Luento 1 Muutama vuosi historiaa
Kipsi ja keramiikka Kipsi CaCO 3 = CaO + CO 2 CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O Lämmön lähteenä puu Keramiikka Polttamalla savea saadaan valmistettua astioita joita voidaan käyttää ruuan valmistamiseen ja säilömiseen. Puuhiilen avulla päästään korkeampaan lämpötilaan -> lasitus Palkeet 2
Kupari Kuparin pelkistys Luonnosta löytyvää kuparia käytetty työkaluissa ja koruissa Takominen ja valaminen hallittu ennen pelkistyksen keksimistä Oletettavasti keramiikan polton yhteydessä on sattumalta myös pelkistetty kuparia. Myös leirituliteoria mahdollinen. Oksidi- ja karbonaattimalmien pelkistys helppoa. Pohjalle painunut raskas kupari helposti tunnistettavissa 3
Kupari Kuparin pelkistys Pehmeän kuparille lisää lujuutta takomalla. Myös pehmeäksi hehkutus käytössä Ei valloittanut maailmaa koska ei voittanut kivityökalujen ominaisuuksia Helposti pelkistettävät malmit käytettiin loppuun jolloin siirryttiin vaikeampiin malmeihin 4
Pronssi Pronssin valmistus Epäpuhtauksien lisääminen kupariin nostaa lujuutta. Sumerit valmistivat pronssia sekoittamalla kuparioksidin (CuO) sekaan kassiteriittia (SnO). Pronssin laatua paransi tinaoksidin valmistaminen tinasta. Tinaoksidia voitiin sekoittaa myös puhtaaseen kupariin. Tinaoksidin pelkistämiseen käytettiin puuhiiltä. Malmin koostumus vaihtelee alueittain. Esimerkiksi arseeni- ja lyijypitoisien malmien käytöstä luovuttiin terveysvaikutusten takia. 5
Pronssi Pronssin valmistus Sulfidimalmista valmistetussa kuparissa on enemmän epäpuhtauksia kuin oksidi- tai karbonaattimalmi. Epäpuhtaudet sidottiin juoksutteeseen. Sopivaa malmia käyttämällä saatiin aikaan kuparia matalammassa lämpötilassa sulava seos Myös mekaaniset ominaisuudet olivat kupari- ja kivityökaluja paremmat 6
Takorauta Takorauta Rauta ja nikkelipitoisista meteoriiteistä valmistettiin tikareita kuninkaille. Rauta tunnettiin mutta sen pelkistäminen huomattavasti hankalampaa Hematiitin (Fe 2 O 3 ) pelkistyy kiinteässä tilassa lämpötilassa 700-800 C. Tällöin syntyvää rautasieni ei näytä metallilta ja loppu tulos jää helposti huomaamatta. 7
Takorauta Takorauta Rautasienen huokosiin jähmettyy kuonaa joka hankaloittaa asiaa edelleen. Kuona poistamiseksi rautasientä pitää takoa kuumana jolloin saadaan puhdasta takorautaa (muiden metallien ja hiilen pitoisuudet tyypillisesti pieniä). Syntyvät kappaleet ovat pienikokoisia ja niiden valmistamiseen kuluu paljon aikaa ja energiaa. Pienen hiilipitoisuuden takia takorauta on pehmeää. Takoraudan nopea jäähtyminen ei parannan sen lujuutta. 8
Takorauta 9
Takorauta Takorauta Takomisen jatkaminen nostaa hiilipitoisuutta sillä kappaletta kuumennetaan hiilirikkaassa atmosfäärissä (ahjossa). Hiilipitoisuuden lisääminen parantaa lujuutta, mutta liian suuri hiilipitoisuus aiheuttaa haurautta. Sopivan takomisella saatiin terästä jonka ominaisuudet olivat pronssia paremmat Takoraudan käyttö yleistyi, mutta se ei korvannut pronssia 10
Takorauta Karkaisu ja päästö Kuuman kappaleen kastaminen veteen paransi teräksen ominaisuuksia Karkaistu rakenne oli kuitenkin hauras. Hauraus hävisi kun kappale kuumennettiin matalaan lämpötilaan ja jäähdytettiin hitaasti. Pitkäikäinen mysteeri 11
Miekan kalistelua Hiilletys Karkaisematon miekka ei ole käytännöllinen (tosin aikoinaan taistelukentällä oli seppä ahjoinen jotta taittuneet miekat voitiin suoristaa) Ilman päästöä karkaistu miekka on hauras. Miekat pintakarkaistiin hiillettämällä niitä ahjossa, jolloin sitkeä keskikohta kantoi kuorman ja kova pintaosa leikkasi. Niiden alueiden miekat olivat parempia, joiden malmissa oli enemmän karkenevuutta lisääviä seosaineita. Ahjohitsaus Hyvä laatuisia miekkoja tehtiin myös ahjohitsaamalla eri hiilipitoisia teräsnauhoja yhteen (400 ekr.) 12
Sillä aikaa Kiinassa Kiina on kuuluisa Silkistä Teestä Posliinista Ruudista Kompassista Paperista Kirjapainosta ja yksi edellisistä antaa vihjeen... Valuraudasta 1000 ekr. 600 ekr. Valuraudan lämpökäsittelystä teräkseksi 400-300 ekr. Palkeista 100 ekr. 100 jkr. Puhallusuuni 100 jkr. Teräksen valmistus 230 jkr. 370 jkr. Ajoissa voi olla pientä epätarkkuutta! 13
Kiinalainen kolikko Fig. 1. Eutectic (ledeburite) microstructure of Sung Dynasty cast iron coin. The dark regions are pearlite which has formed from the original austenite during cooling. Nital etch. (British Museum) 14
Kiinalainen kolikko Fig. 2. Hypereutectic microstructure of Sung Dynasty cast iron coin showing proeutectic cementite plates (light) in ledeburite matrix. Nital etch. (British Museum) 15
Kiinalainen kolikko Fig. 4. Hypoeutectic microstructure of Sung Dynasty cast iron coin showing divorced eutectic. The dark dendrites are austenite which has transformed to pearlite during cooling. The matrix between the dendrites is cementite. Nital etch. (British Museum) 16
Toinen syrjä hyppy... Betoni Rooman rakentamisessa käytettiin betonia joka koostui tulivuoren tuhkasta (pozzolana), rikkonaisista tiilistä, hohkakivestä (tiheys luokka 0,6-0,8g/cm 3 ) ja kalsinoidusta kalkkikivestä Betoni mahdollisti valtavien rakennusta rakentamisen. Myös korroosion kesto on erinomainen Yhä hyvin pystyssä - toisin kuin Hervannan talot ;-) 17
Takaisin aiheeseen Wootz Intia 200 ekr. Rautaa, (joskus rautamalmia), lasia ja puuhiiltä kuumennetaan saviupokkaassa Tyypillinen hiilipitoisuus 1,5-2,0% Sulasta jähmettyy ensimmäisenä austeniitti ja sen jälkeen eutektisella reaktiolla sementiitin ja austeniitin seos. Austeniitti hajaantuu esieutektoidiseksi sementiitiksi, joten rakenne on normaalisti varsin hauras. Wootzia on käytetty kuitenkin miekkoihin, jotka eivät ole hauraita! 18
19
20
21
Damaskoksen teräs Damaskoksen teräs Ristiretkien aikaan lähi-idässä oli käytössä runsashiilisestä teräksestä joka oli samalla luja ja sitkeä. Kaiken lisäksi miekka oli hyvin ohut ja pitkä toisinkuin Eurooppalaiset miekat. Merkittävänä tunnusmerkkinä miekan pinnan hieno ja mutkitteleva kuvio Kuvio syntyy kun yhtenäinen sementiitti rakenne hajoaa sementiitti ja perliitti nauhoiksi. Kuvion syntymistä edistää varsin korkea fosforipitoisuus (fosfori aiheuttaa kuumahaurautta) 22
Damaskoksen teräs Damaskoksen teräs Jos teräksen koostumus (jonkin verran V, Mo, Cr, Mn ja Nb) on sopiva, syntyy sementiittiä enemmän jähmettymisen aikaisten dendriittien väliin (edellä mainittuja aineita on siis enemmän dendriittien välissä) Syklaamalla terästä austeniitin+sementiitti ja ferriitti+sementiiti alueen välillä, saadaan verkkomainen sementiitti muutettua nauhamaiseksi (myös takominen auttaa asiaa) Syklauksen jälkeen teräksen rakeen on hyvin hieno ja sen takominen on mahdollista. Terästä ei tarvinut edes päästää, sillä rakenteeseen jää karkaisun yhteydessä sopivasti jäännösausteniittia. 23
