Teräs

Powder steel on magnet.jpg Teräs on yleisnimi kaikille rautavaltaisille metalliseoksille, joita voidaan muokata valssaamalla tai takomalla. Teräksen hiilipitoisuus on 0,5–1,5%. Tätä alhaisemman hiilipitoisuuden rautaseosta kutsutaan kankiraudaksi ja korkeamman valuraudaksi.

Teräksen ominaisuudet riippuvat voimakkaasti sen rakenteesta, joka puolestaan riippuu hiilen määrästä ja seosaineista sekä valmistusparametreista.

Hiiliteräksen mikrorakenne

α-ferriitti on raudan tilakeskeinen kuutiollinen (tkk, engl. BCC) kiderakenne, joka on vakaimmillaan huoneenlämmössä. Ferriittiset ja martensiittiset teräkset ovat ferromagneettisia kukin koostumukselleen ominaisen Curie-lämpötilansa alapuolella. Korkeissa lämpötiloissa esiintyvä (niin ikään tkk-hilainen) δ-ferriitti voi jäädä huoneenlämpötilassa pysyväksi, alijäähtyneeksi rakenteeksi runsaasti seostetuilla teräksillä.

Yli 723°C:n lämpötilassa raudan kiderakenne muuttuu austeniittiseksi – pintakeskeiseksi kuutiolliseksi (pkk, engl. FCC) – γ-faasiksi, johon liukenee 2,1 prosenttia hiiltä. Hiiliatomit sijoittuvat raudan atomihilan välisijoihin. Mikäli hiilipitoisuus on suurempi kuin 2,1 prosenttia, syntyy rakenteeseen jo jähmettymisvaiheessa grafiittia. Grafiitti on haluttu rakenneosa vain valuraudoissa, joissa se esiintyy joko suomumaisena tai pallomaisena.

Jäähdytettäessä hitaasti ylikyllästeinen austeniitti muuttuu ferriitiksi, ja hiilen ylijäämä muodostaa sementiittiä, Fe₃C, joka puolestaan muodostaa ferriitin kanssa lamellimaisen kaksifaasisen yhdisteen nimeltä perliitti. Sementiitti on karbidi, joka on kovaa, mutta erittäin haurasta. Lamellimainen perliitti palloutuu riittävän pitkään tai riittävän korkeassa lämpötilassa hehkutettaessa.

Teräksen karkaisu

Karkaisussa austeniittiseksi (lämpötila yli 723°C) kuumennettu teräskappale jäähdytetään nopeasti esimerkiksi sammuttamalla kuuma teräs veteen, suolaan tai öljyyn.

Nopeampi jäähdytys muodostaa bainiittia, joka sekin koostuu sementiitistä ja ferriitistä, mutta ei ole lamellaarinen. Nopeimmat jäähdytykset aiheuttavat austeniitin hajaantumisen martensiitiksi, eli raudan kiderakenne muuttuu leikkautumalla pintakeskisestä tilakeskiseksi yhtäkkisesti eli ilman, että atomit siirtyisivät diffuusion avulla faasimuutoksessa. Välisijoissa olevat hiiliatomit lujittavat martensiittia. Toisaalta liuennut hiili stabiloi austeniittia siten, että martensiitin muodostuminen alkaa alemmassa lämpötilassa tai voi jäädä osittain tapahtumatta, jolloin rakenteeseen jää martensiittia huomattavasti pehmeämpää austeniittia. Martensiittiset teräkset ovat karkaisun jälkeen kovia ja lujia, mutta myös hauraita. Niukalla seostuksella saadaan lisättyä teräksen karkenevuutta, eli martensiittia muodostuu karkaistussa kappaleessa syvemmälle.

Sitkeyden parantamiseksi karkaistu teräs lämpökäsitellään nuorrutuksella tai päästöhehkutuksella.

Päästökäsittelyn tarkoituksena on lähinnä karkaisun synnyttämien haitallisten jäännösjännitysten poistaminen. Päästö suoritetaan hehkuttamalla terästä alhaisissa lämpötiloissa, noin 200°C:ssa vähintään tunnin ajan ja antamalla sen jäähtyä vapaasti ilmassa. Jokaiselle teräslaadulle on yksilöllinen, valmistajan suunnittelema päästöohjelma, jolla päästään haluttuihin materiaaliominaisuuksiin.

Nuorrutuksella tarkoitetaan päästöä joka tehdään oleellisesti normaalia päästöä korkeammassa lämpötilassa, 450–650°C. Nuorrutetulla teräksellä on huomattavasti parempi iskusitkeys ja matalampi transitiolämpötila kuin vastaavalla päästetyllä teräksellä. Nuorrutus muuttaa mikrorakennetta muun muassa siten, että martensiitista erkanee karbideja, jotka edelleen voivat palloutua.

