Çelik - Steel

Çelik , diğer demir formlarına kıyasla gücünü ve kırılma direncini artırmak için tipik olarak yüzde onda birkaç oranında karbon içeren demirden oluşan bir alaşımdır . Diğer birçok element mevcut olabilir veya eklenebilir. Korozyona ve oksidasyona dayanıklı paslanmaz çelikler tipik olarak %11 ek krom gerektirir . Yüksek çekme mukavemeti ve düşük maliyeti nedeniyle çelik, binalarda , altyapıda , aletlerde , gemilerde , trenlerde , arabalarda , makinelerde , elektrikli cihazlarda ve silahlarda kullanılmaktadır . Demir, çeliğin ana metalidir . Sıcaklığa bağlı olarak, iki kristal form (allotropik form) alabilir: vücut merkezli kübik ve yüz merkezli kübik . Demirin allotroplarının , başta karbon olmak üzere alaşım elementleriyle etkileşimi, çeliğe ve dökme demire benzersiz özellikler kazandırır.

Saf demirde kristal yapı , birbirini geçen demir atomlarına karşı nispeten daha az dirence sahiptir ve bu nedenle saf demir oldukça sünektir veya yumuşaktır ve kolayca oluşturulur. Çelikte, az miktarda karbon, diğer elementler ve demir içindeki inklüzyonlar, çıkıkların hareketini önleyen sertleştirici maddeler olarak işlev görür .

Tipik çelik alaşımlarındaki karbon, ağırlığının %2.14'üne kadar katkıda bulunabilir. Karbon ve diğer birçok alaşım elementinin miktarını değiştirmek ve son çelikteki kimyasal ve fiziksel yapılarını kontrol etmek (çözünen elementler veya çökelmiş fazlar olarak), saf demiri sünek yapan dislokasyonların hareketini yavaşlatır ve böylece niteliklerini kontrol eder ve geliştirir. Bu nitelikler , elde edilen çeliğin sertliğini , su verme davranışını , tavlama ihtiyacını , tavlama davranışını , akma dayanımını ve çekme dayanımını içerir. Çeliğin mukavemetinin saf demire göre artması ancak demirin sünekliğinin azaltılması ile mümkündür.

Çelik binlerce yıldır çiçek fırınlarında üretildi , ancak büyük ölçekli endüstriyel kullanımı ancak 17. yüzyılda yüksek fırının tanıtılması ve pota çeliğinin üretilmesiyle daha verimli üretim yöntemlerinin tasarlanmasından sonra başladı . Bu izledi açık ocaklı fırının ardından Bessemer süreci içinde İngiltere 19. yüzyılda. Bessemer prosesinin icadıyla, seri üretilen çelikte yeni bir dönem başladı. Hafif çelik, dövme demirin yerini aldı . Alman devletleri , 19. yüzyılda Avrupa'da büyük bir çelik hüneri gördü.

Prosesteki bazik oksijenli çelik üretimi (BOS) gibi diğer iyileştirmeler , üretim maliyetini daha da düşürerek ve nihai ürünün kalitesini artırarak önceki yöntemlerin yerini büyük ölçüde aldı. Bugün çelik, yılda 1,6 milyar tondan fazla üretilen, dünyadaki en yaygın insan yapımı malzemelerden biridir. Modern çelik genellikle çeşitli standart organizasyonları tarafından tanımlanan çeşitli kalitelerle tanımlanır .

Tanımlar ve ilgili materyaller

Demirci sanatının bu tasvirinde akkor çelik iş parçası

İ çelik menşeili Proto-Alman sıfat stahliją veya stakhlijan ilgilidir 'çelikten', stahlaz veya stahliją 'sarsılmaz'.

Çeliğin karbon içeriği, sade karbon çeliği ( demir - karbon alaşımları ) için ağırlıkça %0,002 ile %2,14 arasındadır . Çok az karbon içeriği (saf) demiri oldukça yumuşak, sünek ve zayıf bırakır. Çelikten daha yüksek karbon içeriği, yaygın olarak pik demir olarak adlandırılan kırılgan bir alaşım oluşturur . Alaşımlı çelik , çeliğin özelliklerini değiştirmek için kasıtlı olarak diğer alaşım elementlerinin eklendiği çeliktir. Yaygın alaşım elementleri şunları içerir: manganez , nikel , krom , molibden , bor , titanyum , vanadyum , tungsten , kobalt ve niyobyum . Çoğunlukla istenmeyen olarak kabul edilen ek elementler de çelikte önemlidir: fosfor , kükürt , silikon ve eser miktarda oksijen , azot ve bakır .

