χάλυβας

Κράμα του σιδήρου, στο οποίο περιέχεται άνθρακας κατά 1,7-1,8% και άλλα μεταλλικά και μη μεταλλικά στοιχεία, κατάλληλα για να προσδώσουν στο κράμα ειδικές ιδιότητες (βανάδιο, βολφράμιο, νικέλιο, χρώμιο), ενώ άλλα στοιχεία βρίσκονται ως προσμείξεις ακαθαρσιών (αρσενικό, θείο, φωσφόρος). Οι προσμείξεις αυτές δεν υπερβαίνουν ποτέ το 1%. Οι χ. διακρίνονται σε χ. άνθρακα (αν περιέχουν μόνο σίδηρο και άνθρακα) και σε ειδικούς χ., όταν περιέχουν και πρόσθετα στοιχεία. Οι χ. άνθρακα χαρακτηρίζονται από τις μηχανικές ιδιότητές τους και από το ποσοστό του άνθρακα: χ. εξαιρετικά μαλακοί (άνθρακας έως 0,15%), χ. μαλακοί (από 0,15-0,25%), χ. ημιμαλακοί και ημίσκληροι (από 0,25-0,50%), χ. σκληροί (από 0,50-0,70%) και χ. εξαιρετικά σκληροί (άνω του 0,70%). Οι μαλακοί χ. χρησιμοποιούνται για λαμαρίνες, καρφιά κλπ., οι ημίσκληροι για σιδηροδρομικές και διάφορες μεταλλικές κατασκευές, οι σκληροί σε εξαρτήματα κινητήρων, για κοπίδια τόρνων και μηχανουργείων και για χειρουργικά εργαλεία. Οι ιδιότητες των χ. εξαρτώνται από τη χημική σύνθεση και από τις μεθόδους παρασκευής τους· ο ανοξείδωτος χ., π.χ., που έχει τη μεγαλύτερη ανθεκτικότητα στη δράση των χημικών στοιχείων, περιέχει περισσότερο του 10% χρώμιο και συχνά νικέλιο (ένα τυπικό κράμα είναι το 18/8, δηλαδή 18% χρώμιο και 8% νικέλιο). Ο σκληρός χ. για την κατασκευή κοπιδιών περιέχει 10-19% βολφράμιο, 2-5% χρώμιο και άλλα πρόσθετα υλικά· αν οι αναλογίες αυτές αλλάξουν, έχουμε χ. ημιταχείς, ταχείς και εξαιρετικά ταχείς. Αν αυξηθεί η περιεκτικότητα σε βολφράμιο (19-21%) και κοβάλτιο (8-15%) έχουμε τους υπερταχείς χ. Άλλοι χαρακτηριστικοί τύποι ειδικών χ. είναι αυτοί που, εκτός από τον σίδηρο και τον άνθρακα, περιέχουν ένα μόνο στοιχείο, το οποίο τους προσδίδει ιδιαίτερες ιδιότητες: χ. χρωμίου, π.χ. (ανοξείδωτος και αρκετά σκληρός), χ. πυριτίου ή μαγνησίου (αρκετά ελαστικοί) χ. μολυβδαινίου (αντοχή στη θερμότητα). Ιστορικά στοιχεία. Κράματα σιδήρου μεγάλης ανθεκτικότητας ήταν γνωστά από την αρχαιότητα, ειδικά για την κατασκευή όπλων. Ο πραγματικός χ., όπως νοείται σήμερα, παρασκευάστηκε για πρώτη φορά το 1740 στο Σέφιλντ της Μεγάλης Βρετανίας από τον Μπέντζαμιν Χάντσμαν. Μετά το 1850 εφαρμόστηκαν δύο νέες μέθοδοι παραγωγής, με βασικό υλικό τον χυτοσίδηρο, του Αμερικανού τεχνικού Ουίλιαμ Κέλι (Πίτσμπουργκ 1811 – Λούισβιλ 1888) και του Άγγλου Χένρι Μπέσεμερ, που παραμένει έως σήμερα με τα ίδια γενικά χαρακτηριστικά ως προς την αρχή της παραγωγής. Γύρω στο 1860-65 εφαρμόστηκε η μέθοδος Μαρτέν - Ζίμενς, κατά την οποία τήκονται τα υπολείμματα, τα τεμάχια και τα άλλα σιδηρούχα μέταλλα. Ο Γερμανός Φρίντριχ Ζίμενς (Μόυζεντορφ 1829 – Δρέσδη 1904) μελέτησε και κατασκεύασε μια κάμινο ψηλής θερμοκρασίας, ενώ οι Γάλλοι Μαρτέν, πατέρας και γιος, βελτίωσαν γενικά τη μέθοδο. Το 1898 αρχίζει ο αιώνας της ηλεκτρομεταλλουργίας, με τις έρευνες του Ιταλού ειδικού στη σιδηρουργία Ερνέστο Στάσανο (1859 – 1922), που μελέτησε ειδικούς ηλεκτρικούς