Seosaineet

Terästä seostetaan hiilen lisäksi monilla muilla aineilla haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Yleisimpiä seosaineita ovat: nikkeli, pii, kromi, koboltti, volframi, molybdeeni, vanadiini ja alumiini.

Ruostumaton teräs sisältää alle 1,20 % hiiltä ja yli 12 % kromia. Tyypillinen austeniittisen ruostumattoman koostustumus on max 0,07% C, 18 % Cr ja 8 % Ni. Kromiseostuksen ansiosta teräksen pinta passiivoituu ilmassa eli pinnalle muodostuu kromioksidifilmi, joka suojaa terästä syöpymiseltä. Oksidifilmi kykenee myös korjautumaan hapettavassa liuoksessa ja ilmassa itsestään, jos suojakerrokseen on syntynyt käytössä esimerkiksi naarmuja.

Valmistus

Bessemer converter.jpg Vaikka teräksen valmistus tunnettiin Kiinassa jo 200-luvulla, vasta 1855 patentoitu Bessemer-konvertteri alensi teräksen tuottamisen kustannukset samalle tasolle valuraudan kanssa. Teollisen vallankumouksen alkuajat teräs oli ollut liian kallista (50–60 £/tonni) yleiseen käyttöön ja rakenteet, jopa laivat, valmistettiin etupäässä valuraudasta. Bessemer-prosessin mahdollistaman hinnanalennuksen (7 £/tonni) myötä lähes kaikki valmistus kääntyi teräkseen.

Teräksenvalmistuksen raaka-aineena on masuunista saatava takkirauta, joka mellotetaan konvertterissa teräksesi. Masuunissa rautaoksidi pelkistetään hiilen avulla metalliseksi raudaksi (takkiraudaksi), joka on aivan liian kovaa ja haurasta työstettäväksi; mellotuksessa takkiraudasta hapetetaan siihen imeytynyt hiili pois. Ensimmäisen teollisen teräksenvalmistusprosessin (putlauksen) kehitti Henry Cort 1784. Putlaamalla saatiin aikaan keittoterästä. Englantiliainen Henry Bessemer keksi 1856 Bessemer-konvertterin. Se on kurpitsan muotoinen tulenkestävillä tiilillä vuorattu astia, johon kaadetaan sulaa takkirautaa (raakarautaa). Samanaikaisesti sen pohjasta puhalletaan sisään ilmaa. Konversioprosessissa raakiaraudan sisältämä hiili palaa hiilidioksidiksi, ja raudan hiilipitoisuus laskee noin 1,5% tienoille. Robert Mushet paransi Bessemerin prosessia edelleen niin, että puhalluksen jälkeen konvertteriin lisättiin mangaania, jolla teräkseen imeytynyt happi saatiin neutraloitua. Näin saatiin aikaan korkealaatuista ja halpaa terästä. Bessemer itse tutki mahdollisuutta käyttää puhdasta happea ilman sijaan, mutta 1800-luvun kemianteollisuus ei kyennyt tuottamaan riittävän korkealaatuista happea.

Saksassa puolestaan Wilhelm ja Friedrich Siemens kehittivät putlausta edelleen lieskauuniprosessiksi. Siinä matalan lieskauunin kumpaankin päähän on sijoitettu kaksi erikoistiilistä muurattua regeneraattorikammiota, joita ensin vuoronperään lämmitetään uunista tulevilla palokaasuilla ja joilla sitten kuumennetaan uuniin menevä palamisilma ja erillisestä generaattorista saatu polttokaasu. Ranskalaiset Emile ja Pierre Martin kehittivät tätä menetelmää edelleen 1864. Tätä prosessia kutsutaan Siemens-Martin -prosessiksi. Siemens-Martin -uunissa voidaan käyttää raaka-aineena rautaromua mellotuksen edistämiseen. Siemens-Martin -prosessilla saadaan korkealaatuista terästä, mutta se on menetelmänä hyvin hidas.

