材料科技：具高值性能的鋼材
102/06/06
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吳承恩｜
金屬工業研究發展中心
張家豪｜
金屬工業研究發展中心
魏嘉民｜
金屬工業研究發展中心
鋼鐵的歷史
距今約五千多年前，人類最初使用的鐵是撿拾從天上掉下來的隕鐵，是鐵、鎳、鈷等的混合物，而鐵所占比率高達90％以上。由於鍛造性能好、強度高，做出的用具鋒利牢固，又因來源有限，十分珍貴。也因此，早期出土的鐵器多半只有刀刃部分用隕鐵。
在中國、埃及、伊朗等地所發現最早出現的鐵器都是隕鐵打造的，直到偶然的情況下，用薪火加熱熔解鐵礦石後才發現鐵。最初的產量很少，非常貴重，只供裝飾用。日後煉鐵技術漸漸成形，鐵材才開始廣泛運用在製造日常用品上。
約西元前1600年的商代，陶瓷燒成溫度已有攝氏1,180度，窯溫則高達攝氏1,230度，這種高溫為金屬冶煉創造了堅實的技術基礎。雖然當時的人在煉鐵技術及實務操作上還不是很純熟，但商周時代高度發展的青銅冶鑄工藝，為煉鐵術的產生和生鐵鑄造技術的發展建立了良好的基礎。
也許是在豎爐煉銅時加入的鐵礦熔劑太多，而煉爐溫度又高，使鐵礦石還原成鐵，也許是在豎爐中直接試煉鐵礦石偶然獲得了鐵，加上長期對隕鐵的認識，煉鐵術便由此誕生。爾後，在西元前1400年開始出現利用鐵礦石初步提煉生鐵的方法。
鋼鐵的重要性
鐵是地球上含量豐富的金屬，而鋼是以鐵為主要原料的加工品。人類很早就知道利用鐵器，最初因為製作不易、價格昂貴，只有貴族才能享用鐵製武器或裝飾品。可以普及後，一般人才得以鐵器製作日常用品。由於鋼鐵具有強度高、韌性大、延展性佳、電與熱的良導體等特性，隨著冶煉知識與技術的進步，鋼鐵產品的用途愈來愈廣泛。
儘管近年來受到其他新材料興起的影響，鋼鐵產量有下滑的趨勢，但自工業革命以來，鋼鐵產量與人口數曾經長時期都被當做國力強弱與文明程度的指標，可見其重要性。
鋼鐵的定義與製程
工業界通稱的「鋼」或「鐵」，基本上都是一種合金，主要成分是鐵元素，另外尚有錳、鉻、釩、鉬、鎳、銅等金屬元素，以及碳、矽、磷、硫等非金屬元素。這些元素中，碳所扮演的角色最為重要，決定鋼鐵是否具有延展性、是否易於熔化。大家熟知的「鋼鐵的五大元素」，即指碳、錳、磷、硫、矽。
從實用觀點而言，可概略地依含碳量多寡來區分鋼鐵材料，含碳量低於0.0218％的是純鐵，高於2％的是鑄鐵，介於兩者之間的是鋼。
煉製鋼鐵的原料
煉製鋼鐵所需要的原料，可分為鐵礦原料、煤和焦炭、助熔劑及其他配合原料4大類。
鐵礦石是含有鐵元素的礦石，以鐵化合物形態存在，有氧化物、碳酸物、矽酸物、硫化物等。鐵礦依粒度大小，分為粉鐵礦和塊鐵礦。粉鐵礦添加細焦炭、助熔劑等混合成燒結物，塊鐵礦送至高爐配料間，配料間有焦炭、燒結礦、塊鐵礦、球結礦、錳礦、轉爐石、矽石等，都是高爐煉鐵的基本原料。強度和化學原料等都會影響爐中操作條件穩定及鐵水品質，因此需有一定的比例和規格。
高爐煉製生鐵不但要有還原劑，也必須有能夠提供大量熱能的燃料。鋼鐵界還在研發可取代焦炭的其他熱能來源，因此高爐現在仍以焦炭做為還原劑。目前自然界中沒有天然的焦煤，而且除了煤的固定炭含量要高，灰分及硫的含量要少外，煤的黏結力及焦竭力也要高，因此最適合製造煉鋼用的焦炭的煤，以煙煤最適合，因為黏結力夠。
助熔劑是用於調整爐渣的鹽基度，可加速燒結速率、控制燒結礦品質及減少有害雜質，使燒結鐵礦在高爐內容易還原、減少焦炭用量及增加鐵水產量。助熔劑也在煉鐵過程中擔當調整成分、降低雜質熔點及節省燃料的角色，煉鋼用的助熔劑是大理石質石灰石。
其他配合原料則有純氧氣–在煉鋼爐中以吹氧設備送入的氧氣，以氧化生鐵液中的碳；脫氧劑–鋼液中殘餘的氧須靠添加脫氧劑去除，如錳鐵、矽鐵、鋁塊等；廢鋼料–來源有煉鋼過程產出的與加工程序切除的廢料、工業產品與消費用品的廢棄鋼料等；其他鐵合金—在冶煉特殊用途的合金鋼材時，必須添加各種金屬成分來調整成品的性質；製程回收料–即煉鐵製程回收使用於燒結場的雜料。
