Jêklo ježelezovazlitina, pri kateri je poleg samega železa najpomembnejši zlitinski elementogljik. Ogljika je v jeklih razmeroma malo, lahko pa so dodani še drugi legirnielementi. Njegovmasni delež je navadno manjši od 2 %. Kljub temu ima najpomembnejši vpliv na uporabne lastnosti jekel.
Najpogostejša so ogljikova jekla. To so jekla, ki poleg železa vsebujejo le ogljik ter manjše količinemangana,silicija inaluminija. Slednje tri elemente dodamo z namenom, da bi zmanjšali ali povsem izničili negativen vpliv nečistoč, kot sožveplo,fosfor,kisik indušik. Druga skupina jekel so legirana jekla. Ta – za razliko od ogljikovih jekel - vsebujejo še znatne količinekroma,niklja,molibdena ali katerega drugega elementa. Posebna legirana jekla, ki so znana kot nerjavna, vsebujejo najmanj 11,5 % kroma. Orodna jekla so posebna vrsta jekel. Namenjena so odrezovanju in oblikovanjukovinskih in nekovinskihmaterialov v želeno obliko. Nekatera jekla dobijo svojo končno obliko zlitjem (jeklena litina), medtem ko večino jekel oblikujemo v končno obliko z gnetenjem (preoblikovanjem) in jih lahko prištevamo h gnetnim zlitinam.
Fazni diagram železo-ogljik,z različnimi fazami, odvisno od temperature in vsebnosti ogljika
Železo je pogosto najti v zemeljskiskorji v oblikirude, navadno železovega oksida, kot sta na primermagnetit inhematit. Železo se pridobiva iz rude tako, da se s pomočjo ogljika iz rude odstranjuje kisik, ki se sprošča v atmosfero kot ogljikov dioksid. Ta proces, znan kottaljenje, je bil prvič uporabljen za kovine z nižjimitališči, kot sta na primerkositer, ki se tali pri približno 250 °C (482 °F) inbaker (tališče pri približno 1.100 °C (2.010 °F)). Za primerjavo, lito železo se tali pri približno 1.375 °C (2.507 °F)[1] V antičnih časih so topili majhne količine železa s segrevanjem rude v trdnem stanju, zakopane v gorečeoglje; pridobljene grude železa so s kladivom obdelovali, da iz njih iztisnejo nečistoče. Če se pri tem previdno premika rudo po ognjišču, je mogoče obvladati vsebnost ogljika.
Vse te temperature je mogoče doseči s starimi pristopi, ki jih je človeštvo poznalo že odbronaste dobe dalje. Ker se stopnja oksidacije železa nad 800 ° C (1,470 ° F) hitro poveča, je pomembno, da taljenje poteka v okolju z nizko vsebnostjo kisika. Za razliko od bakra in kositra se ogljik v tekočem ali trdnem železu dokaj hitro raztopi. Taljenje v prisotnosti ogljika, ki reducira železove okside, vodi do nastanka t. i.grodlja, to je zlitine, ki vsebuje preveč ogljika, da bi jo lahko imenovali jeklo.[1] Presežek ogljika in drugih nečistoč se odstrani v naslednjem koraku.