%2.1'den daha yüksek karbon içeriğine sahip sade karbon-demir alaşımları, dökme demir olarak bilinir . Toz metal şekillendirme gibi modern çelik üretim teknikleri ile çok yüksek karbonlu (ve diğer alaşımlı malzemeler) çelikler yapmak mümkündür, ancak bunlar yaygın değildir. Dökme demir, sıcakken bile dövülemez, ancak çelikten daha düşük bir erime noktasına ve iyi dökülebilirlik özelliklerine sahip olduğu için dökümle oluşturulabilir . Dökme demirin belirli bileşimleri, eritme ve döküm ekonomilerini korurken, dövülebilir demir veya sünek demir nesneler yapmak için dökümden sonra ısıl işleme tabi tutulabilir . Çelik, az miktarda karbon ancak büyük miktarda cüruf içerebilen dövme demirden (artık büyük ölçüde modası geçmiş) ayırt edilebilir .

Malzeme özellikleri

Farklı fazlar oluşturmak için gerekli koşulları gösteren demir-karbon faz diyagramı . Kararlı bir faz olmadığı için martensit gösterilmemiştir.

Kökenleri ve üretim

Demir, genellikle yerkabuğunda bir cevher , genellikle manyetit veya hematit gibi bir demir oksit şeklinde bulunur . Demir, oksijenin karbon gibi tercih edilen bir kimyasal ortakla kombinasyonu yoluyla çıkarılmasıyla demir cevherinden çıkarılır ve daha sonra atmosfere karbondioksit olarak kaybolur. Eritme olarak bilinen bu işlem, ilk olarak yaklaşık 250 °C'de (482 °F) eriyen kalay ve yaklaşık 1100 °C'de (2.010 °F) eriyen bakır gibi daha düşük erime noktalarına sahip metallere uygulandı. ve erime noktası 1.083 °C'den (1.981 °F) daha düşük olan bronz kombinasyonu. Buna karşılık, dökme demir yaklaşık 1.375 °C'de (2.507 °F) erir. Küçük miktarlarda demir, eski zamanlarda, katı halde, cevherin bir kömür ateşinde ısıtılması ve daha sonra yığınların bir çekiçle kaynatılması ve bu süreçte yabancı maddelerin sıkılmasıyla eritildi . Dikkatle, karbon içeriği, ateşin içinde hareket ettirilerek kontrol edilebilir. Bakır ve kalaydan farklı olarak, sıvı veya katı demir karbonu kolayca çözer.

Tüm bu sıcaklıklara Tunç Çağı'ndan beri kullanılan eski yöntemlerle ulaşılabiliyordu . Demirin oksidasyon hızı 800 °C'nin (1,470 °F) üzerinde hızla arttığından, eritmenin düşük oksijenli bir ortamda gerçekleşmesi önemlidir. Demir oksitleri azaltmak için karbon kullanarak eritme, çelik olarak adlandırılamayacak kadar çok karbon tutan bir alaşım ( pik demir ) ile sonuçlanır . Fazla karbon ve diğer safsızlıklar bir sonraki adımda uzaklaştırılır.

İstenen özelliklere sahip çelik üretmek için genellikle demir/karbon karışımına başka malzemeler eklenir. Çelikteki nikel ve manganez , çekme mukavemetini arttırır ve demir-karbon çözeltisinin ostenit formunu daha kararlı hale getirir , krom sertliği ve erime sıcaklığını arttırır ve vanadyum ayrıca metal yorgunluğuna daha az eğilimli hale getirirken sertliği arttırır .

Korozyonu önlemek için, metal yüzeyinde sert bir oksit oluşması için çeliğe en az %11 krom eklenebilir ; bu paslanmaz çelik olarak bilinir . Tungsten, sementit oluşumunu yavaşlatır, karbonu demir matriste tutar ve martenzitin tercihen daha yavaş söndürme hızlarında oluşmasına izin vererek yüksek hız çeliği ile sonuçlanır . Kurşun ve kükürt ilavesi tane boyutunu küçültür, böylece çeliğin daha kolay dönmesini sağlar , ancak aynı zamanda daha kırılgan ve korozyona eğilimlidir. Bununla birlikte, bu tür alaşımlar, tokluk ve korozyon direncinin çok önemli olmadığı uygulamalarda somun, cıvata ve rondela gibi bileşenler için sıklıkla kullanılır. Bununla birlikte, çoğunlukla, kükürt, azot , fosfor ve kurşun gibi p-blok elementleri, çeliği daha kırılgan yapan ve bu nedenle işlem sırasında çelik eriyiğinden çıkan kirletici maddeler olarak kabul edilir.

Özellikler

Yoğunluk çelik alaşım elementlerinin göre, ancak genellikle değişir değişir kg / 7.750 ila 8.050 3 (484 ve 503 Ib / cu ft) ya da 7.75 ile 8.05 g / cc 3 (4.48 ve 4.65 oz / cu).

Çeliği oluşturan karbon ve demir karışımlarının dar bir konsantrasyon aralığında bile, çok farklı özelliklere sahip birkaç farklı metalurjik yapı oluşabilir. Bu tür özellikleri anlamak, kaliteli çelik yapmak için çok önemlidir. En oda sıcaklığında , saf demirden en stabil formdur hacim merkezli kübik alfa demir ya da α-demir olarak adlandırılır (BCC) yapısı. 0 °C'de (32 °F) %0,005'ten fazla olmayan ve 723 °C'de (1.333 °F) ağırlıkça %0,021'den fazla olmayan, yalnızca küçük bir karbon konsantrasyonunu çözebilen oldukça yumuşak bir metaldir. Karbonun alfa demire dahil edilmesine ferrit denir . 910 °C'de saf demir , gama demiri veya y-demir adı verilen yüz merkezli kübik (FCC) bir yapıya dönüşür . Gama demirine karbon eklenmesine östenit denir. Ostenitin daha açık FCC yapısı, 1,148 °C'de (2,098 °F) %2,1'e (ferritinkinin 38 katı) kadar karbonu önemli ölçüde daha fazla çözebilir; bu, çeliğin üst karbon içeriğini yansıtır ve bunun ötesinde dökme demir bulunur. . Karbon, demir ile çözeltiden çıktığında, sementit (Fe 3 C) adı verilen çok sert fakat kırılgan bir malzeme oluşturur .

Tam olarak %0,8 karbonlu çelikler (ötektoid çelik olarak bilinir) soğutulduğunda, karışımın östenitik fazı (FCC) ferrit fazına (BCC) geri dönmeye çalışır. Karbon artık FCC ostenit yapısına uymaz ve bu da fazla karbona neden olur. Karbonun osteniti terk etmesinin bir yolu , çözeltide sementit olarak çökelerek , çözeltide küçük bir karbon yüzdesi ile ferrit olarak adlandırılan çevreleyen bir BCC demir fazını geride bırakmaktır. İkisi, ferrit ve sementit, aynı anda çökelerek , sedef ile benzerliği nedeniyle perlit adı verilen katmanlı bir yapı oluşturur . Ötektoid üstü bir bileşimde (%0.8 karbondan daha büyük), karbon ilk önce östenit tane sınırlarında büyük sementit kapanımları olarak çökelecektir , ta ki tanelerdeki karbon yüzdesi ötektoid bileşime (%0.8 karbon) düşene kadar. perlit yapı formlarını işaret eder. %0.8'den daha az karbona (hipoötektoid) sahip çelikler için, ferrit, kalan bileşim %0.8 karbona yükselene kadar ilk önce taneler içinde oluşacak ve bu noktada perlit yapı oluşacaktır. Hipoöktoid çelikte sınırlarda büyük sementit kapanımları oluşmayacaktır. Yukarıdakiler, soğutma işleminin çok yavaş olduğunu ve karbonun göç etmesi için yeterli zamana izin verdiğini varsayar.

Soğuma hızı arttıkça, karbonun tane sınırlarında karbür oluşturmak üzere göç etmek için daha az zamanı olacaktır, ancak taneler içinde giderek daha büyük miktarlarda daha büyük ve daha ince bir yapıya sahip perlit olacaktır; dolayısıyla karbür daha geniş bir alana dağılır ve bu taneler içindeki kusurların kaymasını önleyerek çeliğin sertleşmesine neden olur. Söndürme ile üretilen çok yüksek soğutma hızlarında, karbonun göç etmek için zamanı yoktur, ancak yüzey merkezli ostenit içinde kilitlenir ve martensit oluşturur . Martensit, karbon ve demirin oldukça gergin ve stresli, aşırı doymuş bir formudur ve aşırı derecede sert fakat kırılgandır. Karbon içeriğine bağlı olarak martensitik faz farklı biçimler alır. %0.2 karbonun altında, bir ferrit BCC kristal formu alır, ancak daha yüksek karbon içeriğinde vücut merkezli bir tetragonal (BCT) yapı alır. Ostenitten martensite dönüşüm için termal aktivasyon enerjisi yoktur . Ayrıca, bileşimsel bir değişiklik olmadığı için atomlar genellikle aynı komşularını korurlar.

Martensit, östenitten daha düşük bir yoğunluğa sahiptir (soğutma sırasında genişler), böylece aralarındaki dönüşüm hacim değişikliğine neden olur. Bu durumda genişleme gerçekleşir. Bu genleşmeden kaynaklanan iç gerilmeler genellikle martensit kristalleri üzerinde sıkıştırma ve geri kalan ferrit üzerinde gerilme , her iki bileşende de makul miktarda kesme ile şeklini alır . Su verme yanlış yapılırsa, iç gerilimler parça soğudukça parçalanmasına neden olabilir. En azından, iç iş sertleşmesine ve diğer mikroskobik kusurlara neden olurlar . Çeliğe su verildiğinde söndürme çatlaklarının oluşması yaygındır, ancak bunlar her zaman görünür olmayabilir.

Isı tedavisi

Karbon çelikleri için Fe-C faz diyagramı; ısıl işlemler için A 0 , A 1 , A 2 ve A 3 kritik sıcaklıklarını gösterir.

Çeliğe uygulanan birçok ısıl işlem türü vardır . En yaygın olanları tavlama , su verme ve temperlemedir . Isıl işlem, %0.8 karbonlu ötektoid bileşimin (hiperötektoid) üzerindeki bileşimler üzerinde etkilidir. Ötektoid altı çelik ısıl işlemden faydalanmaz.

Tavlama, yerel iç gerilimleri gidermek için çeliği yeterince yüksek bir sıcaklığa ısıtma işlemidir. Üründe genel bir yumuşama yaratmaz, sadece lokal olarak malzeme içinde kilitli olan gerilmeleri ve gerilimleri giderir. Tavlama üç aşamadan geçer: geri kazanım , yeniden kristalleşme ve tane büyümesi . Belirli bir çeliği tavlamak için gereken sıcaklık, elde edilecek tavlamanın türüne ve alaşım bileşenlerine bağlıdır.

Söndürme, östenit fazını oluşturmak için çeliği ısıtmayı ve ardından su veya yağda söndürmeyi içerir . Bu hızlı soğutma, sert fakat kırılgan bir martensitik yapı ile sonuçlanır. Çelik daha sonra kırılganlığı azaltmak için sadece özel bir tavlama türü olan tavlanır. Bu uygulamada tavlama (tavlama) işlemi martenzitin bir kısmını sementite veya sferoidite dönüştürür ve dolayısıyla iç gerilmeleri ve kusurları azaltır. Sonuç, daha sünek ve kırılmaya dayanıklı bir çeliktir.

Çelik üretimi

Çelik üretimi için demir cevheri peletleri

Demir cevherinden eritildiğinde , arzu edilenden daha fazla karbon içerir. Çelik haline gelmesi için, karbonu doğru miktara indirgemek üzere yeniden işlenmesi gerekir, bu noktada başka elementler de eklenebilir. Geçmişte, çelik tesisleri ediyorum döküm ham çelik ürünü külçe bitmiş ürün ile sonuçlanmıştır daha rafine işlemlerinde kullanılmak kadar saklanabilir. Modern tesislerde, ilk ürün nihai bileşime yakındır ve sürekli olarak uzun levhalar halinde dökülür , çubuklar ve ekstrüzyonlar halinde kesilir ve şekillendirilir ve nihai bir ürün üretmek için ısıl işleme tabi tutulur. Günümüzde çeliğin yaklaşık %96'sı sürekli olarak dökülürken, sadece %4'ü külçe olarak üretilmektedir.

Külçeler daha sonra bir ıslatma çukurunda ısıtılır ve sıcak haddelenerek levha, kütük veya blum haline getirilir . Levhalar, sıcak ya da vardır soğuk haddelenmiş içine sac veya levha. Kütükler sıcak veya soğuk haddelenerek çubuk, çubuk ve tel haline getirilir. Bloomlar, I-kirişler ve raylar gibi yapısal çeliğe sıcak veya soğuk haddelenir . Modern çelik fabrikalarında bu prosesler genellikle cevherin girdiği ve işlenmiş çelik ürünlerin çıktığı tek bir montaj hattında gerçekleşir . Bazen bir çeliğin son haddelenmesinden sonra, mukavemet için ısıl işleme tabi tutulur; ancak, bu nispeten nadirdir.

Çelik üretiminin tarihi

eski çelik

Çelik antik çağda biliniyordu ve çömleklerde ve potalarda üretiliyordu .

Çelik bilinen en eski üretimi bir çıkarılan demir eşya parçalarının görülür arkeolojik site içinde Anadolu'da ( Kaman Kalehöyük ) 1800 MÖ, yaklaşık 4000 yaşında. Horace , İber Yarımadası'ndaki falcata gibi çelik silahları tanımlarken , Noric çeliği Roma ordusu tarafından kullanılıyordu .

İtibarı Seric demir Güney Hindistan'da (wootz çelik) dünyanın geri kalanında önemli ölçüde arttı. Sri Lanka'daki metal üretim tesislerinde muson rüzgarlarının yönlendirdiği ve yüksek karbonlu çelik üretebilen rüzgar fırınları kullanıldı. Hindistan'da potaları kullanarak büyük ölçekli Wootz çelik üretimi, modern çelik üretimi ve metalurjinin öncü öncüsü olan MÖ altıncı yüzyılda gerçekleşti.

Çin ve Warring Devletler döneminde (403-221 BC) vardı söndürme ile sertleştirilmiş Çin ise, çelik Han Hanedanı böylece bir karbon-orta çelik üreten, dökme demir ile birlikte dövme demir eriterek çelik oluşturulan - (AD 220 202 BC) 1. yüzyıla kadar.

Karbon çeliğinin Batı Tanzanya'da 2000 yıl kadar önce Haya halkının ataları tarafından bir fırının içindeki sıcaklıkların 1300 ila 1400 °C'ye ulaşmasını sağlayan karmaşık bir "ön ısıtma" işlemiyle yapıldığına dair kanıtlar var .

Wootz çeliği ve Şam çeliği

Yüksek karbonlu çelik erken üretim kanıtı Hindistan'da bulunan Kodumanal içinde Tamil Nadu , Golconde bölgede Andra Pradeş ve Karnataka ve içinde Samanalawewa alanlarında Sri Lanka . Bu , MÖ altıncı yüzyılda Güney Hindistan'da üretilen ve küresel olarak ihraç edilen Wootz çeliği olarak bilinmeye başladı . Çelik teknolojisi, bölgede MÖ 326'dan önce vardı ve Sangam Tamilce , Arapça ve Latince literatürde o dönemde Romalılara, Mısır'a, Çin'e ve Arap dünyalarına ihraç edilen dünyanın en iyi çeliği olarak bahsediliyordu. Seri Demir . Bir Tissamaharama Guild 200 M.Ö. Tamil ticaret gelen adaya onlarla en eski demir çelik eserler ve üretim süreçlerinin bazı getirdi Sri Lanka Güney Doğu'da, klasik dönem . Anuradhapura , Sri Lanka'daki Çinliler ve yerliler, MS 5. yüzyılda Güney Hindistan'ın Chera Hanedanlığı Tamillerinden Wootz çeliği yaratma üretim yöntemlerini de benimsemişlerdi . Sri Lanka'da, bu erken dönem çelik üretim yöntemi, muson rüzgarları tarafından yönlendirilen ve yüksek karbonlu çelik üretebilen benzersiz bir rüzgar fırını kullandı. Teknoloji Güney Hindistan'dan Tamilyalılardan alındığından , Hindistan'daki çelik teknolojisinin kökeni muhafazakar bir şekilde MÖ 400-500 olarak tahmin edilebilir.

Wootz ya da dayanıklılığı ve bir kenar tutma yeteneği ile ünlü Şam çeliği olarak adlandırılan şeyin üretimi , onu Hindistan'dan alan Araplar tarafından İran'dan alınmış olabilir. Başlangıçta çeşitli eser elementler de dahil olmak üzere birkaç farklı malzemeden yaratıldı , görünüşe göre Panopolis'li Zosimos'un yazılarından . MÖ 327'de Büyük İskender, mağlup olan Kral Porus tarafından altın ya da gümüşle değil, 30 kilo çelikle ödüllendirildi . Son zamanlarda yapılan araştırmalar , yapısında karbon nanotüplerin yer aldığını öne sürdü , bu da bazı efsanevi niteliklerini açıklayabilir, ancak o zamanın teknolojisi göz önüne alındığında, bu niteliklerin tasarımdan ziyade tesadüfen üretildiği görülüyor. Demir içeren toprağın odun kullanılarak ısıtıldığı yerde doğal rüzgar kullanılmıştır. Antik Sinhalesece toprağın, zaman büyük bir başarı göstererek her 2 ton için çelikten bir ton elde başardı. Samanalawewa'da böyle bir fırın bulundu ve arkeologlar eskilerin yaptığı gibi çelik üretebildiler.

Pota çeliği , saf demir ve karbonun (tipik olarak kömür formunda) bir pota içinde yavaş yavaş ısıtılması ve soğutulmasıyla oluşturulmuş, MS 9. ila 10. yüzyıllar arasında Merv'de üretilmiştir . 11. yüzyılda, Song Çin'de iki teknik kullanılarak çelik üretimine dair kanıtlar vardır : düşük kaliteli, homojen olmayan çelik üreten "berganesk" bir yöntem ve soğuk altında tekrarlanan dövme yoluyla kısmi karbonsuzlaştırma kullanan modern Bessemer işleminin öncüsü. patlama .

Modern çelik üretimi

Sheffield , İngiltere'de bir Bessemer dönüştürücü

17. yüzyıldan beri, Avrupa çelik üretiminde ilk adım içine demir cevheri eritme olmuştur pik demir bir de yüksek fırın . Başlangıçta kömür kullanan modern yöntemler , daha ekonomik olduğu kanıtlanmış olan kok kullanır .

Çubuk demirden başlayan işlemler

Bu işlemlerde pik demir, daha sonra çelik yapımında kullanılan çubuk demir üretmek için bir incelikli demirhanede rafine edildi (ince işlendi) .

Sementasyon işlemiyle çeliğin üretimi, 1574'te Prag'da yayınlanan ve 1601'den itibaren Nürnberg'de kullanımda olan bir incelemede anlatılmıştır. Zırh ve eğelerin sertleştirilmesi için benzer bir işlem , 1589'da Napoli'de yayınlanan bir kitapta anlatılmıştır . 1614 hakkında İngiltere'ye tanıtıldı ve Sir böyle çelik üretmek için kullanılan Basil Brooke de Coalbrookdale 1610s sırasında.

Bu işlemin hammaddesi demir çubuklardı. 17. yüzyılda, en iyi çeliğin İsveç'in Stockholm kentinin kuzeyindeki bir bölgenin cevherlerinden elde edildiği anlaşıldı . Bu, 19. yüzyılda, neredeyse süreç kullanıldığı sürece, hala olağan hammadde kaynağıydı.