鋼鐵的分類
鐵常因冶煉的程度或方法而分為生鐵與熟鐵、鍛鐵與鑄鐵。鋼的分類則較複雜，以所含成分可分為碳鋼、合金鋼或特殊鋼，碳鋼又可分成高碳鋼、中碳鋼及低碳鋼。以功能或性質來分，有超硬鋼、耐高溫鋼、耐寒鋼、耐蝕鋼、不銹鋼、高速用鋼、軸承鋼、彈簧鋼、磁性鋼、非磁性鋼等。
另外，鋼依提煉方法，可分轉爐、電爐兩種；依所含成分，有低合金鋼如矽鋼、構造用合金鋼、合金工具鋼、軸承鋼、高強度鋼等，高合金鋼如不銹鋼、耐熱鋼、高速鋼等；依產品形狀，分為型鋼如鋼板樁、H形鋼、山形鋼、溝形鋼等，棒鋼如圓鋼、竹節鋼與角鋼，鋼板如厚板、熱軋薄片、冷軋薄片、電氣鋼板、鍍鋅鐵皮、鍍錫鐵皮等；依製造方法，則因不同的脫氧模式分為未靜鋼、加蓋鋼、半靜鋼、全靜鋼、真空脫氣鋼等。
創造高值性能的方法
隨著人類歷史的演進，對於鋼鐵材料的強度、結構性、使用壽命、美觀等性能的需求不斷提高。
在機械強度方面，從遠古時期的單純運用隕鐵製作刀具，到千錘百鍊及人骨煉劍而成的干將、莫邪等名劍，就是鋼鐵材料強度需求不斷提升的結果。
提升鋼鐵材料強度可透過合金設計、製鋼技術等方法。千錘百鍊就像是現在軋延、鍛造等加工技術，藉由不斷地使鋼鐵材料變形來達到強化的效果。人骨煉劍則可視為添加合金元素，人骨中含有大量的磷元素，添加磷於鋼材中可以產生析出硬化的效果。現代對於提高鋼材強度的煉製技術，先後有控制軋延技術、控制冷卻技術、Thermo Mechanical Controlled Process（TMCP）熱機處理技術及機械性能調質技術。
在煉鋼製程中，在高於鋼材再結晶溫度的高溫狀態下進行軋延加工，進而控制鋼材軋延後的尺寸，稱為控制軋延技術。此外，透過控制鋼材經熱軋後的冷卻條件，提高鋼材的機械性能如強度、硬度，稱為控制冷卻技術。
藉由在軋延製程中同時冷卻以提高鋼材機械性能的方式，稱為TMCP熱機處理技術，是由日本發展出來的。TMCP熱機處理技術同時結合了軋延控制及冷卻控制兩種線上煉鋼技術，可以製造出具有高強度的鋼材，但有後續不易加工及成形性不佳的問題。
歐洲發展出快速淬火和回火的搭配運用進行鋼材組織相的控制，獲得性能調配與提升材料的機械性能，稱為性能調質鋼（Q.&T.鋼）。Q.T.技術的核心在於透過熱處理方式提高鋼材機械強度，創造更高的運用價值。
熱機處理是高強度鋼材製造的關鍵，其中冷卻速率更是影響鋼材強度的決定因子，鋼材由高溫冷卻到低溫的速度越快，越能製造出高強度的鋼材。
TMCP及Q.T.都屬於熱機處理技術，同是使低成本鋼材創造出高價值性能的技術。透過熱處理的方式提高鋼材性能，能因應各種鋼材使用強度的需求，進而提高鋼材價值。
熱機處理技術主要應用於高強度低合金鋼，高強度低合金鋼所包含的合金元素有銅、釩、鎳、鉬等，合金元素總含量達10 wt.％，強度優於普通低碳鋼，主要用在建築、公路、鐵路橋梁、船舶、火車貨客車廂、卡車與大客車車體、礦用機械起重機等。
由於應用場合多半在露天環境，除了必須具有較大的強度及銲接時不因加熱而淬火變脆外，因經常暴露在風吹日曬雨淋的大自然環境中，所以須具有相當的耐候性。因此，添加合金元素於鋼材中，不僅考量可否增加鋼的強度，也須衡量對於改善鋼材耐蝕性的影響。
高強度低合金鋼的優點
高強度低合金鋼即在普通碳鋼裡添加少量的合金以提高強度與耐蝕性，且可銲接處理。若透過Q.T.熱機處理技術，可有效地提高機械強度，使鋼材具有高強度、耐磨性及高結構性，在大型結構上總體的使用成本較低，在資源有限的現代，也能因此而節省材料的消耗。
過去半世紀，高強度低合金鋼可說是鋼鐵在性能、種類、品質發展上最快的一類。未來除了朝降低碳含量的方向發展外，微少量合金化的發展也是影響性能非常重要的部分，或許某一天可以看到高強度低合金鋼廣泛運用於各種物件的製造。
