altzairutegi

SARRERA DESBERDINA:

Altzairu

Altzairua burdinaz eta karbonoz osatutako aleazioa da. Oro har, altzairu aleazioetan, karbonoaren pisua % 2,1 baino txikiagoa izaten da, eta balio arruntenak % 0,2 eta % 0,3 inguruan daude. Karbonoaren masa % 2tik gorakoa bada, burdinurtu deritzen aleazio hauskorrak lortzen dira, forjatu ezin direnez moldeatze bidez lantzen direnak.
Lehenengo bonba atomikoak lehertu baino lehen sortutako altzairua hondo txikiko altzairua da, erradionukleidoz kutsatu gabea. Gaur egun, altzairu horren iturri nagusia, erradiazio oso sentikorrak neurtzeko ekipoak eraikitzeko behar dena, Trinity proba baino lehen eraikitako itsasontzi hondoratuak dira, ezagunenak Lehen Mundu Gerran Scapa Flow-en hondoratutako gerraontzi alemaniarrak direlarik^[1].
altzairu herdoilgaitza. Aleazioetan erabiltzen diren beste elementu batzuk dira: manganesoa, kromoa, banadioa eta tungstenoa.
Ez dira altzairua eta burdina nahasi behar. Burdinaren eta altzairuaren arteko desberdintasun nagusia karbonoaren ehunekoa da; altzairua osatuta dago burdinaz eta karbonoz % 0,008 eta % 2,11 arteko portzentajean. Ehuneko horretatik kanpo, burdinarekin egindako beste aleazioak ez dira altzairutzat hartzen. Altzairuak burdinaren ezaugarri metalikoak mantentzen ditu, baina karbonoa eta beste elementu metaliko zein ez-metaliko batzuk gehitzeak haren propietate fisiko-kimikoak hobetzen ditu.
Metal urtua hozten den abiaduraren arabera (prozesuari tenplaketa deritzo), altzairuaren mikroegitura aldatu egiten da, eta, beraz, baita haren propietate mekanikoak ere. Altzairuan aurki daitezkeen faseetako batzuk dira: martensita, perlita, zementita, bainita eta ferrita. Altzairu batek konposizioaren eta tenplaketaren arabera dituen faseak ezagutzeko, burdina-karbono faseen diagrama bat erabiltzen da.
Altzairuak egoera puruan gordetzen ditu burdinaren ezaugarri metalikoak, baina, karbonoa eta beste elementu batzuk (metalikoak zein ez-metalikoak) gehituz gero, magnitude fisiko-kimikoak hobetzen dira. Hala ere, aleazioak % 2.11tik gorako karbono-kontzentrazioa badu, burdinurtuak sortzen dira^[2],​ altzairua baino askoz hauskorragoak direnak eta forjatu ezin direnak, baizik eta moldekatu egin behar direnak.
Hainbat altzairu mota daude, elementua edo elementu aleatzailea zein den. Karbono-ehunekoaren definizioa karbono-altzairuei dagokie, non ez-metal hori aleatzaile bakarra den, edo beste batzuk ere badaude, baina kontzentrazio txikiagoetan. Beste konposizio espezifiko batzuek izendapen bereziak hartzen dituzte aldagai anitzen arabera, hala nola konposizioan nagusi diren elementuak (silizio-altzairuak); haien zenbait tratamendurekiko sentikortasuna (zementazio-altzairuak); ezaugarri indarturen bat duena (altzairu herdoilgaitzak), eta baita erabileraren arabera ere (egiturazko altzairuak). Eskuarki, burdin aleazio horiek altzairu berezi izendapen generikoaren barruan sartzen dira, horregatik, hemen, arruntak edo «karbono.altzairu» deritzenak definitu dira, lehenengo fabrikatuak eta erabilienak izateaz gain, besteentzat oinarri izan baitziren^[3]. Altzairuen aukera zabal hori dela eta, Siemensek honela definitu zuen altzairua: «burdinazko konposatu bat eta haren erresistentzia handitzen duen beste substantzia bat»^[4].
Karbonoa gehitzean edo hainbat tratamendu termikoren eraginpean jartzean altzairuaren erresistentzia handitzen den heinean, elastikotasuna eta plastikotasuna nabarmen murrizten dira. Beraz, oreka bilatu behar da, materialari emango zaion aplikazioaren arabera, erresistentziaren eta malgutasunaren artean.
Pizkundea baino arinago altzairua metodo ez oso eraginkorren bidez egiten bazen ere, horren erabilera askoz arruntago bihurtu zen ekoizpen metodo egokiagoak asmatu zirenean, XVII. mendean. Bessemer prozesua asmatu zenean, XIX. mendearen erdialdean, altzairua modu masiboan ekoitzitako material merkea izatera heldu zen. Prozesuak geroago izan zituen hobekuntzei esker, ekoizpen-kostua are gehiago jaitsi zen, eta kalitatea handitu egin zen.
Egun, altzairua munduko materialik arruntenetakoa da, urtero 1.400 milioi tona kubiko (2010) ekoizten baitira. Osagai nagusietakoa da eraikin, azpiegitura, tresna, itsasontzi, automobil, makina zein armetan.
Altzairu hitza latinezko aciariusetik dator, eta hura, berriz acies hitzetik, hau da, hizkuntza horretan, arma ahul baten ertzari deitzen zaiona. Aciarius, beraz, metal egokia litzateke (bere gogortasunagatik eta erresistentziagatik) arma eta tresnen ebaketa zatian jartzeko. Ezezaguna da mineralen fusiotik burdina lortzeko teknika noiz aurkitu zen data zehatza. Hala ere, burdinazko tresnen lehen aztarna arkeologikoak K.a. 3000. urtekoak dira, eta Egipton aurkitu ziren, nahiz aurreko apaingarrien aztarnak dauden. Quinto Horacio Flacok adierazi zuen falkata gisako altzairuzko armak, Iberiar penintsulan, jada K.a. I. mendean erabiltzen zirela, erromatarren tropek altzairu norikoa (latinez: chalybs noricus) erabiltzen zutenean^[5]. Txinako Han dinastiaren garaian, altzairua burdin forjatua burdina urtuz ekoizten zen, K.a. I. mendean, gutxi gorabehera^[6]. Wootz altzairua sortzeko ekoizpen-metodoak ere hartu zituzten Indian eta Sri Lankan, K.a. 300. urte inguruan sortutako prozesuan, eta Txinara esportatu zen. Hasierako metodo horrek haize-labe bat erabiltzen zuen, montzoiak bultzatuta^[7][8]. Burdinaren aleazio bat ere ezaguna zen Damaskoko altzairua izenez, bere baitan (milioiko 1.000 zati edo arroka konposizioaren % 0,1 baino gutxiagoko kontzentrazioetan) material ezberdin ugari zituena. Peter Paufler-ek egindako ikerketek iradoki zuten karbono-nanohodiak sartzen zirela bere egituran, eta horrek altzairu horren nolakotasun batzuk azal zitzakeen —esaterako, iraunkortasuna eta ertzari eusteko gaitasuna—, nahiz eta posible den, garai hartako teknologiagatik, kasualitatez lortua izatea eta ez aurrez pentsatutako diseinu baten bidez^[9].
IX. eta X. mendeen artean, Merv-en, altzairu arragoa ekoizten zen, eta, bertan, hainbat teknikaren bidez, burdina eta ikatza berotuz eta hoztuz lortzen zen altzairua. Song dinastiaren garaian, XI. mendean, Txinan, altzairuaren ekoizpena bi teknika erabiliz egiten zen: lehenengoak kalitate baxuko altzairua —berganesko metodoa— ekoizten zuen, ez baitzen homogeneoa, eta bigarrenak, Bessemer metodoaren aitzindaria, ikatza kentzen zuen behin eta berriz forjatuz eta bat-batean hoztuz^[10].
Industria erabilerarako burdina K.a. 1500. urte inguruan aurkitu zen Metsamor eta Ararat mendian, Armenian^[11]. Burdinaren teknologia luzaroan gorde zen isilpean, K.a. 1200. urte inguruan asko hedatu zen arte.
Erdi Aro arte, ez dago erregistrorik gogorgarritasuna ezagutzen zela adierazten duenik. Altzairua fabrikatzeko metodo zaharra labean burdin biguna lortzea zen, egur-ikatz eta aire-tiroarekin, ondoren zepak kentzearekin burdin biguna mailukatuz eta zementatzeko karburatuz. Gero, zementazioa, altzairu zementatua buztinezko arragoetan urtuz, perfekzionatu egin zen, eta Sheffield-en (Ingalaterra), 1740tik aurrera, arragoa altzairuak lortu ziren. Teknika Benjamin Huntsman-ek garatu zuen.
1856an, Henry Bessemer-ek altzairua kantitate handietan ekoitzi ahal izateko metodo bat garatu zuen, baina, fosforoa eta sufrea proportzio txikietan zituen burdina soilik erabil zitekeenez, baztertu egin zen. Hurrengo urtean, Carl Wilhelm Siemens-ek beste bat sortu zuen (Martin-Siemens prozesua deitua), zeinean altzairua burdin bigun eta burdin oxido galdaketaren deskarburaziotik ekoizten zen olio, koke-gasa edo azken horren labeko gasa-nahaste berotzearen produktu gisa. Metodo hori ere zaharkituta geratu da.
1878an, Siemens izan zen altzairuzko labeak berotzeko elektrizitatea erabiltzen lehena; merkataritza ekoizpenerako arku elektrikoko labeen erabilera, 1902an hasi zuen Paul Héroultek, aluminioa urtzeko metodo modernoaren asmatzaileetako bat izan zena. Metodo horretan, labean, arku elektriko bat pasarazten da konposizio ezaguna den altzairu txatarra eta labearen sabaian kokatutako karbono elektrodo handien artean.
1948an, LD oxigenoaren oinarrizko prozesua asmatu zen. Bigarren Mundu Gerraren ostean, altzairuaren fintze prozesuetarako, airearen ordez oxigeno puruarekin esperimentuak egiten hasi ziren hainbat herrialdetan. Arrakasta Austrian lortu zen 1948an, Linz hiritik gertu zegoen altzairu fabrika batean, Donawitz-ek oinarrizko oxigenoa edo LD prozesua garatu zuenean.
1950ean, etengabeko galdaketa-prozesua asmatu zen, sekzio konstanteko eta kantitate handietan ijetzitako altzairuzko profilak ekoitzi behar denean erabiltzen dena. Prozesua behar den forma duen moldea arrago baten azpian jartzean datza, urtutako materiala moldean pixkanaka dosifikatzeko balbula baten bidez. Grabitatez, urtutako materiala ur-sistema baten bidez hozten den moldetik igarotzen da; urtutako materiala, molde hotzetik igarotzean, oretsu bihurtzen da, eta moldearen forma hartzen du. Ondoren, materiala sistemaren kanpoalderantz arrastatzen duten arrabol batzuen bidez moldatzen da. Materiala, beharrezko formarekin eta luzera egokiarekin osatu ondoren, moztu eta gordetzen da.
Gaur egun, metal eta metaloide batzuk ferroaleazio moduan erabiltzen dira, eta, altzairuarekin elkartzean, gogortasun eta erresistentzia kalitate bikainak ematen dizkiote^[11].
Gaur egun, altzairuaren fabrikazio-prozesua bigarren mailako metalurgia deritzonak osatzen du. Etapa horretan, altzairu likidoari nahi diren propietate kimikoak, tenperatura, gas-edukia, inklusio-maila eta ezpurutasun-maila ematen zaizkio. Metalurgia sekundarioaren unitate ohikoena koilara-labea da. Hor ekoitzitako altzairua prest dago modu konbentzionalean galdatzeko edo etengabeko galdaketan.
Altzairuak, egitura metalikoen eraikuntzarako duen eta izan duen erabilera intentsiboak, arrakasta handiak eta porrot handiak ezagutu ditu, behintzat materialen zientziaren aurrerapena ahalbidetu dutenak. Hala, 1940ko azaroaren 7an, munduak Tacoma Narrows zubiaren erorketa ikusi zuen, haizearekin erresonantzian sartu zenean. Ordurako, Industria Iraultzaren lehen urteetan, tren-ardatzen haustura goiztiarrak gertatuak ziren, William Rankine materialaren nekea postulatzera eraman zutenak, eta, Bigarren Mundu Gerran, Estatu Batuetako Liberty zamaontzien ustekabeko hondoratzea gertatu zen, altzairua hauskortu egin baitzen tenperaturaren beherakada hutsagatik^[12], hasieran soldadurei egotzitako arazoa izan bazen ere.
Munduko hainbat eskualdetan, altzairuak garrantzia handia du jendartearen, industriaren eta merkataritzaren dinamikarako.
Zaila da altzairuaren propietate fisiko eta mekanikoak ezartzea, altzairuaren osaeraren doikuntzekin eta hainbat tratamendu termiko, kimiko edo mekanikorekin ezaugarri egokiak dituzten konbinazioak lor baitaitezke aplikazio askotarako, baina propietate orokor batzuk aipa daitezke:
Aleatutako altzairuek edo altzairu bereziek, karbonoz gain, haien propietateak aldatzen dituzten beste elementu batzuk ere badituzte. Hauek beren eraginaren arabera sailkatzen dira:
Gogortasuna areagotzen duten elementuak: fosforoa, nikela, kobrea, aluminioa. Tenperatura altuetan, batez ere gogortasunari eusten diotenak: titanioa, banadioa, molibdenoa, wolframa, kromoa, manganesoa eta kobaltoa. Alearen tamainaren hazkundea mugatzen duten elementuak: aluminioa, titanioa eta banadioa. Tenplagarritasuna zehazten duten elementuak, tenplagarritasuna handitzen dute: manganesoak, molibdenoak, kromoak, nikelak eta silizioak. Epeltasuna gutxitzen du: kobaltoak. Korrosioarekiko edo oxidazioarekiko erresistentzia aldatzen duten elementuak, oxidazioarekiko erresistentzia handitzen dute: molibdenoak eta wolframak. Korrosioarekiko erresistentzia errazten du: kromoak. Transformazio-tenperatura kritikoak aldatzen dituzten elementuak, puntu kritikoak handitzen dira: molibdenoa, aluminioa, silizioa, vanadioa, wolframa. Tenperatura kritikoak jaitsi egiten dira: kobrea, nikela eta manganesoa. Kromoaren kasuan, puntu kritikoak igo egiten dira altzairuak karbono-ehuneko handia duenean, baina murriztu egiten dira altzairuak karbono-eduki txikia duenean.
Altzairuaren bi osagai nagusiak ugari aurkitzen dira naturan, eta horrek eskala handian ekoiztea errazten du. Aniztasun eta erabilgarritasun horri esker^[13], erabilera askotarako gai da, hala nola makineria, tresnak, eraikinak eta herri-lanetarako, eta, hala, gizarte industrializatuen garapen teknologikoari laguntzen dio^[14].​ Dentsitate handia izan arren (7850 kg/m³-ko dentsitatea aluminioaren 2700 kg/m³-ko dentsitatearekin alderatuta, adibidez) altzairua industriako sektore guztietan erabiltzen da, baita aeronautikoan ere, Izan ere, eskakizun handieneko piezek (dela inpaktuari edo nekeari) altzairu gisako material harikor eta zailarekin baino ezin dute jasan, eta, gainera, kostu txikia dute.
