इस्पात

इस्पात (Steel), लोहा, कार्बन तथा कुछ अन्य तत्वों का मिश्रातु है। इसकी तन्य शक्ति (tensile strength) अधिक होती है जबकि प्रति टन मूल्य कम होने के कारण यह भवनों, अधोसंरचना, औजार, जलयान, वाहन, और मशीनों के निर्माण में प्रयुक्त होता है। 'इस्पात' शब्द इतने विविध प्रकार के परस्पर अत्यधिक भिन्न गुणोंवाले पदार्थो के लिए प्रयुक्त होता है कि इस शब्द की ठीक-ठीक परिभाषा करना वस्तुत: असंभव है। परंतु व्यवहारत: इस्पात से लोहे तथा कार्बन (कार्बन) की मिश्र धातु ही समझी जाती है (दूसरे तत्त्व भी साथ में चाहे हों अथवा न हों) किसी अन्य तत्त्व की अपेक्षा कार्बन, लोहे के गुणों को अधिक प्रभावित करता है; इससे अद्वितीय विस्तार में विभिन्न गुण प्राप्त होते हैं। वेसे तो कई अन्य साधारण तत्त्व भी मिलाए जाने पर लोहे तथा इस्पात के गुणों को बहुत बदल देते हैं, परंतु इनमें कार्बन ही प्रधान मिश्रधातुकारी तत्त्व है। यह लोहे की कठोरता तथा पुष्टता समानुपातिक मात्रा में बढ़ाता है, विशेषकर उचित उष्मा उपचार के उपरांत। लोहा के साथ कार्बन सबसे किफायत मिश्रक होता है, लेकिन जरूरत के अनुसार, इसमें मैंगनीज, क्रोमियम, वैंनेडियम और टंग्सटन भी मिलाए जाते हैं। कार्बन और दूसरे पदार्थ मिश्र-धातु को कठोरता प्रदान करते हैं। लौहे के साथ, उचित मात्रा में मिश्रक मिलाकर लोहे को आवश्यक कठोरता, तन्यता और सुघट्यता प्रदान किया जाता है। लौहे में जितना ज्यादा कार्बन मिलाते हैं इस्पात उतना ही कठोर बनता जाता है, कठोरता बढ़ने के साथ ही उसकी भंगुरता भी बढ़ती जाती है। 1149 डिग्री सेल्सियस पर लौहे में कार्बन की अधिकतम घुल्यता 2.14 प्रतिशत है। कम तापमान पर अगर लौहे में ज्यादा मात्रा में कार्बन हो तो इससे सिमेंटाइट का निर्माण होगा। लौहे में अगर इससे ज्यादा कार्बन हो तो यह कास्ट आयरन कहलाता है, क्योंकि इसका गलनाक कम हो जाता है। इस्पात, कास्ट आयरन से इसलिए भी अलग होता है क्योंकि इसमें दूसरे तत्वों की मात्रा अत्यन्त कम होती है यानी 1 से तीन प्रतिशत के करीब. इस्पात जंग-रोधी होता है और इसे आसानी से वेल्ड किया जा सकता है। आजकल, गृह-निर्माण, बांध, पुल, सड़क आदि में इस्पात का बड़े पैमाने पर इस्तेमाल होता है और बाजार अलग अलग गुणवत्ता वाले इस्पात अलग-अलग दामों पर उपलब्ध हैं। हमारे जीवन में इस्‍पात का काफी प्रभाव है - कार जिसे हम चलाते हैं, भवन जिसमें हम कार्य करते हैं, जिस घर में हम रहते हैं और असंख्‍य अन्‍य पहलू इसमें आते हैं। विद्युत पावर लाइन टावर, प्राकृतिक गैस पाइप लाइनें, मशीन उपकरण आदि में इस्‍पात का प्रयोग होता है जिसकी सूची काफी लम्‍बी है। घरों में हमारे परिवारों को सुरक्षित रखने, हमारे जीवन को सुविधाजनक बनाने में इस्‍पात का महत्‍वपूर्ण स्‍थान है। इसका फायदा निसंदेह स्‍पष्‍ट है। इस्‍पात अत्‍यधिक महत्‍वपूर्ण, बहुकार्यात्‍मक और सर्वाधिक अनुकूलनीय है। यदि इस्‍पात नहीं होता तो मानव जाति का विकास संभव नहीं होता। इस्‍पात के बल पर और सहज प्रयोग से विकसित अर्थव्‍यवस्‍था का आधार रखा गया था। इस्‍पात का विविध प्रयोग क्रमशः इस्‍पात का अनुकूलनीय मापदण्‍ड है जिन्हे इस्‍पात के निम्‍नलिखित विशेषताओं से आंका जा सकता है - इस्‍पात का अन्‍य पदार्थों से तुलना की जाय तो इसकी उत्‍पादन-लागत कम है। एलुमिनियम को बनाने में जितना उर्जा लगती है उसका लगभग 25% उर्जा से लोह अयस्‍क से लोहा बनता है। इस्‍पात पर्यावरण-मित्र है, इसको पुन:चक्रित (recycle) किया जा सकता है। भूगर्भ में 5.6% लौह तत्त्व विद्यमान है अत: इसका कच्चा माल का आधार भी मजबूत है। इस्‍पात का उत्‍पादन अन्य सभी अलौह पदार्थों के कुल उत्पादन से भी 20 गुना अधिक है। सब मिलाकर इस्‍पात के लगभग 2000 किस्मों का विकास हुआ है जिसमें 1500 प्रकार के इस्‍पात उच्‍च ग्रेड के हैं। तथापि विभिन्‍न प्रकार के गुणधर्म वाले इस्‍पात के नये ग्रेडों के विकास की असीम संभावएँ हैं। हमारे जीवन में इस्‍पात के उपयोग का महत्‍वपूर्ण स्‍थान है और आने वाले वर्षों में इसका उपयोग होता रहेगा। साधारण इस्पात में, चाहे वह जिस विधि द्वारा बनाया गया हो, कार्बन तथा मैंगनीज़ 0.10 से 1.50 प्रतिशत, सिलिकन 0.20 से 0.25 प्रतिशत, गंधक तथा फासफोरस 0.01 से 0.10 प्रतिशत तथा ताँबा, ऐल्युमिनियम और आरसेनिक न्यून मात्रा में उपस्थित रहते हैं। प्राय: हाइड्रोजन, आक्सीजन तथा नाइट्रोजन भी अल्प मात्रा में रहते हैं l इस जाति के इस्पात कई प्रकार के काम में आते हैं। यद्यपि सभी इस्पात मिश्रधातु ही हैं, तथापि साधारण बोलचाल में इस्पात को एक सरल (अमिश्र) धातु ही माना जाता है। ऊपर दिए हुए विश्लेषण से यदि किसी तत्त्व की मात्रा अधिक हो, अथवा इस्पात में दूसरे तत्त्व, जैसे निकल, क्रोमियम, वैनेडियम, टंग्स्टन, मालिब्डीनम, टाइटेनियम आदि भी हों, जो सामान्यत: इस्पात में नहीं होते, तो विशेष या मिश्र धात्वीय इस्पात बनता है। यांत्रिक गुणों की वृद्धि के लिए ही सामान्यत: यह मिलावट की जाती है। इस्पात की कुछ विशेषताएँ, जो मिश्रधातुकारी तत्वों द्वारा प्रभावित होती हैं, इस प्रकार हैं: लोहा दो प्रकार के अति उपयोगी सममापीय (आइसोमेट्रिक) रवों के रूप में रहता है : (1) ऐल्फ़ा लोहा, जिसके ठोस घोल को "फ़ेराइट" कहते हैं और (2) गामा लोहा, जिसका ठोस घोल "ऑसटेनाइट" है। शुद्ध लोहे का ऐल्फ़ा रूप लगभग 910 डिग्री सें. से कम ताप पर रहता है; अधिक ताप पर गामा रूप रहता है। इन दोनों रूपों के लोहों में विविध मिश्रधातुकारी तत्वों को घुलनशीलता अति भिन्न है। व्यापारिक कार्बन-इस्पात, धातु-कार्मिक विचार से, लौह कार्बाइड का फेराइट में एक विक्षेपण (डिस्पर्शन) है, जिसमें लौह कार्बाइड का अनुपात कारबन की मात्रा पर निर्भर रहता है। कार्बन इस्पात के मोटे टुकड़ों को ऐसी विधियों तथा दरों से एक सीमा तक ठंढा किया जा सकता है कि फेराइट में सीमेंटाइट के संभव वितरणों में से कोई भी वितरण उपलब्ध हो जाए। संरचना तथा ऊष्मा उपचार के विचार से कारबन इस्पात के अपेक्षाकृत ऐसे छोटे नमूने सरलता से चुने जा सकते हैं जिनमें साधारण ताप पर प्राय: महत्तम यांत्रिक गुण हों। अकठोरीकृत इस्पात के दो अवयवों में दूसरा कारबाइड कला (फ़ेज़) है। कारबाइड की मात्रा, जो कारबन के अनुपात पर निर्भर रहती है, इस्पात के गुणों को बदलती है। विक्षेपण (डिस्पर्शन) में कारबाइड के कणों के रूप तथा उसकी सूक्ष्मता से यह और भी अधिक बदलती है। इस्पात को कठोर करने में तथा पानी चढ़ाते समय, मिश्रधातुकारी तत्त्व की उपस्थिति अंत में प्राप्त पदार्थ को एकदम बदल सकती है। फलत: संरचना और इसलिए इस्पात के गुण, जो इसी पर अत्यधिक आधारित हैं, ऑस्टेनाइट की संरचना तथा दाने के परिमाण पर निर्भर हैं। बुझाए हुए इस्पात कार्बन के मात्रानुसार विभिन्न कठोरतावाले होते हैं। कठोरता के लिए केवल कारबन पर ही निर्भर होने में इस्पात को एकाएक बुझाना पड़ता है। इससे या तो दूसरी बुराइयाँ उत्पन्न हो सकती है अथवा बहुत भीतर तक कठोरीकरण नहीं हो पाता है। कुछ उच्च मिश्रधात्वीय इस्पातों में साधारण ताप पर ही अपेक्षाकृत धीरे धीरे ठंडा कर, यह कठोरीकरण कुछ अंशों में प्राप्त किया जा सकता है। बुझाए हुए तथा कठोरीकृत इस्पातों में आंतरिक तनाव होता है, जो फिर से गरम करके दूर किया जाता है। इस क्रिया को पानी चढ़ाना (टेंपरिंग) कहते हैं। ऑस्टेनाइट रूपांतरण में कारबन के अतिरिक्त अन्य मिश्रधातुकारी तत्त्व सामान्यत: सुस्ती पैदा करते हैं। कोबल्ट छोड़ अन्य तत्वों की उपस्थिति में बुझाने पर अधिक गहराई तक कठोरीकरण होता है। साधारणतया सभी मिश्रधात्वीय इस्पातों तथा बहुत से कारबन-इस्पातों में इच्छित गुणों का अच्छा संयोग उचित उष्माउपचार से प्राप्त होता है। कार्बन - सादे कारबन-इस्पात में, कारबन की मात्रा को 0.1 प्रतिशत से 1