鋼鐵材料的王國–德國|

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鋼鐵材料的王國–德國

99/08/10 22840

謝之駿｜中興大學材料科學與工程研究所

郭曉菲｜德國阿亨工業大學鋼鐵冶金研究所

吳威德｜中興大學材料科學與工程研究所

鋼鐵工業在德國經濟體系中占有重要的地位，不僅和汽車、農業、機械等產業相關，占外貿出口的比重也大，是德國的優勢產業之一。本文從德國鋼鐵工業的發展歷程及現狀、學術與工業界的合作、新鋼種的開發等方面，探討德國的鋼鐵工業會如此發達與進步的原因。

由於鋼鐵材料有較高的塑性應變比值及較小的加工硬化指數，可因應不同需求而加工成各種形狀的產品。比起鋁、塑膠等材料，鋼鐵有較佳的耐衝擊性與耐火性，因此也使用在建築建材業及交通運輸業中。此外，由於鋼鐵材料的回收率高達 95％，較不易對地球環境造成汙染，因此在環保意識抬頭的今日，鋼鐵也歸類為綠色材料。

德國鋼鐵工業發展歷程

根據煉鐵技術的發展及工業化的歷程，德國鋼鐵工業的發展可分為 4 個階段。

第 1 階段（公元前 1 世紀～ 19 世紀）　根據史料記載，公元前 1 世紀德國境內就有煉製生鐵的紀錄。12 世紀時甚至發現木炭高爐煉鐵法，實現了鐵礦石熔煉。然而當時所煉出的鋼鐵含碳量較高，不具鍛造性，且產量較低，因此在這階段並未真正進入工業化。

第 2 階段（1811 ～ 1914 年）　第 1 次工業革命的興起，隨著各種交通運輸工具的發明，鋼鐵材料的需求也日漸提高，促進了鋼鐵工業的發展，各種新式的煉鋼法紛紛問世。19 世紀初，攪拌法的技術被引進德國，開啟了德國現代鋼鐵工業的序幕。1811 年，阿弗瑞德‧克魯伯（Alfred Krupp）在艾森建立了德國歷史上第 1 座鑄鋼廠，隨後各式的煉鋼廠陸續在魯爾區建立。

1864 年，德國工業家佛里德里希‧西門子（Friedrich Siemens）及威爾翰姆‧西門子（Wilhelm Siemens）與法國比爾‧馬丁（Pierre Martin）共同發明了平爐煉鋼法，這是鋼鐵史上最重要的發明，德國使用此技術達 132 年之久。隨著煉鋼技術的成熟，加速了鋼鐵工業的群聚及企業規模的不斷擴大。

1887 年阿弗瑞德‧克魯伯去世時，克魯伯鋼鐵廠已成為擁有近兩萬名員工的鋼鐵業龍頭。鋼鐵生產總量到 20 世紀初則突破 2 百萬公噸，奠定了德國鋼鐵工業強國的地位。

第 3 階段（1914 ～ 1945 年）　在這段期間，德國發動了兩次世界大戰，經濟壟斷與政治獨裁結合，以及鋼鐵工業的全面軍事化，成為德國鋼鐵工業發展的兩大特點。第一次世界大戰後，鋼鐵工業在政府的支持下得以快速恢復。1929 年，德國成為繼美國之後的世界第 2 大產鋼國。到 1945 年二戰結束前，德國鋼鐵總產量已經達到 7,600 萬公噸的驚人數量。

第 4 階段（二戰後迄今）　二次世界大戰後期，盟軍對德國本土的鋼鐵工業基地魯爾區進行了大規模的轟炸，毀損了高達 80％以上的基礎設施，導致戰後初期德國鋼鐵生產能力遠遜戰前。1952 年，在法國的倡議下成立了歐洲煤鋼聯盟，監控並確保德國鋼鐵工業的有序發展。到了 1957 年，西德的粗鋼總產量已經恢復至 1,600 萬公噸的水平，1974 年甚至達到 5,300 萬公噸，成為德國經濟復興的重要推手。

德國的製鋼技術

鋼鐵材料的使用面相當廣泛，可應用於電機、造船、鋼鐵建築、民生及其他行業，且使用量日益增高。因為需求量高，品質也須確保，德國的鋼鐵熔煉技術因而具有一定的水準。這就是為什麼一個國家鋼鐵的需求量及使用量，可以做為評定國力強弱指標的原因。

提起德國的製鋼技術，不免讓人想起奔馳（Mercedes Benz）與寶馬（BMW）兩種集豪華與高性能於一身的德國名貴轎車。梅賽德斯（Mercedes）是西班牙文，是「優雅」的意思，在德國斯圖加特（Stuttgart）的奔馳博物館中，則把它解釋成「恩賜」的意思，令人覺得這名字取得正如其名。奔馳車不論在過去、現在或未來都是很多人的夢想，能夠駕著它馳騁在廣闊無際的草原或沙漠上，真可說是一種優雅及恩賜啊！

德國生產的汽車品質當然是有口皆碑，而汽車車體大部分是鋼鐵材料，因此德國的製鋼水準是不容置疑的。德國掌握了高水準的煉鐵、煉鋼及軋鋼技術，這 3 個程序各有其專業的技術面，缺一不可。德國有效地利用高水準的製鋼技術造就了各種工業升級，無論是汽車工業、機械業、農業或建築業，鋼鐵材料都扮演著不可或缺的重要角色。

用產學研合作

德國的產業界、大學及研究機構之間的合作十分密切，「用」、「產」、「學」、「研」一體化，非常適合形容它們之間互助互進的關係。以著名的德國鋼鐵協會及鋼鐵研究中心為代表的機構，更為企業與大學合作提供了優越的市場研究和技術交流平台。

他們透過對鋼鐵行業的分析，預測行業的發展，提出鋼鐵及各相關領域的研究重點，並與各研究機構、大學、鋼鐵生產及加工公司緊密合作。鋼鐵協會還利用發行刊物及舉辦年會的方式，做為研究單位及生產單位之間的溝通橋梁，有效地推動研究成果於實際的應用上。

對人才的培訓及重視

德國對基礎材料相當重視，認為只有基礎工業的根扎實，才能促進工業及科技的發展，因此對於鋼鐵專業人才的培訓非常重視。以阿亨工業大學（RWTH Aachen University）為例，其鋼鐵冶金研究所歷史相當悠久，提供學士、碩士及博士學程給對鋼鐵專業知識有興趣的本國與外籍學生攻讀。

鋼鐵冶金研究所不只注重學術研究，與工業界的合作也相當密切。館外有兩個銅人，分別拿著煉鐵及煉鋼的工具，不懼豔陽高照、颳風下雨，經年累月地佇立在館外，象徵著鋼鐵對德國工業發展的重要，更意味著對鋼鐵學門有極高的重視。

此外在館內也有寫著「鋼鐵就是未來」的標語，這在其他國家的學術界幾乎是看不到的，更顯示德國對鋼鐵的重視。正因為了解鋼鐵材料對生活的重要，更對德國的製鋼技術有十足的信心，他們非常肯定鋼鐵就是未來。德國的大學對於鋼鐵研究是採實驗與模擬並重的方式，而模擬必須有物理、化學、數學、材料科學等專業，實驗的部分則以鋼鐵材料的顯微金相觀察分析為主。

汽車智慧型超級鋼鐵

一般而言，鋼材占汽車原材料的 70％以上。汽車車體結構使用了許多不同種類的鋼鐵材料，若採用薄而強度高的汽車鋼板，不僅可以減輕汽車的重量，更可以減低燃料的消耗，減少廢氣排放，並改善安全性，是現代汽車鋼板的發展趨勢之一。由此可知，新一代的鋼鐵材料除了可以使鋼板變薄外，還必須兼顧其強度與延展性。

每年在德國都會發生超過 20 萬件的交通事故，汽車製造商要花費大量的精力及金錢，研發新鋼種來保護駕駛者和乘客的安全。除了希望以薄鋼板減輕汽車重量、降低汙染外，在發生撞擊事故時，車身的鋼鐵也必須擁有很好的延展性，以吸收大部分的撞擊能量，並能保持足夠的形狀，以保護乘客乘坐的車廂。

在杜塞爾多夫市的馬克斯‧普朗克鋼鐵研究所，科學家發明了能同時滿足上述要求的未來鋼鐵，稱為相變誘發塑性鋼。這種鋼種除了本身具有的強度外，在撞擊瞬間可以產生相當高的延展性，這時鋼鐵的每一個部分都會延長，然後把剩餘的變形力傳遞到周圍的部分使其變形。透過把能量分散到整個表面的方式，撞擊的動能可以有效地被吸收，從而保障乘客的安全。這種可以在撞擊瞬間同時具有強度、韌性的新鋼種，可稱為「智慧鋼鐵」。

比起其他種類的高強度鋼，相變誘發塑性鋼擁有更高的降伏強度與延伸率，其降伏強度能達到 700 ~ 900 MPa，延伸率可達到 20％以上。若用於交通運輸業，可以有效降低人員的傷亡，因此稱為「智慧型超級鋼鐵」一點也不為過。

鋼鐵材料是基礎的傳統材料，也是民生不可或缺的工程材料，使用範圍遍布食衣住行育樂，而且不會隨著社會變遷及時代進步而被淘汰。

德國致力於鋼鐵研究多年，開發出許多新鋼種，也製造出安全性與舒適性兼顧的世界馳名汽車。但卻不因此而自滿，目前仍積極開發適合各種環境的鋼鐵，因為德國人覺得鋼鐵材料有其他材料不可替代的特性。傳統產業是經濟的命脈，許多高科技產業也必須使用到鋼鐵材料，因此鋼鐵材料的開發對於促進科技發展具有實質且正面的影響。

深度閱讀

鋼鐵大學網站：http://www.steeluniversity.org/

資料來源

《科學發展》2010年8月，452期，62 ~ 69頁

科發月刊(5221)

鋼鐵材料的王國–德國

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