Kategorier
Stål

Stål, del två

Snabbstål

Vissa legeringsämnen som wolfram, vanadium, kobolt och molybdenum gör att stålet inte tappar sin hårdhet vid höga temperaturer. Detta utnyttjar man i de s.k. snabbstålen för att man ska kunna använda dem i maskiner med hög hastighet (vilket i normala fall genererar stor värmeutveckling) så att de där kan användas utan risk för att deformeras. För handverktyg finns inga fördelar med snabbstål. De karbider som uppstår när ovanstående legeringsämnen blandas i kan tvärtom göra dem svårare att bryna.

Krom-vanadiumstål

Krom är ett grundämne som ger resistens mot oxidation/rost. Av denna anledning använder man ofta krom som legeringsämne för att minska stålets rostbenägenhet. Krom påverkar dock också stålets mekaniska egenskaper och gör att man inte kan få en lika vass egg. Däremot blir stålet hårdare. Detta kan utnyttjas för stål där en vass egg inte är lika viktigt, t.ex. hyvelblad som bara ska användas för att snabbt hyvla av mycket material (t.ex. scrub planes, fore planes). Vanadium som legeringsämne gör stålet hårdare genom att det bildas vanadiumkarbider (mer om detta fenomen senare).

Rostfritt stål

Ett stål kallas rostfritt om kromandelen är över 10,5%. Men ett ”äkta” rostfritt stål behöver ha ännu högre krominnehåll och dessutom stor del nickel. En vanlig typ är s.k. 18-8 (18% krom och 8% nickel). I dessa stål är kristallstrukturen inte längre av bcc-typ utan återgår till fcc-struktur (även vid rumstemperatur). Dessa stål kallas också austenitiska rostfria stål och är extremt resistenta mot rost men är inte särskilt hårda. 18-8 är stålet man använder i t.ex. bestick men för matknivar är det för mjukt vilket gör att man ofta minskar andelen nickel för just knivar.

Atomordning

När en stålsmälta kyls ner för att fånga kolatomerna i kristallgittret kommer stelningen att ske på olika ställen i stålet samtidigt. Man får tänka sig att det är små öar i stålet som börjar stelna ungefär samtidigt och att stelningen sedan sprider sig från dessa. Förr eller senare kommer en stelningsfront som sprids från en ö att nå en annan. Vad händer då?

Atomplanen kan i dessa områden inte ansluta helt perfekt till varandra så mellan dessa bildas som en sorts gräns i vilken två olika kristallstrukturer möts. Det visar sig att dessa gränser bromsar dislokationer i förflyttning vilket är bakgrunden till den tredje sortens härdningsmekanism som jag skrev om i del ett. De områden i stålet med jämn (harmonisk) gitterstruktur kallas korn och gränsområdena kallas korngränser. Att utnyttja detta fenomen för att härda stålet kallar man helt sonika korngränshärdning.

Många korngränser är, sett ur stålets perspektiv, ofördelaktigt eftersom det orsakar en spänning i materialet. Om man nu åter igen ökar temperaturen i materialet så tillför man energi som stålet kan utnyttja för att göra sig av med denna stress. Det som händer är att atomer i anslutning till korngränserna byter sida och låter sig organiseras i grannkornets struktur. Det är alltså vissa korn som kommer att växa på bekostnad av andra. Ju högre temperatur desto snabbare sker dessa gränsövergångar. Om man alltså hettar upp ett område på stålet så kommer det finnas en gradient av värme runt den upphettade zonen. Det visar sig att dessa gränsövergångar har lite olika karaktär beroende på var längs värmegradienten man befinner sig. Stål som värms till precis under smältgränsen kommer uppvisa ovanstående fenomen. Detta område kallas grovkornzonen.

Området utanför grovkornzonen (med lägre temperatur) har inte samma korntillväxt. Temperaturen är dock så pass hög att stålet lämnar sin BCC-struktur och antar FCC-struktur under tiden temperaturen är hög. När detta sedan svalnar kommer nya korn att bildas utifrån samma princip som tidigare. I området utanför grovkornzonen, där inga atomförflyttningar över korngränserna sker pga. värme, kommer istället nya, mindre korn att bildas när materialet svalnar. Detta område kallas finkornzonen.

Dessutom finns alltid risk för martensitbildning när materialet svalnar och framförallt i kombination med grova korn blir då stålet bli sprött. Vid ännu lägre temperaturer finns en zon med partiell omvandling och vid ännu lägre temperatur finns den anlöpta zonen där ingen omvandling sker. Här kan dock karbidutskiljning eller sfäroidsidering av cementit ske.

Karbider

Andelen kol i stålet avgör till stor del dess hårdhet och som nämndes tidigare är stål fullt härdbart vid 0,8% kol. Allt kol som inte fångas upp i kristallgittret måste ta vägen någonstans och det kol som blir över kommer att bilda olika karbider med legeringsämnena. Dessa karbider blir som små hårda kristaller som finns utspridda i stålet och ger stålet ökad hårdhet – de kan sägas fungera som små armeringskristaller.

Principiellt gället att ju fler karbider som bildas desto hårdare blir stålet men samtidigt gäller också att man inte kan få stålet lika vasst. Som exempel kan nämnas O1-stål som har få karbider kan brynas vassare än t.ex. A2-stål som har fler legeringsämnen och därmed fler karbider (och grövre kristallstorlek på dessa). Det är av denna anledning som A2-stålet är bättre på att motstå slitage men att O1-stålet går att göra vassare (men som då inte motstår slitage lika bra). De bindningar som håller karbiderna bundna i övriga stålstrukturen är svagare än bindningarna i själva karbidpartikeln så när man bryner ett sådant stål kommer karbiderna helt enkelt kunna lossna (och lämna efter sig hålrum där de suttit) vilket alltså ger en mer ojämn yta (och sämre egg).

Kategorier
Stål

Stål, del ett

Alla metaller består av atomer som sitter ordnade i strikt regelbundna mönster eller kristallgitter som det kallas. I kristallgittret hålls atomerna ihop av elektrostatiska krafter (metallbindning) och de ingående metalljonerna delar på elektronerna som kan förflyttas runt i gittret. Det är dessa metallbindningar som gör att metaller kan deformeras utan att brista.

När en metall deformeras kan man, på atomnivå, säga att kristallplanen ändrar position i förhållande till varandra. En metall som deformeras är alltså metallbindningar som bryts och nya metallbindningar som skapas på andra ställen. Kristallgittret är dock aldrig perfekt, det finns små områden där det kan saknas en atom, en sorts byggnadsfel i kristallgittret, dessa områden kallas dislokationer. Dislokationerna gör att det krävs mindre kraft för att deformera gittret, vilket kan vara önskvärt om man lätt vill kunna bearbeta metallen. Ofta är man dock ute efter hög hållfasthet. Detta kan man uppnå med olika typer av härdningsmekanismer.

Stål är en s.k. järnlegering, d.v.s. en blandning, av järn och kol. Att blanda in kol i det hela göra att man kan göra järn nästan dubbelt så hårt genom härdning. Att hållfastheten ökar när man legerar kan överskådligt beskrivas som att legeringsämnenas atomer låser fast dessa dislokationer och förhindrar förflyttning av kristallplan i gittret.

Legeringsämnena kan verka på principiellt tre olika sätt:

  • Substitutionellt: legeringämnets atomer ersätter järnatomer i kristallgittret vilket orsakar en spänning som gör att dislokationerna stabiliseras. Här måste legeringsämnets atomer vara ungefär lika stora som järnatomer (upp till ca 15% storleksskillnad).
  • Interstitiellt: legeringsämnets atomer kilar in sig i ett utrymme någonstans mellan järnatomerna. Detta kan sägas låser fast dislokationerna. Här måste atomerna vara mindre än järnatomer så att de får plats i utrymmet mellan järnatomerna.
  • Partiklar: Legeringsatomerna bildar små partiklar som har ett eget kristallgitter. Dessa partiklar tar plats i metallen och blir som en slags armering. Mer om detta i del två.

Beroende på vilken struktur järnet har (BCC eller FCC) kan olika mycket kol lösas in i gittret. Den maximala mängden är runt 2% vilket är möjligt då järnet når en temperatur på 1150 °C (och har FCC-struktur). Lösligheten för kol i järn med BCC-struktur är betydligt lägre (0,02%). Det innebär att om upphettat stål är legerat med mer kol än så och man låter det svalna (vilket innebär att det långsamt återgår till BCC-struktur) så måste det också göra sig av med kolatomerna. Kolet kommer då att tvingas ur gittret och bilda cementit (järnkarbid). Den förening som uppstår (där lameller av ferrit med BCC-struktur och järnkarbid avlöser varandra) är tvåfasig och kallas perlit.

Om man istället kyler ner stålet fort hinner inte kolatomerna göra sin förflyttning och fångas i järnets BCC-struktur. Ämnet som bildats på detta sätta kallas martensit. När kolatomerna så fångas i gittret uppstår stora spänningar vilket gör martensiten extremt hård men samtidigt väldigt spröd. Hela sanningen är dock lite mer komplicerad och andra legeringsämnen kommer att inverka, men mer om det senare.

Utöver järn och kol kan stål innehålla andra legeringsämnen vilket gör att stål kan tillverkas i massor av olika varianter med olika egenskaper beroende på dess beståndsdelar och hur det har tillverkats.

Den stora bulken av allt stål är s.k. lågkolstål vilket innebär att kolinnehållet är förhållandevis lågt (runt 0,2%). Lågkolstålen kan vidare indelas i undergrupper. Det varmvalsade stålet är det vanligaste och är det som används för byggnader, broar och stora skepp m.m. medan kallvalsat stål är jämnare, har finare yta och kan bearbetas mer precist (mer exakt tjocklek, exakta vinklar etc.). Det kallvalsade stålet är det som används i tillverkning av bilar och för ståldetaljer i möbler m.m.

Om man ökar andelen kol får man högkolstål (>0,8%). Denna typ av stål kan härdas fullt och är alltså hårdare. Med hårdhet menas att stålet är bättre på att motstå deformation och slitage.

När kolandelen ökar över ca 1,5% är stålet i princip så hårt som det kan bli men blir istället mer och mer skört. Med skört menas här inte att det blir mjukt, utan mer som att det blir sprött (och kan spricka som porslin eller glas). Med en kolandel på över 2% kallas stålet för gjutjärn.

För verktyg är det högkolstålen med en kolhalt i området runt 1% vi är intresserade av. I detta område är stålet alltså extremt hårt (och motstår slitage) samtidigt som det inte blir för skört (och riskerar att spricka när verktyget används). En kompromiss med andra ord.

Vid exakt 0,8% kol kommer stålet ha en struktur som kallas perlit, vilket nämndes tidigare. Detta är alltså en lamellär, tvåfasig blandning av ferrit och cementit. Detta kallas också eutektiskt stål. Om detta eutektiska stål nu hettas upp över 788 °C börjar som sagt atomerna att omorganisera sig (från BCC till FCC). Det nya ämnet som bildas (med samma beståndsdelar men annan struktur) kallas austenit (gammajärn). När man sedan kyler av austeniten snabbt får man då som sagt martensit och det är själva martensit-strukturen som ger stålet i verktygen dess hårdhet. Kolatomerna kan sägas låsa strukturen så att den blir motståndskraftig för strukturella förändringar och kristallplanen av järnatomer kan inte glida mot varandra. Ett problem är nu att ett så ”låst” material blir väldigt skört (och kan spricka istället för att ge efter). Man behöver därför göra stålet mindre hårt och mer segt. Detta gör man genom att anlöpa stålet.

Anlöpning innebär att man försiktigt värmer upp stålet igen för att låta delar av martensiten återgå till perlitstruktur. Man kan justera anlöpningen/återuppvärmningen för att uppnå en viss önskad hårdhet i stålet. För verktyg anlöper man typiskt till runt 160-205 grader. Anlöpningen är alltså en balansgång för att finlira stålets hårdhet och seghet (där man inte kan få båda på samma gång).

Olika sätt att härda ger namn åt stålet

För att härda stålet kan man göra på lite olika sätt. Om legeringen bara är järn och kol måste avkylningen av autensiten ske fort för att uppnå full härdning (värmen måste alltså ledas bort så snabbt att atomerna inte har tid att återgå till sin ursprungsposition). Med en enkel legering kan man använda vatten, s.k. vattenhärdning. Stål som härdas på detta sätt får prefixet W (efter engelskans water hardening). Ett problem är att avkylningen kan gå för fort, dvs. stålet utsätts för en kylningschock vilket får det att deformeras eller spricka. I dessa fall kan man använda sig av olja som kyler långsammare än vatten. Det är nu andra legeringsämnen kommer in i bilden.

Vissa legeringsämnen, t.ex. mangan, ändrar stålets egenskaper så att kravet på hur fort avkylningen måste ske sänks. Lägger man till mangan som legeringsämne kan man då använda olja istället för vatten (och ändå uppnå full härdning). Ett exempel på ett sådant stål är det i verktyg vanligt förekommande O1-stålet där O:et står för oil hardening. Manganet har i princip ingen effekt på stålets mekaniska egenskaper och är ett vanligt tillskott i verktygsstål. Om även olja ger en för kraftig avkylning kan man även låta stålet kylas av i luft.

Precis som mangan sänker kraven på snabb avkylning finns även andra grundämnen med liknande effekt. Krom och kisel är exempel på vanligt förekommande legeringsämnen med denna egenskap. Genom att tillsätta dessa kan man alltså ytterligare sänka kraven på avkylningshastighet vilket möjliggör luftkylning. I denna kategori finns A-stålen (A som i air hardening, t.ex. A2-stål) men även s.k. snabbstål (high speed steel, HSS).