Om stål og legeringer
Stål, er smibare legeringer av jern, med et karboninnhold mellom 1,7 og 2%. Er det høyere enn dette kaller vi det støpejern. Karbonets oppgave i stållegeringene er å gli inn i mellom jernmolekylene og forsterke krystallgitteret. Dette gjør at stålet tåler både mer belastning og mer varme. Andre vanlige legeringsgrunnstoffer er mangan, krom eller nikkel.
Stålets egenskaper bestemmes altså av flere faktorer; legeringsstoffene, behandlingen og fremstillingsmetoden. La oss se nærmere på hvordan man hovedsakelig fremstiller jern, som derettes legers til stål.
Denne prosessen krever råjern, går over fire trinn, og starter med Ferskingen.
- Ferskingen er når man fjerner alt innhold av karbon og andre oksiderbare grunnstoffer som silisium, mangan, svovel og fosfor i form av oksider. Dette gjøres ved å varme opp råjernet med trekull, og blåse vekk de nevnte forurensningene mens råjernet er varmt. Da ender vi opp med karbonfattig jern.
- Desoksidasjon og legering. Ved desoksidasjon trekker man slaggen som legger seg på stålet etter ferskingen av, og under tappingen tilsettes det ønskelige stoffer som skal hindre oksidasjon. Disse stoffene blandes inn i stålet, og med dette prøver vi å holde oksygennivået i jernet under kontroll.
- Utstøpingen. Utstøping skjer på flere måter, men begge innebærer tapping fra øsen vi tappet stålet ned i under desoksideringen. Vi kan enten tappe det flytende stålet ned i støpeformene av støpejern (kokillene), eller vi leder det ned via en slags trakt. Vi kan også foreta oss noe som kalles strengstøping. Dette er når det er så lite oksygeninnhol d i stålet at vi kan sende det ned i en bunnløs form, slik at det stivner før det går helt igjennom og vi kan dra det ut i bunn samtidig som vi fyller på med mer flytende stål på toppen.
- Valsing/smiing. Dette er når vi former stålet mens det er varmt. Dette gjør vi når vi ikke skal forme metallet plastisk etterpå, altså når det er kaldt. Grunnen til at vi tar med dette som et punkt i fremstillingen er at denne prosessen vanligvis utføres på smelteverket. Grunnen til at vi foretar plastisk formendring når materialet er varmt er at vi da får en mye sterkere forbindelse enn vi hadde gjort med bearbeiding med kaldt stål.
- Karbon i stål
Karbon er alltid tilstede hvis vi kan kalle metallet vårt for stål. Men graden av tilstedeværelse varierer. Karbonet er der blant annet for å gjøre stålet hardt, men det er ikke bare karboninnholdet som gir stålet de egenskapene det har. For eksempel har vanlig støpejern et karboninnhold på 2,7 til 3,7 prosent. Her forekommer karbonet i formen grafitt, og sprer seg som grener rundt i stålet. Dette gjør at stålet blir sprøtt og får en lav fasthet. Denne typen stål blir ofte brukt i tykkveggede konstruksjoner og fundamenter. Vi kan også dele stål inn i to grupper, etter karboninneholdet. Disse to gruppene er:
”Austenittiske krom- nikkel stål
Disse krom- nikkel stålene er de mest brukte, syrefaste stålene i kjemisk industri. De har krom innhold på minimum 17 % og minimum 9 % nikkel. Det kan også være små tilsetninger av molybden, niob, titan, nitrogen og svovel. Mens karboninnholdet er under 0,1 %. De er veldig korrosjonsbestandige, varmefaste og har fin seighet. De brukes i apparatur, beholdere, rørledninger og apparater.”
Martensittiske kromstål
Har over 13 % karboninnhold og bare mindre deler andre legeringer. Karboninnholdet er hevet til over 0,10 % gjerne 0,20 %. Det gjør att de kan godt støpes og gir sterkt forbedret fasthet.
Legeringselementene
I tillegg til at stål er en viktig ressurs for oss siden vi kan lage det i så store mengder, er det også viktig for oss at vi kan tilpasse det vårt bruk. For å gjøre dette har vi forskjellige grunnstoffer vi legerer stålet med. De mest kjente er Nikkel, Krom, Molybden, og Vanadium. Nå skal vi se litt nærmere på disse.
