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).

Lämna ett svar

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