Az acél: főszerepben a világ egyik legfontosabb ipari anyaga

A konténerek alapanyaga az acél. Az acél felhasználásának és gyártásának története távoli időkre nyúlik vissza, mindig a vasgyártással együtt említendő, hiszen az acél a vas egyik legfontosabb ötvözete. Csak az Európai acélokból több, mint 2500 típust regisztráltak. Vagyis az acél jóval több annál, mint amire a hétköznapi nyelven gondolnánk. 

 

Az acélról szinte nem beszélhetünk a vas nélkül. Az első használatos vastárgyakról azt feltételezik, hogy meteoritvasból készültek. A régészek Egyiptomban meteoritvas anyagú gyöngyöket, a Kheopsz-piramisnál pedig vasszerszámokat találtak. Mivel a vas idővel elrozsdásodik, a maradványok elvesznek számunkra, így a vasgyártás több mint 6000 éves múltja csak feltételezés.

Az előbbiek mellet nincs semmilyen pontos adat arról, hogy a vas érceiből való kinyerése mikor, milyen körülmények közt, milyen eljárási módszerekkel kezdődött meg. A vaskorra gondolva azonban azt egyértelműen kijelenthetjük, hogy az emberiség technikai fejlődése szempontjából kiemelkedő jelentősége van a vas megjelenésének az emberi kultúra történetében.

 

Mit is nevezünk acélnak? 

Ami nem csoda, az acél meghatározására sokféle definíciót ismerhetünk. Az egyik ilyen az, hogy az acél olyan fémötvözet, amiben legnagyobb arányban a vas van jelen (azaz fő alkotórésze a vas). Továbbá, hogy a vas egyik legfontosabb ötvözete, fő ötvözője a szén, melyből mindenképp 2% alatti (tömegszázalékban értendő) mennyiséget tartalmaz; ez alól kivételek a korlátozott számú króm acélok.

A kohászatban is létezik egy meghatározás az acélra, ami így hangzik: Ide sorolandó minden műszaki vas-szén ötvözet, melyre a széntartalom aránya (tömegszázalékban) 0% és 2,06% közti, valamint a többi elem lényegesen alacsonyabb arányban van jelen benne a vasnál. Ez a meghatározás közvetlenül a vas-szén fázisdiagramból származik. Ebben nincs definiálva általános határvonal a vas-szén ötvözetek kategóriába sorolásához. Továbbá, sok acél van, melyek a szén mellett más elemeket is relatíve nagy arányban tartalmaznak. Ennek a halmaznak legismertebb képviselő:

  • a rozsdamentes és saválló acélok, melyek króm tartalma mintegy 13%,
  • a martenzites acélok,
  • és forró munka acélok.

A köznyelv is meghatározza az acél jelentését. A hétköznapokban szinte az összes vastartalmú ötvözetet acélként említik. A vas és acél kifejezést gyakran használják szinonimaként. Tehát nem differenciálódik a vas és acél fogalma. Továbbá szintén acélnak nevezik sokszor a nehézfémeket is (mert vizuálisan nehezen különböztethetők meg). Ez további fogalmi tévképzetként kezelendő.

Az „acél” szóhasználat és annak általános meghatározása a 20. század elején még magában foglalta az akkoriban alig termelt kovácsoltvasat is (holott ennél nem szükséges (szénnel való) ötvözés). A kovácsoltvas sokban hasonló ugyan az acélhoz, de nem azonos vele. A forrás magyar nyelvű formája egy ilyen furcsa definíciót is említ: „Olyan vasalapú ötvözet, amelyet képlékeny alakítással lehet megmunkálni (kovácsolni,
hengerelni stb.). Ebben a megfogalmazásban nem kritérium a szén jelenléte, noha a szén a vas legáltalánosabb ötvöző anyaga.”

 

Kemény, mint az acél

A szén mellett sok más elemet is használnak ötvözőként, így jönnek létre a különböző célokra megfelelő acélfajták. Az idő során számottevően fejlődött ez az ipar, így manapság nagyon sokféle kémiai összetétel hozható létre. Az acél tulajdonságai változtathatók az ötvözők mennyiségének és minőségének (fajtáinak) módosításával; például ilyen tulajdonságok: keménység, rugalmasság, hajlékonyság, alakíthatóság, szilárdság, hőállóság, savállóság, korróziómentesség/korrózióállóság, hegeszthetőség. Tehát az egyéb ötvözők például növelik az acél szilárdságát, és egyúttal csökkentik a képlékenységét. A kémiai elemek közül 20-25 db van, melyet elterjedten használnak az ötvözés során, és gyakorlati jelentőségük van az acél-iparban.

Európai acélokból több, mint 2500 típust regisztrálnak. A Szén és Acélközösség, a bányászat és a kohászat már régóta a fő pillére a nehéziparnak, és alapja lehet a politikai hatalomnak is. Világszerte évente mintegy 1,6 milliárd tonna acélt gyártanak, így az acél messze a legelterjedtebb fémes anyag.