Za proizvodnjo jekla z želenimi lastnostmi se mešanici železa / ogljika pogosto dodajo drugi materiali.Nikelj inmangan povečujeta natezno trdnost jekla v jeklu in austenitno obliko raztopine železo-ogljik stabilizirata,krom povečatrdoto in talilno temperaturo,vanadij tudi povečatrdoto, ne da bi jeklo bilo zaradi tega bolj dovzetno zakovinsko utrujenost.[2]
V proizvodnji nerjavečega jekla se talini doda vsaj 11 % kroma, tako da se na površini kovine stvori trd oksid, ki preprečujekorozijo. Volfram ovira nastanekcementita, tako da se med počasnejšim hlajenjem raje tvori martenzit, kar je ozadje za proizvodnjo hitroreznih jekel. Po drugi strani elementi, kot sožveplo,dušik infosfor, povzročajo krhkost jekla, tako da je treba te običajno prisotne elemente med obdelavo iz taline jekla odstraniti.[2]
Tudi v ozkem območju koncentracij mešanic ogljika in železa, ki nosijo ime jeklo, to je do 2,1 masnih odstotkov C, lahko pride do nastanka več različnih metalurških struktur, ki imajo zelo različne lastnosti.Razumevanje teh lastnosti je bistvenega pomena za kakovost jekla. Pri sobni temperaturi je najbolj stabilna oblika čistega železaferit ali α-železo, ki ima telesno centrirano kristalno strukturo (BCC). To je precej mehka kovina, ki lahko raztopi le malo ogljika, ne več kot 0,005 pri 0 °C in 0,021 masnih odstotkov ogljika pri 723 °C. Pri 910 °C se čisto železo pretvori v ploskovno centrirano kubično (FCC)
Med ohlajanjem jekel z manj kot 0,8% ogljika (znanih kot podeutektoidna jekla), se avstenitna faza (FCC) v zmesi skuša pretvoriti nazaj v feritno fazo (BCC). Ogljik se več ne prilega strukturi FCC, ki ima za posledico prebitek ogljika. Eden od možnosti za izločevanje ogljika iz avstenitne kletke je, da se obori iz raztopine kotcementit, pri tem pa v svoji okolici tvori na ogljiku siromašen ferit ( fazo železa BCC železa), kar se kaže kot feritno ozadje s cementitnimi vključki.Cementit je trda in krhka intermetalna spojina s kemično formulo Fe3C.Eutektoidna točka, z 0,8% ogljika, se ohlajena kaže kot t. i.perlit, ki je dobil ime zaradi svojega bisernega videza. Pri večjih povečavah je mogoče razločiti lamelno strukturoferita incementita. Pri jeklih z več kot 0,8% ogljika, ima ohlajena snov strukturo v oblikiperlita incementita.[3]
Morda najpomembnejša polimorfna oblika jekla jemartenzit, metastabilna faza, ki je bistveno močnejša od drugih faz jekla. Če se jeklo v austenitni fazi hitro kali, nastane martenzit: atomi, ki nimajo dovolj časa za tvorjenjecementita, "zamrznejo" na točkah, kjer se celična struktura iz FCC spremeni v deformirano obliko BCC. Glede na vsebnost ogljika obstajajo različne oblike martenzitne faze. Pod približno 0,2% ogljika ima BCC kristalno obliko ferita, pri višjih vsebnostih ogljika pa zavzame tetragonalno telesno centrirano strukturo (BCT) . Za preoblikovanjeaustenita vmartenzit ni potrebna toplotnaaktivacijska energija. Poleg tega spremembe v sestavi ni, tako da atomi praviloma ohranjajo svoje sosede[4]
Martenzit ima nižjo gostoto kot pa austenit, tako da pretvorba med njima povzroča spremembo prostornine, pri transformaciji izaustenita vmartenzit orej pride do ekspanzije. Notranje napetosti se na splošno čutijo kot stiskanje kristalov martenzita in napetosti na preostali ferit. Na obe sestavini pri tem delujejo občutne strižne sile. sestavin. Če se kaljenje izvaja nestrokovno, lahko notranje napetosti povzročijo, da se del, ki se hladi, zdrobi. V vsakem primeru pride do porasta notranje trdosti in drugih mikroskopskih nepravilnosti. Če se jeklo kali z vodo, pogosto pride do razpok, ki pa lahko da niso vedno vidne..[5]
Načrtovana in nenaključna proizvodnja jekla poteka iz predhodno pridobljenega železa. Ker je jeklo zlitina železa in ogljika, pri zgodovini jekla dejansko obravnavamo železo. Danes večino železa pretvorijo v jeklo.
Železa, za razliko od nekaterih drugih kovin kot so zlato, srebro in platina, v naravi ne najdemo v elementarni obliki, ampak navadno v kombinaciji s kisikom in žveplom. Z obdelavo iz železove rude odstranimo kisik in dodamo ogljik ali druge elemente za izboljšanje lastnosti materiala.
Težavo pri pridobivanju železa v preteklosti je predstavljalo predvsem visokotališče železa, pri katerem je možno iz rude izločiti kisik. Tališča, ki znaša 1535 °C, ni bilo možno doseči z odprtim ognjem, ki je lahko dosegel temperaturo do največ 1100 °C. Človek je poznal železovo rudo, vendar je ni znal obdelovati.
Najstarejše najdbe, ki kažejo prve znake uporabe železa, izhajajo iz staregaEgipta inMezopotamije in datirajo okoli 4000 let pr. n. št.Egipčani inSumerci so v tem času iz železa izdelovali nakit, konice sulic in bodala. Železo, ki so ga obdelovali, vsebuje več kot 6 % niklja, tako kot snov meteoritov, kar nakazuje, da je izvor tega železa nezemeljski oz. iz meteoritov. Nikelj-železo je bilo primerno za obdelavo, ne da bi ga bilo treba predhodno segreti do temperature tališča čistega žleza.
Prve najdbe železnih predmetov, ki ne vsebujejo niklja in so zemeljskega izvora, so iz obdobja med 3000 in 2000 let pr. n. št. ter izhajajo izAnatolije (danesTurčije), Egipta in Mezopotamije. Manjše kepe železa so našli v talilnicahbakra, kar podpira teorijo, da je bilo to železo stranski produkt proizvodnje bakra.
Z vpihovanjem zraka skozi votle cevi, so v pečeh dosegali višje temperature ognja (do 1200 °C), hkrati pa se je temperatura tališča železove rude, z dodajanjem ogljika v obliki oglja, znižala. Tako so iz železove rude dobili grude stopljenega železa ali t. i.železov cvet. Ne glede na to ali so železov cvet dobili kot stranski produkt ali z načrtno proizvodnjo, so v tem obdobju železovo rudo že lahko obdelovali. Ogret železov cvet so nadalje obdelovali skladivom, da so se znebili neželenih primesi.
Dosedanja odkritja damascenskega (s kovanjem vzorčasto okrašenega) jekla iz 20. stol. pr. n. št. izhajajo iz območja nekdanje Anatolije. CivilizacijiHetitov iz Anatolije pripisujejo najstarejšo proizvodnjo jekla. Železo so mehanično ločili od ostalih snovi v železovi rudi in kovali vroče železo pri 800 °C, s čimer so dodatno izločili nečistoče v obliki tekoče žlindre. Tako so dobili kovano železo. Hetiti so iz jekla izdelovali orožje ali pa ga uporabljali kot menjalno sredstvo za srebro zAsirci.
Egipčani so svoje železne premete vrednotili zadosti, da so jih pokopavali vgrobnice. Egipčanski vladarTutankamon, ki je umrl leta 1323 pr. n. št. je bil pokopan z železnim bodalom.
Starim Grkom inRimljanom je bil proces pridelave jekla tako zanimiv, da so ga opisovali celo pisatelji.Homerjeve pesnitve (okoli 880 pr. n. št.),Herodotova »Zgodovina« (446 pr. n. št.),Aristotel (350 pr. n. št.) inPlinijeva »Zgodovina narave« (leta 77) opisujejo procese pridelave jekla. Grki in Rimljani so jeklo uporabljali predvsem zameče. Kljub visoki natezni trdnosti ga niso uporabljali v konstrukcijske namene. Čeprav bi lahko izdelovali dolgetraverze, je vse kar najdemo, nekaj majhnih nosilcev vkopališčih iz kovanega železa.
