Teräsmateriaalit on seosmateriaali, jonka pääkomponentteina ovat rauta ja hiili. Se on yksi laajimmin käytetyistä ja tärkeimmistä perusmateriaaleista nykyaikaisessa teollisuudessa ja infrastruktuurissa. Sen ominaisuuksia voidaan säädellä laajasti säätämällä hiilipitoisuutta ja lisäämällä seosaineita.

I. Ydinmääritelmä ja perusluokitus

Teräs on pohjimmiltaan rauta- (Fe)-pohjainen materiaali, jonka ensisijaisena seosaineena on hiili (C). Hiilipitoisuuden hienovaraiset vaihtelut antavat valtavasti erilaisia ominaisuuksia:

1. Vähähiilinen teräs (C ≤ 0,25 %):

   • Ominaisuudet: Erinomainen plastisuus, sitkeys ja hitsattavuus; helppo muotoilla (esim. meistäminen, taivutus); suhteellisen alhainen lujuus.

   • Sovellukset: Autojen koripaneelit, rakennusraudat (esim. Q235), vaijerit, niitit, levyt ja rakenneosat.

2. Keskihiiliteräs (0,25 % < C ≤ 0,60 %):

   • Ominaisuudet: Korkeampi lujuus ja kovuus kuin vähähiilisellä teräksellä, plastisuus ja sitkeys säilyvät. Suorituskykyä voidaan parantaa lämpökäsittelyllä (esim. karkaisu ja karkaisu).

   • Sovellukset: Koneiden komponentit (hammaspyörät, akselit, kiertokanget), lujat kiinnikkeet, kiskot, pyörät, takeet.

3. Korkeahiilinen teräs (C > 0,60 %):

   • Ominaisuudet: Korkea kovuus, lujuus ja kulutuskestävyys; rajoitettu plastisuus ja sitkeys; huono hitsattavuus.

   • Sovellukset: Leikkaustyökalut (viilat, poranterät), jouset, lujat vaijerit, meistit, rullat.

II. Lejeerinkiteräs: laajentaa ja nostaa suorituskykyä

Tiettyjen seosaineiden (esim. kromin (Cr), nikkelin (Ni), molybdeenin (Mo), vanadiinin (V), mangaanin (Mn), piin (Si)) lisääminen hiiliteräkseen parantaa merkittävästi tai antaa erityisiä ominaisuuksia:

• Tehostettu lujuus ja sitkeys: Mo, V, Mn jalostavat raerakennetta tai muodostavat vahvistusvaiheita.

• Parannettu kulutuskestävyys: Korkea hiili yhdistettynä Cr, Mo.

• Parempi korroosionkestävyys: Cr on ruostumattoman teräksen avain (tyypillisesti ≥10,5 %); Ni parantaa korroosionkestävyyttä ja sitkeyttä.

• Ylivoimainen suorituskyky korkeissa lämpötiloissa: Mo, V, W säilyttävät lujuuden ja hapettumiskestävyyden korkeissa lämpötiloissa.

• Optimoitu karkaistuvuus: Cr, Mn, Mo, B vaikuttavat kovettumissyvyyteen karkaisun aikana.

III. Erikoisterästen avainalueet

1. Ruostumaton teräs: Kriittinen Cr-pitoisuus (≥10,5%) muodostaa passiivisen kromioksidikerroksen. Luokiteltu mikrorakenteen mukaan:

   • Austeniittista (esim. 304/316: ei-magneettinen, erinomainen korroosionkestävyys).

   • Martensiittinen (esim. 410/420: lämpökäsiteltävä kovuuden vuoksi).

   • Ferriittinen (esim. 430: magneettinen).

   • Duplex (sekoitettu rakenne).
     Sovellukset: Ruokailuvälineet, lääketieteelliset laitteet, kemialliset laitteet, arkkitehtoniset verhoukset.

2. Työkalu teräs: Korkea hiili/seospitoisuus takaa äärimmäisen kovuuden, kulutuskestävyyden, kuumakovuuden (säilyttää kovuuden korkeissa lämpötiloissa) ja tasapainoisen sitkeyden.
   Sovellukset: Leikkaustyökalut, muotit (leimaus, ruiskutus), mittarit.

3. Erittäin luja rakenneteräs: Optimoitu koostumus ja edistyneet prosessit (esim. lämpömekaaninen ohjattu käsittely - TMCP) tarjoavat korkean lujuuden (myötölujuus ≥550 MPa) ja varmistavat samalla hitsattavuuden ja sitkeyden.
   Sovellukset: Sillat, pilvenpiirtäjät, raskaat koneet, laivat, paineastiat.

IV. Teräksen synty: malmista materiaaliksi

Teräksen valmistus on monimutkainen teollinen prosessi:

1. Raudan valmistus: Rautamalmi (rautaoksidit) pelkistetään koksilla masuunissa, jolloin saadaan sulaa harkkorautaa (paljon hiiltä: ~3-4 % sekä epäpuhtauksia, kuten Si, Mn, P, S).

2. Teräksen valmistus: Keskeiset tehtävät: hiilen vähentäminen ja epäpuhtauksien poistaminen. Ensisijaiset menetelmät:

   • Perushappiuuni (BOF): Sulaan rautaan puhallettu happi hapettaa hiiltä/epäpuhtauksia; korkea hyötysuhde.

   • Sähkökaariuuni (EAF): Sulata teräsromua sähköllä; joustava, ihanteellinen kierrätykseen.

   • Toissijainen jalostus: Lisää kaasunpoistoa, inkluusioiden poistoa, koostumuksen säätöä uunin ulkopuolella erinomaisen puhtauden saavuttamiseksi.

3. Casting: Kiinteytetään harkoiksi tai jatkuvasti valettu laatoiksi, aihioiksi tai kukinnoiksi.

4. Muodostaminen: Valetut muodot läpikäyvät kuuma-/kylmävalssauksen (levyt, levyt, profiilit, langat), takomisen jne. lopullisten mittojen ja ominaisuuksien saavuttamiseksi.

V. Kaikkialla läsnä olevat sovellukset: Teräkselle rakennettu maailma

Teräs läpäisee modernin elämän kaikki osa-alueet:

• Rakentaminen ja infrastruktuuri: Pilvenpiirtäjän rungot, siltojen rungot, betoniraudoitustangot (raudoitus), tunnelien tuet, putkistot (vesi, kaasu, öljy).

• Kuljetus: Autojen korit, alustat, moottorin osat; laivojen rungot, kannet; junavaunut, raidat; lentokoneiden laskutelineet, moottorin osat (seosteräs).

• Energiateollisuus: Öljyn/kaasun alustat, putket; voimalaitosten laitteet (kattilat, turbiinit, paineastiat); tuuliturbiinien tornit, vaihdelaatikot; lähetystornit.

• Koneiden valmistus: Työstökoneet, hammaspyörät, laakerit, akselit, kiertokanget, kiinnikkeet, jouset.

• Päivittäinen elämä: Laitteiden rungot, keittiövälineet (ruostumaton teräs), huonekalutarvikkeet, lääketieteelliset instrumentit/implantit.

• Työkalut ja muotit: Leikkuutyökalut, mittarit, meistit.

VI. Suorituskyvyn perusedut

Steelin pysyvä dominointi johtuu sen ainutlaatuisesta ominaisuuksien yhdistelmästä:

• Korkea lujuus: Kestää massiivisia kuormia; mahdollistaa tukevat rakenteet.

• Hyvä plastisuus ja sitkeys: Muovattavissa monimutkaisiin muotoihin; vastustaa iskuja.

• Erinomainen työstettävyys: Helposti valettava, taottu, valssattava, hitsattava, koneistettava.

• Kestävyys ja pitkäikäisyys: Pidentynyt käyttöikä asianmukaisella käytöllä/huollolla.

• Monipuoliset arvot ja viritettävät ominaisuudet: Koostumus ja prosessisäädöt tarjoavat laajan suorituskyvyn.

• Kypsä tuotanto ja mittakaavaedut: Vakiintunut tekniikka, kustannustehokas, runsas tarjonta.

• Kierrätettävyys: Helposti erotettavissa magneettisesti; 100 % loputtomasti kierrätettävä – kestävä materiaali.

Teräksestä on tullut keskeinen modernia teollista yhteiskuntaa tukeva perusmateriaali erinomaisen kokonaisvaltaisen suorituskyvyn ja laajan säädettävyyden ansiosta. Jatkuvan koostumuksen optimoinnin ja prosessiinnovoinnin ansiosta teräs vastaa edelleen uusiin suunnittelutarpeisiin ja sillä on merkittäviä etuja kestävyyden kannalta.