Stal, Żelazo i historia hutnictwa żelaza

Stal - plastycznie i cieplnie obrabialny stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego. Stal daje się łatwo przerabiać plastycznie w procesach walcowania, ciągnienia, kucia.

Jakość powierzchni po walcowaniu na gorąco lub zimno, ciągnieniu, kuciu, obróbce cieplnej dla niektórych zastosowań jest niewystarczająca. Konieczne są dodatkowe operacje technologiczne takie jak: Łaszczenie - stosowane przy prętach okrągłych (jest odmianą toczenia, pozwala usunąć warstwę powierzchniową, nawet o grubości kilku milimetrów, między innymi dla pozbycia się wad powierzchniowych); szlifowanie; szlifowanie i polerowanie.

Zabiegi polepszania powierzchni wyrobów hutniczych stosowane są przy stalach zwykłej jakości sporadycznie, natomiast są regułą przy stalach stopowych jakościowych, w tym zwłaszcza przy wyrobach hutniczych ze stali odpornych na korozję. Wyroby o powierzchni szlifowanej i polerowanej: rury, pręty, blachy stosowane są między innymi w przemyśle spożywczym, budownictwie, przemyśle chemicznym. Serwis w zakresie szlifowania i polerowania wykonują również niektóre firmy handlowe. Obecnie skatalogowano ponad 3000 gatunków stali i żeliwa.

Żeliwo - stop odlewniczy żelaza z węglem (ponad 2% C) i innymi pierwiastkami (krzem, mangan, fosfor, siarka). Zależnie od postaci, w jakiej w żeliwie występuje węgiel, rozróżnia się: żeliwo szare (węgiel w postaci grafitu) - łatwo obrabialne, używane powszechnie do budowy maszyn; żeliwo białe (węgieł w postaci cementytu) - jasne na przełomie, bardzo twarde, używane na walce, ruszty kotłowe itp. Żeliwo ze względu na dobrą lejność, mały skurcz odlewniczy, dobrą skrawalność, dużą odporność na ścieranie, tłumienie drgań i stosunkowo niską cenę jest jednym z najważniejszych materiałów stosowanych w budowie maszyn. Staliwo - stal lana, stal odlana do formy odlewniczej (nie przerobiona plastycznie). W zależności od składu chemicznego rozróżnia się: staliwo węglowe - dol,5% C i inne pierwiastki nie przekraczające 1%; staliwo stopowe, zawierające ponadto pierwiastki wprowadzone celowo np. nikiel, chrom, wolfram, molibden, wanad dla poprawienia właściwości mechanicznych. W porównaniu z żeliwem, staliwo wykazuje znacznie lepsze właściwości mechaniczne, zwłaszcza plastyczność.

Żelazo - symbol chemiczny Fe (Ferram) jest jednym z najstarszych pierwiastków poznanych przez człowieka. Jest to pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 26. Metal ciężki, trudnotopliwy, niezbyt twardy, ciągliwy, o barwie białoszarej. Temperatura topnienia 1539°C, temperatura wrzenia 3000°C, gęstość 7,85 g/cm3.

Żelazo to nie tylko główny składnik stali, lecz również pierwiastek, który zdecydował o rozwoju życia na ziemi. Jest bowiem jednym ze składników hemoglobiny, czynnika niezbędnego do przenoszenia tlenu zarówno w organizmach ludzkich jak i zwierzęcych. O niezbędności żelaza w organizmie ludzkim wiedział już 2300 lat temu grecki historyk Herodot, który w swych dziełach podaje, że chorym na niedokrwistość czyli anemię zalecano, aby wieczorem do kwaśnych jabłek wkładali żelazne gwoździe, a następnego ranka jabłka te zjadali (wraz z cząsteczkami żelaza, które pod wpływem kwasu jabłkowego przeniknęły z zardzewiałych gwoździ do jabłek). Żelazo stanowi prawdopodobnie około 45% masy ziemi. Przyjmuje się, że w stanie rodzimym stanowi ponad 90% jądra ziemi. Żelazo występuje też w postaci minerałów, m.in. magnetytu, hematytu, limonitu, syderytu, pirytu.

Historia żelaza i stopów opartych na tym pierwiastku obejmuje okres 6000 lat. Już w czwartym tysiącleciu przed naszą erą zaczęto wyrabiać przedmioty użytkowe z kutego żelaza, o czym świadczą znaleziska archeologiczne w Mezopotamii, Egipcie i Azji Zachodniej. Na szerszą skalę używano żelazo w Babilonie już w czasach Hammurabiego. Nie było to jednak żelazo uzyskane z rud, a pochodziło ze znalezionych na ziemi meteorytów. Dlatego też w językach staroegipskim i sumeryjskim słowo "żelazo" oznaczało "metal z niebios". Żelazo z rud zaczęto otrzymywać 2000 lat przed naszą erą, najpierw w Azji Mniejszej.

Jako początek epoki żelaza przyjmuje się okres rozpowszechnienia się metod otrzymywania żelaza z rud. Ramy czasowe epoki żelaza są zróżnicowane i uzależnione od stref geograficznych i rozwoju gospodarczego społeczeństw. Początek ery żelaza w środkowej Europie przyjmuje się na około 750 lat przed naszą erą i w tym czasie hutnictwo znane było na ziemiach polskich. Hutnictwo świętokrzyskie w I -V wieku naszej ery zaliczane było do największych w Europie. Do Ameryki i Australii znajomość hutnictwa żelaza przenieśli europejscy kolonizatorzy. Po zahamowaniu rozwoju hutnictwa w okresie wędrówki ludów ponowne przyspieszenie rozwoju nastąpiło w VIII wieku naszej ery, kiedy do otrzymywania żelaza z rud zaczęto używać pieców zwanych dymarkami. W dymarkach jednak nie można było uzyskać temperatury, przy której topi się żelazo, otrzymywano je w postaci gąbczastych, ciastowatych brył, które przekuwano dla usunięcia zanieczyszczeń zwanych żużlem. W XV wieku tzw. wysokie piece 4 - 6 m, a później wielkie piece pozwoliły po raz pierwszy otrzymać żelazo i żeliwo w postaci płynnej. Wiek XVIII i XIX to okres pierwszych odkryć naukowych z zakresu hutnictwa żelaza (Berthollet, Monge, Vandermonde, później Bessemer, Thomas, Martin) opartych na badaniach laboratoryjnych. Odkrycia te stworzyły podstawy do wytwarzania stali stopowych, w tym również stali nierdzewnych. Około 1800 roku udało się wyodrębnić chrom, pierwiastek stopowy niezbędny we wszystkich stalach odpornych na korozję. Około 1910 roku zasób informacji o stalach chromowych oraz chromowo niklowych o strukturze ferrytycznej, austenitycznej, martenzytycznej był już tak duży, że można było przystąpić do ich przemysłowej produkcji. Dla ferrytycznych stali chromowych Harry Brearlery przyjął nazwę STAINLESS STEEL, którą później rozszerzono na austenityczne stale chromowo - niklowe.

W 1912 roku opatentowano składy chemiczne stali austenitycznych, co utrudniało podjęcie ich produkcji w innych krajach m.in. w odrodzonym po I wojnie światowej Państwie Polskim. Początkowo stale nierdzewne wytapiano w małych piecach elektrycznych (indukcyjnych i łukowych), co uniemożliwiało otrzymanie stali o niskiej zawartości węgla. Zastosowanie po II wojnie światowej świeżenia stali tlenem, a następnie wprowadzenie odgazowania w próżni rozwiązało ten problem. Obecnie stosuje się elektrożużlowe przetapianie stali nierdzewnych i odlewanie ciągłe, opracowane zostały stale odporne na korozję do specjalnych zastosowań, dodaje się do stali również inne pierwiastki, wcześniej nie stosowane.