Mikor “találták” fel, az acélt? ( Sokkal régebben mint gondolnád! )

Az acél olyan anyag, amely ma már szinte mindenhol jelen van: épületek, autók, háztartási eszközök, sőt még a mindennapi élet kisebb-nagyobb tárgyainak is alapvető anyaga. De vajon hogyan jött létre ez az anyag, amely napjaink ipari világának egyik legfontosabb alapeleme? És mikor kezdte el az ember használni?

Az acél korai története

Bár az acél pontos eredetét homály fedi, bizonyos, hogy már több ezer évvel ezelőtt megjelent az emberi civilizációban. A régészek becslései szerint az acélkészítés technológiája legalább 2000 évvel ezelőttre nyúlik vissza, de néhány forrás szerint már az időszámítás előtti 1. évezredben is találkozhatunk vele Dél- és Közép-Ázsiában. Az acél jelentős felfedezés volt, amely különböző helyeken és kultúrákban önállóan fejlődött ki, és később gyorsan elterjedt az ókori világban. Az acélkészítés folyamata lényegében a vas és a karbon egyesítésén alapszik. A tiszta vasat kevés karbon hozzáadásával sokkal erősebbé, keményebbé és korrózióállóbbá lehetett tenni. A korai acélkészítők úgynevezett „pota acélt” hoztak létre, amely a vas és a karbon ( szén ) összeolvasztásával készült magas hőmérsékleten, gyakran Orta- és Dél-Ázsia területén. Paul Craddock, a British Museum ősi fémkohászat szakértője szerint az acél a Kr. e. 1. évezredben fejlődött ki a régi világ különböző részein.

A “pota acél” ( angolul: crucible steel ) egy különleges acélfajta, amelyet olvasztótégelyben, azaz potában állítanak elő. Az eljárás lényege, hogy a vasat és a szenet zárt tégelyben, nagyon magas hőmérsékleten olvasztják össze. Ez a módszer már az ókorban is létezett, és az egyik legkorábbi ismert formája a kiváló minőségű acél előállításának. A pota acél különösen erős és tiszta anyag, amelyet hagyományosan fegyverek, például kardok és szerszámok készítéséhez használtak. A folyamat nagy precizitást igényelt, mivel a megfelelő arányú szén és vas összeolvasztása kulcsfontosságú volt a kívánt acélminőség eléréséhez.

Például a római korban már ismertek voltak megfelelően hőkezelt acéltárgyak, mint például római tőrök. Az acélkészítéshez a vasat felhevítették, és addig kalapálták, míg eltávolították belőle a szennyeződéseket, majd kis mennyiségű szenet adtak hozzá. Ez egy olyan felfedezés volt, amely óriási lépést jelentett a vasnál jóval ellenállóbb és tartósabb anyagok felé. Az emberiség a bronz használatától a vasra való átállást mintegy 3000 évvel ezelőtt kezdte meg Ázsiában, a Közel-Keleten és Európában. A Bronzkor során az emberek főként bronzból – körülbelül 90% réz és 10% ón keverékéből – készítettek fegyvereket, páncélokat és ceremoniális tárgyakat. Ezek az eszközök azonban csak a társadalom gazdagabb rétegei számára voltak elérhetők, mivel a bronz alapanyagai viszonylag ritkák és drágák voltak. Alessandra Giumlia-Mair régész szerint a vas elterjedése főként annak köszönhető, hogy a vasérc sokkal bőségesebb és olcsóbb volt, mint a bronz alapanyagai. Ez a tény lehetővé tette, hogy az acél, bár nem feltétlenül volt jobb a bronznál, sokkal nagyobb számban készült, és szélesebb körben terjedt el. Idővel a kovácsok elkezdték finomítani a vasat, és egyre jobb minőségű acélt hoztak létre, amely mindennapi eszközökké és fegyverekké vált az ókori társadalmak számára. A középkor végéig a bronzot továbbra is használták olyan dísztárgyak, edények és személyes kiegészítők készítésére, amelyeket nagy becsben tartottak.

A japán kard

A japán kard a páratlan szépség és minőség szimbóluma. Szoros kapcsolatban áll a szamuráj osztály képével, és a pengéket világszerte nagyra értékelik és tisztelik a gyűjtők. E csodálatos fegyverek és a tulajdonosaik története szorosan összekapcsolódik a japán nemzet fejlődésével és a modern japán kultúrával. A hagyományos japán kard, vagy katana készítése intenzív folyamat. Az acél előállítása egy tatara néven ismert, hatalmas, célnak megfelelően épített agyagkemencében kezdődik, ahol a vasércet olvasztják. A hatalmas légfúvókák segítségével a szén és a vasérc rétegeit folyamatos hőmérsékleten tartják napokig, végül egy porózus vasmasszát, salakot és acélt eredményezve, amelyet bloom-nak hívnak. Miután elkészült, a bloomot eltávolítják, és a különböző acélminőségeket szén-dioxid tartalmuk alapján választják szét. A legismertebb a tamahagane, amely egy magas szén-tartalmú, edzett acél, szinte ékszerszerű megjelenéssel.

Tatara illusztráció a Saki no Ohtsu Agawa-mura hegyi homokvasérc mosásáról készült ábrázolásból ( 先大津阿川村山砂鉄洗取之図 ) – ( A kép forrása: Tokiói Egyetem Mérnöki, Informatikai és Technológiai Könyvtár )

A legöregebb pengéket, amelyeket Ko-tō-nak neveznek ( öreg kard ), a tamahagane és különböző szén-tartalmú acélok kombinálásával állították elő. A keverék gyúrásával vagy hajtogatásával olyan anyagot hoztak létre, amely egyszerre volt erős és rugalmas, feltéve, hogy a penge túlélte a rendkívül kemény él létrehozását, amelyet ha-nak neveznek. A “ha” létrehozásához a kardkovács egy agyag, szén és őrölt kő keverékével bevonja a pengét. Ezt a keveréket két lépésben alkalmazzák: először egy vékony réteget az egész pengére, majd egy második, vastagabb réteget a testre. Visszatérve a kovácsüzembe, a pengét többször hőcikluson átkonfigurálják. Ez a fűtés és hűtés folyamata a fém tágulását és összehúzódását okozza, ami molekuláris átrendeződést eredményez, amely sűrűbbé teszi az anyagot. A különböző agyag alkalmazása irányítja a hőt, lehetővé téve, hogy az él keményebbé váljon, míg a penge háta rugalmas marad. Ez a módszer gyönyörű és természetes körvonalat eredményez a megkeményedett területen, amelyet hamon-nak hívnak. Ez a gyártási módszer közel 400 éven át folytatódott az Edo-korszak elejéig, a 17. század elején.