AISI, ASTM eta UNS altzairuen sailkapen normalizatuek gutxieneko edo gehieneko balioak ezartzen dituzte elementu-mota bakoitzerako. Elementu horiek ezaugarri jakin batzuk lortzeko gehitzen dira, hala nola tenplagarritasuna, erresistentzia mekanikoa, gogortasuna, zailtasuna, higadurarekiko erresistentzia, soldagarritasuna edo mekanizagarritasuna^[15].​ Hona hemen aleazio-elementuek altzairuan eragiten dituzten zenbait efektu^{[16] [17]}:
Ezpurutasun deritze altzairuen konposizioan nahi ez diren elementu guztiei. Altzairuetan eta galdategietan egoten dira mineraletan edo erregaietan daudelako. Aleazioaren propietateentzat kaltegarriak direnez, horiek ezabatzen edo haien edukia murrizten saiatzen da. Kentzea ezinezkoa denean edo garestiegia denean, haien presentzia gutxieneko kopuruetan onartzen da.
Gehitutako manganeso bidez kontrolatzen da sulfuroaren presentzia. Manganesoak burdinak baino afinitate handiagoa du sufrearekin, eta, beraz, FeS-ren ordez MnS sortzen da, Urtze-puntu handia eta propietate plastiko onak dituena. Mn-aren edukiak, gutxi gorabehera, S-aren kontzentrazioaren halako bost izan behar du erreakzioa gerta dadin.
Azken emaitza, gas eragileak kendu ondoren, burbuila gutxiagoko galdaketa da, eta, beraz, kalitate handiagokoa.
Elementu kaltegarritzat jotzen den arren, positiboa da mekanizazio-prozesuetan makinagarritasuna hobetzeko. Sufre-portzentajea handia denean, burbuilak sor ditzake soldaduran.
Altzairuetan elementu kaltegarritzat jotzen den arren harikortasuna eta zailtasuna murrizten dituelako hauskor bihurtuz, batzuetan, gehitu egiten da tentsioarekiko erresistentzia handitzeko eta mekanizagarritasuna hobetzeko.
Fabrikatzeko moduaren arabera:
Lantzeko moduaren arabera:
Konposizioaren eta egituraren arabera:
Erabileren arabera:
Aplikazioaren arabera:
Tratamendu termiko egokiaren bidez, nabarmen handitzen dira altzairuaren propietate mekanikoak: gogortasuna, zailtasuna eta erresistentzia mekanikoa. Tratamendu termikoek materialaren mikroegitura aldatzen dutenez, altzairuaren propietate makroskopikoak ere aldatzen dituzte.
Konposizio kimikoa aldatu gabe altzairuari aplika dakizkiokeen tratamendu termikoak hauek dira:
Arruntenak suberaketa, tenplaketa eta iraoketa dira.Tratamendu termiko horiek gehien bat hipereutektoideak diren altzairuekin erabiltzen dira, alegia, konposizio eutektoideak baino karbono kantitate handiagoa dutenekin (% 0,8 ingurutik gora). Altzairu hipoeutektoideetarako tratamendu gutxiago dira eraginkorrak.
Suberaketa altzairuaren barne-tentsio lokalak arintzeko behar den beste berotuz eta ondoren era kontrolatuan hoztuz egiten da. Ez da material guztian gertatzen, era lokalean ematen da. Altzairu bat suberatzeko lortu behar den tenperatura altzairuan aleatuta dauden elementuen eta suberaketa motaren araberakoa da.
Tenplaketa egiteko, altzairua austenita sortzeko beste berotu eta gero, gehienetan, uretan edo oliotan arin hozten da. Hozte arin horren bidez, martensita egitura gogor eta hauskorra lortzen da. Ondoren, altzairua iraotu egiten da; hau da, suberaketa berezi bat aplikatzen zaio hauskortasuna murrizteko. Iraoketa hori eginez, martensita kantitate bat zementita edo esferoidita bihurtzen da, eta, horren ondorioz, barneko akats eta tentsioak gutxitzen dira. Haren emaitza altzairu harikorragoa eta hauskaitzagoa izaten da.
Mota guztietako altzairuak erabiltzen dira gure eguneroko bizitzan, erreminta, tresna, ekipo mekaniko gisa eta etxetresna elektrikoen eta, oro har, makinen osagai gisa, baita bizi garen etxebizitzen egituretan eta eraikin moderno gehienetan ere.
2019an, munduko altzairu ekoizpenari buruz dauden datuak, urtean milioi tonatan^[18][19]: