stål

C/Fe fasdiagram, med förhållanden för att skapa enskilda faser. För oändligt långsamma temperaturförändringar.

 

Järn och kol

Kol är den viktigaste legeringen. Kvaliteten av stål beror inte bara på kolhalten, utan också på hur man gör termisk behandling.

På bilden visas enskilda faser:

1. α - rent järn - alfa järn
2. γ - austenit
3. * - ledeburit
4. efter † - ferit
5. över † - perlit
6. I - smält

På grafen syns så kallad V-formad karaktär, som förekommer vid system som är helt lösliga i flytande tillstånd och delvis lösliga i fast tillstånd (se eutektikum).

I princip kan detta diagram delas upp i delar:

• Eutektisk - under smälten, med eutektikum vid 1150 °C, kolinnehåll 4,3 %
• Eutektoid - fast fasomvandling, under γ-området, med eutektoid vid 723 °C, kolinnehåll 0,8 %
• Peritektisk - ganska liten område till vänster uppe (delta kristaller) med peritektoid runt 1430 °C.

Dessa faser visas dock endast vid oändligt långsamt kylning/uppvärmning. Vid snabb kylning (härjning) bildas t.ex. martensit, vilket ökar hårdheten. Vid långsam kylning ökar vanligtvis duktiliteten vid austenitiska stål.

För dynamiska förlopp används TTT-diagram. Placeringen av TTT-diagram kan illustreras genom att vi lägger en tidsaxel ("stiger ut" från bilden) vinkelrätt mot det binära diagrammet. Dessa förändras ganska mycket beroende på kol- och legeringsinnehållet. Där visas också mellansteg som t.ex. bainit.

En markant inverkan har mangan, som gör stålet austenitiskt även vid högre kolinnehåll och stödjer martensitbildning även vid långsam kylning.

Övermåttigt kol ökar generellt sprödheten, dvs. minskar träghetshållfastheten, detta problem gäller inte gjutjärn.

Det läggs till antingen i form av koladditiv i smälten eller så nedsänks ytan i austenitiserat stål (t.ex. vid cementering).

Legelement

Fler informationer i huvudartikeln: Legering

Vid tillverkning av olika stålsorter (baserat på syfte) används olika legelement (legeringar), som läggs till i smälten för att modifiera stålets egenskaper. Legeringar läggs till i större delar direkt genom att de läggs in i järnsmälten. Ibland smälter legeringen lättare än järn eller tvärtom. Där används antingen tricks som eutektisering, men då bildas inte en ren legering. I fall av otillräcklig löslighet av legeringen i stålsmälten är det nödvändigt att använda pulvermetallurgi. Det kallas också sinter.

• Hårdhet

Hårdheten ökas med legeringar: vanadin - tack vare karbidering, volfram - extremt hårda karbider, kan till och med skära rödglödd

• Styrka

Styrkan ökas med legeringar mangan, krom, nickel, samt med ytterligare mekaniska behandlingar t.ex. kallvalsmaskin och termiska behandlingar t.ex. härjning. Teoretisk styrka av järn vid idealisk kristallnät (beräknad värde) är cirka 40000 N.mm^-2. Den starkaste stålet på marknaden har 1500 N.mm^-2.

• Slitagebeständighet

Denna egenskap är nödvändig för komponenter som utsätts för slitage (t.ex. hänghållare) eller vid bearbetningsverktyg där spetsen slits. För att förbättra denna egenskap använder vi legeringar: Kol - martensit, samt cementit, Kobolt, Vanadin, Volfram

• Värmebeständighet, värmetålighet

Vanligt stål förlorar vid termisk belastning (redan vid 300 °C) egenskaper - särskilt hårdhet och styrka (motorer, turbiner ...). Värmetåligheten förbättras genom att lägga till legeringar: nickel, volfram, krom, molybdän, vanadin. Den nominella arbets temperaturen för sådana stål är från 300 °C till 550 °C. Stål över 550 °C är redan högtemperaturstål. Över 800 °C är större delen av stål oanvändbar. I laboratoriebetingelser kan man tillverka stål som fortfarande vid 1000 °C har cirka 500 N.mm^-2, men det tillverkas extremt svårt (på flera tillverkningssteg och efter hårt utvinande).

