ŻELAZO I STAL
Stal - rys historyczny
Jeśli chcemy prześledzić historię stali to musimy się cofnąć w czasie do tysięcy lat przed naszą erą czyli epoki brązu i żelaza. Podziału na trzy epoki prehistorii dokonał w 1836 roku duński archeolog i antykwariusz Christian Thomsen.
Epoka żelaza to trzecia i najmłodsza z trzech epok wyodrębnionych przez Thomsena. Nastała ona po epoce kamienia i brązu jednak ustalenie dokładnych ram czasowych jej powstania jest zadaniem bardzo trudnym żeby nie powiedzieć, iż niemożliwym. Żelazo było znane już w epoce brązu więc dlaczego nie było wykorzystywane o wiele wcześniej? Odpowiedzi na tak postawione pytanie należy szukać na trzech polach: technologicznym, estetycznym i handlowym.
Jeśli chodzi o technologię to żelazo było o wiele trudniej wytopić i zrobić z niego narzędzia lub broń niż brąz, który jest stopem miedzi z cyną. Podczas topienia rudy miedzi w piecu, płynna miedź gromadzi się na dnie a żużel na górze. Płynny metal można łatwo przelać do form. Natomiast w przypadku topienia rudy żelaza w niskotemperaturowym piecu, jaki był używany w epoce brązu, ze względu na zbyt niską temperaturę pieca, ruda nie rozpuszczała się lecz zyskiwała gąbczastą konsystencję i nie rozdzielała się na frakcję metaliczną i żużel. Żelazo, które pojawiało się jako produkt uboczny przy topieniu rud miedzi było ignorowane i wyrzucane jako materiał bezużyteczny. Aż w końcu, pewnie jakiś dociekliwy kowal, zainteresował się gąbczastą bryłą żużlu i postanowił w nią uderzyć młotem by się przekonać co z tego wyniknie. Kiedy takie gąbczaste żelazo zacznie się kuć to żużel zostaje usunięty i pozostaje łupek kutego żelaza. Co prawda proces ten jest czasochłonny i wymaga włożenia wiele energii ale w jego wyniku otrzymywało się żelazo, które można było wykorzystać do tworzenia niewielkich przedmiotów. Niestety zrobienie czegoś większego np. miecza wymagało bardzo dużej wiedzy, doświadczenia i wysiłku. Dlatego produkowane w owym czasie kute żelazo było zawsze gorszej jakości w porównaniu z brązem a żelazne miecze miały tą wadę, że bardzo często łamały się podczas walki.
Kolejny czynnik spowalniający nadejście epoki żelaza to względy estetyczne. Miedź czy brąz mają ładny, złocistożółty kolor i nawet korodując pokrywają się atrakcyjną patyną. Natomiast żelazo było szare i bez połysku a gdy rdzewiało stawało się jeszcze brzydsze.
Ponieważ brązy są stopem metali do ich produkcji oprócz miedzi wykorzystywana była cyna. Dopóki dostawy cyny były zapewnione dopóty brąz mógł być produkowany. Jednak tragiczne wydarzenia końca epoki brązu przerwały ciągłość tradycyjnych szlaków handlowych i zabrakło najważniejszego składnika niezbędnego do produkcji brązu. W tej sytuacji nie pozostawało nic innego jak poszukać jakiejś alternatywy, którą okazało się żelazo a później stal.
Żelazo czy brąz?
Koniec epoki brązu wiąże się również z bliżej niezidentyfikowanymi piratami zwanymi „Ludami Morza”. Były to wojownicze ludy, o wiele groźniejsze niż wiele wieków później wikingowie. To „Ludy Morza” stoją za całkowitym zniszczeniem państwa-miasta Ugarit położonego na syryjskim wybrzeżu Morza Śródziemnego. Ważnego w owym czasie ośrodka handlowego utrzymującego kontakty z Egiptem, Cyprem, Grecją i Mezopotamią. Kilka lat później podobny los spotkał imperium Hatti (obecnie Turcja). Jedynie Egipt zdołał skutecznie przeciwstawić się atakom „Ludów Morza”, jednak w kolejnym stuleciu uległ nubijskim najeźdźcom z południa.
Archeolodzy i historycy zgodnie uznali, że „Ludy Morza” i inni najeźdźcy, którzy doprowadzili do upadku wielu cywilizacji epoki brązu mieli znakomitą broń z żelaza, znacznie lepszą od broni z brązu jaką dysponowały zniszczone imperia. Uważa się, że to Hetyci nauczyli się obróbki żelaza między XIV a XII w.p.n.e. a „Ludy Morza” przejęły od nich tę wiedzę.
Początki stali
W dzisiejszych czasach wytopem stali zajmują się ogromne kombinaty zwane hutami. Nad procesem samego wytopu czuwa wielu ludzi począwszy od osób odpowiedzialnych za wsad, a kończąc na inżynierach i informatykach. Cały proces jest zautomatyzowany a temperatura, skład chemiczny i czas topienia mierzony jest przy zastosowaniu odpowiednich czujników i na bieżąco przekazywany do centrum nadzoru procesu.
W czasach epoki brązu oraz żelaza metalurgia stali zawdzięczała swój szybki rozwój wojsku i działaniom wojennym. Cały czas poszukiwano materiału, który będzie bardziej wytrzymały i lżejszy od materiałów z brązu aby zapewnić sobie przewagę na polu walki.
Początki nie były łatwe i przyjemne. Kiedyś proces wytopu stali odbywał się w małej kuźni gdzie nad wszystkim czuwał jeden kowal i być może jakiś pomocnik. Na początku kowale zajmujący się wytopem stali nie rozumieli całego procesu i nie byli świadomi, że dodawanie do wytapianego żelaza węgla zmieniało właściwości stali. Stosunkowo szybko odkryli jednak, że w prosty sposób mogą zmieniać fizyczne właściwości metalu hartując go, czyli zanurzając rozgrzane do czerwoności ostrze w wodzie lub oleju. Hartowanie zmieniało strukturę stali i sprawiało, że miecz miał ostrzejsze krawędzie i był twardszy. Dochodzenie do perfekcji opierało się na eksperymentowaniu i stosowaniu metod prób i błędów.
Pomimo tak nikłej wiedzy zaczęto otrzymywać miecze stalowe, które charakteryzowały się większą giętkością i były lżejsze od mieczy z brązu. Również stalowe zbroje były bardziej wytrzymałe i odznaczały się mniejszą masą niż używane dotychczas zbroje z brązu. Gdy tylko zauważono tą przewagę w produkowanej broni ze stali było wiadome, że nadchodzi nowa era, która została nazwana epoką żelaza.
W owym czasie wyjątkową sławą cieszyła się stal syryjska i hiszpańska. Jednak najlepsze miecze w tym okresie wytwarzali płatnerzy japońscy. Ponieważ do końca XIX wieku Japonia była praktycznie odizolowana od reszty świata to zalety japońskich mieczy poznano bardzo późno, w okresie gdy broń biała nie odgrywała już tak dużej roli na polu walki. Katana bo tak nazywa się samurajski miecz jest uważana za kwintesencję sztuki płatnerskiej. Ostrze katany jest lekko zakrzywione i jest to broń jednosieczna w przeciwieństwie do ówczesnych zachodnich mieczy. Miała długość ok. 70 centymetrów a swój charakterystyczny kształt, ostrość i giętkość zawdzięczała specyficznemu procesowi produkcji, w którym wykorzystywano dwa gatunki stali. Z twardej stali węglowej robiono rdzeń, a z bardziej miękkiej (mniejsza zawartość węgla), ostrze. Miecz był wyginany w procesie hartowania stali w ochronnej warstwie gliny i popiołu.
Produkcja stali
Jednak pełne zrozumienie procesu produkcji stali nastąpiło dopiero w połowie XIX wieku. Prym w tej dziedzinie wiodły trzy kraje: Wielka Brytania, USA i Niemcy. To te kraje można uznać za prekursorów epoki industrialnej.
Bardzo ważnym wydarzeniem w dziedzinie wytopu stali było opracowanie przez brytyjskiego inżyniera Bessemera w 1856 roku, pierwszej przemysłowej metody otrzymywania stali. Odkrył on, że wprowadzenie do surówki dużej ilości tlenu doprowadza do utleniania się nadmiaru węgla. Cały proces odbywał się w pochylonym konwertorze, do którego można było wlewać surówkę przed wdmuchaniem powietrza od spodu. Konwertor, do którego wlewano surówkę został nazwany na cześć wynalazcy procesu, gruszką Bessemera.
Na zdjęciu widzimy konwerter zwany Gruszką Bessemera znajdujący się w Kelham Island Industrial Museum.
Należy tutaj zaznaczyć, że do procesu tego należało używać jedynie rudy żelaza zawierającej niewielkie ilości fosforu. Rudę żelaza z dużą ilością fosforu należało przerabiać w konwertorach Thomasa.
Od tego momentu stal stała się materiałem podstawowym i to dzięki niej powstały koleje, statki parowe, samochody, ogromne fabryki, hale i drapacze chmur. I pomimo upływu ponad 150 lat to nadal stal jest jednym z podstawowych materiałów konstrukcyjnych wykorzystywanym przez człowieka do budowy wielu obiektów.
Co to jest stal?
Stal to pojęcie trochę historyczne i dla niektórych może być dość mylące. Do początków XX wieku kiedy to wytapiano zwykłe stale rzecz była dość prosta i czytelna. Dzisiaj stal to kilkaset różnych stopów żelaza z innymi pierwiastkami różniących się składem, własnościami i zastosowaniem. Definicja stali mówi, że to stop żelaza z węglem (do 2,11%) i innymi dodatkami stopowymi otrzymywany w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie i cieplnie. Do najczęściej stosowanych pierwiastków stopowych należą: mangan, krzem, chrom, nikiel, wolfram, molibden, wanad. Bardzo często jako pierwiastki stopowe do stali dodawane są także: aluminium, kobalt, miedź, tytan i niob.
Oprócz stali, możemy również wyodrębnić dwa inne stopy żelaza z węglem, które są również popularnymi materiałami konstrukcyjnymi, są to staliwo i żeliwo.
Staliwo
Staliwo to odlewniczy stop żelaza z węglem (do 2,11%) oraz innymi pierwiastkami, niprzerabiany plastycznie. Staliwo charakteryzuje się gruboziarnistą strukturą, która nie podlega zmianie na drodze obróbki plastycznej. Struktura ta jest głównym winowajcą nieco gorszych właściwości staliwa niż stali o tym samym składzie chemicznym. Staliwo wykorzystywane jest głównie na odlewy części maszyn podlegające znacznym obciążeniom dynamicznym.
Żeliwo
Żeliwo to odlewniczy stop żelaza z węglem, manganem, krzemem, siarką i fosforem, zawierający od 2,11% do 4,3% węgla w postaci cementytu lub grafitu. Ze względu na zastosowaną technologię topienia, odlewania, skład chemiczny czy obróbkę cieplną możemy uzyskać żeliwa o różnych właściwościach użytkowych. Wyróżniamy żeliwo: białe, szare, sferoidalne i ciągliwe. Stosowane jest na odlewy armaturowe, elementy maszyn, studzienki kanalizacyjne. Kiedyś również produkowano z niego: wanny, rury kanalizacyjne i kaloryfery.
Podział stali
Ze względu na strukturę i zawartość węgla stale dzielimy na:
- stale podeutektoidalne zawierające do 0,77% węgla,
- stale eutektoidalne zawierające 0,77% węgla,
- stale nadeutektoidalne zawierające od 0,7% do ok. 2,11% węgla.
Jednak ze względów praktycznych najczęściej operuje się podziałem stali ze względu na jej skład chemiczny:
- stale niestopowe,
- stale odporne na korozję,
- inne stale stopowe.
Stal niestopowa
Stale niestopowe węglowe dzielą się na jakościowe i specjalne. Dla stali niestopowych jakościowych określa się wymagania dla takich własności jak: ciągliwość, regulowana wielkość ziarna czy podatność na obróbkę plastyczną.
Stale niestopowe specjalne cechują się wyższym stopniem czystości metalurgicznej i spełniają minimum jedno z wymienionych wymagań, w tym: hartowności, udarności, niskiego poziomu wtrąceń niemetalicznych, maksymalnych zawartości fosforu i siarki do 0,02%.
Stal stopowa
Stal stopową dzieli się wg jakości, własności i zastosowania na dwie klasy:
1. Stale stopowe jakościowe. Klasyfikuje się je podobnie jak stale niestopowe jakościowe. Do stali stopowych jakościowych zalicza się:
- stale konstrukcyjne, spawalne, drobnoziarniste, przeznaczone do produkcji rurociągów pracujących pod ciśnieniem,
- stale elektrotechniczne zawierające jako pierwiastki stopowe tylko krzem lub krzem i aluminium,
- stale stopowe do produkcji szyn, grodzic i kształtowników na obudowy górnicze,
- stale stopowe przeznaczone do produkcji wyrobów płaskich walcowanych na gorąco lub na zimno do dalszej przeróbki plastycznej na zimno,
- stale stopowe, w których jedynym pierwiastkiem stopowym jest miedź
2. Stale stopowe specjalne, w których poprzez regulowanie składu chemicznego oraz dokładne zaprojektowanie procesu wytwarzania otrzymuje się zróżnicowane własności przetwórcze i użytkowe. Obejmują one wszystkie gatunki tali, które nie zostały ujęte w klasie stali odpornych na korozję oraz stopowych jakościowych.
Stale stopowe specjalne dzielimy na:
- stale maszynowe,
- stale na urządzenia ciśnieniowe,
- stale konstrukcyjne,
- stale szybkotnące,
- stale narzędziowe stopowe,
- stale na łożyska toczne,
- stale o szczególnych własnościach fizycznych.
Ze względu na sumaryczne stężenie dodatków stopowych stale stopowe można podzielić na:
- niskostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka oprócz węgla nie przekracza 2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,
- średniostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka oprócz węgla jest wyższe od 2% ale nie przekracza 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,
- wysokostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka oprócz węgla jest wyższe od 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%,
Wydawać by się mogło, że stal, która praktycznie była znana od tysięcy lat nie może już nas niczym zaskoczyć, że powiedziano o niej już wszystko i praktycznie powinna zostać wyparta przez inny rodzaj materiału o lepszych własnościach fizycznych i konstrukcyjnych. Jednak zapowiada się na to, że to stal jeszcze przez wiele dziesięcioleci jak nie setek lat będzie materiałem niezastąpionym. Możliwości tworzenia stopowych stali o różnych właściwościach są praktycznie nieograniczone. Różnych gatunków stali są tysiące i cały czas trwają badania nad nowymi. Poza tym stal ma bardzo ważną zaletę w porównaniu z innymi materiałami, mianowicie bardzo łatwo można ją poddać recyklingowi. Dzięki temu nadajemy jej „drugie życie” co w dobie tak ważnego zagadnienia jakim jest ochrona środowiska naturalnego ma niebagatelne znaczenie.
FEMONI Patrycjusz Rygol