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).

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *