Teräs
Historia

Vaikka teräksen valmistus tunnettiin Kiinassa jo 200-luvulla, vasta 1855 patentoitu Bessemer-konvertteri alensi teräksen tuottamisen kustannukset samalle tasolle valuraudan kanssa. Teollisen vallankumouksen alkuajat teräs oli ollut liian kallista (50–60 £/tonni) yleiseen käyttöön ja rakenteet, jopa laivat, valmistettiin etupäässä valuraudasta. Bessemer-prosessin mahdollistaman hinnanalennuksen (7 £/tonni) myötä lähes kaikki valmistus kääntyi teräkseen.
Teräksenvalmistuksen raaka-aineena on masuunista saatava takkirauta, joka mellotetaan konvertterissa teräkseksi. Masuunissa rautaoksidi pelkistetään hiilen avulla metalliseksi raudaksi (takkiraudaksi), joka on aivan liian kovaa ja haurasta työstettäväksi; mellotuksessa takkiraudasta hapetetaan siihen imeytynyt hiili pois. Ensimmäisen teollisen teräksenvalmistusprosessin (putlauksen) kehitti Henry Cort 1784. Putlaamalla saatiin aikaan keittoterästä. Englantilainen Henry Bessemer keksi 1856 Bessemer-konvertterin. Se on kurpitsan muotoinen tulenkestävillä tiilillä vuorattu astia, johon kaadetaan sulaa takkirautaa (raakarautaa). Samanaikaisesti sen pohjasta puhalletaan sisään ilmaa. Konversioprosessissa raakaraudan sisältämä hiili palaa hiilidioksidiksi, ja raudan hiilipitoisuus laskee noin 1,5 % tienoille. Robert Mushet paransi Bessemerin prosessia edelleen niin, että puhalluksen jälkeen konvertteriin lisättiin mangaania, jolla teräkseen imeytynyt happi saatiin neutraloitua. Näin saatiin aikaan korkealaatuista ja halpaa terästä. Bessemer itse tutki mahdollisuutta käyttää puhdasta happea ilman sijaan, mutta 1800-luvun kemianteollisuus ei kyennyt tuottamaan riittävän korkealaatuista happea.
Saksassa puolestaan Wilhelm ja Friedrich Siemens kehittivät putlausta edelleen lieskauuniprosessiksi. Siinä matalan lieskauunin kumpaankin päähän on sijoitettu kaksi erikoistiilistä muurattua regeneraattorikammiota, joita ensin vuoron perään lämmitetään uunista tulevilla palokaasuilla ja joilla sitten kuumennetaan uuniin menevä palamisilma ja erillisestä generaattorista saatu polttokaasu. Ranskalaiset Émile ja Pierre Martin kehittivät tätä menetelmää edelleen 1864. Tätä prosessia kutsutaan Siemens-Martin-prosessiksi eli martinmellotukseksi. Siemens-Martin -uunissa voidaan käyttää raaka-aineena rautaromua mellotuksen edistämiseen. Siemens-Martin-prosessilla saadaan korkealaatuista terästä, martinterästä, mutta se on menetelmänä hyvin hidas.
Bessemer-konvertteri sopi hyvin Englannin vähäfosforiseen rautaan, mutta keskieurooppalaisesta rautamalmista saatu raakarauta sisältää usein runsaasti fosforia ja rikkiä. Tämäntyyppinen rauta ei soveltunut käytettäväksi Bessemerin ja Siemens-Martinin prosesseissa, joissa konvertteri tai uuni on vuorattu happamalla, piipitoisella, materiaalilla. Englantilaiset metallurgit Percy Gilchrist ja Sydney Thomas keksivät Thomas-Gilchristin menetelmän, jossa Bessemer-konvertteri vuorataan emäksisellä dolomiitilla. Näin panokseen voitiin lisätä kalkkikiveä, joka absorboi fosforin ja rikin. Teräksen ohella tuloksena on tuomaskuonaa, joka on erinomainen lannoite.
Henri Moissan keksi 1887 sähköllä toimivan valokaariuunin. Alumiinin valmistuksen keksijä Paul Herouit kehitti 1902 kaupallisesti kannattavan sähköteräsmenetelmän. Siinä raaka-aineena käytetään rautaromua. Metallipanoksen ja kahden suuren hiilielektrodin välille synnytetään valokaari, jonka synnyttämä lämpö sulattaa metallin. Samalla anodi murenee uuniin, jossa vallitsee noin 2 000 °C:n lämpötila. Se pelkistää ruosteen metalliseksi raudaksi. Saatava teräs on hyvin puhdasta ja korkealaatuista, sillä se ei joudu kosketukseen palamiskaasujen kanssa. Panokseen voidaan lisätä rautamalmia teräksen ominaisuuksien muuttamiseksi, ja kalkkikiven lisäämisellä voidaan poistaa epäpuhtaudet.
Bessemer-prosessin pahin ongelma oli sen tehokkuus – koko panoksen konvertointi kesti vain 20 minuuttia. Se oli aivan liian lyhyt aika näytteen ottoon ja kemiallisen analyysin tekemiseen laadunvalvontaa varten. Bessemer-prosessin pullonkaula onkin laadunvalvonta ja tuotannon saaminen tasalaatuiseksi. Toisen maailmansodan jälkeen alettiin monilla tahoilla kokeilla puhalluksessa puhtaan hapen käyttöä ilman sijasta. Näin Bessemer-prosessia kyettiin kehittämään entistä tehokkaammaksi. Linzin ja Donawitzin kaupunkien lähellä sijainnut itävaltalainen terästehdas kehitti emäshappimellotuksen (L-D -mellotuksen), joka on nykypäivänä käytetyin teräksenvalmistusmenetelmä. Siinä konvertteriin ladataan ensin rautaromua, ja se täytetään sulalla raakaraudalla ja kalkkikivellä. Sulaan seokseen puhalletaan happipeitsellä ääntä nopeampi happisuihku. Syntyvä shokkiaalto sekoittaa hapen tehokkaasti sulaan metalliin, ja kirjaimellisesti puhaltaa epäpuhtaudet ja liikahiilen pois polttaen ne. Happimellotuksella saadaan yhtä puhdasta terästä kuin Siemens-Martin -prosessilla, mutta se on paljon nopeampi. Alkuperäistä Bessemer-prosessia sekä Thomas-Gilchristin prosessia käytetään yhä jonkin verran eri puolilla maapalloa, mutta emäshappimellotus on sitä kehittyneempi menetelmä ja tuottaa tasalaatuisempaa terästä.
Historiallisesti ensimmäisen kerran terästä valmistettiin Bessemer-prosessia muistuttavalla tavalla Qin-dynastian aikana Kiinassa. Sulaan valurautaan lietsottiin ilmaa, jolloin ylimääräinen hiili paloi pois. Intiassa keksittiin upokasteräksen valmistus 300-luvulla. Kankirautaa kuumennettiin upokkaassa lasimurskan ja hiilen kanssa. Lasi sulaessaan sitoi raudan epäpuhtauksia, ja hiili imeytyi kiinteään rautaan. Näin saatua korkealaatuista terästä kutsutaan nimellä wootz. Upokasteräksen valmistustaito siirtyi Eurooppaan, mutta painui unohduksiin Länsi-Rooman luhistumisen myötä. Wootzin valmistus vaati kuitenkin hyvin korkealaatuista rautaa, ja intialaisten korkealaatuisten malmien ehtyminen 1600-luvulla merkitsi myös wootzin valmistustaidon häviämistä, sillä prosessi siirtyi suullisena perimätietona isältä pojalle.
Keskiajalla kehitettiin seostusteräksen valmistus. Siinä valurautaa ja kankirautaa taottiin yhteen niin, että tuloksena oli takoterästä. Damaskoksen sepät kehittivät taidon huippuunsa, ja tuloksena oli damaskiteräs. Viikinkiajalla Damaskoksen teräs ja damaskolaismiekat olivat maailmankuuluja, sillä ne olivat yhtäaikaisesti sitkeitä ja kovia. 1000-luvulla damaskointitaito levisi ympäri Eurooppaa, ja varsinkin Solingenin ja Toledon miekkasepät olivat maailmankuuluja. Ruotsissa kehitettiin 1300-luvulla ahjoteräksen valmistus: ruotsalainen rauta oli intialaisen tapaan hyvin puhdasta ja sopi ahjoteräksen valmistukseen. Ruotsalaista kankirautaa pakattiin kivisiin laatikoihin yhdessä sysien kanssa, ja näitä kuumennettiin ilmattomassa tilassa noin viikon ajan noin 1 100 °C:n lämpötilassa. Osa hiilestä absorboitui rautaan, ja tuloksena oli wootzin kaltaista ahjoterästä. Taalainmaalaisen Moran kaupungin miekkasepät kehittivät keskiajalla sitkeydestään ja kestävyydestään tunnettujen morapuukkojen valmistuksen ahjoteräksestä ja kankiraudasta.
Wootzin salaisuudet alkoivat paljastua vasta 1700-luvulta lähtien, kun metallurgiasta muotoutui taidon sijaan tiede. Englannissa upokasteräksen teollinen tuotanto alkoi 1740. Upokasterästä pidetään yhä tänäänkin kaikkein korkealuokkaisimpana teräksenä, ja seostamalla siitä saadaan erikoisteräksiä. Se sopii erityisesti työkaluterästen valmistukseen. Historiallisen wootzin valmistustaito rekonstruoitiin uudelleen arkeologien, metallurgien ja seppien yhteistyönä 1980-luvulla Englannissa, ja Suomessa se on tuotteistettu teolliseksi prosessiksi.