perjantai 5. lokakuuta 2018

Raudasta Sammot taotaan

Sammon taonta on Kalevalan keskeinen myytti. Emme oikeastaan edes tiedä, mikä se Sampo on. Mutta Kalevalassa se valmistettiin takomalla, ja seppä on tämän kertomuksen todellinen sankari. Myytti heijastaa esi-isiemme arvostuksia. Sampo on edistyksen keskeinen symboli, ja se tehtiin siis jollain lailla raudasta. Kalevalassa rauta on muutenkin esillä, löydämme sieltä myös raudan syntysanat.

Rauta on ollut ihmiskunnan kehityksen keskeinen resurssi. Se on muovannut kulttuureja. Tuhansia vuosia ihmiskunta on osannut hyödyntää rautaa. Siitä on valmistettu hyödyllisiä työkaluja, yksinkertaisia koneita ja tehokkaita aseita. Vaikka historian tutkijat käyttävät hieman toisenlaista jaottelua, mielestäni teollista aikaa edelsi pitkä esiteollinen rautakausi. Ja kun teollinen kausi lopulta, äkillisesti ja jopa odottamatta käynnistyi, se tapahtui nimenomaan raudan merkeissä.

Raudan valmistus on vaikeaa, se on ollut vaikeimpia asioita tekniikan historiassa. Raudan valmistustaito eteni perinnetiedon ja käsityötaidon varassa. Tiede alkoi selvittää raudan mysteereitä vasta 1800- luvun lopulla. Raudan valmistus ja sen ominaisuudet on niin monimutkainen asia, että historiankirjoissa ja romaaneissa se on usein kuvattu enemmän tai vähemmän väärin. Joten pohditaanpa asiaa.

Rauta on pehmeähkö metallinen alkuaine. Jopa sen nimityksissä on ongelmia. Erään näkökulman mukaan vain alkuainetta saa sanoa raudaksi, ja kaikki raudan tekniset muodot ovat teräksiä. Rauta on kuitenkin niin voimakkaasti kielessä ja kulttuurissa, että käytännössä tätä sääntöä ei voi noudattaa.

Aloitetaan alusta. Vaikka rauta on maapallon yleisimpiä aineita, puhdas rauta on harvinaista. Se on epäjalo metalli ja hapettuu ilman vaikutuksesta. Tunnetusti rauta ennen pitkää ruostuu. Siksi emme löydä puhdasta rautaa luonnosta. Tai löydämmepä kuitenkin, sillä varsin puhdasta rautaa sataa jatkuvasti maapallon pinnalle meteoriittien muodossa. Osa on tosin kivimeteoriitteja, mutta rautaa sataa myös. Siksi varhaisimmat tunnetut rautaesineet ovat meteoriittirautaa.

Namibiaan putosi noin 80 000 vuotta sitten suuri rautameteoriitti. Paikalliset asukkaat ovat hyödyntäneet pitkään sen kappaleita tekemällä niistä teriä ja koriste-esineitä. Muualtakin meteoriittirautaa löytyy. Vielä 1800- luvulla eskimot valmistivat nuolenkärkiä ja harppuunoita meteoriittiraudasta. Meteoriittiraudassa ei ole teräksille niin olennaista hiiltä. Sen sijaan se sisältää runsaasti nikkeliä ja hieman kobolttia, ja se tekee raudasta kovaa ja sitkeää. Meteoriittirautaa voi takoa vain kylmänä tai muotoilla hiomalla.

Meteoriittiraudan saanti oli satunnaista ja se oli kallista kauppatavaraa. Varsinainen rautakausi alkoi kun rautaa opittiin valmistamaan malmista, ja malmia löytyy lähes kaikkialta. Ilmeisesti raudan valmistus keksittiin muinaisessa Intiassa, sieltä on löytynyt suuria raudasta valmistettuja pylväitä. Lähi-idässä heettiläiset hallitsivat raudan valmistuksen ehkä jo 1400 eaa., ja raudanvalmistus alkoi vähitellen levitä alueella. Menetelmä säilyi suunnilleen samanlaisena, malmin kuumentaminen puuhiilen seassa kuoppauuneissa, kunnes masuunit alkoivat yleistyä myöhäiskeskiajalla. Asia ei kuitenkaan ole aivan näin yksinkertainen. Jotta raudan valmistusta voisi ymmärtää, pitää tietää enemmän teknisen raudan ominaisuuksista.

Rauta on rautamalmeissa hapettuneena ja yhdessä erilaisten muiden aineiden kanssa. Raudan valmistuksessa rauta täytyy pelkistää, eli poistaa siihen kemiallisesti sitoutunut happi. Pelkistyksessä käytetään lähes pelkästään hiiltä: kuumuudessa hiili riistää rautamalmista hapen, jolloin rautamalmi pelkistyy ja muuttuu puhtaaksi alkuaineeksi. Osa hiilestä liukenee samalla rautaan. Hiili on raudan tärkein lisäaine, erilaiset määrät hiiltä antavat tekniselle raudalle eli teräkselle erilaisia ominaisuuksia. Muitakin tärkeitä lisäaineita teräksissä on, mutta niitä ei nyt tässä käsitellä.

Raudan valmistustapa tuottaa erilaisia raudan hiilipitoisuuksia. Vanhassa kuoppauuni- tai harkkohyttimenetelmässä poltetaan paljon puuta hiilen aikaansaamiseksi, ja annetaan rautamalmin reagoida hehkuvan hiilen kanssa. Siinä syntyy varsin puhdasta rautaa, mutta koska sen sulamispiste on korkea, yli 1400 °C, rauta ei valu uunista ulos. Se jää kuonan sekaan huokoisena möykkynä, rautasienenä. Rautasieni puhdistetaan ja tiivistetään kuumana takomalla. Näin saadaan melko pehmeää rautaa, jonka hiilipitoisuus on alle 0,1%. Sitä on helppo muokata takomalla, joten siitä voi suoraan valmistaa erilaisia esineitä. Tällaista rautaa sanotaan takoraudaksi tai kankiraudaksi.

Jos uuniin lietsotaan paljon ilmaa, sen lämpötila kohoaa korkeammaksi. Silloin hiiltä liukenee enemmän rautaan, ja sen sulamispiste alenee lähelle tuhatta astetta. Tällainen rauta voidaan valuttaa uunista ulos. Näin kehittyi vähitellen masuuni, ja siitä tuli myös jatkuvatoiminen. Hiilen ja malmin lisäksi masuuneihin syötettiin kalkkia. Masuunista rauta valutettiin hiekkaan kaavattuihin harkkomuotteihin. Tällainen tuote on nimeltään takkirautaa. Koska harkot muistuttivat muodoltaan porsaita, niistä käytettiin myös nimeä ”pig iron”.

Suomessa valmistettiin rautaa ikivanhalla kuoppauuni- ja harkkohyttimenetelmällä aina pitkälle 1800-luvulle. Masuunit olivat pieniä ja tehottomia. Osasyynä oli, että ei ollut käytössä rikkaita rautamalmiesiintymiä. Ruukkeja rakennettiin paikkoihin, joissa oli järvimalmin nostoon sopivia vesistöjä, metsiä puun hiiltämiseen ja virtaavaa vettä vasaralaitosten ja masuunin palkeiden käyttövoimaksi.

Jatkuvatoimiset masuunit tehostivat suuresti raudan tuotantoa. Harkkojen hiilipitoisuus on korkea, yli 4%. Tällainen rauta oli tärkeää kauppatavaraa, mutta harkot olivat hyvin hauraita, niistä ei voinut valmistaa mitään hyödyllistä. Raudan käsittely pelkistyksestä eteenpäin liittyykin hiilipitoisuuden muuttamiseen. Edellä mainittuun vähähiiliseen takorautaan voitiin lisätä hiiltä hehkuttamalla sitä hiilen seassa ahjossa. Näin saatiin lujempaa ja sitkeämpää terästä. 

Haurasta takkirautaa puolestaan käsiteltiin poistamalla siitä hiiltä. Liian hiilen poistamista sanotaan mellotukseksi. Varhainen menetelmä oli kuumana takominen, jolloin ilman happi poltti hiiltä pois. Vanhoissa ruukeissa olikin usein vesivoimalla käyvä takomolaitos. Takomista tehokkaampaa oli mellotus kuumentamalla rautaa ahjoissa ja mellotusuuneissa, hapen luovuttajana käytettiin harkkorautaan sekoitettua raakaa rautamalmia. Putlaus on saman tapaista mellotusta. Siinä harkkorauta-malmiseosta kuumennetaan uunissa ja hämmennetään rautatangoilla, kunnes se sulaa tahmeaksi massaksi. Putlaus oli raskasta ja raakaa työtä.

Pelkistyksen ja mellotuksen ohella kolmas keskeinen valmistusmenetelmä on lämpökäsittely. Se vaikuttaa ratkaisevasti hiiltä sisältävien teräksien lopullisiin ominaisuuksiin. Arkikielessä puhutaan usein vain karkaisusta, mutta kyseessä on laaja kirjo erilaisia kuumennus- ja jäähdytystekniikoita, jotka valitaan raaka-aineen ja haluttujen ominaisuuksien mukaisesti.

Vanhoissa teollisuusmaissa terästeollisuus kehittyi suurten masuunien ympärille. Euroopan metsistä huomattava osa hakattiin hiilen saamiseksi. Sitten keksittiin, että myös kivihiiltä voi käyttää, kunhan sen epäpuhtaudet poistetaan kuivatislaamalla eli koksaamalla. Tämä nosti terästuotannon aivan uudelle tasolle. Keksittiin myös tehokkaita mellotusmenetelmiä: Bessermer, Martin-Siemens- ja lopulta nykyään vallitseva Linz-Donawitz-menetelmä. Menetelmä on periaatteessa aina sama: raudan pelkistys hiilellä ja liian hiilen poistaminen hapen avulla mellottamalla. Omat kokemukseni teräksen valmistuksesta on kerrottu jutussa Teräksen henkussa.

Raudan ja teräksen tuotannosta löytyy runsaasti tietoa ja materiaalia. Kyseessä on mutkikas ja edelleen osin tuntematon prosessi, jossa kemia yhdistyy aineen kiderakenteen moninaisiin muuntumisprosesseihin. Se osoittaa, millaista on materiaalitekniikka ja materiaalifysiikka parhaimmillaan ja pahimmillaan.

Tavalliselle lukijalle on aivan verraton tiedon lähde Juha Perttulan kirja Puukkoteräkset. Se yhdistää hienosti fysikaalisen ja kemiallisen tiedon vanhaan terien valmistustekniikkaan.