Tällä hetkellä yksi tärkeimmistä insinööri- ja rakennusmateriaaleista on teräs. Sillä on laaja käyttöalue, eikä sitä voi puuttua autojen, monien kodinkoneiden, laivojen, kirurgisten työkalujen ja rakennustuotteiden valmistuksessa. Teräksen pääkomponentteja ovat raudan ja hiilen seokset, mutta siihen kuuluu myös useita muita alkuaineita, tosin huomattavasti pienemmissä määrissä. On hyvä tietää, että nykyään tunnetaan useita tuhansia teräslajeja. Eri tyypit eroavat toisistaan fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksiensa perusteella.
Mikä on teräs ja mitä teräslajeja on olemassa?
Teräs on lämpökäsitelty raudan seos, johon on yhdistetty eri alkuaineita, ennen kaikkea hiiltä. Haluttujen ominaisuuksien mukaan lisätään muita elementtejä eri suhteissa. Teräksen tuotannon aikana syntyy monia epäpuhtauksia, jotka on poistettava. Tähän käytetään erilaisia tekniikoita. Terästä voidaan tuottaa puhdistusprosessissa tai käyttämällä tähän tarkoitettuja uuneja, yleisimmin konvertteri- ja tyhjiöuuneja. On olemassa monia teräslajeja, jotka eroavat käyttökohteeltaan, laadultaan, mekaanisilta ja fysikaalisilta ominaisuuksiltaan sekä kemialliselta koostumukseltaan. Niiden erottamiseksi käytetään erilaisia kirjain- ja numero-merkintöjä. Teräksen etuja ovat suuri vetolujuus ja puristuslujuus. Materiaali on joustavaa ja muovautuvaa, mikä helpottaa sen käsittelyä. Se on myös sitkeää ja samalla kovaa. Teräkselle on ominaista myös iskunkestävyys. Sitä käytetään laajalti, koska se on erittäin vastustuskykyinen sääolosuhteiden haitallisille vaikutuksille.
Terästä arvostetaan suuresti sen korkean puristus-, taivutus- ja vääntölujuuden vuoksi. Se voi jopa palautua alkuperäiseen muotoonsa ja sitä voidaan muokata puristamalla ja suoristamalla. Teräs kestää äärimmäisiä lämpötiloja, eikä tuhoudu kylmän tai kuumuuden vaikutuksesta. Se ei myöskään ole herkkä korroosiolle. Erinomainen hitsattavuus mahdollistaa teräselementtien liittämisen, ja hitsauksen seurauksena syntyy erittäin kestäviä liitoksia. Teräksen rakenne on yhtenäinen, mikä on sen suuri etu. Nykyaikaisilla teräslajeilla voidaan saavuttaa vielä parempia ominaisuuksia, kuten suurempi lujuus, hitsattavuus ja korroosionkestävyys. Teräksen ominaisuuksiin vaikuttavat ennen kaikkea hiilen määrä, lisäaineet ja käytetty lämpökäsittely. Teräslajeja on monia, ja ne jaetaan kemiallisen koostumuksen ja käyttötarkoituksen mukaan: hiiliteräs (vähähiilinen, keskihiilinen, korkeahiilinen), seosteräs (vähäseosteinen, keskiseosteinen, korkeaseosteinen), rakenneteräs (yleiskäyttöinen, vähäseosteinen, korkealaatuinen, automaattiteräs, laakeriteräs, jousiteräs, nitreraukseen tarkoitettu, kattilateräs, kulutusteräs), työkaluteräs (hiiliteräs, seosteräs, pikateräs, erikoisteräs, ruostumaton, kirurginen, haponkestävä, magneettinen, kulutuskestävä, muuntajateräs, venttiiliteräs, kuumuudenkestävä).
Miten teräs eroaa raudasta?
Teräs ja rauta eroavat monin tavoin, vaikka ne voivatkin ulkonäöltään muistuttaa toisiaan. Rauta on alkuaine, jota tarvitaan teräksen valmistuksessa, samoin kuin hiiltä. Teräs taas on seos. Myös raudassa on hiiltä, mutta huomattavasti vähemmän kuin teräksessä. Rautaa on käytetty vuosisatojen ajan erilaisten koneiden ja työkalujen valmistukseen. Yhdistämällä rauta muihin alkuaineisiin saadaan erilaisia terässeoksia eri käyttötarkoituksiin. Rautaa esiintyy luonnostaan maankuoressa ja sitä on myös hemoglobiinissa. Teräs sen sijaan on ihmisen valmistama materiaali, joka syntyy useiden komponenttien yhdistämisestä ja lämpökäsittelystä. Toisin kuin rauta, terästä ei esiinny luonnossa.