Az acél az ipar egyik legfontosabb anyaga, előállításával az acélkohászat foglalkozik; képlékeny alakítással (kovácsolás, hengerlés, kisajtolás stb.) hidegen és melegen megmunkálható, tulajdonságai hőkezeléssel tovább alakíthatók. Acéltermelés 42 országban történik. Manapság nagyon sokféle kémiai összetétel hozható létre. A kész acél tulajdonságai tovább formálhatók képlékeny alakítással (kovácsolás, hengerlés, kisajtolás stb.), hidegen és melegen egyaránt, illetve az ötvözők mennyiségének és minőségének (fajtáinak) módosításával.

Kovácsolás során a fémet (vasat) alakítják: ütésekkel vagy nyomással, kézi vagy gépi úton, meleg, hideg vagy félmeleg állapotban (megoldható a legtöbb képlékenyen alakító technológiánál), ezt általában 2 szerszám felületei közt végzik.

Míg az úgynevezett martenzitás átalakítás során hővel kezelik az acélt. Egészen pontosan lehűtéssel, a hirtelen hőmérséklet csökkentéssel összenőtt, lemezszerű tűkristályok jönnek létre, melyek ridegek és kemények, így lesz az acél keményebb és merevebb.

 

A damaszkuszi acél rejtélye

A damaszkuszi acél készítésének technológiája sokáig elveszett volt, de egy fennmaradt leírás-részletre támaszkodhatunk: „A bulatot addig kell melegíteni, míg úgy fénylik, mint a felkelő nap a sivatagban, ezután le kell hűteni a királyi bíbor színére, majd egy izmos rabszolga testébe kell mártani… a rabszolga ereje átvándorol a pengébe, ez adja a fém erejét.”
Vagyis: „A pengét magas hőfokra hevítették (a vöröses fehér sivatagi naphoz hasonló színben izzó vas kb. 1000 °C-os), majd levegőn hűtötték (a bíborszínű izzás kb. 800 °C-nak felel meg), végül 37 °C hőmérsékletű sós folyadékban edzették.”
/Juhász-Tasnádi: Érdekes anyagok, anyagi érdekességek/

Az elmúlt években további tudománytörténeti kutatásokat végeztek, melyek eredményeképp úgy látszik, valamelyest sikerülhet megfejteni és megérteni a technológia titkát. A kutatók szerint nanoméretű rudacskák tették erősebbé és egyszersmind
hajlékonyabbá is a szerkezetet, és így jöhetett létre a kemény és egyszerre rugalmas acél:

„A korábbi magyarázatokkal szemben most mikroszkopikus vizsgálatok révén valóban megtalálni vélik a damaszkuszi acél titkát: a Nature című tudományos folyóiratban megjelent tanulmány szerint az acéllapok olyan nanoméretű szénrudacskákat tartalmaztak, amelyek közepén cementitrudak húzódtak meg. A kettős csövek a német Technische Universität Dresden kutatói szerint nemcsak a lap esztétikai értékét növelték, de egyben praktikus célt is szolgáltak: a damaszkuszi acélkardok ily módon önélező fegyverekké váltak, mivel a csövecskék letörésével
újabb és újabb érdes, apró fogú fűrészfelületek keletkeztek.

A damaszkuszi kardok éppen ezért Peter Paufler szerint valójában nem is vágtak, hanem apró fogazatukkal elfűrészelték az útjukba kerülő tárgyakat. Az alapanyag persze itt sem volt mindegy, ahogy a kemencékhez használt fa milyensége is szigorúan elő volt írva. A kovácsolás ideje igen hosszúra nyúlt más kardokhoz képest, ami nemcsak a kardok erejét, de értékét is tovább növelte. Más feljegyzések azonban arról is tanúskodnak, hogy a felhevített acélötvözethez kis mennyiségű üveget is hozzáadtak, amely aztán a különféle szennyeződéseket magához vonzva kiült az acélfelületre. Ezáltal különlegesen tiszta acélhoz juthattak hozzá a kovácsok.

Persze nem mindenki hisz ebben: John Verhoeven, az amerikai Iowa State University professzora ugyancsak kételkedik Paufler állításaiban: szerinte a valódi keménységet adó cementit rudak a széncsövecskék nélkül is elegendőek voltak ahhoz, hogy egy roppant erős és rugalmas kardot tudjanak gyártani. Verhoeven egyébként jó öt évvel ezelőtt már egyszer bejelentette, hogy megtalálta a damaszkuszi acél titkát, sőt egy falusi
kováccsal összefogva utángyártottak is néhány példányt az erős és rugalmas kardból.”

 

Forrás: Acélgyártás, Egyetemi jegyzet az „Alkalmazott fizika I (Korszerű műszaki alkalmazások alapjai)” című kurzushoz
ELTE TTK, Fizikai Intézet, Anyagfizikai tanszék Készítette: DR.ISPÁNOVITY PÉTER DUSÁN, egyetemi adjunktus előadásait felhasználva
NAGY MÁRIA, Fizika-matematika tanári MA – Budapesten 2017 Link:ITT