Pota çelik bir erimiş olan çelik pota yerine edilerek daha dövme daha homojen olduğu sonucu ile,. Önceki fırınların çoğu çeliği eritmek için yeterince yüksek sıcaklıklara ulaşamadı. Erken modern pota çeliği endüstrisi , 1740'larda Benjamin Huntsman'ın icadıyla ortaya çıktı. Kabarcık çeliği (yukarıdaki gibi yapılmıştır) bir pota içinde veya bir fırında eritildi ve (genellikle) külçelere döküldü.

Pik demirden başlayan işlemler

Bir Siemens-Martin açık ocak fırın içinde Brandenburg Endüstri Müzesi.

Modern çağın çelik üretiminde tanıtımıyla başlayan Henry Bessemer 'ın Bessemer süreci 1855 yılında, için hammadde pik demir oldu. Yöntemi, çeliği büyük miktarlarda ucuza üretmesine izin verdi, böylece daha önce dövme demirin kullanıldığı çoğu amaç için yumuşak çelik kullanılmaya başlandı. Gilchrist-Thomas işlemi (veya temel Bessemer işlemi ), dönüştürücüyü fosforu çıkarmak için temel bir malzemeyle kaplayarak yapılan Bessemer işlemine yönelik bir gelişmeydi .

Bir diğer 19. yüzyıl çelik üretim süreci, Bessemer sürecini tamamlayan Siemens-Martin süreciydi. Pik demir ile birlikte eritilen çubuk demirden (veya çelik hurdadan) oluşuyordu.

Bir elektrik ark ocağından dökülen beyaz-sıcak çelik.

Bu çelik üretim yöntemleri, 1952'de geliştirilen Linz-Donawitz temel oksijen çelik üretimi (BOS) süreci ve diğer oksijenli çelik yapım yöntemleri ile geçersiz kılındı . Temel oksijen çeliği üretimi, fırına pompalanan oksijen, daha önce kullanılan havadan girmiş olan, başta nitrojen olmak üzere, sınırlı safsızlıklar nedeniyle ve açık ocak işlemine göre, aynı miktarda çeliğin aynı miktarda çelikten olması nedeniyle önceki çelik üretim yöntemlerinden daha üstündür. BOS işlemi, zamanın on ikide birinde üretilir. Bugün, elektrik ark ocakları (EAF), yeni çelik oluşturmak için hurda metali yeniden işlemek için yaygın bir yöntemdir . Pik demiri çeliğe dönüştürmek için de kullanılabilirler, ancak çok fazla elektrik enerjisi kullanırlar (metrik ton başına yaklaşık 440 kWh) ve bu nedenle genellikle yalnızca bol miktarda ucuz elektrik kaynağı olduğunda ekonomiktirler.

Çelik endüstrisi

2007 yılında ülkelere göre çelik üretimi (milyon ton olarak)

Çelik endüstrisi, çeliğin altyapı ve genel ekonomik kalkınmada oynadığı kritik rol nedeniyle genellikle ekonomik ilerlemenin bir göstergesi olarak kabul edilir . 1980'de 500.000'den fazla ABD'li çelik işçisi vardı. 2000 yılına gelindiğinde, çelik işçilerinin sayısı 224.000'e düşmüştü.

Ekonomik patlama Çin ve Hindistan'da çelik talebindeki büyük bir artışa neden olmuştur. 2000 ve 2005 yılları arasında dünya çelik talebi %6 arttı. 2000 yılından bu yana, Tata Steel ( 2007'de Corus Group'u satın alan), Baosteel Group ve Shagang Group gibi birkaç Hintli ve Çinli çelik firması öne çıktı . Ancak 2017 itibariyle ArcelorMittal dünyanın en büyük çelik üreticisidir . 2005 yılında, British Geological Survey , Çin'in dünya payının yaklaşık üçte biri ile en büyük çelik üreticisi olduğunu belirtti; Bunu sırasıyla Japonya, Rusya ve ABD izledi. Çeliğin büyük üretim kapasitesi, aynı zamanda, ana üretim rotasıyla ilgili olarak önemli miktarda karbon dioksit emisyonuna neden olur. 2019 yılında, küresel karbondioksit emisyonlarının %7 ila 9'unun çelik endüstrisinden kaynaklandığı tahmin ediliyordu. Bu emisyonların azaltılmasının, kok kullanan ana üretim rotasındaki bir değişiklikten, çeliğin daha fazla geri dönüştürülmesinden ve karbon yakalama ve depolama veya karbon yakalama ve kullanma teknolojisi uygulamasından gelmesi bekleniyor.

2008 yılında çelik , Londra Metal Borsası'nda bir emtia olarak işlem görmeye başladı . 2008'in sonunda, çelik endüstrisi birçok kesintiye yol açan keskin bir gerilemeyle karşı karşıya kaldı.

geri dönüşüm

Çelik, küresel olarak %60'ın üzerinde bir geri dönüşüm oranıyla dünyanın en çok geri dönüştürülen malzemelerinden biridir; yalnızca Amerika Birleşik Devletleri'nde, 2008 yılında %83'lük bir toplam geri dönüşüm oranı için 82.000.000 metrik tonun (81.000.000 uzun ton; 90.000.000 kısa ton) geri dönüştürülmüştür.

