čelik

čelik (tur. çelik), slitina željeza s ugljikom (do 2,0%), najvažniji konstrukcijski materijal u gotovo svim područjima tehnike. Golema primjena čelika u suvremenoj civilizaciji osniva se na njegovim izvanrednim svojstvima (velika čvrstoća, tvrdoća, duktilnost, elastičnost, otpornost prema koroziji i toplini, magnetska permeabilnost, toplinska vodljivost i dr.), a tih svojstava nemaju drugi, jednako pristupačni i razmjerno jeftini materijali. Svojstva čelika mogu se mijenjati legiranjem, toplinskom obradbom (npr. kaljenjem, žarenjem, popuštanjem), površinskom obradbom (cementiranjem, cijanizacijom, nitriranjem), hladnim oblikovanjem ili nanošenjem prevlake, pa se tako čelici mogu prilagoditi svakoj vrsti primjene. Čelik se može oblikovati u toplome ili hladnome stanju, valjanjem, prešanjem, kovanjem, rezanjem i sl.

Čelik se dobiva oksidacijskim pročišćavanjem sirovoga željeza koje sadrži 3,5 do 4% ugljika te redovito silicij (0,2 do 0,4%), mangan (0,3 do 0,5%), fosfor (do 0,1%) i sumpor (do 0,03%). Time nastaje željezna slitina s manjim udjelom ugljika i s vrlo malo drugih elemenata. To je zapravo oksidacija i izgaranje prisutnih elemenata u talini i izdvajanje nastalih oksida u obliku troske ili plina. Željezo prikladno za kovanje dobivalo se već u II. st. pr. Kr. izravnom redukcijom željezne rude s drvenim ugljenom. U XII. st. čelik se dobivao taljenjem sirovoga željeza i uklanjanjem nečistoća oksidacijom. Nastale čelične grude kovanjem su se čistile od troske i poprimale kompaktan oblik. Od sredine XVIII. st. drveni se ugljen počeo zamjenjivati kamenim ugljenom i koksom, a 1742. Benjanimu Huntsmanu uspjelo je proizvesti kvalitetan čelik taljenjem otpadnoga komadnoga željeza. S vremenom se usavršavao i niz drugih proizvodnih postupaka: pročišćavanje u plamenim pećima (pudlovanje), taljenje čelika u loncima i dr. Englez H. Bessemer patentirao je 1856. oksidaciju rastaljenoga sirovoga željeza bogata silicijem u konvertoru, i to zrakom koji se komprimira i upuhuje kroz porozno dno, S. G. Thomas je 1878. obzidao konvertor bazičnom oblogom (za razliku od Bessemerove kisele obloge) i u njemu oksidacijom pročišćavao sirovo željezo bogato fosforom uz dodatak vapna (Thomasov postupak). P. E. Martin u suradnji s Wilhelmom Siemensom 1865. izgradio je plamenu peć s regenerativnim loženjem, u kojoj se proizvodio čelik kombiniranim ulaganjem rastaljenoga željeza i komadnoga otpadnog željeza. P. L. T. Héroult pustio je 1904. u rad prvu elektrolučnu peć za proizvodnju čelika. Potkraj 1930-ih u Linzu je tvrtka Donawitz uvela postupak propuhivanja taline kisikom, a taj je postupak i danas u upotrebi.

Čelik se danas proizvodi uglavnom na dva načina: oksidacijskim pročišćavanjem sirovoga željeza u kisikovu konvertoru te taljenjem čeličnog otpada (ili spužvastoga željeza) u visokoučinskim električnim pećima. Međutim, u Indiji, Ukrajini i Rusiji čelik se još uvijek proizvodi i u Siemens-Martinovoj peći.

Čelik iz kisikova konvertora ili električne peći može se, radi poboljšanja kvalitete, a prije lijevanja, podvrgnuti obradbi izvan primarnog agregata za proizvodnju. Ta se obradba naziva sekundarnom metalurgijom i provodi se u loncima od materijala otpornoga na plamen, pa se naziva i metalurgijom lonca. Ona se sastoji od daljnjeg uklanjanja neželjenih metala i nemetalnih onečišćenja, legiranja i homogeniziranja taline te dodavanja nemetalnih uključaka radi postizanja specifičnih svojstava čelika. Uobičajeni su postupci obradbe i deoksidacija (uklanjanje kisika) dodavanjem ferosilicija ili aluminija, pročišćavanje plinom (argonom) te vakuumska obradba (smanjivanje tlaka iznad taline radi lakšeg otplinjavanja), obradba sintetičkom troskom ili mješavinom praha i zagrijavanje taline u loncima. Sekundarnom se metalurgijom sastav čelika može bolje modificirati i postići konstantna kvaliteta, a mogu se proizvesti i višestruko modificirane vrste čelika (danas više od 2000 vrsta). Agregati za sekundarnu metalurgiju široko se primjenjuju od 1950-ih, a razvijeni su mnogobrojni postupci koji su pridonijeli ekonomičnoj i kvalitetnijoj izradbi čelika.

Čelik dobiva oblik pogodan za daljnju preradbu kontinuiranim lijevanjem u gredice ili lijevanjem u ingote, a zatim se prerađuje u finalne proizvode valjanjem, kovanjem ili vučenjem (limovi, trake, cijevi, žica i dr.). Razvoj kontinuiranoga lijevanja usmjerava se prema postizanju još manjih izlaznih presjeka (dobivanje odljevaka kojima su izmjere vrlo slične konačnima). Perspektivne su tehnologije lijevanja u tanke trake koje se mogu reducirajućim valjanjem još stanjiti (tzv. lijevanje u liniji, uz izravnu povezanost postrojenja za lijevanje i valjaonice).

Vrste čelika

Čelik se može podijeliti prema mnogim osnovama: prema sastavu, mikrostrukturi, svojstvima, proizvodnom postupku, namjeni i dr. Po sastavu se čelik dijeli na ugljični (uz željezo sadrži samo ugljik kao legirni element) i legirani čelik (osim ugljika, sadrži i druge elemente, uglavnom metale). Ti se legirni elementi mogu podijeliti u one koji u dijagramu željezo–ugljik (→ željezo) proširuju područje γ-željeza (npr. mangan, nikal, dušik) i na one koji to područje suzuju (npr. silicij, fosfor, krom, molibden, volfram). Čelik koji sadrži manje legirnih elemenata (manje od 1,65% mangana, 0,3% nikla, 0,1% kobalta, 0,5% silicija, 0,1% vanadija, 0,3% kroma, 0,08% molibdena, 0,1% volframa) naziva se nelegiranim čelikom.

Prema mikrostrukturi razlikuju se austenitni čelik (→ austenit), martenzitni čelik (→ martenzit), feritni čelik (→ ferit) s feromagnetnim svojstvima, perlitni čelik (→ perlit) s visokim stupnjem kaljivosti i velikim mogućnostima poboljšavanja (oplemenjivanja), ledeburitni čelici (→ ledeburit), koji sadržavaju željezni karbid ili tvrde karbide volframa, titanija i dr., te bainitni čelik.

Prema svojstvima razlikuju se obični, kvalitetni i plemeniti čelici te čelici posebnih svojstava. Obični je čelik nelegiran, kvalitete za koju prilikom proizvodnje nisu potrebne posebne mjere. Pod kvalitetnim čelikom razumiju se nelegirane i legirane vrste čelika za koje općenito nije potrebna termička obradba, ali prilikom proizvodnje treba postići određenu kvalitetu površine, strukturu i žilavost (npr. čelik za tračnice, građevinski čelik). U plemeniti čelik ubrajaju se nelegirane i legirane vrste čelika koje posebna svojstva stječu termičkom obradbom, a zbog specijalnih uvjeta proizvodnje imaju veći stupanj čistoće od kvalitetnih čelika (npr. alatni i čelik otporan na toplinu). U čelike posebnih svojstava ubrajaju se čelici otporni prema visokoj temperaturi, koroziji i starenju te hladnožilavi čelik. (→ legirani čelik)

Prema proizvodnom postupku čelik se, s obzirom na primarni proizvodni agregat, dijeli na konvertorski, elektročelik i Siemens-Martinov čelik, a s obzirom na naknadnu obradbu na vakuumski otplinjeni čelik, čelik tretiran sintetičkom troskom i čelik proizveden upuhivanjem inertnoga plina.

Prema namjeni čelik se dijeli na konstrukcijski (obični, poboljšani), specijalni (→ nehrđajući čelik; vatrootporni čelik), alatni (za rad u toplom i hladnom stanju, brzorezni), čelik za cijevi, za opruge, za kotrljajuće ležajeve, za transformatore i dr. (→ legirani čelik). Čelični proizvodi dolaze na tržište u različitim oblicima (trake, široke plosnate šipke, lim, profili, žica i dr.).

Proizvodnja čelika u svijetu

Bessemerov i Siemens-Martinov proces bili su osnova snažnoga razvoja industrijskih zemalja. U razdoblju 1850–1900. godišnja proizvodnja čelika u svijetu porasla je s 85 000 tona na 28,34 milijuna tona (333 puta). Glavnina porasta odnosi se na razdoblje 1885–1900., dakle na razdoblje nagloga razvoja industrije čelika u SAD-u i Njemačkoj. Prije II. svjetskog rata (1938) proizvodnja čelika iznosila je 110 milijuna tona, da bi 1959. dostigla 305 milijuna tona. Intenzifikacija proizvodnje upuhivanjem kisika rezultirala je u razdoblju 1960–70. povećanjem proizvedenih količina čak do 603 milijuna tona. U posljednjih dvadesetak godina proizvodnja čelika u svijetu bila je približno stalna (750 do 800 milijuna tona). Ta je stagnacija uzrokovana time što su čelik u nekim područjima primjene tada potisnuli plastika i drugi novi tehnički materijali. Tek potkraj 1998. i u 1999. premašeno je 800 milijuna tona. Danas je čelik po opsegu godišnje proizvodnje drugi najviše upotrebljavani materijal na svijetu, odmah iza cementa (1100 milijuna tona), dok je proizvodnja plastike (oko 100 milijuna tona) i aluminija (oko 25 milijuna tona) mnogo manja. Godišnja je svjetska proizvodnja čelika dvadeset puta veća od proizvodnje svih ostalih metala zajedno.

Kina je, prema podatcima iz 2011., najveći svjetski proizvođač čelika (683,3 milijuna tona) s oko 46% ukupne svjetske proizvodnje. Slijede Japan (108 milijuna tona) s 7,2% i SAD (86,2 milijuna tona) s 5,8%. U Europskoj uniji proizvedeno je oko 177 milijuna tona. Japan je imao golem porast proizvodnje (205% u razdoblju 1964–73), iako nema osnovnih vlastitih sirovina. Zabilježen je i brzi rast proizvodnje u Republici Koreji, koja je od beznačajnoga proizvođača čelika dostigla 6. mjesto u svijetu.

čelik. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 21.9.2019. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=13250>.