φούρνους, προδρόμους των σημερινών υψικαμίνων. Στους φούρνους αυτούς επιτυγχάνονται αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, αναγκαίες για την παραγωγή ειδικών χ. Μέθοδοι βιομηχανικής παραγωγής. Στις διάφορες μεθόδους παραγωγής χ., το κοινό πρόβλημα είναι η απομάκρυνση των ακαθαρσιών που περιέχονται στα σιδηρούχα υλικά και η ελάττωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα. Τα σιδηρούχα υλικά είναι ο χυτοσίδηρος, τεμάχια παλιοσίδερων και ορυκτά σιδήρου, όπως π.χ. ο αιματίτης (οξείδιο του σιδήρου). Ο χυτοσίδηρος περιέχει άνθρακα σε μεγαλύτερη αναλογία από τον χ., και επιπλέον έχει και διάφορες ξένες προσμείξεις όπως πυρίτιο, μαγγάνιο και φωσφόρο. Η λύση του προβλήματος, αν και είναι ουσιαστικά η ίδια σε όλες τις μεθόδους, συνίσταται στην τήξη των σιδηρούχων υλικών σε ψηλή θερμοκρασία, με παρουσία οξυγόνου, ώστε το οξυγόνο να ενωθεί με τις ακαθαρσίες και τον άνθρακα, να σχηματιστούν δηλαδή τα αντίστοιχα οξείδια των μετάλλων (σκουριές), τα οποία απομακρύνονται εύκολα. Πρακτικά, οι διάφορες μέθοδοι διαφέρουν από το σχήμα της καμίνου και από τον τρόπο απαλλαγής των ξένων προσμείξεων. Στη μέθοδο Μαρτέν χρησιμοποιείται μια κάμινος με θερμική αντανάκλαση, στην οποία η σιδηρούχος μάζα τοποθετείται πάνω σε ένα στρώμα ειδικού υλικού, ικανού να απορροφήσει ένα μέρος από τις ξένες προσμείξεις, ενώ το καύσιμο, κυρίως αέριο, καίγεται πάνω από τα δύο στρώματα του υλικού. Στην κάμινο, όπου η θερμοκρασία φτάνει περίπου τους 1700°C, διοχετεύεται αέρας, για να χρησιμοποιηθεί το οξυγόνο που περιέχεται σε αυτή. Ο αέρας και το καύσιμο εισάγονται σε μία θερμοκρασία αρκετά ψηλή, με σκοπό να φτάσει στο ελάχιστο η κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για την προθέρμανσή τους και η κάμινος είναι διατεταγμένη έτσι ώστε να χρησιμοποιείται όλη η σημαντική ποσότητα θερμότητας που περιέχεται στα καυσαέρια (αέρια της καύσης). Στα πλευρά της καμίνου σχηματίστηκαν δύο θάλαμοι με αγωγούς κατασκευασμένοι από πυρίμαχα υλικά. Ο ένας διατρέχεται από το καύσιμο αέριο και τον αέρα που διοχετεύεται στην κάμινο, ο άλλος από τα καυσαέρια. Η χρήση των πλευρικών θαλάμων γίνεται εναλλακτικά· αντιστρέφοντας τη ροή των αερίων και του αέρα σε κανονικά χρονικά διαστήματα, το καύσιμο και ο αέρας, πριν περάσουν στην κάμινο, θερμαίνονται καθώς περνούν από τον θάλαμο, στον οποίο είχαν αποδώσει, κατά τον προηγούμενο κύκλο, τη θερμότητά τους τα καυσαέρια. Η κάμινος λειτουργεί συνεχώς· κατά διαστήματα εξάγεται χ. σε ρευστή κατάσταση και εισάγεται νέο σιδηρούχο υλικό. Με τη μέθοδο αυτή παράγονται χ. άριστης ποιότητας και είναι δυνατόν η ποσότητα του χυτοσιδήρου να μειωθεί έως το 20%, ενώ το υπόλοιπο να καλυφθεί από υπολείμματα παλιοσίδηρων. Στη μέθοδο Μπέσεμερ, η κάμινος είναι χοάνη ανοιχτή στην κορυφή, σε σχήμα αχλαδιού, η οποία περιστρέφεται γύρω από ένα ζεύγος στροφέων. Η κάμινος θερμαίνεται κενή και τοποθετείται σε οριζόντια θέση, στην οποία εισάγεται ο χυτοσίδηρος σε ρευστή κατάσταση· όταν επανέλθει στην κάθετη θέση της, διοχετεύεται από το κάτω μέρος θερμός αέρας υπό πίεση. Η οξείδωση των ξένων προσμείξεων γίνεται βίαια και σε σχετικά βραχύ χρονικό διάστημα (περίπου 15 λεπτά), ενώ από το άνοιγμα ξεπηδούν φλόγες και ακούγονται κρότοι. Όταν τελειώσει η αντίδραση, η κάμινος τοποθετείται πάλι σε οριζόντια θέση και παραλαμβάνεται ρευστός χ., ο οποίος είναι κατώτερης ποιότητας από εκείνον που παράγεται από τις υψικαμίνους Μαρτέν. Η μέθοδος Τόμας βασίζεται στη μέθοδο Μπέσεμερ και διαφέρει από αυτή στο πυρίμαχο υλικό με το οποίο επενδύεται εσωτερικά η κάμινος. Έτσι, ενώ η κάμινος Μπέσεμερ είναι κατάλληλη να δέχεται πυριτιούχους σιδήρους, η κάμινος Τόμας είναι κατάλληλη για φωσφορικούς χυτοσιδήρους. Οι ηλεκτρικές υψικάμινοι εκμεταλλεύονται τις υψηλές θερμοκρασίες που μπορούν να αναπτυχθούν από το βολταϊκό τόξο ή στο εσωτερικό ενός πηνίου να διατρέχεται από εναλλασσόμενο ρεύμα υψηλής συχνότητας. Αποτελούνται από ένα δοχείο επενδεδυμένο εσωτερικά με πυρίμαχο υλικό, μέσα στο οποίο εγκλείονται τα σιδηρούχα υλικά. Στην πρώτη περίπτωση, στο εσωτερικό της καμίνου διατάσσονται δυο ή τρία ηλεκτρόδια, μεταξύ των οποίων σχηματίζεται ένα ηλεκτρικό τόξο· στη δεύτερη, στο εσωτερικό της καμίνου είναι τοποθετημένο το πηνίο, στο οποίο το ηλεκτρικό ρεύμα αναπτύσσει την απαιτούμενη θερμική ενέργεια για την τήξη του σιδηρούχου υλικού. Ιδιότητες των χαλύβων. Οι ιδιότητες των διαφόρων τύπων εξαρτώνται, εκτός από τη χημική σύστασή τους, και από τη μέθοδο παραγωγής· με ορισμένες παρεμβάσεις, κατά την παραγωγή ή σε μια πρόσθετη επεξεργασία, είναι δυνατό να επιτευχθούν χ. με την επιθυμητή ποιότητα για ειδικές χρήσεις. Η βαφή, στην οποία μπορούν να υποβληθούν χ. με μέση ή υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, γίνεται με απότομη ψύξη του χ., που θερμάνθηκε πάνω από το κριτικό σημείο, μέσα σε νερό, λάδι ή άλλες ουσίες ικανές να του αφαιρέσουν ταχύτατα τη θερμότητά του. Με την επεξεργασία αυτή, ο χ. γίνεται εξαιρετικά σκληρός αλλά και πολύ εύθραυστος. Το ψήσιμο γίνεται σε χ. που έχουν υποστεί βαφή και πραγματοποιείται με θέρμανση όχι ανώτερη από 700°C· με το ψήσιμο χάνονται οι ιδιότητες που αποκτήθηκαν με τη βαφή, αλλά επιτυγχάνεται μία ενδιάμεση κατάσταση προϊόντος, με μειωμένη ευθραυστότητα και περισσότερη σκληρότητα, αφού μία επεξεργασία μεταξύ 160 και 300°C χαρίζει στην επιφάνεια του χ. μια προφυλακτική οξειδωτική επικάλυψη. Η επιφάνεια παίρνει διάφορους χρωματισμούς, ανάλογα με τη θερμοκρασία, ενδεικτικούς της σκληρότητας και της συνοχής που αποκτά το κράμα. Έτσι όταν παίρνει χρώμα άχυρου (230°C) ο χ. είναι κατάλληλος για ξυριστικές λεπίδες, στο κίτρινο (250°C) είναι κατάλληλος για λεπίδες μαχαιριών, στο σκούρο καφέ (260°C) για ψαλίδια, στο πορφυρό (270°C) για πελέκεις, στο μπλε (290°C) για ελατήρια ρολογιών. Η επιφάνεια ενός μαλακού ή πολύ μαλακού χ. μπορεί να γίνει εξαιρετικά σκληρή αν το κομμάτι θερμανθεί πέρα από τη θερμοκρασία βαφής με παρουσία άνθρακα, ο οποίος απορροφάται από το επιφανειακό στρώμα· η σκλήρυνση αυξάνεται αν ακολουθήσει και άλλη επεξεργασία με νέα θέρμανση και απότομη ψύξη. Άλλη μέθοδος σκλήρυνσης είναι η νίτρωση, κατά την οποία το πυρωμένο κομμάτι ψύχεται σε περιβάλλον αζώτου· έτσι αποκτά επιφάνεια πολύ σκληρή, χωρίς να χρειαστεί βαφή. Κατεργασία του χάλυβα. Ένα κομμάτι χ. μπορεί να κατεργαστεί με 3 τρόπους: με τήξη, με θέρμανση ή στην κανονική θερμοκρασία. Η κατεργασία με τήξη γίνεται σε καλούπια από ειδικό χώμα· ο ρευστός χ. καλύπτει τις κοιλότητες και καθώς ψύχεται παίρνει το επιθυμητό σχήμα. Η κατεργασία με θέρμανση γίνεται σε ισχυρά θερμαινόμενους εξελαστήρες, των οποίων οι κύλινδροι εκτείνουν τα σφυρηλατημένα κομμάτια του πυρακτωμένου χ. Ο πρώτος εξελαστήρας της σειράς είναι ο διαμορφωτής ή blooming, από τον οποίο ο χ. εξέρχεται σε κομμάτια μήκους 3-9 μ., που υποβάλλονται γενικά σε διαδοχικές εξελάσεις, με θέρμανση όταν χρειάζεται, σε παρακείμενους φούρνους. Με τις διαδοχικές εξελάσεις προκύπτουν χαλυβδόφυλλα καθορισμένου πάχους. Η κατεργασία σε κανονική θερμοκρασία διακρίνεται σε 2 τύπους: κατά τον ένα, το αρχικό κομμάτι τυποποιείται και υποβάλλεται σε δυνάμεις προσαρμογής (π.χ. ανάγλυφο τύπωμα)· κατά τον άλλο αφαιρείται μέρος του υλικού με μηχανικά μέσα, όπως είναι ο τόρνος, η φρέζα, το δράπανο κλπ. Οικονομία. Η παραγωγή χ. είναι, για κάθε χώρα, ο δείκτης της οικονομικής δύναμής της και όλες καταβάλλουν μεγάλες προσπάθειες για την ανάπτυξη της βασικής αυτής βιομηχανίας. Στο παρελθόν, τα χαλυβουργεία ήταν εγκατεστημένα στις περιοχές των μεταλλείων, στα νεότερα όμως χρόνια (κυρίως μετά το 1945), η κατασκευή υψικαμίνων γίνεται κοντά στα λιμάνια για να μειωθούν οι δαπάνες μεταφοράς πρώτων υλών, των καυσίμων και των προϊόντων. Η ανάπτυξη των θαλάσσιων μεταφορών συνετέλεσε στην αξιοποίηση σιδηρούχων κοιτασμάτων στις χώρες της Νότιας Αμερικής, της Αυστραλίας, της Αφρικής, η εκμετάλλευση των οποίων ήταν στο παρελθόν ασύμφορη επειδή είχαν μεγάλα έξοδα μεταφοράς. Η τάση εγκατάστασης χαλυβουργείων στα λιμάνια εκδηλώνεται και στις ΗΠΑ και στην Ευρώπη. Παράλληλα η χρήση του χ. επεκτείνεται διαρκώς σε νέες εφαρμογές. Γενικά, οτιδήποτε κινείται πάνω στη γη, στη θάλασσα ή στον αέρα είναι από χ., ή έχει χαλύβδινο σκελετό, γιατί μόνο οι διάφορες ποικιλίες αυτού του κράματος αντέχουν στις ισχυρές πιέσεις και στις υψηλές θερμοκρασίες. Σωλήνες από χάλυβα σε εργοστάσιο χαλυβουργίας στην Αγγλία (φωτ. ΑΠΕ). Εργοστάσιο παραγωγής χάλυβα στη Βραζιλία (φωτ. ΑΠΕ). Χάλυβας. Το μέταλλο, σε ρευστή κατάσταση μεταφέρεται με γερανό μέσα σε μεγάλους κάδους. Έργάτης κόβει χάλυβα στο εργοτάξιο κατασκευής γηπέδου ποδοσφαίρου στη Ν. Κορέα (φωτ. ΑΠΕ). Χαλκογραφία της Αναγέννησης, που εικονίζει ένα φούρνο παραγωγής χάλυβα. Οι φούρνοι αυτοί ήταν οι πρόδρομοι των καμίνων. Υψικάμινος στην πόλη Μπερνς Χάρμπορ στην Ινδιάνα των ΗΠΑ (φωτ. ΑΠΕ). Χυτοσίδηρος χύνεται σε κάμινο σε εργοστάσιο παραγωγής χάλυβα στη Βαλτιμόρη (φωτ. ΑΠΕ).

* * *

ο / χάλυψ, -υβος, ΝΜΑ

μέταλλο σκληρό και ανθεκτικό, ευήλατο και ελαστικό, που αποτελεί κράμα σιδήρου και μικρής ποσότητας άνθρακα, κν. ατσάλι

νεοελλ.

1. στον πληθ. οι χάλυβες

(μετολργ.) οικογένεια κραμάτων σιδήρου και άνθρακα με περιεκτικότητα σε άνθρακα κατώτερη τού 1, 8%, τα οποία μπορούν να προσλάβουν, με μηχανική και θερμική κατεργασία, μεγάλη ποικιλία ιδιοτήτων

2. μτφ. καθετί που είναι σκληρό και ανθεκτικό σαν τον χάλυβα

3. φρ. α) «ανοξείδωτος χάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας που δεν υφίσταται, πρακτικά, οξείδωση χάρη στην προσθήκη, σε αναλογία άνω τού 10%, χρωμίου και νικελίου, καθώς και μικρών προσμίξεων χαλκού και μολυβδαινίου

β) «απαραμόρφωτος χάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας που, πρακτικά, δεν υφίσταται παραμόρφωση ούτε σε υψηλή θερμοκρασία ούτε όταν υποβάλλεται σε κατεργασία βαφής

γ) «αυτόβαπτος χάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας που, θερμαινόμενος σε θερμοκρασία ανώτερη τής θερμοκρασίας μετασχηματισμού, σχηματίζει σκληρότατη μαρτενσιτική δομή με απλή ψύξη του στον αέρα

δ) «αφρίζων χάλυβας»

