- Stål
- Karbon
- Legeringselementer
- Legeringer:
- Ulegert og lavlegert stål…
- Legert og høylegert stål:
o Hurtigstål
o rustfritt stål:
§ syrefast
o galvanisk stål
o konstruksjonsstål
o verktøystål
o hardmetall
_______________________________________________
StålStål er en jernlegering som er tilsatt karbon. For at noe skal kunne kalles stål, må det ha over 0,1 % karbon innhold.
Egenskaper:
Stålets egenskaper varierer sterkt med innholdet av legeringsstoffer, behandlingen og i visse henseender også av fremstillingsmetoden.
Stål grupperes derfor etter forskjellige prinsipper:
1) Karakterisert ved fremstillingsprosessen, som bessemerstål, thomasstål, LD-stål, Karakterisert ved siemens-martinstål, elektrostål, digelstål
2) kjemisk sammensetning, med tre hovedgrupper: ulegert stål, herunder Stål med karbon–manganstål, lavlegert stål og høylegert stål
3) spesielle bruksegenskaper, f.eks. rustfritt stål, syrefast stål, verktøystål, Stål med navn etter konstruksjonsstål
4) anvendelsen, f.eks. kjelstål, Opplysning om armeringsstål
5) varmebehandling og struktur kan gis som et tillegg til hovedgruppen, f.eks. normalisert karbon–manganstål, austenittisk rustfritt stål.
Fremstilling:
Stål fremstilles ved raffinering av råjern. Fremstillingen går over fire hovedtrinn:
1) Ved ferskingen blir råjernets innhold av karbon og andre oksiderbare grunnstoffer som silisium, mangan, svovel og fosfor fjernet i form av oksider.
2) Desoksidasjon og legering blir foretatt for å få kontroll over gassutviklingen under størkningen og for justering av sammensetningen. Den kan foregå i konverter eller ovn. Man trekker da først av den oksiderende slaggen fra ferskingsperioden, og vanligvis desoksiderer man under tappingen. Ferrolegeringer og eventuelt andre tilsetninger anbringes da i øsen, slik at omrøring i øsebadet under tappingen bidrar til en effektiv blanding. Tilsetningenedoseres med sikte på et kontrollert innhold av oksygen i stålet.
3) Utstøpingen foregår gjennom et tappehull med stopper i bunnen av øsen, enten direkte ned i kokillene (fallstøping) eller via en sentral trakt med kanaler til bunnen av kokillene (stigestøping). Stål med lavt oksygeninnhold kan også støpes kontinuerlig (strengstøping). Man støper da via en forherd ned i en vannkjølt form uten bunn, der fast stål trekkes ut nedenfra som en sammenhengende streng i takt med tilførselen av flytende stål fra forherden.
4) Valsing. Fjerde trinn i stålfremstillingen omfatter varmformgivning ved valsing og smiing eller varmebehandling av støpt gods som ikke skal bearbeides plastisk. Disse prosessene utføres ofte på stålverket i tilslutning til fremstillingen, og ansees derfor å høre med til denne. Valsingen foregår i flere trinn etter utjevning av temperaturen i emnet under opphold i varmegrop. Samspillet mellom plastisk deformasjon og temperatur er et viktig ledd i kontroll av egenskapene hos det valsede stålet. For visse anvendelser foretas en varmebehandling etter valsingen (normalisering, seigherding). En rekke produkter blir videre tilvirket ved kaldbearbeiding i form av valsing og trekking.
Film av materialprøving:
http://ndla.no/nb/node/44899
Produksjon av råstål 2003
mill. tonn
EU 185,9
Øvrige Europa 25,5
CIS* 106,2
Nord-Amerika 123,8
Sør-Amerika 43
Kina 218,6
Japan 110,5
Øvrige Asia 97,0
Verden totalt 948,0
* CIS = Commonwealth of Independent States = Hviterussland + Kazakhstan + Moldavia + Russland + Ukraina + Uzbekistan.
Karbon:
Karbonet gjør stålet sterkere ved å legge seg interstitielt mellom jernatomene i krystallgitteret (med interstitielt menes at de ligger fullstendig mellom), slik at det ikke er direkte kontakt mellom jernatomene. Dermed hindres jernatomene i å gli i hver sin retning, og legeringen blir hardere enn rent jern. Karbonatomene vil også påvirke fasetransformasjonene i metallet, slik at stålet blir mer herdbart. Andre legeringselementer kan være mangan, krom eller nikkel. Når karboninnholdet i jern overstiger 2,1%, blir dette betegnet som støpejern.
Legeringselementer:
Mangan inngår i konstruksjonsstål og maskinbyggingstål, som regel er innholdet under 2 % Mn. Slitesterkt austenittisk manganstål (hadfieldstål) inneholder 12–14 % mangan og ca. 1 % karbon. Det anvendes i knuseflater, skinnekryss og til andre formål der slitasjepåkjenningen er slagartet, idet overflaten blir hard pga. martensittdannelse og utfelling av karbider mens materialet under overflaten beholder sin seige austenittstruktur.
Nikkel anvendes dels i relativt lav konsentrasjon sammen med krom, molybden og vanadium i verktøystål, dels sammen med krom i rustfritt og syrefast stål (8–20 % nikkel) og dels alene (ca. 9 % nikkel) i stål som må ha god seighet også ved meget lave temperaturer, f.eks. for tanker til transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner. Ved gehalter over ca. 35 % nikkel er strukturen austenittisk; stål av denne sammensetning har meget lav termisk utvidelseskoeffisient.
Silisium anvendes i mengder utover det som er nødvendig for desoksidasjon, bl.a. i fjærstål, som inneholder inntil ca. 2 % silisium sammen med mangan, og i elektroteknisk blikk med inntil 4,5 % silisium (elektroteknisk blikk er et magnetisk, bløtt materiale med lavt «watt-tap»).
Krom anvendes sammen med karbon, til dels også med molybden og vanadium i verktøystål. Martensittisk kromstål (ca. 12 % krom og ca. 0,4 % karbon) er det vanlige rustfrie knivstål. Høyere gehalter (opptil 27 % krom) anvendes i ferrittisk varmebestandig stål, som bl.a. benyttes i kjemisk og metallurgisk industri. Sammen med nikkel, til dels også molybden, er krom det viktigste element i det austenittiske rustfrie, syrefaste og varmebestandige stål. Best kjent er «18–8» typen (ca. 18 % krom, ca. 8 % nikkel, 0,03– 0,08 % karbon), som bl.a. brukes i kjøkkenbenker, i meieriapparatur, kjemisk industri. Utenom god korrosjonsmotstand har austenittisk kromnikkelstål betydelig mekanisk styrke ved høy temperatur.
Molybden benyttes hovedsakelig sammen med andre legeringselementer i syrefast og varmebestandig stål, i verktøystål og visse typer lavlegert konstruksjonsstål, bl.a. i sigefaste kvaliteter for rør, overhetere o.l. i varmekraftverk.
Vanadium brukes i verktøystål sammen med krom, som regel i gehalter under 1 %, for å oppnå en finkornet mikrostruktur. I verktøystål for varmt arbeid, spesielt i hurtigstål, kan innholdet av vanadium gå opp i ca. 4 %.
Hovedelementet i hurtigstål er imidlertid wolfram. En vanlig kvalitet inneholder 18 % wolfram, 4 % molybden og 1 % vanadium, men det benyttes også typer med lavere og høyere wolframinnhold.
Legeringer:
Ulegert stål:
Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler til stede. Noen typiske anvendelsesområder for ulegerte støpestål med middels C-innhold er til maskiner, redskaper og utstyr for møller, valser og bygningskonstruksjoner. Materialer med høyt C-innhold brukes mye i metallindustrien i verktøy hvor metall skal formes. Maskinverktøy av forskjellige støpeprodukter som skal ha høy hardhet, høy stivhet og motstand mot avvirkning produseres av denne type materialer
Lavlegert stål:
Lavlegert stål inneholder mer mangan eller silisium en det som går med til deoksydasjonsprosessen. Utenom jern inneholder stålet 2-4 % andre legeringselementer.
Legert og Høylegert stål:
Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Høylegert stål er tilsatt enda større mengder av legeringselementene. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, wolfram, vanadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt.
Hurtigstål er høylegert verktøystål som beholder sin hardhet opp til temperaturer omkring 500 °C (ca. 770 K), og som derfor kan brukes til hurtig sponfraskillende bearbeiding (boring, dreiing, fresing). Normalt inneholder hurtigstål ca. 0,8 % karbon, ca. 18 % wolfram, ca. 4 % krom, 1–2 % vanadium og ca. 1 % molybden; men sammensetningen kan variere innen vide grenser avhengig av bruksområdet. I visse tilfeller legeres hurtigstål også med kobolt (opptil 12 %).
Rustfritt:
Rustfritt stål er en jernlegering som har god motstandskraft mot korrosjon (rust) og andre kjemiske angrep.
Motstandskraften mot korrosjon som rustfritt stål har, kommer av at stålet legeres med krom. Når krominnholdet overstiger 17 % dannes det en tynn hinne på stålet, som passivt beskytter det underliggende stålet mot videre oksidering. Ytterskiktet som består av kromoksid, er bare noen nanometer tykt og usynlig for det blotte øye. Hvis stålet skades ytterligere, gjenoppbygges ytterskiktet svært raskt, forutsatt at det finnes oksygen tilgjengelig i omgivelsene. Den kjemiske motstandskraften i rustfritt stål øker med stigende krominnhold, men den øker også med minskende kullinnhold, så man prøver å holde kullinnholdet i rustfritt stål under 0,25 %.
En vanlig misforståelse om rustfritt stål er at det overhode ikke ruster. Faktum er at alt stål kan ruste under de rette betingelsene, men rustfritt stål har en betydelig høyere motstandskraft mot rustangrep og annen korrosjon enn annet stål. Grunnen til dette er at kromet danner en kromoksydfilm (Cr2O3) på overflaten og beskytter det underliggende stål mot oksidering. Filmen er delvis selvreparerende slik at den kan gjendannes der stålet skades. Vanlig rustfritt stål inneholder minst 11 vekt % krom og brukes til stålemner som skal brukes i miljøer med moderate kjemiske påkjennelser, ofte i ferskvann eller materialer som ofte bløtlegges, for eksempel bestikk, barberblader og kniver. Rustfritt stål som inneholder mellom 13-18 % krom og ingen nikkel kalles også kromstål.
film
film
Austenittisk rustfritt stål:
Austenittisk rustfritt stål utgjør den største gruppen av rustfrie stål. Det har en austenittisk struktur, noe som medfører at de ikke er magnetiske og ikke kan herdes.
Det består av krom (12-30 %) og nikkel (7-30 %) samt andre metaller, ofte molybden (2-3 %). Karboninnholdet er svært lav, som regel under 0,05 %.Rustfritt stål av denne typen er enklere å arbeide med enn andre stålkvaliteter. Det er lett formbart, og det lave karboninnholdet gjør at det er lettere å sveise enn andre typer av rustfritt stål. De austenittiske rustfrie ståltypene har derfor et stort bruksområde som konstruksjonsstål og i rør. Syrefast stål tilhører denne kategorien av rustfrie stål.
En svært vanlig legering i denne kategorien er 18/8-stål (eller 18/10-stål) som er legert med 18 % krom og 8 % (10 %) nikkel. Rustfrite husholdningsartikler som gryter, kaseroller m.m. er ofte laget av 18/8-stål. Bestikk laget av 18/8-stål har en tendens til å sverte visse typer porselen. Visse vaskemidler for oppvaskmaskin gjør at den passiviserende hinnen som naturlig dannes på alle rustfrie ståltyper, blir temmelig mørk i en gråblå nyanse. Dette betyr ikke at tingene ikke er rene, snarere at belegget som beskytter stålet har blitt tykkere og sterkere. Man bør altså ikke prøve å pusse bort den mørke fargen på bestikket.
Galvanisk stål:
Galvanisering er en kjemisk prosess der det blir fortatt en elektrolyse. Gjennom denne prosessen belegges et metall med en hinne av et annet metall. Eksempelvis sink utenpå stål. En annen metode som er mye brukt er å varme opp sink slik at det blir flytende, for så å dyppe eksempelvis stålnettet i dette (se bildene). På denne måten får stålproduktet et beskyttende sinklag. Dette er med på å beskytte mot rust. Galvanisering anvendes vanligvis for å beskytte mot korrosjon (rust). Sink brukes ofte for å rustbeskytte stål gjennom galvanisering. Ofte benyttes begrepet «galvanisert stål» også om stål som blir belagt med et rustbeskyttende sinklag med en annen metode enn galvanisering (som regel dypping), som igjen kalles varmeforsinking.
Selve galvaniseringsprosessen foregår ved at metallgjenstanden som skal belegges med et annet metall senkes led i en saltløsning av det metallet som skal legges på. Så koples metallgjenstanden til en strømkilde med passende pol, det vil si motsatt ladning som metallionet i det anvendte saltet. Dermed dras metallionet i saltløsningen til metallgjenstanden, på grunn av sin ladning, og danner en tynn, jevn overflate.
Konstruksjonsstål:
Konstruksjonsstål brukes til konstruksjoner og bygningsdeler. I kjemiske anlegg brukes konstruksjonsstål til bl.a. broer stålskjeletter og støttkonstruksjoner. De er relativt billige ulegerte ståltyper med lavere karbon innhold mellom 0,17 – 0,50 % karbon. Innen konstruksjonsstål har vi flere undertyper. Værbestandig stål for eksempel, har en liten tilsetning med krom, kopper og nikkel. Det gir en beskyttende korrosjonssjikt på overflaten og sammen med ett strøk maling gir dette en god beskyttelse mot omgivelsene i flere år.
Verktøystål:
Verktøystål er stål som det lages verktøy av, verktøy som skal brukes til å behandle materialer. De må være tilpasset det de skal brukes til når det gjelder seighet, hardhet og fasthet. Det er veldig slitesterk og er til dels varmefast. Eksempler på hvor verktøystål kan brukes er for eksempel lasteskuffen på en gravemaskin eller en hjullaster, deres lasteskuffer må tåle mye juling og har ofte en mangan legering som gjør at metallet blir bare hardere jo mer man slår på det, det en stor fordel.
Vi har ulegerte verktøystål, det har karboninnhold 0,35- 1,5 %. Herdingen ble gjort med vann, det kalles vannherding.
Vi har lavlegert verktøystål, de inneholder mellom 0,35- 1,5 % karbon, og mindre mengder wolfram, krom, nikkel, vanadium og molybden. De blir herdet i Olje og kalles oljeherdere.
De høyt legerte verktøystålene har karboninnhold på 0,3- 2,2 %, og etter typen legering, store mengder krom, wolfram, kobolt, molybden, nikkel og vanadium. Herding foregår i oljebad i luftstrøm eller i saltbad. Jo høyere legeringsinnhold, desto høyere temperatur trengs det. Krom vanadium er et utmerket valg for høy belastning applikasjoner. Det er veldig sterkt, men kan også ruste. Krom molybden er også et godt valg, men denne er litt mindre sterkt, men har en fordel i at den ikke ruster.
Martensittisk rustfritt stål:
Martensittisk rustfritt stål har en martensittisk struktur. Det har et krominnhold på 12-18 %, og et karboninnhold på 0,1-0,3 %. Stålet er magnetisk og herdbart. Til denne gruppen tilhører visse typer kromstål. Martensittisk rustfritt stål er ganske hardt og brukes f.eks. i verktøy som kniver og sakser. Stålet egner seg dårlig til sveising og brukes derfor ikke som konstruksjonsmateriale.
Hardmetall:
Hardmetall er hardt og varmebestandig materiale som består av en metallisk grunnmasse (vanligvis kobolt, nikkel eller legeringer av dem) med innleirede harde partikler av wolframkarbid, titankarbid og andre karbider, i sjeldnere tilfeller borider, nitrider eller andre harde forbindelser. Materialet er med andre ord, til tross for navnet, strengt tatt ikke et metall. I en viss utstrekning forener materialet partiklenes hardhet, styrke og temperaturbestandighet med grunnmassens duktilitet og ledningsevne.
Hardmetall har sin viktigste anvendelse i eggverktøy som skal arbeide under sterk lokal oppvarming, f.eks. skjær på dreiestål, eller i verktøy som skal arbeide i materialer som gir sterk slitasje, f.eks. bergbor. Hardmetall anvendes også som konstruksjonsmateriale under forhold som krever høy styrke ved høy temperatur. Normalt fremstilles hardmetall ved pressing av de pulverformige komponentene til ønsket form etterfulgt av sintring.Kilder:
