鋼鐵材料新世代

以傳統與創新概念護衛地球

國立高雄大學 化材系教授 林東毅、方怡雅

  鋼鐵與人們生活有著密不可分的關係,就像魚不能沒有水一般的重要,舉凡交通運輸工具飛機、鐵路運輸系統、船舶、汽機車及自行車等;土木建築類,如鋼筋水泥、鋼構建築、道路橋樑、高樓大廈等;鋼鐵材料的應用尺寸縮小至裝飾品、手工具、家電用品,甚至連眼鏡及手機等精緻3C用品中的扣件,都為鋼鐵製品。由此可見,鋼鐵材料對人類的生活的重要性,不僅提供人們生活上的舒適與便利,也顯示出一個國家的進步、生活水準的提高、經濟繁榮與工業基礎的發達等現象。

  而近年來,全球暖化一直是大家茶餘飯後的話題,天氣怎麼越來越熱,氣溫持續飆高,下雨的機會減少許多,乾旱期越來越長;北極的冰亦急速在融化中,導致海平面急遽上升,屆時很多國家可能會消失,造成這一切的元兇即為排放過多的二氧化碳。二氧化碳廢氣排放與電廠燃燒大量石化、煤燃料及汽機車排放有直接關係;依據交通部於2007年11月統計資料顯示,我國自用與營業小客車的登記數量約570萬台,機車約1390萬台。如果有一半數量上路,行駛1公里,就已排放約970公噸二氧化碳(平均油耗:汽車12km/l、機車40km/l估算),相當於台灣年總排放量的0.2%。2007年台灣二氧化碳人平均排放量12.08公噸,排名世界第17名,是世界人平均排放量的2.76倍;加上歐盟訂定在2015年汽車每公里平均排放量需低於130公克,而在台灣也希望將二氧化碳排放量降至2005年標準。

  愛護地球、身體力行做環保是每個人的責任,若要減少汽車二氧化碳排放量就需減少汽車耗油的現象,而汽車耗油性能又與車體重量相關。汽車結構體中的鋼鐵材料使用率,約為70%以上;早期以冷軋鋼板為主,但強度不足且耐衝擊性不高,隨著專業知識與技術的提升,演進至高張力鋼板、表面處理耐蝕鋼板等鋼材,皆具有高強度及較佳的耐衝擊性,這些乃屬於傳統型高強度鋼(降伏強度約500MPa)。由於對鋼鐵材料的要求不斷提升,因此先進高強度鋼的誕生亦隨之而起,藉以降低汽車耗油以及二氧化碳之排放量。

  就先進高強度鋼之發展而言,目前可區分為德系與日系兩個系統,德國Salzgitter AG已發表成功開發出更高等級之高強度與高延性鋼(HSD)材料,其特性乃具備輕量化及低密度,故於汽車工業應用上可減少約10% ~ 30%厚度需求,對於汽車重量亦有輕量化的效果。另一系統則為日本所發展出超細晶化(ultra-fine)高強度鋼,主要特性為降低合金元素的添加量,以達到超高強度之目標。而此先進高強度鋼材的定義降伏強度需高於550MPa以上,可廣泛應用於汽車工業,不但可提高車輛的安全性及降低人元的傷亡率,亦可增加材料使用壽命與品質。

  根據統計資料可知,汽車重量每減輕1%,燃料消耗可減少0.6-1.0%,相對地二氧化碳排放量亦可減少;由圖1可發現,使用先進高強度鋼(AHSS)取代傳統用鋼在車體重量上可減少25%;相對地,在汽車用鋼之生產製造與使用之二氧化碳的排放量可減少5.7%,以一部車子為例,亦即減少相當2052公斤重之二氧化碳排放量。因此,台灣鋼鐵產業需積極的研究並開發先進高強度鋼,有助汽車輕量化,降低燃料消耗,進而減少二氧化碳廢氣排放量,藉以達到節能減碳;除可減少廢氣,亦可降低燃料的使用率,減緩全球暖化效應。

圖1 汽車傳統用鋼與先進高強度鋼在車體輕量化與二氧化碳排放量之比較
[擷自World Auto Steel: Automotive Steel Performance Advantages]

  站在學術研究中心的立場,對於鋼鐵材料的研發與應用應扮演政府機構與生產製造業之間的橋樑,應督促政府正視傳統產業的重要性,傾聽業者對於人才與技術需求之急迫性;另一方面,協助業者提升關鍵技術、訓練專業人才與提高產品附加價值。為響應綠能材料的發展,本中心長期以來對於高附加價值之超高強度鋼與抗菌不銹鋼技術及市場之開發不遺餘力;秉持中心理念,提倡環保材料之開發與應用,迄今已有顯著之研究成果,並盡做為地球一份子的責任。