Bessemer-konvertteri sopi hyvin Englannin vähäfosforiseen rautaan, mutta keskieurooppalaisesta rautamalmista saatu raakarauta sisältää usein runsaasti fosforia ja rikkiä. Tämäntyyppinen rauta ei soveltunut käytettäväksi Bessemerin ja Siemens-Martinin prosesseissa, joissa konvertteri tai uuni on vuorattu happamalla, piipitoisella, materiaalilla. Englantilaiset metallurgit Percy Gilchrist ja Sydney Thomas keksivät Thomas-Gilchristin menetelmän, jossa Bessemer-konvertteri vuorataan emäksisellä dolomiitilla. Näin panokseen voitiin lisätä kalkkikiveä, joka absorboi fosforin ja rikin. Teräksen ohella tuloksena on tuomaskuonaa, joka on erinomainen lannoite.

Henri Moissan keksi 1887 sähköllä toimivan valokaariuunin. Alumiininvalmistuksen keksijä Paul Herouit kehitti 1902 kaupallisesti kannattavan sähköteräsmenetelmän. Siinä raaka-aineena käytetään rautaromua. Metallipanoksen ja kahden suuren hiilielektrodin välille synnytetään valokaari, jonka synnyttämä lämpö sulattaa metallin. Samalla anodi murenee uuniin, jossa vallitsee noin 2000 °C lämpötila. Se pelkistää ruosteen metalliseksi raudaksi. Saatava teräs on hyvin puhdasta ja korkealaatuista, sillä se ei joudu kosketukseen palamiskaasujen kanssa. Panokseen voidaan lisätä rautamalmia teräksen ominaisuuksien muuttamiseksi, ja kalkkikiven lisäämisellä voidaan poistaa epäpuhtaudet.

Nykypäivänä suurin osa teräksestä valmistetaan emäshappimellotuksella. Bessemer-prosessin pahin ongelma oli sen tehokkuus - koko panoksen konvertointi kesti vain 20 minuuttia. Se oli aivan liian lyhyt aika näytteen ottoon ja kemiallisen analyysin tekemiseen laadunvalvontaa varten. Bessemer-prosessin pullonkaula onkin laadunvalvonta ja tuotannon saaminen tasalaatuiseksi. Toisen maailmansodan jälkeen alettiin monilla tahoilla kokella puhalluksessa puhtaan hapen käyttöä ilman sijasta. Näin Bessemer-prosessia kyettiin kehittämään entistä tehokkaammaksi. Linzin ja Donawitzin kaupunkien lähellä sijainnut itävaltalainen terästehdas kehitti emäshappimellotuksen (L-D -mellotuksen), joka on nykypäivänä käytetyin teräksenvalmistusmenetelmä. Siinä konvertteriin ladataan ensin rautaromua, ja se täytetään sulalla raakaraudalla ja kalkkikivellä. Sulaan seokseen puhalletaan happipeitsellä ääntä nopeampi happisuihku. Syntyvä shokkiaalto sekoittaa hapen tehokkaasti sulaan metalliin, ja kirjaimellisesti puhaltaa epäpuhtaudet ja liikahiilen pois polttaen ne. Happimellotuksella saadaan yhtä puhdasta terästä kuin Siemens-Martin -prosessilla, mutta se on paljon nopeampi. Alkuperäistä Bessemer-prosessia sekä Thomas-Gilchristin prosessia käytetään yhä jonkin verran eri puolilla maapalloa, mutta emäshappimellotus on sitä kehittyneempi menetelmä ja tuottaa tasalaatuisempaa terästä.

Historiallisesti ensimmäisen kerran terästä valmistettiin Bessemer-prosessia muistuttavalla tavalla Chin-dynastian aikana Kiinassa. Sulaan valurautaan lietsottiin ilmaa, jolloin ylimäärähiili paloi pois. Intiassa keksittiin upokasteräksen valmistus 300-luvulla. Kankirautaa kuumennettiin upokkaassa lasimurskan ja hiilen kanssa. Lasi sulaessaan sitoi raudan epäpuhtauksia, ja hiili imeytyi kiinteään rautaan. Näin saatua korkealaatuista terästä kutsutaan nimellä wootz. Upokasteräksen valmistustaito siirtyi Eurooppaan, mutta painui unohduksiin Länsi-Rooman luhistumisen myötä. Wootzin valmistus vaati kuitenkin hyvin korkealaatuista rautaa, ja intialaisten korkealaatuisten malmien ehtyminen 1600-luvulla merkitsi myös wootzin valmistustaidon häviämistä, sillä prosessi siirtyi suullisena perimätietona isältä pojalle.

Keskiajalla kehitettiin seostusteräksen valmistus. Siinä valurautaa ja kankirautaa taottiin yhteen niin, että tuloksena oli takoterästä. Damaskoksen sepät kehittivät taidon huippuunsa, ja tuloksena oli damaskiteräs. Viikinkiajalla Damaskoksen teräs ja damaskolaismiekat olivat maailmankuuluja, sillä ne olivat yhtäaikaisesti sitkeitä ja kovia. 1000-luvulla damaskointitaito levisi ympäri Eurooppaa, ja varsinkin Solingenin ja Toledon miekkasepät olivat maailmankuuluja. Ruotsissa kehitettiin 1300-luvulla ahjoteräksen valmistus: ruotsalainen rauta oli intialaisen tapaan hyvin puhdasta, ja sopi ahjoteräksen valmistukseen. Ruotsalaista kankirautaa pakattiin kivisiin laatikoihin yhdessä sysien kanssa, ja näitä kuumennettiin ilmattomassa tilassa noin viikon ajan noin 1100 °C lämpötilassa. Osa hiilestä absorboitui rautaan, ja tuloksena oli wootzin kaltaista ahjoterästä. Taalainmaalaisen Moran kaupungin miekkasepät kehittivät keskiajalla sitkeydestään ja kestävyydestään tunnettujen morapuukkojen valmistuksen ahjoteräksestä ja kankiraudasta.

Wootzin salaisuudet alkoivat paljastua vasta 1700-luvulta lähtien, kun metallurgiasta muotoutui taidon sijaan tiede. Englannissa upokasteräksen teollinen tuotanto alkoi 1740. Upokasterästä pidetään yhä tänäänkin kaikkein korkealuokkaisimpana teräksenä, ja seostamalla siitä saadaan erikoisteräksiä. Se sopii erityisesti työkaluterästen valmistukseen. Historiallisen wootzin valmistustaito rekonstruoitiin uudelleen arkeologien, metallurgien ja seppien yhteistyönä 1980-luvulla Englannissa, ja Suomessa se on tuotteistettu teolliseksi prosessiksi.

Teräslajeja

Luokittelu koostumuksen mukaan

seostamattomat teräkset, hiiliteräkset (niukkahiiliset, keskihiiliset ja runsashiiliset)
niukasti seostetut teräkset
seostetut teräkset
mangaaniteräkset

Hiiliteräksiä valmistetaan eri lujuusluokkiin, jotka riippuvat hiilipitoisuudesta, muokkausprosessista ja lämpökäsittelystä.

Mangaaniteräs (Hadfieldin mangaaniteräs) on huoneenlämpötilassa austeniittinen, mutta lujittuu voimakkaasti siihen kohdistuvien iskujen voimasta. Samalla teräs on hyvin sitkeä, kun se jäähdytetään nopeasti ja koostumus on oikea: 10 - 14% Mn ja 1,0 - 1,4% C. Liian alhainen hiili- ja mangaanipitoisuus synnyttää haurastavaa martensiittia (Ms-lämpötila on honeenlämpötilaa korkeampi). Liian korkealla hiilipitoisuudella rakenteeseen syntyy sementiittiä. Sekä sementiitti että martensiitti haurastuttavat.

Luokittelu käyttötarkoituksen mukaan

rakenneteräkset
betoniteräs
työkaluteräkset
pikateräs
syvävetoteräs

Rakenneteräkset ovat useimmiten hiiliteräksiä tai niukkaseosteisia.

Työkaluteräkset ovat runsashiilisiä teräksiä, jotka on lisäksi seostettu kovia karbideja muodostavilla aineilla. Käytetään tavallisesti nuorrutettuina.

Luokittelu valmistustavan ja ominaisuuksien mukaan

suurlujuuksiset matalaseosteiset teräkset (HSLA-teräkset)
säänkestävä teräs
kuumalujat teräkset
tulenkestävät teräkset
ruostumattomat teräkset
nuorrutusteräkset
hiiletys- ja typetyskarkaistut teräkset
Damaskiteräs

Säänkestävä teräs (COR-TEN) on niukasti seostettu Cu ja Cr sisältävä rakenneteräs, jonka pinnalle muodostuu ulkoilmassa tiivis, syöpymiseltä suojaava oksidikerros.

Hiiletys- ja typetyskarkaistut teräkset ovat seostamattomia max 0,25% C sisältäviä hiiliteräksiä tai niukkaseosteisia teräksiä, joihin saadaan C- ja N-pitoisessa kaasuatmosfäärissä lämpökäsittelemällä karkeneva, karbideja ja nitridejä sisältävä, kulutusta kestävä kova pintakerros.

Aiheesta muualla

Harri Nevalaisen Teräsopas
Rautametallit, Tampereen teknillisen yliopiston kurssimateriaalia.

Puukko- ja veitsimateriaalien perusteita Teräsrenki Oy.

Metalliseokset

Gourt Home::Gourt :: Teräs