Miten terästä valmistetaan?
Teräksen valmistus on monivaiheinen prosessi. Vuosien varrella sen tuotanto on kehittynyt huomattavasti. Teknologinen kehitys on tehnyt nykyisistä menetelmistä huomattavasti tehokkaampia kuin satoja vuosia sitten. Silti raaka-aineen muuttaminen lopputuotteeksi, esimerkiksi ruostumattomaksi teräkseksi, vie edelleen aikaa. Ensin valmistetaan rauta, ja teräksen tuotantoon tarvitaan myös kalkkia ja koksia. Kaikki sulatetaan uunissa. Tuloksena syntyy erittäin kuumaa metallia, joka sisältää kuitenkin paljon epäpuhtauksia. Jos niitä ei poisteta, materiaalin kestävyys heikkenee ja se muuttuu hauraaksi. Miten tämä ongelma ratkaistaan? Sulaan metalliin lisätään romuterästä ja siihen puhalletaan happea. Tämän seurauksena suuri osa hiilestä ja epäpuhtauksista poistuu, eikä niitä saa olla puhtaassa teräksessä. Monet valmistajat käyttävät nykyään sähköuuneja teräksen tuotantoon. Sähkövirta metallissa mahdollistaa saman tavoitellun vaikutuksen. Näin syntyy raaka teräs.
Prosessi ei kuitenkaan pääty tähän. Seuraavaksi valmistetaan sekundaariteräs. Ensin tarkistetaan syntyneen materiaalin koostumus. Tärkeää on tietää, mihin teräs tulee käytettäväksi, jotta saavutetaan haluttu laatu. Hiilen poistaminen ja alumiinin lisääminen tuottavat piirustusterästä. Jos teräksen on oltava rakenneterästä, hiilen määrää ei saa vähentää liikaa, sillä hiili vaikuttaa suuresti vetolujuuteen. Teräksestä voidaan poistaa epäpuhtauksia monin menetelmin: muuttamalla lämpötilaa, poistamalla kaasuja tai lisäämällä kuonaa. Menetelmä valitaan valmistettavan teräslajin mukaan. Kuuma metalli kaadetaan muotteihin, joissa se jäähdytetään.
Lämpötilan laskeminen kovettaa terästä. Sitä ei kuitenkaan anneta jäähtyä täysin, vaan teräs poistetaan muoteista kuumana. Seuraavaksi se leikataan, ja saavutettuaan halutun pituuden se saa jäähtyä täysin. Sen jälkeen materiaali käy läpi esikäsittelyn. Valetuista osista voidaan muodostaa erilaisia muotoja kuumavalssauksen avulla. Lopuksi teräs käy läpi sekundaarisen käsittelyn, jossa sille annetaan lopullinen muoto. Sekundaarinen käsittely voi sisältää esimerkiksi päällystämisen, liittämisen, puristamisen, poraamisen ja niittaamisen.
Mihin terästä käytetään?
Teräksen käyttömahdollisuuksiin vaikuttavat sen mekaaniset ja teknologiset ominaisuudet. Tarkoituksen mukaan valitaan oikea teräslaji. Terästä käytetään laajasti eri teknologian aloilla ja teollisuuden haaroissa. Se on välttämätön rakennusmateriaali, ja sitä käytetään katteissa ja julkisivuissa, kuten teräskattolevyissä. Ajoneuvojen korit ovat terästä, samoin säilyketölkit. Laadukasta terästä tarvitaan myös laivanrakennuksessa – rungot ja merialustat valmistetaan siitä. Sitä käytetään monien koneenosien valmistuksessa. Yleisiä terästuotteita ovat levyt, tangot, ruuvit, naulat, profiilit, nauhat ja kaapelit. Myös sähköasennuksissa käytetään terästä. Sitä hyödynnetään siltojen, hallien, kävelysiltojen ja monien muiden rakenteiden rakentamisessa. Teräksen käyttökohteita on valtavasti, ja ilman sitä monet julkiset rakennusinvestoinnit eivät olisi mahdollisia.