- Nikkel (Ni)
Nikkel er et hardt og smibart materiale som ofte brukes som legeringsmiddel og overflatebehandling når vi ønsker et ureaktivt metall. Vi kaller ofte nikkellegeringer for rustfritt stål. Det gjør også stålet til en viss grad syrefast. Nikkel i rustfrie metaller står for omtrent 60% av anvendelsen av jordas nikkelbeholdning. Nikkelmalm finner vi naturlig i bergartene pentlanditt og pyrrhotitt. Det er i tillegg flere stoffer vi legerer nikkel med annet enn jern, som for eksempel kobber og chrom.
Vanlige bruksområder for nikkel er i mynter, smykker, og lignende. Det blir også brukt i noe som kalles panserstål, som brukes til å lage pengeskap, stridsvogner, osv. Det finnes også bestemmelser rundt mengden av nikkel som er lov å bruke i dagligdagse bruksgjenstander pga folk kan utvikle nikkelallergi.
- Krom (Cr)
-
Krom er et grunnstoff vi ser mye av i ren form, også i hverdagen. For eksempel på gamle biler. Dette er omtrent så nært vi kommer rent krom, det eneste som hindrer oss i komme i direkte kontakt med det er et tynt oksidlag som legger seg rundt kromet. Dette gjør at krom er veldig lite korrosivt, og reagerer vanskelig med andre stoffer ved noen temperaturer.
Det fremstilles fra bergarten kromitt, som er forholdsvis sjeldent i den vestlige verden.
På grunn av kromets sterke fargeinnhold brukes det mye på steder det trengs sterk farge, for eksempel i maling. Det brukes også på steder det trengs høy varmebestandighet.
Det viktigste bruksområdet for krom er kanskje likevel som legeringskomponent i verktøystål. En kromtilsetning over 12% gjør stålet både rustfritt og syrefast, og særdeles sterkt. Det er vanlig å blande krom og vanadium når vi lager verktøy som for eksempel fastnøkler.
Forkromming er også et uttrykk vi bør ha kunnskap rundt. Det vil si å legge et tynt lag med krom over flater vi ønsker skal være harde, solide og ripefrie. Altså en overflatebehandling. Dette kan jo også få for eksempel motorer på motorsykler til å bli fine å se på.
- Vanadium
Vanadium fremstilles hovedsakelig av stoffene vanadinitt og patronitt. Siden vanadium var et viktig grunnstoff i de dyrene og plantene som fantes her på jorda for mange millioner år siden finner vi dette stoffet også i råoljen vi pumper opp av Nordsjøen.
Fremstillingen av vanadium skjer hovedsakelig som en legering av jern og vanadium, altså vi får en jern/vanadiumlegering etter fremstilling.
Vanadiumstål har også den spesielle egenskapen at det har både en høyere seighet og høyere fasthet enn vanlig stål. Derfor kan vi lettere lage verktøy og andre ting av vanadiumholdig stål, og i tillegg få et verktøy som også er sterkere enn mange andre stålkvaliteter.
Det er på grunn av dette at Vanadium er sterkt representert blant mange seriøse verktøyprodusenter, da ofte som en legering med krom. Når en stållegering medkrom og vanadium varmebehandles blir den motstandsdyktig mot både fukt og temperatur, og blir utrolig hard og solid.
- Molybden
Molybden er et naturlig sølvhvitt, og forholdsvis bløtt metall. Rent molybden fremstiller vi av molybdenitt, som finnes i forskjellige granittarter. Molybdenitt finner vi i større mengder i store deler av Norge også.
I likhet med Vanadium er Molybden et metall som vanligvis tilsettes stål, og får dette til å bli betydelig hardere og mer solid. Videre lages det verktøy, jetmotorer, pansrede kjøretøy, osv. av Molybdenholdig stål. Molybdenitt har noen av de samme egenskapene som grafitt, derfor er en av funksjonene dens som smøremiddel.
Noe annet Molybden har til felles med Vanadium, er at dette også brukes som tilsetningsstoff til krom for deretter å produsere verktøystål av. Molybden er et veldig sterkt leggeringsmetall, så det er ikke store prosenten vi trenger av det i legeringen. Bare 0,15-0,25 prosent. Molybdenholdig stål er også godt egnet for sveising, bl.a. grunnet sin høye duktilitet.
- Verktøystål.
Verktøystål er stållegeringer vi bruker i metaller vi skal bruke til å arbeide med annet stål med. Altså stål det lages verktøy av, og som skal brukes til å behandle andre metaller.
Det finnes ulegerte, lavlegerte og høylegerte typer med verktøystål, alt etter hva vi skal bruke det til. Den kjemiske forskjellen er innholdet av karbon, legeringsstoffene, og herdemåten. Noen eksempler på bruksområder er i alt fra håndverktøy vi bruker til å skru med, og opp til skuffene i store hjullastere og gravemaskiner.
Det er flere faktorer vi må se på når vi skal velge hva slags type verktøystål vi skal bruke til formålet vårt, disse er:
- Det må tilpasses temperaturen det skal brukes i
- Det må ha riktig seighet
- Det må ha riktig fasthet
- Det må ha riktig hardhet
Tilbake til de forskjellige typene legeringer av verktøystål, og la oss se litt på karboninnholdet i de forskjellige typene.
Ulegert verktøystål, har et karboninnhold på 0,35-1,5 %. I tillegg kan vi se av navnet at det ikke er noen andre legeringsstoffer tilsatt her for å bedre egenskapene, herdemåten er ved hjelp av vann. Altså vannherding.
Lavlegert verktøystål. Her er det samme karboninnhold som på den ulegerte typen, men her er det også tilsatt mindre mengder av wolfram, krom, nikkel, vanadium, og molybden. Herdemåten spiller inn også her, og lavlegert verktøystål herdes i olje. Dette kalles oljeherding.
Høylegert verktøystål. Her er karboninnholdet litt annerledes, og ligger på 0,3-2-2 %. Altså kan det være litt høyere enn de øvrige typene. Det er de samme legeringsstoffene som brukes her, men her kan vi spesialisere bruksområdet vårt ytterlig og legere stålet mer med det ene stoffet enn det andre. Herdingen foregår i oljebad, luftstrøm eller saltbad. Jo høyere innhold av legeringsstoffer jø høyere herdetemperatur trenger vi.
I tillegg til de nevnte legeringsstoffene inneholder nesten alle stållegeringer mindre mengder Mangan. Dette er et grunnstoff som tilfører legeringen hardhet og slitestyrke selv i små mengder. Mangan har også den gode egenskapen at overflatestrukturen endres når den blir utsatt for påkjenning eller trykk. Den herdes på en måte på nytt, og ved hjelp av denne egenskapen kan mangan mer eller mindre reparere seg selv ved mindre ødeleggelser som små sprekkdannelser eller lignende.
Mangan blir ikke brukt i ren form, til det er det for sprøtt.
I tillegg til legeringsmåtene, har vi enda en måte å dele verktøystål inn i grupper på. Nemlig etter temperaturen det skal tåle når det ”er i bruk”. Disse gruppene er kaldbearbeidingsstål og varmbearbeidingsstål.
Kaldbearbeidingsstål er ståltyper vi bruker når omgivelsene ikke overstiger 200 grader. Dette kan være både ulegert og legert stål, men hvis det er legert begrenser det seg til lavlegert stål. I og med at lavlegert og ulegert stål ikke tåler påkjenning og slitasje i like høy grad som de høylegerte ståltypene sier vi at dette også er en faktor ved inndelingen av ståltypene i varm og kaldbearbeiding.
Varmbearbeidingsstål er stål vi bruker aktivt ved temperaturer over 200 grader, og trenger å tåle større påkjenning og slitasje over tid. Her ligger karboninnholdet altså på opptil 2,2 %, og inneholder større mengder av et eller flere av stoffene jeg nevnte under avsnittet om høylegert stål. I tillegg kan vi bruke kobolt og/eller silisium som legeringsstoffer her. En annen type varmbearbeidingsstål er Hurtigstål, som vi bruker en del i skjæreverktøy. F.eks som dreiestål i en dreibenk. Hurtigstål skal tåle temperaturer opptil 600 grader.