Az Edo-korszak és a kardok fejlődése

Az Edo-korszak jelentős változást hozott a japán társadalomban. Az előző évszázad folyamatos belső konfliktusokat hozott. A háborúk, éhínségek és politikai intrikák sok helyi uralkodó és hadúr között feszültséget teremtettek az országban. 1603-ban a Tokugawa klán alatt egyesítették Japánt, és a shogunátus 265 évig uralkodott az Edo városából. A “harcos útja” egy távolabbi filozófiává alakult, amely arra tanította az embereket, hogyan éljenek erkölcsös életet. A Tokugawa shogunátus szigorú törvénykezése szinte minden aspektusát érintette a köz- és magánéletnek, beleértve a katana és wakizashi kardok maximális méretét és gyártási módszereit is. E korszakban a tamahagane tömegtermelése új módszerekkel folyt, ami a szén-dioxid tartalom jelentős növekedéséhez vezetett. Ez a tamahaganet erősebbé tette, de nehezebbé tette a más acélminőségekkel való kombinálását is. Ennek eredményeként az új kardok, vagy shin-tō, laminálási folyamat révén készültek, amely a keményebb acélt egy puhább mag köré csavarta. A polírozási szakértők szerint az idősebb kardok erősebbek és rugalmasabbak voltak. Ez a hiedelem vezetett sok hosszabb Ko-tō levágásához, hogy a pengéket az új szabványhoz igazítsák. A japán kard nem csupán fegyver, hanem a japán kultúra szimbóluma, amely gazdag történelmi hagyományokkal bír. A kardok készítése, a tamahagane előállítása és a gyártási folyamatok részletei mind hozzájárultak ahhoz, hogy ezek a pengék a szamurájok méltóságát és a japán nép hagyományait képviseljék. A kardok fejlődése a Tokugawa shogunátus idején a társadalmi és politikai változásokkal is összefonódik, amely tovább formálta a japán identitást.

„Céljuk elérése után a hűséges szamurájok visszavonulnak a Sengoku-ji templomba, és ott gyülekeznek” — 義士本望を達して仙国寺へ引取固の図, Utagawa Kuniyoshi ( 1797-1861 ) ( A kép forrása: Bostoni Szépművészeti Múzeum )

Az acél fejlődése a modern világban

Az acélgyártásban jelentős áttörés történt 1751-ben, amikor Benjamin Huntsman acélművet alapított az angliai Sheffieldben. Huntsman gyárában az acélt agyagtégelyekben olvasztották vasércből és nyersvasból, 1500-1600 °C hőmérsékleten, koksz tüzelőanyagként való felhasználásával. Sheffield hamarosan a tégelyes acélgyártás központjává vált. A csúcson, 1873-ban a város termelése elérte a 110 000 tonnát, ami a világ acéltermelésének mintegy felét tette ki. Ez a technológia elterjedt más európai országokban is, például Svédországban, Franciaországban és Németországban, ahol Alfred Krupp is alkalmazta az eljárást Essenben. Ez a módszer tette lehetővé az ötvözött acélok előállítását, mivel a tégelyben lévő olvadt fémhez ötvözőelemeket lehetett hozzáadni. Az eljárás népszerűsége a 20. század elején csökkent, és Sheffieldben az utolsó tégelykemencét 1968-ban állították le. 1860 előtt az acél rendkívül drága volt, és csak kis mennyiségben gyártották. A fém építmények inkább kovácsolt vagy öntött vasból készültek, nem acélból. Az acélgyártás modern története Henry Bessemer brit kohász nevéhez fűződik, aki 1856-ban mutatta be a róla elnevezett Bessemer-eljárást. Ennek lényege, hogy a nyersvasat levegővel fújják át, így acéllá alakítva. Az eljárás 1864-ben vált sikeresen működőképessé, és a modern acéltermelés egyik legfontosabb újítása lett. Hasonló technikát alkalmazott William Kelly az Egyesült Államokban, amelyet 1857-ben szabadalmaztattak.

A 19. századi ipar, technológia és kivitelezés antik illusztrációja. Kohászati acélgyártó kemence, Bessemer acélgyártási folyamat. 

Érdekesség: A damaszkuszi acél egy híres és régi acélötvözet, amelyet főleg a középkori közel-keleti kovácsok készítettek. A különlegességét a jellegzetes hullámzó mintázata adja, amely a különböző fémek és a gyártási folyamat során keletkező eltérő szén- és ötvözőelemek kombinációjának eredménye. A damaszkuszi acél kiemelkedő szilárdsággal, élességgel és ellenállósággal bír, így ideálissá válik fegyverek, például kardok és késeknél. Emellett rugalmasabb is, mint sok más acél, ami csökkenti a törés esélyét használat közben. A gyártás mestersége már az ókorban is létezett, de a 12. századtól vált különösen népszerűvé, amikor a Közel-Keletről Európába került, köszönhetően a híres kereskedelmi útvonalaknak. Bár a klasszikus damaszkuszi acél gyártása a technológiai fejlődés miatt megváltozott, modern változatai továbbra is népszerűek a kézművesek és a fegyvergyártók körében, akik értékelik a hagyományos gyártási eljárásokat és a damaszkuszi acél esztétikáját.

Egy damaszkuszi kovács, kb. 1900 körül. 

A Bessemer-eljárás azonban csak alacsony foszfor- és kéntartalmú nyersvas feldolgozására volt alkalmas. 1860-ban William és Friedrich Siemens, valamint Pierre és Emile Martin alternatív acélgyártási eljárást fejlesztettek ki, amely nyitott kályhát alkalmazott levegő és tüzelőgáz kombinációjával, 800 °C-ra előmelegítve. Ez az eljárás a nyersvas mellett hideg törmeléket is felhasználhatott. 1950-re az Egyesült Államokban és Nagy-Britanniában gyártott acél 90%-át nyílt kemencés eljárással állították elő, bár ez időigényes volt. A 19. század végén a villamosenergia-ipar fejlődésével lehetővé vált az elektromosság használata az acélgyártásban, ami az elektromos ívkemencék megjelenéséhez vezetett. Ezek a kemencék 100%-ban acélhulladékot használnak, és ideálisak az alacsony ötvözésű acélok előállítására. 1948-ban Robert Durrer kifejlesztette az oxigénkonvektort ( vagy LD-konvektort ), amely a Bessemer-eljárás továbbfejlesztett változata. Az oxigénbefúvás alkalmazása csökkentette a tőkeköltségeket, rövidítette az olvasztási időt és növelte a termelékenységet. 1960 óta az oxigénfúvásos eljárás felváltotta a nyitott kemencés és a Bessemer-eljárást az Atlanti-óceán mindkét partján A modern acélgyártás folyamata a vasérc és a szén összefúziójának finomítása, amely speciális kohókban történik magas hőmérsékleten. Ez a technika lehetővé tette, hogy különböző típusú acélokat állítsanak elő, amelyek különböző tulajdonságokkal bírnak, attól függően, hogy mennyi szenet, krómot vagy más elemeket tartalmaznak.

Forró acél ömlik egy nagy öntőkanálból egy öntőformába egy vasöntödében. ( A kép forrása: Elena Bionysheva-Abramova/iStock )

Az “összefúzió” szó az összeolvadás vagy egyesülés folyamatát jelenti. Általában különböző anyagok, részek vagy elemek egyesítését jelzi, amely során egy egységes, új struktúra vagy anyag jön létre. Például az acélkészítés során a vas és a szén összeolvadása, azaz összefúziója révén jön létre az acél.

Ma az acél elengedhetetlen része mindennapjainknak, legyen szó felhőkarcolók szerkezetéről, autók karosszériájáról vagy akár konyhai eszközeinkről. Az acél folyamatos fejlődése és az újabb fajtáinak felfedezése lehetővé teszi, hogy még sokáig a modern társadalom alapköve maradjon. Az acél története több ezer évre nyúlik vissza, és szoros kapcsolatban áll az emberiség technológiai fejlődésével. Bár pontosan nem tudjuk, mikor fedezték fel először, világos, hogy az ókori civilizációkban, különösen a római és dél-ázsiai területeken, már a Kr. e. 1. évezredben használták. A bronz korából a vaskorba való áttérés során az acél kulcsfontosságú szereplővé vált, és mindennapi tárgyaink, eszközeink alapanyagává vált. Ma már el sem tudnánk képzelni világunkat acél nélkül, amely a modern ipar és infrastruktúra egyik legfontosabb építőköve

A cikk írásába besegített: ChatGPT ( OpenAI mesterséges intelligencia kutató laboratórium által kifejlesztett chatbot )