Esieutekdoidinen sementiitti ja damaski 24
Damaskoksen teräs Oikeaa rakennetta ei syntynyt jos Liian pieni V, Mo, Cr, Mn ja Nb pitoisuus Koostumuksen määrittäminen tuohon aikaa oli mahdotonta Liian pieni fosforipitoisuus Fosforipitoisen teräksen takominen on hankalaa Ilmeisesti teräksen pinnan hiilipitoisuutta laskettiin kuumentamalla sitä niukkahiilisessä ympäristössä, jolloin sitkeämpi pinta kerros mahdollisti takomisen Miksi teräs on mysteeri? Tarvittiin seppä joka osasi takoa wootzia Wootzin valmistamiseen tarvittiin oikeanlaista malmia Malmin koostumusta ei tiedetty ja jossain vaiheessa malmia ei enään ollut saatavilla Seppä ei voinut opettaa takomista seuraajalleen 25
26
27
28
Nykyiset kokeilijat Viime aikoina kehitelty toisintoja Damaskoksen teräksestä J.D. Verhoeven ja A.H. Pendray J. Wadsworthd ja O. D. Sherby H. Roselli, J. Perttula 29
ja väärentäjät Jean Jacques Perret Method of making Steel in the style of Damascus (1771) 30
ja väärentäjät 31
Boys with toys Vesiratas Vesiratas mahdollisti suurempien takorautakappaleiden muokkausten, joka loi kysyntää suuremmille aihioille. Vesiratasta voitiin käyttää myös ilman puhallukseen. 32
Boys with toys Puhallusuuni Lämpötilaa saadaan nostettua ilmapuhalluksella. Vesivoiman valjastaminen tehosti puhallusta. Valuraudan sulattaminen olisi ollut mahdollista vuona 1340 uunin maksimi lämpötilan puolesta, mutta uunien malli ja panostus asettivat esteitä Valuraudan sulattamiseksi pitää pelkistetyn raudan hiilipitoisuus nostaa riittävän korkeaksi. Uunien malli ja panostus päästivät pelkistyneen raudan vajoamaan liian nopeasti pohjalle. Uunin pohjan vuoraus ei tyypillisesti kestänyt sulaa valurautaa 33
Valurauta Valurauta 1460-luvulla osattiin tehdä valumuotteja hiekasta, savesta ja hiilipölystä. Vastaavaa tekniikkaa käytettiin puhallusuunin alaosaan, jolloin syntyi masuuni Valuraudan yleistymistä hidasti kallis puuhiili, jota ei haluttu tuhlata Englannissa tehtiin ensimmäinen valurautainen kanuuna 1543. Englantilainen kanuuna säilytti johtoasemansa sadan vuoden ajan 34
Ahjomellotus Ahojomellotus Valurautaa ei voitu takoa suuren hiilipitoisuuden vuoksi. Liiasta hiilestä päästiin eroon kun sulan valuraudan sekaan puhallettiin ilmaa. Ilman puhaltaminen poltti hiilen pois ja nosti sulamispistettä. Se ei kuitenkaan lämmittänyt sulaa, joka jähmettyi ensin puuroksi ja sitten kiinteäksi. 35
36
Upokasteräs Benjamin Huntsman, Englanti Sheffield 1740 Koksilla lämmitetyn uunin lämpötila 1600 C Upokkaaseen panostetaan luokkaa 15 kg ahjohiilletettyä terästä (blister steel) Ahjohiilletetty teräs saatiin sulatettua ja koostumus tasaantui Upokkaiden piti kestää sulaa terästä ja lämpöshokkeja Käyttökohteena kellon jouset 37
Kivihiili ja koksi Kivihiili ja koksi Läpi historian puuta on käytetty lämmönlähteenä. Kun haluttiin korkeampi lämpötiloja käytettiin puuhiiltä. Puuta tarvittiin myös malmin louhintaan, laivoihin, oluen valmistamiseen, suolan keittämiseen, jne. Teollistumisesta seurasi metsien häviäminen Kivihiili ei sovellu raudan pelkistykseen korkean rikkipitoisuuden vuoksi. Kivihiilen pasuttaminen pienentää rikkipitoisuutta ja parantaa lujuutta. Syntyneen koksin avulla päästään korkeampaan lämpötilaan ja edelleen parempaan laatuun. Ensimmäiset kokeet koksilla tehtiin 1711 ja 1796 puuhiiltä ei enää käytetty raudan tuotantoon 38
