Teräs on yleisnimi kaikille rautavaltaisille metalliseoksille, joita voidaan muokata valssaamalla tai takomalla. Teräksen hiilipitoisuus on 0,1–1,7%. Tätä alhaisemman hiilipitoisuuden rautaseosta kutsutaan kankiraudaksi ja korkeamman valuraudaksi.
Teräksen ominaisuudet riippuvat voimakkaasti sen rakenteesta, joka puolestaan riippuu hiilen määrästä ja seosaineista sekä valmistusparametreista.
Sana teräs on johdos sanasta terä. Teräksiksi kutsuttuja metalliseoksia on nimittäin alun perin käytetty juuri terien valmistukseen.
[muokkaa] 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, mihin voi liueta maksimissaan 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 (rautakarbidia), joka muodostaa ferriittimatriisiin lamellimaista, perliitiksi kutsuttua mikrorakennetta. Sementiitti on kova ja hauras faasi. Lamellimainen perliitti palloutuu riittävän pitkään tai riittävän korkeassa lämpötilassa hehkutettaessa. Tällöin sitkeys paranee.
[muokkaa] Teräksen karkaisu
Teräksen karkaisu perustuu faasimuutokseen austeniitista martensiitiksi. Austeniitin kiderakenne on pintakeskinen kuutiollinen ja pystyy siten liuottamaan hiiltä välisijoihinsa. PKK-kiderakenteessa on välisijoja (koloja), jonne hiiliatomi mahtuu kun taas TKK-kiderakenteessa ei vastaavia välisijoja ole. Teräs alkaa muuttua austeniitiksi ja hiili diffuntoitua (kulkeutua) austeniitin välisijoihin lämpötilassa 723°C (kts. tasapainopiirros). Jäähdytettäessä terästä hitaasti ehtii hiili poistua austeniitin välisijoista ja faasimuutoksessa teräksen kiderakenteeksi tulee rauta-hiili-tasapainopiirroksen mukainen kiderakenne (ferriittinen, perliittinen tai ferriittis-perliittinen, riippuen hiilen määrästä). Nopeasti sammutettaessa (jäähdytettäessä) ei hiili ehdi poistua austeniitin välisijoista ja faasimuutoksessa kiderakenne muuttuu martensiitiksi. Martensiittinen teräs on hyvin kovaa ja lujaa, mutta haurasta. Martensiittinen kiderakenne on metastabiili tasapainotila ja tällä tarkoitetaan sitä, että huoneen lämpötilassa martensiitti on pysyvä kiderakenne, mutta riittävästi lämmitettäessä hiiltä poistuu martensiittirakeista, teräksen kovuus alenee ja sitkeys kasvaa.
Seostamalla teräkseen lisäaineita siten, että hiilen liikkuminen (diffuusio) teräksessä vaikeutuu saadaan austenitoitu teräs muuttumaan martensiitiksi huomattavasti hitaammalla sammutuksella kuin veteen kastamalla. Esimerkiksi työkaluteräkset karkenevat huoneilmaan jäähdytettynä. Etuna hitaasta sammutuksesta seuraa se, että kappaleen mitat muuttuvat karkaistaessa vähemmän kuin suurta jäähdytysnopeutta käyttäen.
Päästöksi sanotaan karkaisun jälkeistä lämpökäsittelyä, jossa teräs lämmitetään johonkin lämpötilaan, pidetään lämpötilassa ja jäähdytetään hitaasti. Päästölämpötilat vaihtelevat 200...700°C. Nuorrutukseksi sanotaan lämpökäsittelyä, jossa karkaisun jälkeen suoritetaan päästö korkeassa lämpötilassa (>450°C). Nuorrutettu teräs on lujaa ja sitkeää.
[muokkaa] 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 teräksen koostumus on max 0,07% C, 18 % Cr ja 8 % Ni. Kromiseostuksen ansiosta teräksen pinta passivoituu ilmassa eli pinnalle muodostuu kromioksidikalvo, joka suojaa terästä syöpymiseltä. Oksidikalvo kykenee myös korjautumaan hapettavassa liuoksessa ja ilmassa itsestään, jos suojakerrokseen on syntynyt käytössä esimerkiksi naarmuja.
[muokkaa] Valmistus
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 teräkseksi. 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. Englantilainen 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 raakaraudan 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 vuoron perään 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:n 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.
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 kokeilla 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 ylimääräinen hiili 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:n 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.
[muokkaa] Teräslajeja
[muokkaa] 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 huoneenlämpötilaa korkeampi). Liian korkealla hiilipitoisuudella rakenteeseen syntyy sementiittiä. Sekä sementiitti että martensiitti haurastuttavat.
| rautaseosten faaseja |
|---|
| Austeniitti (γ-rauta; pkk-hila) |
| Terästyyppejä |
| Hiiliteräs (max 2.1% hiiltä) |
| Muut rautapohjaiset seokset |
[muokkaa] 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.
[muokkaa] Luokittelu valmistustavan ja ominaisuuksien mukaan
- suurlujuuksiset matalaseosteiset teräkset (HSLA-teräkset)
- säänkestävä teräs
- kuumalujat teräkset
- tulenkestävät teräkset
- ruostumattomat teräkset
- nuorrutusteräkset
- hiiletys- ja typetyskarkaistut teräkset
Kuumalujilla teräksillä on hyvä virumislujuus korkeissa käyttölämpötiloissa.
Tulenkestävät teräkset kestävät korkeita käyttölämpötiloja "hilseilemättä" hapettavassa atmosfäärissä (pintaan ei muodostu oksidikerrosta).
Säänkestävä teräs (COR-TEN) on kuparilla ja kromilla niukasti seostettu rakenneteräs, jonka pinnalle muodostuu ulkoilmassa tiivis, syöpymiseltä suojaava oksidikerros.
Nuorrutusteräkset ovat karkaisun jälkeen nuorruttamalla lämpökäsiteltäviä teräksiä, joissa yhdistyy tavanomaisia rakenneteräksiä korkeampi lujuus hyvään sitkeyteen.
Hiiletys- ja typetyskarkaistut teräkset ovat seostamattomia max 0,25% C sisältäviä hiiliteräksiä tai niukkaseosteisia teräksiä, joihin saadaan hiiltä ja typpeä sisältävässä kaasuatmosfäärissä lämpökäsittelemällä kappaleeseen karkeneva, karbideja ja nitridejä sisältävä, kulutusta hyvin kestävä kova pintakerros.
BW Bewise Inc.
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, its our pleasure to serve for you. BW product including: cutting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Фрезеры’Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、CVDD(Chemical Vapor Deposition Diamond )’PCBN (Polycrystalline Cubic Boron Nitride) ’Core drill、Tapered end mills、CVD Diamond Tools Inserts’PCD Edge-Beveling Cutter(Golden Finger’PCD V-Cutter’PCD Wood tools’PCD Cutting tools’PCD Circular Saw Blade’PVDD End Mills’diamond tool ‘Single Crystal Diamond ‘Metric end mills、Miniature end mills、Специальные режущие инструменты ‘Пустотелое сверло ‘Pilot reamer、Fraises’Fresas con mango’ PCD (Polycrystalline diamond) ‘Frese’Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angel carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-nosed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
Bewise Inc. www.tool-tool.com
BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.
留言列表