Indijci so za damasciranje uporabljali jeklo imenovanoWootz. To jeklo so pričeli proizvajati okoli 3. stoletja pr. n. št. na juguIndije in je vsebovalo veliko ogljika. Wootz so dobili tako, da so železovo rudo karbonizirali, da so jo lahko stalili, zatem pa še dekarbonizirali, do stopnje vsebovanega ogljika od 1 % do 1,6 %. Jeklo so nato v obliki materiala in končnih izdelkov izvažali vEvropo,Kitajsko, Arabski svet inBližnji vzhod, kljub temu pa je postopek izdelave zelo kvalitetnega jekla Wootz ostal skrivnost vse do prenehanja njegove proizvodnje v 17. stoletju.
Kitajci, ki so železo in jeklo pričeli uporabljati približno 1000 let kasneje kot Hetiti, so močno razširili uporabo te kovine. Uporabljali so jo za orodje, orožje, posodo, kuhinjske pripomočke in tudi v konstrukcijske namene. Prvi železniviseči most so konstruirali in izvedli Kitajci. Njihovo prečiščevanje staljenega surovega železa in kovaško obdelovanje, je bilo okoli 500 pr. n. št. zelo razvito, saj so enako tehnologijo Evropejci pričeli uporabljati šele 2000 let kasneje.
V Evropi lito železo do 14. stoletja ni bilo cenjeno. S pričetkom uporabe jekla zatopove pa se je zanimanje za železovo rudo povečalo. Pomemben pobudnik razvoja je bila tudiželeznica s svojimi potrebami. Železničarji so potrebovali kvalitetnejši material zatirnice, ki so jih sicer morali menjavati vsakih 6 mesecev in so bile vzrok za številne nesreče.
Povečana pridelava jekla je terjala porabo velikih količinoglja, kar je pomenilo ogromno krčenjegozdov, zato je v 17. stol. prišlo do zamenjave oglja spremogom, vendar je premog vseboval žveplo, kar je naredilo jeklo krhko. Rešitev so našli pivovarji, ki jim je pri uporabi premoga za varjenje piva nezaželeno žveplo dajalo smrdljiv priokus pivu. Žvepla so se znebili tako, da so premog pekli, tako da je ostal čisti ogljik.ŠvedskikemikTorbern Olof Bergman je leta 1781 v svoji znanstveni razpraviDisseratatio Chemica de Analysi Ferri razkril pomembno vlogo ogljika v železni zlitini in determiniral kompozicijo litega železa, jekla in surovega železa. Odslej je bila razlika med železom in jeklom jasno določena.
Britanski izumiteljHenry Bessemer je izumil tehniko masovne proizvodnje jekla in jo leta 1855 patentiral. Bessemer je med projektiranjem topovskih izstrelkov za Britansko vojsko prišel na idejo, da bi iz poceni železne zlitine odstranjevali ogljik, namesto da so ga dodajali dragemu nizko karbonskemu surovemu jeklu.Bessemerjev postopek je zajemal vpihovanje zraka pod velikim pritiskom (s pomočjo parnega stroja) v staljeno surovo železo, kar je imelo dvojni učinek: kisik je nase vezal ogljik in se izločil kot ogljikov dioksid, hkrati pa je oksidacija dobavljala toploto, ki je bila potreba za ohranjanje taline, saj se je z zniževanjem ravni ogljika poviševala talilna temperatura. Odkritje je pomenilo pričetek poceni industrijske proizvodnje jekla.
Nemški inženirCarl Wilhelm Siemens je leta 1856 predstavil izboljšavo talilne peči. Iznašel je regeneracijski postopek, na osnovi katerega je francoski inženir Pierre-Émile Martin leta 1864 konstruiral in patentiral peč. Ta je dobila ime Siemens-Martinova peč. Pri teh pečeh se uporablja postopek regeneracije toplote tako, da se v plamenih peči temperatura bistveno zviša s predogrevanjem zraka in generatorskega plina, ki služi kot gorivo. S konvektorskim postopkom se proizvajajo kisla in bazična jekla glede na vrsto obloge v konvektorjih, kjer se poleg grodlja tali tudi staro železo. Možnost uporabe starega železa pri proizvodnji novega je pomenila pomemben korak naprej v jeklarski industriji.
