从矿石到钢铁

钢和铁是“孪生兄弟”，它们的基本成分都是铁，差别在于含碳的量不同，而含碳量的多少对钢铁材料的性能有着显著的影响。做铁锅用的材料叫生铁，含碳最多，达1.7%以上，它又硬又脆，一敲就碎。铁勺是用熟铁做的，含碳在0.2%以下，韧而不脆。切菜刀的锋利刀刃是钢做的，含碳在O.2%到1.7%之间，韧性和硬度都挺好。

两千多年前，我国就有炼铁成钢技术。相传，春秋战国时候，浙江武康（今德清县）一带住着一对夫妇，男的叫干将，女的叫莫邪，善于炼铁铸剑，他们铸出的剑，剑刀锋利，寒光逼人。后人为了纪念他们，把他们炼铁的那座山，取名莫干山。

现代的钢铁，是用铁矿石在高炉中炼出来的。1100℃的高炉里，发生了一场氧的“争夺战”：从热风炉里，送来的热空气流，使炉底的焦炭熊熊燃烧，变成二氧化碳，随着空气往上跑；在炉子中部，二氧化碳遇到赤热的焦炭层，变成一氧化碳。在铁矿石里，铁和氧紧紧结合在一起，但是，氧和一氧化碳更容易结合些。这样，一氧化碳夺走了铁矿中的氧，生成二氧化碳，而铁被还原出来了。打开炉底的出口，灼热的铁水像“火龙”奔流而出。

炼钢，实际上就是把生铁中的一部分碳除掉，使它的含碳量降低到规定的范围内。

炼钢的炉子有转炉、平炉和电炉三大类。它们各有特点，可以用来炼成各种各样的钢。将白炽的铁水倒进转炉或平炉，从炉底呼呼地 鼓进热空气，当温度达1800℃时，生铁里的大部分碳遇到氧气燃烧起来，变成二氧化碳跑掉了；部分的铁和其他杂质，如硅、磷、硫等，进入炉渣中。钢水的成分达到要求后，就可以出钢。电炉炼钢要消耗大量的电能，因此成本较高，适于冶炼高级钢种。磷和硫是钢中的有害杂质，它们会使钢的性能变脆，因此无论采用哪一种冶炼方法，都必须严格控制钢中的磷、硫含量。

“刀枪不入”的锰钢

解放军战士戴的钢盔，是用高锰钢造的，既坚硬，韧性又好，一般弹片和子弹都打不穿。

这种钢虽则20O多年前就有了，但那时谁也不愿用它。因为在炼钢中掺入锰，钢虽然变硬了，但也变跪了。钢中加入锰越多就越脆。如果钢中的锰含量达到3.5%，那就脆得如同玻璃，一碰就碎。

后来，英国年轻的冶金学家海费德，想看看钢中掺了锰后，究竟会脆到什么程度。于是，他进行一次又一次的试验。当钢中的含锰量增加到13％时，奇怪，锰钢变得既坚硬又富有韧性！从此，锰钢身价百倍，成了重要的工业材料。现在，铁路钢轨交叉处，掘土机的铲斗、钢磨、滚珠轴承，常用高锰钢制造。在军事上，还用来制作坦克和战车的装甲等。   高锰钢还有一种奇怪的特性，当加热到850℃左右的时候，会变得十分柔软，很容易加工。高锰钢含锰14%以上时，还不会被磁铁所吸引。因此，人们用它来做军舰上舵室和一切接近罗盘的钢铁机件。因为罗盘附近的钢铁机件一旦有了磁性，就会使指南针失灵指偏方向。

除了高锰钢之外，人们也常常在结构用钢和弹簧用钢中加入微量锰，以使强度大大提高而将其韧性控制在合理的范围之内。深受年轻人喜爱的锰钢自行车，其车身就是用这种锰钢制造的，由于钢材的强度提高，可使钢管的壁厚变薄，从而大大减轻车身重量，使骑行更加轻快。

“削铁如泥”的合金钢

《水浒传》里有个“杨志卖刀”的故事，说杨志的那口宝刀，把一叠二十文铜钱，只一刀，就齐齐地截成了两叠！这固然有些夸张，但是我国古代宝刀、宝剑的锋利，确实是有名的。考古学家发现，古代的刀、剑都含有钨。

钨，是所有金属中最不怕热、熔点最高的一种。因此，在钢中加入钨制成的钨钢，也具备了钨的这种优良特性。用普通的钢做车刀，热到250℃以上，便会变软，自然无法切削金属了；然而，钨钢做的车刀，即使温度高达1000℃，也坚硬如初。除了车刀，还有高速旋转的机轴，耐高温的枪筒、炮管，都得用钨钢来制造。

在第一次世界大战中，英国初次使用坦克的时候，凭着厚厚的钢甲，在战场上势如破竹。可是，好景不长，德军的炮弹竟打穿厚厚的钢甲，使英军的坦克失去优势。英国人仔细分析了德军的弹头，发现其中也加入了钨。事后，英军在钢中加入了一些铬、锰、镍、钼等元素，做成新型的坦克钢板，厚度只有原来的三分之一，可是德军的炮弹却不能击穿它。

这是为什么呢？原来，铬能提高钢的硬度和强度，而镍可以增加钢的韧性和可塑性。如果在钢中既加入铬，又加了镍，便得到性能优良的镍铬钢了。

现在，世界上已经能生产几千种“脾气”奇特的合金钢，以满足工业生产的各种需要。硅钢（又名矽钢）是制造变压器的好材料。它不像用普通的铁制作的铁芯，常常会发热，消耗大量的电能；而用硅钢，几乎不会消耗电能。钒钢异常锐利，用来制造炮弹头，可击穿40厘米厚的优质钢板。含镍36%合金钢，在100℃以内的温度中，几乎不膨胀或收缩，很适宜制造精密量具。

垃圾堆里发现的不锈钢

光亮夺目的不锈钢，是从垃圾堆里发现的。

在第一次世界大战时，英国科学家亨利·布里尔利受英国政府军部兵工厂委托，研究武器的改进工作。那时，士兵用的步枪枪膛极易磨损，布里尔利想发明一种不易磨损的合金钢。后来，他往钢中加入各种各样的元素，做了好多试验，都没有成功。他失望地把它们抛进垃圾堆。过了很久，奇怪的现象发生了：垃圾堆里大部分废铁都锈蚀了，只有几块含铬的钢仍旧是亮晶晶的。布里尔利捡出来详细研究，发现含碳0.24%、含铬12.8%的铬钢，任凭日晒雨淋也不易生锈，又不像一般钢铁那样“怕”酸碱。因为铬钢太贵、太软，不能造枪，于是，他办了一个餐刀厂，生产不锈钢餐刀，轰动了欧洲。1916年他取得英国专利，并开始大量生产，成了“不锈钢之父”。

后来人们还发现，在不锈钢中除了加入铬以外，再加入少量的镍、钼、钛、铜、硅和一些稀土金属，能进一步提高它的抗锈本领。现在，不锈钢已发展成为一个合金大家族，品种不下数百种。

现在，科学家们又研制成彩色不锈钢。它是普通不锈钢经着色和固化工艺获得的。将普通不锈钢浸没于含铬酸的热溶液中，其表面就被溶液浸蚀，形成薄而透明的氧化膜，因它能吸收一定波长的光而呈现一定的色彩。有趣的是，浸泡的时间不同，氧化膜的色彩也不一样。如果溶液加热到70℃，浸15分钟就成蓝色；浸18分钟可获金黄色，22分钟变紫色，24分钟呈绿色。然后，放在铬酸硫酸水溶液中作电解处理，氧化膜颜色就被固定下来。

当然，不锈钢也不是绝对不锈的。在受到一些强腐蚀剂侵蚀时，它也会生锈，只是不会像一般钢铁锈得那么厉害。