Legeret stål

Mere viden om legeret stål:

Legeret stål er jern, der legeres, får ændrede kemiske, fysiske og mekaniske egenskaber. Selv små mængder kulstof ændrer på afgørende måde jernets struktur og hårdhed. Med mere end ca. 2,5% C får man støbejern. Små mængder bor, kvælstof, fosfor og vanadium øver også betydelig indflydelse. Fx har jern med 0,2-0,3% fosfor bedre korrosionsbestandighed end rent jern. Andre grundstoffer som nikkel, chrom og mangan må normalt tilsættes i noget større mængder for at skabe nye ståltyper. Der er mange gode grunde til at legere jern. Mens det simple jern-kulstof-stål kun lader sig gennemhærde i kniv- eller skruetrækkerstørrelse, kan større genstande gøres gennemhærdede ved legering med nogle få procent chrom, nikkel, vanadium og molybdæn. Hærdbarheden bedømmes vha. Jominy-prøven. Ulegeret jern og stål mister sejheden i kulde. Under den såkaldte omslagstemperatur (se slagsejhed) er stål ret skørt og tåler dårligt slagagtige påvirkninger. Ved legering med især nikkel opnås sejere stål. Af stål med 9% nikkel kan således konstrueres beholdere, der tåler −160 °C. Forbedret styrke ved forhøjet temperatur kan opnås ved fremstilling af finkornsstål eller lavt legerede konstruktionsstål, også kaldet HSLA-stål (high strength low alloy). Her benyttes en hel vifte af legeringsstoffer, mangan, chrom, nikkel, molybdæn, vanadium og niobium, der hver for sig kun indgår med nogle tiendedele procent. Det anslås (1998), at forbruget af niobium ligger på 100-900 g pr. ton stål, og at den årlige produktion af HSLA-stål er omkring 65 mio. t eller 8% af verdens totale stålproduktion. Stål, der skal anvendes ved endnu højere temperatur, i ildsteder, jetmotorer etc., er kraftigt legerede (se også superlegeringer). Ildbestandige stål ligner de rustfri stål og bygger på høje tilskud af chrom, nikkel og molybdæn. En vis forbedring af korrosionsegenskaberne opnås allerede ved nogle tiendedele procent legering med kobber, fosfor, chrom m.m., se cortenstål. Væsentlige forbedringer kræver mere end 12% chrom, hvorved man får den meget vigtige gruppe af rustfri stål. Slidstyrke opnås i regelen ved at lade cementit indgå som en væsentlig bestanddel. Ved legering med chrom, molybdæn og wolfram dannes stærke og seje carbider, der også tåler en vis varmepåvirkning, i hurtigstål op til 500-600 °C. Slidstyrke i kæbeknusere og entreprenørmateriel kan opnås ved legering med 11-14% mangan (Hadfield-stål, se R.A. Hadfield). For at lette spåntagning af blødt stål tilsættes 0,15-0,3% svovl eller 0,1-0,6% bly, hvorved man får de såkaldte automatstål. Disse leveres i regelen i stangform, der egner sig til massefabrikation af små emner vha. automatiske bore- og fræsemaskiner.

Udmattelsesstyrken kan forbedres ved legering med chrom og nikkel. Her er stålets slaggerenhed tillige en væsentlig faktor. Da man ved, at udmattelsesrevner ofte udgår fra mikroskopiske slaggepartikler, forsøger man ved smeltningen at nedbringe slaggeindholdet til et minimum. Da hovedparten af slaggerne flyder oven på stålsmelten, kan man opnå en forbedring ved at tømme diglen gennem et hul i bunden i stedet for at hælde den. Slaggefattige stål lader sig polere til en fin overfladefinish. Stål er som nævnt i princippet sammensat af tre stabile faser, ferrit, cementit og austenit, samt den metastabile martensit. Legeringselementerne fordeler sig mellem faserne. Helt ulegeret ren ferrit, som den kan træffes i frisket jern fra 1700-t., er blød, 70-75 HV. Ferrit legeres imidlertid let med fosfor, silicium og mangan, hvorved hårdheden stiger markant. Selv ulegerede, bløde kulstofstål indeholder omkring 0,3% silicium og 0,3% mangan, så hårdheden af moderne stål er sjældent mindre end 100-110 HV.

Grundstoffer, som især samler sig i austenitten, er kulstof, nikkel og mangan. Ren austenit er ikke stabil ved stuetemperatur, men den kan blive det ved at øge nikkel- og manganindholdet. De almindelige austenitiske rustfri stål indeholder mindst 18% chrom og 8% nikkel. Ren cementit er Fe3C, men i legeret stål træffes tillige carbiderne Cr23C6, TiC, VC, W2C mfl. Fælles for carbiderne er deres store hårdhed, 1000-3000 HV, hvorfor de er nødvendige i værktøjsstål og slidstærke stål. Carbiderne bør foreligge som jævnt fordelte partikler med en størrelse af ca. 1 μm. Dette opnås lettest ved pulvermetallurgiske metoder, hvorimod støbning og smedning har tendens til at fremme en ujævn fordeling af store brokker og små partikler. Stålets legeringsmuligheder synes uudtømmelige, og nye legeringer og varemærker dukker stadig op. For overskuelighedens skyld opdeler man ofte stålene i ulegerede med mindre end 1%, lavt legerede med 1-5% og højt legerede med mere end 5% legeringselementer. I den sidste kategori findes alle rustfri stål og de fleste værktøjsstål. Generelt kan man sige, at jo højere legeret stålet er, des vanskeligere er det at svejse.