Daha fazla çelik hurdaya göre üretilir olarak, geri dönüştürülmüş ham malzemelerin miktarı çelik toplamının yaklaşık 40% üretilir - 2016'da, 1628000000 ton (1.602 × 10 9 , uzun ton, 1.795 x 10 9 kısa ton) ham çelik idi 630.000.000 ton (62.000.000 uzun ton; 690.000.000 kısa ton) geri dönüştürülmüş olarak küresel olarak üretilmiştir.

çağdaş çelik

Bethlehem Steel ( resimde görülen Bethlehem, Pennsylvania tesisi), 2003 yılında kapanmadan önce dünyanın en büyük çelik üreticilerinden biriydi.

Karbon çelikleri

Modern çelikler, birçok amacı yerine getirmek için çeşitli alaşım metal kombinasyonlarıyla yapılır. Basitçe demir ve karbondan oluşan karbon çeliği , çelik üretiminin %90'ını oluşturur. Düşük alaşımlı çelik , kalın bölümlerin sertleşebilirliğini iyileştirmek için , genellikle molibden , manganez, krom veya nikel gibi diğer elementlerle ağırlıkça %10'a kadar olan miktarlarda alaşımlanır . Yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çelik , mütevazı bir fiyat artışı için ek mukavemet sağlamak üzere, tipik olarak %1,5 manganez gibi diğer elementlerin küçük ilavelerine (genellikle <%2 ağırlık) sahiptir.

Son Kurumsal Ortalama Yakıt Ekonomisi (CAFE) düzenlemeleri, Gelişmiş Yüksek Mukavemetli Çelik (AHSS) olarak bilinen yeni bir çelik çeşidinin ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu malzeme hem güçlü hem de sünektir, böylece araç yapıları daha az malzeme kullanırken mevcut güvenlik seviyelerini koruyabilir. Şekillendirilebilir, yüksek mukavemetli çelik üretmek için hem ferritik hem de martensitik mikro yapıyı içermek üzere ısıl işleme tabi tutulan çift ​​fazlı çelik gibi ticari olarak temin edilebilen çeşitli AHSS kaliteleri vardır. Dönüşüm Kaynaklı Plastisite (TRIP) çeliği, normalde ostenit içermeyen düşük alaşımlı ferritik çeliklerdeki ostenit miktarlarını oda sıcaklığında stabilize etmek için özel alaşımlama ve ısıl işlemler içerir . Gerilme uygulanarak ostenit , ısı eklenmeden martensite bir faz geçişine uğrar . Eşleştirme Kaynaklı Plastisite (TWIP) çeliği, alaşım üzerinde işleme sertleştirmesinin etkinliğini artırmak için belirli bir tür gerinim kullanır.

Karbon Çelikleri genellikle paslanmaya karşı koruma için sıcak daldırma veya çinko içinde elektrokaplama yoluyla galvanizlenir .

Alaşımlı çelikler

Çelikten bir yapısal elemanın dövülmesi

Paslanmaz çelikler, korozyona direnmek için genellikle nikel ile birleştirilen minimum %11 krom içerir . Ferritik paslanmaz çelikler gibi bazı paslanmaz çelikler manyetiktir , östenitik gibi diğerleri ise manyetik değildir. Korozyona dayanıklı çelikler CRES olarak kısaltılır.

Alaşımlı çelikler, krom ve vanadyum gibi az miktarda alaşım elementlerinin eklendiği sade karbonlu çeliklerdir. Bazı daha modern çelikler, çözelti sertleşmesini en üst düzeye çıkarmak için büyük miktarlarda tungsten ve kobalt veya diğer elementlerle alaşımlanmış takım çeliklerini içerir . Bu ayrıca çökeltme sertleşmesinin kullanılmasına izin verir ve alaşımın sıcaklık direncini iyileştirir. Takım çeliği genellikle eksenlerde, matkaplarda ve keskin, uzun ömürlü bir kesme kenarına ihtiyaç duyan diğer cihazlarda kullanılır. Diğer özel amaçlı alaşımlar arasında , stabil, paslanmış bir yüzey elde ederek eskiyen ve boyasız olarak kullanılabilen Cor-ten gibi aşınma çelikleri bulunur . Maraging çeliği , nikel ve diğer elementlerle alaşımlıdır, ancak çoğu çeliğin aksine çok az karbon (% 0.01) içerir. Bu, çok güçlü ama yine de dövülebilir bir çelik oluşturur.