(μεταλργ.) μικρής περιεκτικότητας σε άνθρακα χάλυβας, ο οποίος αποξειδώνεται ανεπαρκώς, ώστε να επιτραπεί η έκλυση αερίων κατά τη στερεοποίηση και να δημιουργηθούν έτσι πάμπολλες φυσαλλίδες διάσπαρτες σε όλη τη μάζα τού πλινθώματος

ε) «ειδικοί [ή κεκραμένοι] χάλυβες»

(μεταλργ.) χάλυβες στους οποίους έχουν προστεθεί μία ή περισσότερες προσμίξεις έως 5% και πλέον, γεγονός που τούς προσδίδει ιδιαίτερες ιδιότητες ή βελτιώνει τις ιδιότητες τού κοινού χάλυβα

στ) «ησυχασμένος χάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας που έχει υποστεί ησύχαση, στον οποίο έχουν προστεθεί αποξειδωτικά στο λουτρό τού τήγματος για την αποφυγή τού εγκλεισμού φυσαλλίδων στην στερεοποιημένη μάζα

ζ) «κοινοί χάλυβες»

(μεταλργ.) χάλυβες αποτελούμενοι από κράμα σιδήρου και άνθρακα, στους οποίους ενυπάρχουν σε ελάχιστες ποσότητες και άλλα στοιχεία

η) «κονιομεταλλουργικός χάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας παρασκευαζόμενος με περίτηξη μίγματος σκόνης σιδήρου και γραφίτη ή με βαθιά ενανθράκωση μάζας κονιομεταλλουργικού σιδήρου

θ) «πρωτόχυτος χάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας παρασκευαζόμενος παλαιότερα με τήξη στο χωνευτήριο, σε αντιδιαστολή προς άλλους χάλυβες παραγόμενους με άλλο τρόπο, λ.χ. με ανάδευση ή με μετατροπή τού χυτοσιδήρου

ι) «πυρίμαχος χάλυβας»

(μεταλργ.) ειδικός χάλυβας, με βασικά στοιχεία προσμίξεων το χρώμιο και το νικέλιο, ο οποίος έχει δομή πολύ ανθεκτική στις υψηλές θερμοκρασίες

ια) «χάλυβας κοπής»

(μεταλργ.) χάλυβας με πρόσμιξη μολύβδου ή θείου για διευκόλυνση τής κατεργασίας σε εργαλειομηχανές

ιβ) «χάλυβας ταχείας κοπής» ή, απλώς, «ταχυχάλυβας»

(μεταλργ.) χάλυβας που διατηρεί τη σκληρότητά του σε υψηλή θερμοκρασία, έχει αντοχή στη φθορά και ελαστικότητα εν θερμώ

μσν.

χαλύβδινη αιχμή («χάλυβα σκληρὸν καλαμοφάγον», Παύλ. Σιλ.)

αρχ.

(στον πληθ. ως κύριο όν.) οἱ Χάλυβες

λαός που κατοικούσε στην περιοχή τού Πόντου, γνωστός για την παραγωγή και την κατεργασία τού σιδήρου και για τη δημιουργία τού χάλυβα («ἀφικνοῦνται εἰς Χάλυβας

οὗτοι ὀλίγοι τε ἧσαν... καὶ ὁ βίος αὐτῶν ἀπὸ σιδηρείας», Ξεν.).

[ΕΤΥΜΟΛ. Άγνωστης ετυμολ. Αρχικά η λ. (στον πληθ. Χάλυβες) αποτελούσε εθνικό όν. ενός λαού στην περιοχή τού Πόντου, ο οποίος επιδιδόταν στην κατεργασία τού χάλυβα, και στη συνέχεια —υστερογενώς και σε ποιητικά κυρίως κείμενα— χρησιμοποιήθηκε στον τ. τού εν. χάλυψ ως ονομ. τού μετάλλου αυτού. Σύμφωνα με αυτά, η άποψη ότι η λ. χάλυψ συνδέεται με έναν τ. hapalki- τής Χεττιτικής, ο οποίος απαντά γενικότερα στις ανατολικές γλώσσες με σημ. «σίδηρος» (βλ. και λ. χαλκός), δεν πρέπει να θεωρηθεί πιθανή, αφού η χρήση τού τ. χάλυψ για τη δήλωση τού μετάλλου είναι υστερογενής].