和潜水艇的船身。在日常生活中,人们常同不锈钢打交道。手表、全钢的表带和表后盖都是用不锈钢做的;半钢的、表后盖是不锈钢做的,而表壳是用其他金属做的。现在茶杯、饭锅、蒸锅,也有用不锈钢制的。医疗器械如手术刀、剪、注射器、针头等,大多是用不锈钢做的。人们常说的镀“克罗米”,其实就是镀铬。

铬是拉丁语的音译。

在合金中,加进数量不同的铬,可以制造出各种不同用途的合金。滚珠轴承钢坚硬而耐磨,这种钢含1%的碳、1.5%的铬。铬钢中含有25%~30%的铬,可以经受1000℃的高温。这种钢做的零件,受热后也不起“鳞皮”。镍、铬和铁的合金,可以制成良好的加热元件,如果再加进钴和钼,能耐650℃~900℃的高温,可用来制造涡轮机的叶片。钴、钼和铬的合金,对人体无害,可用于外科的修补材料。一种以锰、铬和锑合金为主的材料,它的磁性可随温度的改变而变化,普遍应用于自动装置中。

轮船外壳长期浸在海水中,往往受到腐蚀。1969年,日本的一艘5万吨级的矿石船,因船身腐蚀断裂而沉没。因此各国科学家纷纷进行研究耐海水腐蚀的钢材。我国研制了一种铬铝的合金钢,耐海水腐蚀性能比普通碳素钢高一倍。国外研制的铬硅合金钢,能在金属表面形成硫酸盐膜,也很耐腐蚀。

铬的化合物三氧化二铬,颜色绚丽。在氧化铝中添加一定量的氧化铬,就可人工造出光彩夺目的红宝石来。氧化铬还用于制造拖拉机发动机摩擦零件。当氧化铬燃烧时,形成了细小的颗粒,它们飞落在汽缸的内壁和其他摩擦表面上。在摩擦过程中,把所有粗糙的地方都磨平抛光,使零件紧密地吻合。录音磁带表层的颗粒,用氧化铬替代氧化铁,录音质量显著提高了。

铬耐大气腐蚀的特性是金属王国中出类拔萃的。科学家曾经试验在金属表面上镀铬,遇到不少困难,花了75年时间才得到解决。1920年,人们发现,只有六价铬才能生产出符合要求的铬镀层,它开始用于电解液中。六价铬有毒性,现已开始用三价铬代替它。根据不同的要求,镀层厚薄也不同。汽车、摩托车和自行车的外部零件上,镀层厚度在0.1毫米以下,而用于装饰美观的镀层,如眼镜架、钟表表面、手表带、门把手、车灯、照相机架,镀层薄到0.0002毫米~0.005毫米。在一些炮筒、枪管内壁,镀铬层很薄,但是当发射了千百发以后镀层仍然存在。

镀铬层还另有妙用。镀铬的聚苯乙烯比不镀铬的塑料耐用,它不受磨损、弯曲和冲击等的影响。用这种材料做零件,使用寿命也长。用薄的镀铬层来保护金刚石,那些有细小氧化裂纹的天然金刚石,仿佛披上了一件碳化铬的“铠甲”,从而得到了双重的效果:既可使金刚石做的刀具、钻头更耐用,又可使金刚石变得更硬。

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