AngležaPercy Carlyle Gilchrist inSidney Gilchrist Thomas sta leta 1878 modificirala Bessemerjev proces. Z dodajanjem apnenca ali dolomita sta iz taline odstranila fosfor in žveplo. Možnost odstranjevanja nečistoč je pomenil novo prelomnico, saj sta postali angleška in nemška železova ruda, ki sta vsebovali veliko fosforja, prav tako uporabni za pridelavo kvalitetnega jekla, kot je bila prej švedska ruda. Proces je po izumitelju poimenovan Thomasov proces.
Po številnih poizkusih izumiteljev v 19 stoletju je elektropeči leta 1900 razvil FrancozPaul L.T. Heroult. V elektropečeh se je s pomočjo oglenih elektrod tik nad surovinami ustvaril električni oblok, ki je talil surovine ter zgoreval ogljik. Pri tem postopku ni bilo treba dovajati zraka, zato se v talini niso ustvarjali dodatni zračni mehurčki. Elektroobločni postopek je omogočil izdelavo visokokakovostnih in posebnih vrst jekel, ki so jih uporabljali za orodja in vzmetnice. Osnovna pomanjkljivost električnih peči je visoka količina porabljene energije.
V začetku 20. stoletja je bila zaradi njegove neenotne kompozicije ukinjena uporaba litega in surovega železa v konstrukcijske namene. V skladu s tedanjimi predpisi je bilo pri gradnji dovoljeno uporabljati le jeklo. Konstrukcijsko jeklo je bilo material specifičnih oblik, zanesljive kemične sestave in točno določene trdote, kar pa je zagotavljalo primerno stopnjo varnosti konstrukcije.
Jeklo je material, ki je prisoten pri vsej arhitekturi 20. stoletja: v ploščah, vezivih, vijakih, žebljih, v obliki palic in mrež kot armatura v betonu. Konstrukcijsko jeklo je omogočilo razvoj hitro postavljivih poslovnih objektov, strehe velikih razponov brez vmesnih nosilcev in gradnjo nebotičnikov.
Pomemben napredek v jeklarski industriji je bilo odkritje nerjavečega jekla. AngležHarry Brearley ga je prvič proizvedel z dodajanjem kroma železu v električni peči leta 1913. Po njegovem odhodu iz laboratorijev Brown Firth je z raziskavami nadaljevaldr. William H. Hatfield, ki je leta 1924 izumil še danes najbolj razširjeno vrsto nerjavečega jekla, t. i. jeklo »18/8«, katerega 18 % teže predstavlja krom in 8 % teže je niklja.
Danes se večina konstrukcijskega jekla proizvaja s procesom imenovanim osnovni oksidacijski postopek (BOS – ang. Basic oxygen steelmaking), ki je izboljšana metoda Bessemerjevega procesa v t. i.LD–konverterju, ki je poimenovan po dveh Avstrijskih krajih – Linz in Donawitz. Postopek je razvilo in prvič predstavilo Avstrijsko podjetje Voestalpine AG leta 1952. Z vpihovanjem čistega kisika na surovo železo se temperatura dvigne do 1700 °C, zniža se raven ogljika in pridobivamo nizko karbonsko jeklo. Bistvena izboljšava od Bessemerjevega postopka je uporaba kisika namesto zraka, ki skupaj z modernim prečiščevalnim procesom zagotavlja dobro zrnavost in dobro varljiv material z enakomerno trdnostjo in žilavostjo.
Leta 1952 je bila ustanovljenaEvropska skupnost za premog in jeklo, z namenom zagotoviti rekonstrukcijo ključnih industrij po drugi svetovni vojni. Proces je bil za obe panogi zelo zahteven, vendar se je le tako oblikovala vitka, fit in moderna jeklarska industrija. Jeklo je postalo moderen material z obetajočo prihodnostjo. Danes je jeklo najpogosteje recikliran material na svetu. Ocenjujemo, da je od novo proizvedenega jekla približno 42,3 % recikliranega materiala. Vse jeklo, ki je na razpolago se reciklira. Dolga življenjska doba in uporaba v konstrukcijske namene pomeni zaloge za recikliranje v prihodnosti, toda da bi zapolnili današnje potrebe je treba proizvajati tudi jeklo iz železove rude.
Jeklo je elastično,modul elastičnostiE znaša od 2,0 do 2,2×105 N/mm². Čisto železo imatrdoto le 60HV. S postopkitoplotne obdelave dosegamo v jeklu trdote tudi do 800 HV, s postopki toplotno kemične obdelave pa tudi vrednosti 2000 HV.Natezna trdnost čistega železa znaša približno 200 N/mm², jekla pa tudi do 4000 N/mm².
Tehnična železa, med katere spada jeklo, so med kovinami oziroma zlitinami po uporabnosti najbolj razširjena. Gospodarska in tehnična uporabnost ni le v veliki količini, temveč tudi v izredno visoki uporabnosti lastnosti. Lastnosti jekel spreminjamo predvsem z legiranjem, s plastičnim preoblikovanjem v toplem in hladnem ter s toplotno obdelavo. Tako je mogoče natezno trdnost spreminjati od 200 do 4000 N/mm2, magnetne lastnosti pa odferomagnetnih doparamagnetnih.Korozijsko obstojnost lahko prilagajamo najrazličnejšim zahtevam, prav tako tudi tehnološke lastnosti. Jeklo lahko oblikujemo v vročem zulivanjem,kovanjem,valjanjem instiskanjem; v hladnem pa z valjanjem,vlečenjem, stiskanjem in zodrezovanjem. Jekla lahko izdelujemo tudi s postopki prašne metalurgije. Jeklene dele lahko spajamo zvarjenjem,lotanjem,kovičenjem,vijačenjem.
Kaljeno jeklo
Kaljênje je postopek toplotne obdelave jekel, pri katerem jeklo najprej segrejemo do kalilne temperature (v področje avstenita), nato pa ga hitro ohladimo. Na ta način dobimo trdo strukturo - martenzit. Ogljikovo jeklo mora vsebovati zadostno količino ogljika (0,6 - 2,06 % ogljika), da je kaljivo. Lastnost jekel, da se jim pri kaljenju poveča trdota, imenujemo kaljivost. Pojem, ki označuje, ali se je predmet pri kaljenju prekalil po vsem prerezu, pa imenujemo prekaljivost. Zaradi hitrega ohlajanja se pri kaljenju pojavijo v materialu velike notranje napetosti; grozi nevarnost, da bi predmet počil. Da to preprečimo, zakaljen predmet popustimo. Popuščanje je postopek, pri katerem zakaljeni predmet segrejemo do 180 °C (ko martenzit še ne izgubi trdote); segrevamo takoj po kaljenju, še preden se predmet popolnoma ohladi do temperature okolice. Glavni namen kaljenje je navadno povečanje trdote jekla.
S temi preiskavami odkrivamo napake v materialu, ne da bi ga poškodovali ali celo uničili in ga kasneje lahko vgradimo v kakšno napravo. Najbolj sta razširjeni dve metodi:preiskava z ultrazvokom inpreiskava z rentgenskimi žarki
Eduard Houdremont:Handbuch der Sonderstahlkunde. 3. verbesserte Auflage (letzter Hand),Springer-Verlag Berlin, Göttingen, Heidelberg, und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1956, 1538 S. in 2 Bänden.
Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Izd.):Werkstoffkunde Stahl, Band 1: Grundlagen.Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1984, 743 S.
Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Izd.):Werkstoffkunde Stahl, Band 2: Anwendungen.Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, und Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1985, 862 S.
Claus und Micah Wegst:Stahlschlüssel – Key to Steel 2010 Nachschlagewerk. Verlag Stahlschlüssel 2010,ISBN 3-922599-26-5.
Industrieverband Massivumformung:Neue Stähle für die Massivumformung. Inforeihe Massivumformung, März 2012,ISBN 978-3-928726-28-3.