• Elasticitet

Elasticitet är en egenskap som anger hur mycket stål kan deformeras innan det återgår till ursprungsformen. Denna egenskap används t.ex. vid fjädrar. För att förbättra elasticiteten legeras stål med kis.

• Speciallegeringar

Magnesium - stödjer bildning av klotformad grafit vid gjutjärn (gjutjärn med egenskaper liknande stål), Beryllium - Cu-Be- stållegeringar, bromsar materialförfall (vid upprepade belastningsförändringar), t.ex. vid fjädrar

 

Stålindelning

Enligt kolinnehåll

• Under-eutektoid - med kolinnehåll under 0,8 %
• Eutektoid - 0,8 % kol
• Över-eutektoid - mellan 0,8 % och 2,06 %

Enligt legering

• Låglegerat
• Höglegerat - över 5% legeringskomponenter

Enligt avstivning

• Avstiftat - syre har tagits bort
• Oförstiftat

Enligt användning

1. Automatstål - stål avsedd för ytterligare skärvbearbetning
2. Stål för härdning - stål avsedd för ytterligare termisk bearbetning
3. Cementeringsstål - stål avsedd för förstärkning av slitagekomponenter. Låglegerat eller oförlegerat stål med mindre än 0,25% kol, ytan cementeras (kolsätts) och härdas. Även efter härdning har de goda plastiska egenskaper.
4. Konstruktionsstål - stål för byggnadskonstruktioner och maskiner, för användning är ekonomisk effektivitet avgörande
5. Nitrideringsstål - extremt hårda och slitagebeständiga. Hårdhet 750 HV till 1200 HV.
6. Fjäderstål - hög elasticitetsgräns.
7. Obristande stål (kryostål) - stål som vid låga temperaturer inte brister. Oförlegerat till -60 °C, låglegerat till -120 °C och höglegerat till -250 °C.
8. Lagerstål
9. Verktygsstål - stål för tillverkning av verktyg, oavsett om det är skärvbearbetning eller handverktyg
10. Matstål - specialbehandlade stål med noll innehåll av tungmetaller och skadliga ämnen
11. Djupdragsstål - stål för tryckta plåtar, t.ex. för tillverkning av karossar bilar. Huvudsakligen lågkolstål.

 

Nutid

Produktion

Grund

I nutid tillverkas stål på två sätt - antingen som primärstål (endast dess grund) i högugnar. I själva verket bara råjärn - som sedan avstiftas och avstivs och sedan läggs till legeringar. Här används LD-Converter eller nyligen Corex.

Siemens-Martinugnar är idag redan föråldrade.

Eller så blandas stål exakt i elektriska ugnar. Denna metod används ganska ofta i små- och medelserier för sin ekonomiska flexibilitet.

Donawitz-metoden (LD-Converter)

I smälten i konverteraren blåses 98% syre in genom en lång tunn slang - kopija. Råjärn och ruda tillsätts också för att minska andelen råjärn. Syre reagerar med järn och bildar järnoxid FeO, som förbränner oönskade ämnen i denna ordning:

• Kis - 2FeO + Si → SiO₂ +2Fe
• Mangan - FeO + Mn → MnO + Fe
• Kol - FeO + C → CO + Fe
• Fosfor - 5 FeO + 2P → P₂O₅ + 5Fe
• Sulfur - 2 FeO + S → SO₂ + 2 Fe

Men i denna metod måste smälten fortfarande levereras, så att partiet inte kylas ner. Färdig stål hälls sedan ut från konverteraren in i panna för vidare bearbetning. Max kapacitet av konverteraren är cirka 250t.

Ekonomiskt nästan den billigaste metoden att tillverka stål för stora mängder.