Jernlegeringer og komposittmaterialer [4 ed.] 8200352900 [PDF]

Zitiervorschau

MATERIALTEKNIKK Rolf Garbo Corneliussen

JERNLEGERINGER OG KOMPOSITTMATERIALER

Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket

Agder Ingeniør- og Distriktshøgskole

Universitetsforlaget

Biblioteket

© Universitetsforlaget 1970

2. 3. 3. 4.

utgave 1972 utgave 1977 utgave, 2. opplag 1981 utgave 1983

ISBN 82-00-35290-0

Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er til­ latt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til ånds­ verk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Omslag: Jan Engebretsen Trykk: Ant. Anderssens Trykkeri A/S, Larvik 1983

u- r /

Forord

Denne bok tar først og fremst sikte på å gi en innføring i fagom­ rådet jern og jernlegeringer. Framstillingen av stoffet og emnevalget er basert på undervis­ ningen i faget materialteknikk ved ingeniørhøgskolene. Under stoffbehandlingen har jeg imidlertid tatt hensyn til læremiddelbehovet innenfor det samme fagområdet ved andre teknisk betonte under­ visningsinstitusjoner. På bakgrunn av impulser fra brukerne av boka og etter sam­ taler med kolleger har jeg foretatt tildels omfattende endringer i foreliggende utgave (3. utgave). Felter som råjern- og stålframstillingen er redusert, og i stedet er det tatt inn nytt stoff. Dette gjelder blant annet avsnittet om komposittmaterialer, som jeg me­ ner ingeniørene vil få stadig mer kontakt med. Avsnittet om ståltyper, standardisering, betegnelser og omtale av de mest anvendte stålkvaliteter er også utvidet. Med tanke på voksenopplæring og de friere studieformene som betinger mer selvstudium, er boka delt opp i hovedavsnitt. Etter hvert hovedavsnitt er det satt opp en del kontrollspørsmål. Boka er utstyrt med et glossar, hvor man vil finne de fleste fag­ uttrykk forklart. Asker, august 1977

Rolf Garbo Corneliussen

4. utgave

I forhold til 3. utgave er det bare foretatt små endringer i teksten. Spenning i N/mm2 er erstattet med SI-enheten MPa. Våren 1983 Rolf Garbo Corneliussen

Innhold Framstilling av råmalm 1.1 Jernmalmer 1.2 Framstilling av råjern 1.2.1 Koksmasovner 1.2.2 Elektriske råjernsovner (lavsjaktovner) 1.3 Råjernets sammensetning og egenskaper 1.4 Ferrolegeringer 1.5 Foredling av råjernet Repetisjonsspørsmål

9 10 10 11 12 13 13 14

Stål 2.1 Stålframstilling 2.1.1 Konverterfersking 2.1.1.1 Oksygenblåsing. LD-metoden 2.1.1.2 Oksygen-kalk-blåsing 2.1.2 Siemens-Martin-metoden 2.1.3 Digelstål 2.1.4 Elektrostålovner 2.1.5 Andre metoder 2.1.6 Utviklingstendenser i stålverkene 2.2 Utstøping og størkning av stålet. ^Tettet og utettet stål Repetisjonsspørsmål 2.3 Stålets egenskaper 2.4 Jern-jernkarbid-fasediagrammet 2.4.1 Struktur uten karbon 2.4.2 Struktur med 0,2 °7o karbon 2.4.3 Struktur med 0,8 % karbon 2.4.4 Struktur med 1,4 °7o karbon 2.4.5 Struktur med 3 % karbon 2.4.6 Struktur med 5 % karbon 2.4.7 Strukturbestanddelenes mekaniske egenskaper 2.4.8 Omvandlingsgrenser (A , og/ls) 2.5 Varmebehandling av stålet 2.5.1 Herding av stålet. Metoder og prinsipper 2.5.1.1 Oppvarming av stålet 2.5.1.2 Avkjøling av stålet. Strukturforandringer 2.5.1.3 Anløping 2.5.1.4 Blåskjørhet, elding og anløpingsskjørhet 2.5.1.5 Seigherding 2.5.1.6 Settherding 2.5.1.7 Nitrering 2.1.5.8 Flammeherding 2.5.1.9 Induksjonsherding 2.5.1.10 Feil ved herding Repetisjonsspørsmål 2.5.2 Gløding av stålet 2.6 Stålets magnetiske egenskaper Repetisjonsspørsmål 2.7 Ståltyper. Inndeling. Standard 2.7.1 Konstruksjonsstål

15 15 15 16 18 18 18 19 19 20 26 27 28 28 30 32 33 34 34

35 36 36 37 39

42 55 56 57 57 60 66 62 65 66 67 72 76 76 79

2.7.1.1 Ulegerte, lavlegerte (mikrolegerte) karbonstål 2.7.1.2 Legerte stål 2.7.2 Rustbestandige stål 2.7.2.1 Ferrittiske stål 2.7.2.2 Ferrittisk-martensittiske stål 2.7.2.3 Martensittiske stål 2.7.2.4 Ferrittisk-austenittiske stål 2.7.2.5 Austenittisk stål 2.7.3 Verktøystål 2.7.3.1 Karbonstål 2.7.3.2 Legerte verktøystål 2.7.4 Hardmetall 2.7.5 Støpestål 2.7.6 Komposittmaterialer Repetisjonsspørsmål