Eglin çeliği , bunker buster silahlarında kullanılmak üzere nispeten düşük maliyetli bir çelik oluşturmak için değişen miktarlarda bir düzineden fazla farklı elementin bir kombinasyonunu kullanır . Hadfield çeliği (Sir Robert Hadfield'den sonra ) veya manganez çeliği, %12-14 oranında manganez içerir ve bu mangan, aşındığında gerinerek sertleşerek aşınmaya dirençli çok sert bir yüzey oluşturur. Örnekler arasında tank izleri , buldozer bıçak kenarları ve yaşamın çenelerindeki kesme bıçakları sayılabilir .

standartlar

Daha yaygın olarak kullanılan çelik alaşımlarının çoğu, standart organizasyonları tarafından çeşitli derecelerde sınıflandırılır. Örneğin, Otomotiv Mühendisleri Derneği bir dizi vardır notlarının çelik birçok türde tanımlayan. Test ve Malzeme American Society alaşımlar gibi tanımlayan standartlar, ayrı bir kümesi vardır A36 çelik , Amerika Birleşik Devletleri'nde en çok kullanılan yapı çeliği. JIS da yanı sıra gelişmekte olan ülkelerde Japonya'da yaygın kullanılmakta olan çelik kaliteleri bir dizi tanımlar.

kullanır

Bir rulo çelik yünü

Demir ve çelik, yolların, demiryollarının, diğer altyapıların, aletlerin ve binaların yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Stadyumlar ve gökdelenler, köprüler ve havaalanları gibi büyük modern yapıların çoğu çelik bir iskeletle desteklenir. Beton bir yapıya sahip olanlar bile takviye için çelik kullanır. Ayrıca, büyük ev aletleri ve arabalarda yaygın bir kullanım görmektedir . Alüminyum kullanımındaki artışa rağmen , hala araba gövdeleri için ana malzemedir. Çelik, cıvata, çivi ve vida gibi çeşitli diğer inşaat malzemelerinde ve diğer ev ürünleri ve mutfak aletlerinde kullanılır.

Diğer yaygın uygulamalar şunlardır gemi yapımı , boru hatlarını , madencilik , deniz inşaat , havacılık , beyaz eşya (örneğin çamaşır makinesi ), ağır teçhizat böyle buldozerler, ofis mobilyası olarak çelik yün , aracı ve zırh kişisel yelekler veya şeklinde taşıt zırhı daha iyi ( bu rolde haddelenmiş homojen zırh olarak bilinir ).

Tarihi

Bir karbon çelik bıçak

Bessemer prosesi ve diğer modern üretim tekniklerinin tanıtılmasından önce , çelik pahalıydı ve yalnızca daha ucuz bir alternatifin olmadığı yerlerde, özellikle bıçakların , jiletlerin , kılıçların ve sert, keskin bir kenarın gerekli olduğu diğer ürünlerin keskin kenarlarında kullanılıyordu. Saat ve kol saatlerinde kullanılanlar da dahil olmak üzere yaylar için de kullanılmıştır .

Daha hızlı ve daha tasarruflu üretim yöntemlerinin ortaya çıkmasıyla, çeliğin elde edilmesi daha kolay ve çok daha ucuz hale geldi. Birçok amaç için dövme demirin yerini almıştır. Bununla birlikte, 20. yüzyılın ikinci yarısında plastiklerin mevcudiyeti, bu malzemelerin daha düşük üretim maliyetleri ve ağırlıkları nedeniyle bazı uygulamalarda çeliğin yerini almasına izin verdi. Karbon fiber , spor ekipmanları ve üst düzey otomobiller gibi bazı maliyete duyarsız uygulamalarda çeliğin yerini alıyor.

uzun çelik

çelik bir köprü
Havai elektrik hatlarını askıya alan bir çelik direk

Yassı karbon çeliği

Ayrışma çeliği (COR-TEN)

Paslanmaz çelik

Paslanmaz çelik bir sos teknesi

Düşük arka planlı çelik

İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra üretilen çelik , nükleer silah testleri ile radyonüklidlerle kirlendi . 1945'ten önce üretilen düşük arka planlı çelik, Geiger sayaçları ve radyasyon kalkanı gibi radyasyona duyarlı belirli uygulamalar için kullanılır .

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

  • Ashby, Michael F. ; Jones, David Rayner Hunkin (1992). Mikro yapılara, işlemeye ve tasarıma giriş . Butterworth-Heinemann.
  • Degarmo, E. Paul; Siyah, JT.; Kohser, Ronald A. (2003). İmalatta Malzemeler ve İşlemler (9. baskı). Wiley. ISBN'si 0-471-65653-4.
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Çelik – Malzeme Araştırmaları ve Mühendisliği için El Kitabı, Cilt 1: Temeller . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg ve Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1992, 737 s. ISBN  3-540-52968-3 , 3-514-00377-7 .
  • Verein Deutscher Eisenhüttenleute (Ed.). Çelik – Malzeme Araştırmaları ve Mühendisliği için El Kitabı, Cilt 2: Uygulamalar . Springer-Verlag Berlin, Heidelberg ve Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1993, 839 sayfa, ISBN  3-540-54075-X , 3-514-00378-5 .
  • Smith, William F.; Haşimi, Javad (2006). Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinin Temelleri (4. baskı). McGraw-Hill. ISBN'si 0-07-295358-6.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar