鋼

鋼 (Steel)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋼的煉製始於鐵礦的還原，目前常用的方法為高爐 (Blast furnace)冶煉法，由於在使用的過程中加入了大量的煤炭作為還原劑，因此在煉出的鐵當中，必然會含有一定濃度的碳。透過在鐵合金當中碳含量的不同，可以得到不同用途的鐵合金。

圖一、鐵於高爐中的反應 http://www.elmhurst.edu/~chm/onlcourse/chm110/outlines/steel.html

一般高爐煉出的鐵屬於生鐵 (Pig iron)，生鐵為90-95%鐵、3-5%碳、2%矽和微量的其他元素。生鐵由於其碳含量大，因此質地硬而脆，使用上也受到了一定的限制。然而由於冶煉初的生鐵大多呈現大小不一的塊狀，少有沙粒狀的生鐵；並且其熔點較低，並且溫度下降時體積膨脹，因此它也相當適合用在鑄造，其他處理也是相當方便的。鑄鐵(Cast iron)其碳含量和生鐵相近但不純物比生鐵更少。將生鐵繼續進行鍛造，那麼就可以得到碳含量相當低的熟鐵，此時熟鐵的性質已經相當接近純鐵，相較於較硬而脆、熔點低的生鐵，熟鐵的質地較軟、富有延展性，而熔點較高。也因此熟鐵較適合用在於需要鍛造、高溫鍛接的場合。

生鐵經過鹼性氧氣煉鋼法 (Basic oxygen process)，移除生鐵中的矽、硫、磷等雜質，降低碳含量便可以得到鋼。鋼雖然在人類學會煉鐵之後不久就被製造出來，然而受限於產能的限制，一直到十九世紀的柏賽（思）麥法 (Bessemer process)出現後，鋼的產量才有所成長。

相較於生鐵與鑄鐵，鋼的使用性也較廣；隨著碳含量的不同，可以分出碳含量偏高的高碳鋼（High-carbon steel，碳含量介於0.6～1.5%之間）、適中的中碳鋼（Medium steel，碳含量介於0.2～0.6 %之間）與較低的低碳鋼，又稱軟鋼（Mild steel，碳含量介於0.02～0.2 %之間）。這些不同的鋼也有不同的用途；例如其中軟鋼，在大部分的場合便已經取代了熟鐵，成為叫主要鍛造的材料之一。

合金鋼 (Alloy Steel)，是指一系列以鋼為主要成分的合金。透過在鋼中加入不同比率的各種不同金屬，可以改變鋼的各種機械性能。一般而言，合金鋼當中加入錳、矽、鎳、銅等元素，可以形成固溶體(solid solution)，而加入鉻、釩、鉬、鎢等元素，則是形成碳化物，不過都可以提高鋼鐵的強度。鎳與銅則可提高耐腐蝕的性能；鉬可以抑制脆化。鋯與鈰可以提高韌度，而如硫化錳、鉛、鉍、硒、碲，則提高了鋼的可加工性。

 
參考資料：
1. Akins, P.; Jones, L. Chemical Principles – The Guest for Insight, 4th edition; W. H. Freeman and Company: New York, 2008; p. 664-665.
2. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5^th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; p. 785.
3. Wikipedia—Alloy steel  http://en.wikipedia.org/wiki/Alloy_steel