解決方案
1913年,謝菲爾德的冶金學家哈里·布雷爾利正試圖改良用於槍管的鋼材,因為槍管在熱與壓力下會受到侵蝕與腐蝕。他實驗了含不同鉻量的鋼合金,一支接一支地測試槍管,想找出能承受考驗的材料。
經過數月的工作,他製造的每一支槍管都腐蝕了——除了那支含約14%鉻的槍管,它沒有腐蝕。他發現的就是不鏽鋼。鉻與氧結合,在表面生成一層薄而堅硬的氧化物層,阻止氧氣接觸下方的鐵,於是鋼鐵不再生鏽。
這就是不鏽鋼既堅固又耐腐蝕的原因:不是因為它被塗漆或鍍層,而是因為保護層是金屬本身的一部分。鉻氧化物層能自我修復,因此即使表面被刮傷,它也會重新形成。鉻相對於鐵具有更負的電位,正是這一點驅使它充當這層鈍化層。
這項發現是偶然的,該合金也不是布雷爾利原本要尋找的東西,但它解決了一個遠超槍管範圍的問題。不鏽鋼後來被用於廚房水槽、餐具、手術器械、工業設備和建築施工,而最常見的牌號18:8,含18%鉻和8%鎳。
它達成了什麼
鉻氧化物使鋼鈍化
為何有效
普通鋼鐵會生鏽,是因為氧氣接觸到鐵並形成紅色氧化物。
鉻的氧化物Cr2O3形成一層堅硬的表面層,阻擋氧氣接觸鐵。
鉻更負的電位使它成為鈍化層,而非犧牲層。
該層被刮傷時能自我修復,因此保護是內建於金屬之中,而非施加於其上。
可應用之處
與其用可能磨損的塗層來保護脆弱的材料,不如將保護內建於材料之中,使其持續自我再生。
後續
布雷爾利於1913年製造出不鏽鋼,一旦人們理解了它的耐腐蝕性,它便迅速傳播開來。最常見的牌號18:8含18%鉻和8%鎳,見於水槽、餐具和醫療器械;更耐腐蝕的牌號則添加鉬,用於建築施工。它被採用不是因為它更硬或更強,而是因為那層自我修復的氧化物層讓它能在普通鋼鐵無法存活的環境中存續。發現的優先權存在爭議,但布雷爾利之名與這項實用突破相連。
追溯依據
參考來源
- Case Study: How Chromium Protects Steel University of Michigan Materials Science and Engineering · mse.engin.umich.edu
- Stainless steel Wikipedia · en.wikipedia.org