Konvertteri Konvertteri Suurilla hiilipitoisuuksilla raudan sulamispiste on kohtuullinen. Hiilipitoisuuden laskeminen vaatii korkeampaa lämpötilaa mitä uunien vuoraukset kestävät Sulan raudan hiilipitoisuutta voidaan alentaa puhaltamalla siihen ilmaa, jolloin sulan pinnalle syntyy piioksidipitoista kuonaa. Käyttämällä piioksidi sisältävää vuorausta, saadaan kestävä vuoraus niukkahiilisen teräksen valmistamiseksi. (Bessemer 1858-59) Piioksidiin pohjautuva menetelmä ei pienennä teräksen fosforipitoisuutta. Fosforista päästään eroon käyttämällä vuorauksessa poltettua kalkkikiveä tai dolomiittiä. (Thomas 1879) 39
41
Konvertteri Siemens-Martin-menetelmä Metallia pitää sulattaa konvertteriä varten erillisessä uunissa. Tehokkaampaan tuotantoon päästään polttamalla uunissa esilämmitettyä ilmaa ja savukaasua. Savukaasun voidaan valmistaa vaikkapa kivihiilestä (halvempaa kuin koksi). Menetelmällä päästään korkeaan lämpötilaan ja hiilipitoisuuden laskemiseksi käytetään rautaoksidia Menetelmä on hitaampi, mutta volyymi on suurempi kuin konvertterissa 1900-luvun alussa Siemens-Martin menetelmällä vuotuinen terästuotanto ylitti Bessemer menetelmän tuotannon 42
43
Japanilainen miekka Raaka-aineet Tatara (japanilainen puhallusuuni) Uuni panostetaan rautahiekalla tai rautamalmilla jotka pelkistyvät kuten muuallakin, mutta ilmeisesti titaanioksidipitoisuus auttaa raakaraudan ja kuonan erottumista -> takomista ei tarvita Prosessia jatketaan kunnes hiilipitoisuus on saatu riittävän korkealle Uuni rikotaan, syntynyt harkko pilkotaan palasiksi Pelkistäminen tapahtuunee matallassa lämpötilassa kuin nykyaikaisessa masuunissa jolloin seurauksena on hyvin puhdasta hiiliterästä (Si, Mn pitoisuudet pieniä) 44
45
46
Japanilainen miekka Tatara Tamahagane (paras osa tatarassa valmistetusta teräksestä) Kawagane (runsashiilinen tamahagane) Shingane (matalahiilinen tamahagane) Ohwari-sita (huonompi laatu) Taonta Raaka-aineet pilkotaan palasiksi ja sekoitetaan sopivan koostumuksen aikaan saamiseksi Kuumennetaan ja taotaan levyksi, taitetaan, taotaan levyksi, jne. 47
Japanilainen miekka Prosessia toistettiin monta kertaa riittävän hienon rakenteen aikaan saamiseksi. Takominen laskee hiilipitoisuutta, poistaa sulkeumia ja tasaa koostumuseroja. Taitoksia tulee enemmän leikkaavaan osuuteen kuin runkoon, leikkaavan osan sulkeumapitoisuus on pienempi 48
49
50
Japanilainen miekka Laminointi Eri teräkset ahjohitsataan yhteen Laminoinnissa eri koulukuntia. Leikkaavan terän hiilipitoisuus on kuitenkin suurin Huomaa L-muotoinen pala miekan kärkeä (kissaki) varten Kärki voidaan tehdään taivuttamalla, jolloin virtauskuvio säilyy 51
Laminointeja 52
53
54
Japanilainen miekka Karkaisu Terän jäähtymisnopeus on suurin ja selkäosan pienin Hiilirikkaan kerroksen mikrorakenteeksi tulee terässä martensiitista Savikerros piti terän lämpimänä joten martensiitti muuttui edelleen päästömartensiitiksi Niukkahiilisen keskiosan rakenne on ferriittinen 55
56
Japanilainen miekka Karkaisu Savikerrokseen tehtä kuvionti muuttaa jähtymisnopeutta Terän kiillottaminen tuo esiin kuvion (hamon) Runkossa olevat kuviot (hada) syntyvät sulkeumista (vähemmän taitoksia) Martensiitin syntyminen saa miekan kaareutumaan Jos terässä on sulkeumia, siihen syntyy särö karkaisussa 57
58
59