千錘百煉鐵成鋼－鋼鐵的知識

本文介紹鋼鐵的生產過程，鋼鐵的種類，鋼鐵的應用。

參考資料：

1. <鋼如何煉成>：https://www.youtube.com/watch?v=BNIEku9SXYo

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一、鋼鐵應用

▌鋼鐵分類

煉鋼廠生產提煉鐵礦最終產物是「熟鐵」，其含碳量在0.02%以下非常軟且延展性高，再視用途加回碳，碳加越多越硬且韌性越低。高碳鋼硬且脆，低碳鋼軟且耐延展。含碳量在0.02%～2%間叫鋼，之外叫鐵。

含 碳 量	類 別	應 用
2%↑	生鐵 (鑄鐵)	鑄鐵鍋
2%～0.6%	高碳鋼	刀具、承軸、鐵軌、鋼門、鋼模具
0.6%～0.3%	中碳鋼	主要是不鏽鋼
0.3%～0.02%	低碳鋼	鋼筋
0.02%↓	熟鐵	熟鐵鍋

▌工具鋼強度分類 (tool steel)

工具鋼就是製做成手工具的鋼材，比如剪刀、刀具、螺絲起子、扳手、鑽頭……等，工程界或製造業常用來加工的工具。

工具鋼種類分：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼。含碳量在0.6%～1.5%間的高碳鋼區間為工具鋼的常用範疇。

高速工具鋼即HSS(High Speed Steel)，鑽尾與電鑽即是，不在此討論，以下討論其餘兩種：碳素鋼與合金鋼。碳鋼最差，再上是合金鋼，合金鋼裡排行：S2>鉻釩=鉻鉬，挑S2買最優，鉻釩價格合理好購買，鉻鉬市場不常見。

種 類	硬 度	用 途	價 格
矽鋼 (S2)	HRC硬度>59	專業用，最頂級	貴
鉻鉬鋼 (Cr-Mo)	HRC硬度>57	一般用，不普遍	中
鉻釩鋼 (Cr-V)	HRC硬度>56	一般用，最普遍	中
碳鋼 (CS) (碳素鋼、普碳鋼)	含碳量0.2%～0.02%	基本用途	低

二、鋼鐵生產

▌鐵怎麼來？

鐵礦山，採鐵礦石，鐵礦石=氧化鐵+碳+其他雜質

把鐵礦石高溫熔化，再加進焦碳，焦碳不完全燃燒產生CO，CO抓取氧化鐵中的氧原子生成CO2，將氧化鐵還原成鐵，雜質會浮在鐵液上，最終產物得到「生鐵」。

生鐵再精煉進一步降低碳含量與雜質，得到「熟鐵」。

• 熟鐵：含碳量小於0.02%的鐵
• 生鐵：含碳量大於2%的鐵
• 鐵礦：主要成分為氧化鐵

▌鋼怎麼來？

鐵原子，韌性佳。

碳原子，硬度佳。

• 熟鐵：含碳量低，極軟，富有韌性，但缺乏硬度，很軟。
• 生鐵：含碳量高，極硬，同有硬度，但缺乏韌性，很脆。

為了兼顧硬度與韌性，在生鐵與熟鐵間尋求平衡點，於是產生了鋼。

鋼就是含碳量在0.02%～2%之間的鐵，既硬且韌。

▌鋼鐵種類？

• 含碳2%以上

稱為生鐵，又叫鑄鐵，因為含碳量高，所以相當堅硬，適合大型厚重機件；但韌性不佳，不適合薄，會變脆不耐受力。而且熔點低，可鑄性強，適合澆鑄成各類器具，如鑄鐵鍋。

• 含碳2%～0.02%
• 碳素鋼
• 高碳鋼：硬度高適合重加工，如齒輪、鋼筋、刀具、磨具
• 低碳鋼：韌性好適合輕加工，如鐵皮、鐵絲、鋼管、機械零件。
• 合金鋼 (特種鋼)
• 不鏽鋼：
  鉻鎳合金，鋼表面生成一保護膜使不生鏽，如鍋具、醫療刀具。
• 304 (18/8)：鉻18鎳8 (74%鋼)
• 316 (18/10)：鉻18鎳10 (72%鋼)
• 430 (18/0)：鉻18 (82%鋼)
• 鎢鋼：高溫下仍保持鋼性，如鑽頭、銑床車刀

▌煉鋼流程？

1. 採鐵礦
   鐵礦山採鐵礦石取得原料。
2. 燒結
   礦石輾碎，進爐燒，成小顆粒碎石，目的為初步去除雜質。
3. 高溫還原
   
• 高溫爐 (用碳抓氧，還原鐵)
  
  
  將顆粒碎石與廢鐵放進高溫爐，再加入焦碳，加熱至1650° (鐵熔點1500°)，C抓取氧化鐵中的氧原子，形成CO與CO2，並還原成鐵元素，最終得到96%鐵與4%碳的液態生鐵，其餘雜質則浮於鐵液上。
• 氧氣爐 (用氧抓碳，降低碳)
  將液態生鐵噴入大量氧氣，氧抓取碳原子生成CO與CO2，降低碳含量，最終得到含碳0.1%的碳素鋼，也叫粗鋼。
4. 精煉
   在粗鋼液中，依需求的不同，添加不同份量的碳，或添加不同份量的合金，使之成為適用的鋼材。
5. 真空
   將高溫鋼液中的氣泡排出，並初步塑形，成為鋼胚。
6. 軋鋼 (ㄓㄚ)
   又分熱軋與冷軋，熱軋是在燒紅的鋼胚做軋壓，冷軋是在冷卻的鋼材做軋壓。軋鋼就像傳統打鐵的錘打動作，可使金屬晶粒變得更緊密，提高鋼材強度。如鋼板、鋼捲、鋼柱、鋼條、鋼絲。

三、刀具製作

▌何謂熱處理？

熱處理四大步驟，「正火、退火、淬火、回火」。熱處理是鍛造刀具中的最後步驟，目的是在不改變外形的前提下，將刀鋒硬化，刀身韌化，並消除內應力。

內應力就是指刀具熱漲冷縮過程中，各區域間的升溫降溫速度不均導致刀具內部產生的拉扯現象，嚴重會呈現裂紋甚至裂痕。

• 正火：加溫工件。消除內應力，為讓工件不變形，需穩定升溫且均勻加熱至600℃。
• 退火：降溫工件。緩慢降溫使金屬原子均衡分布於工件整體，待後續加工。
• 淬火：工具退火達適當溫度後，插入水或油或複合劑中快速冷卻，提升整體硬度。
• 回火：淬火快速降溫致冷縮不均，產生內應力，須回火至適當溫度以消除應力，提升韌度。

刀具在鍛造階段，錘打去除雜質緊密鋼質，燒入碳增加鋼性，塑打成形。接著進入熱處理階段，先正火烤紅至適當溫度消除內應力，再退火使之組織均衡穩定，接著淬火提高刀鋒硬度，最後回火消除內應力並提升刀身韌度。然後打磨至亮面，加上刀柄即完成。

淬火是製作刀具最重要步驟，目的就是為了得到「馬氏體」，馬氏體是不鏽鋼晶體中最佳的形態，具有高硬度與耐磨特性。但為了得到馬氏體，在淬火階段相當需要技巧，下圖是馬氏體的冷卻曲線，簡單說就是700度時快速冷卻，至650度時慢速冷卻至450度，再從450度快速冷卻至200度，也就是「快→慢→快」的節奏才能形成馬氏體，接著再回火消除內應力，即完成刀具。