79 83 97 98 99 100 100 100 103 103 104 106 107

108

3. Støpejern 3.1 Grått støpejern (gråjern) 3.1.1 Inndeling av støpejern 3.1.2 Støpejern som konstruksjons­ materiale. Mikrostruktur 3.1.3 Klassifisering av støpegodset 3.2 Kulegrafittjern 3.2.1 Metallurgi 3.2.2 Framstilling 3.2.2.1 Klassifisering 3.2.3 Kulegrafittjernets egenskaper X3.2.3.1 Flytegrense, strekkfasthet . og forlengelse 3.2.3.2 Hardhet 3.2.3.3 Sthgseigheten 3.2.3.4 Elastisitetsmodul 3.2.3.5 Utmatningsgrensen 3.2.3.6 Dempingsevnen 3.2.3.7 Varmefastheten 3.2.3.8 Sveisbarheten 3.2.3.9 Bearbeidbarhet 3.3 Aduserjern 3.3.1 Hvitt aduserjern 3.3.2 Perlittisk aduserjern 3.3.3 Svart aduserjern, ferrittisk med temperkull 3.4 Spesialstøpejern, legerte støpe jernssorter 3.4.1 Høylegert støpejern Repetisjonsspørsmål

Glossar Omregningstabeller til Sl-systemet Det periodiske system Litteratur Stikkord

119 122

124 125 130 131 132 133 133

133 133 134 134 134 134 135 135 135 137 137 138 138

140 143 144

145

173 175 177

179

7

1

Framstilling av råmalm

1.1 Jernmalmer

I naturen forekommer jern ytterst sjelden som reint metall, men er bundet til andre stoffer i forskjellige forbindelser som kalles jernmalmer. De viktigste av disse forbindelsene er: Magnetitt, magnetjernstein eller jernoksydul, Fe3O4, som inneholder ca. 70 % jern, og som forekommer alminneligst i Norge og Sverige. Den er svart eller grå, gir svart strek og er magnetisk. Rødjernstein, jernoksyd, hematitt, Fe2O3, som inneholder 40—60 % jern. Den har stål­ grå farge, gir rød strek og er bare svakt mag­ netisk. Den finnes i Spania og Nord-Afrika. Spatjernstein, FeCO3, som inneholder 30— 40 % jern. Den er særlig viktig i England og Tyskland. Brunjernstein, 2Fe2O3 • 3H2O, som inne­ holder ca. 28—35 % jern. Til denne klassen hører også de såkalte «minettene», som finnes i mektige leier i Lothringen og Luxembourg. De fleste av disse jernforbindelsene fore­ kommer sammen med forskjellige bergarter, som kiselsyre, leire og kalkstein, og må skilles fra disse før jernet kan utvinnes. Malmen knuses og bergarten skilles fra. Dette blir maskinelt utført. Først passerer malmen grovknusere, etterpå siktere. De gro­ vere delene faller ned på transportbånd, og bergarten fjernes for hånd eller i maskiner. Vi får stykkmalm. De finere delene underkastes magnetisk separasjon eller behandles i anrikingsverk. Malmen finknuses eller males til pulver og atskilles derpå ved hjelp av magnetiske eller våtmekaniske (flotasjons-) anrikingsmetoder. De magnetiske metodene nyttes for magne­ tisk malm, mens en skiller den umagnetiske malmen fra bergartene i maskiner som sorte­ rer etter tettheten (spesifikk vekt). Det malmstøvet vi får på denne måten, kalles slig. For at sligen skal kunne brukes i masovner må den agglomereres, det vil si overføres til en mer kompakt form. Sligen presses da til briketter eller overføres til pellets, dvs. små kuler omtrent som nøtter eller litt større. 9

Røsting. Før malmen blandes i masovner, blir den røstet. Med det forstår vi oppvarming til minst rødvarme under lufttilførsel. Hensik­ ten med dette er å befri malmen for fuktighet og å fjerne en del svovel. Malmen blir også ca. 30 % lettere, og dette gir mindre transport­ omkostninger. 1.2 Framstilling av råjern

Råjern framstilles i tre slags ovner: 1) koksmasovner, 2) trekullmasover, 3) elek­ triske råjernsovner.

1.2.1 Koksmasovner

En koksmasovn, som fig. 1.1 viser, er en sjaktovn med rundt tverrsnitt. Den er inn­ vendig foret med ildfast stein og kan ha en betydelig høyde, opptil 30 m. Ifylling av koks, malm og tilslag, som til sammen utgjør ovnens beskikning eller charge, foregår oventil gjen­ nom en forstillbar ringluke. Den kjemiske prosessen består i at karbonet i koksen under forbrenningen binder malmens

Fig. 1.1. Koksmasovn.

10

oksygen, eller som vi sier, reduserer jernoksydet til jern. Jernet blir fritt, og lenger nede i ovnen forbinder det seg med en del karbon og går over til mer lettsmeltelig råjern. Videre blir jernmalmen befridd for berg­ arten, som gjøres lettsmeltelig ved tilsetninger, tilslag. Ved dette dannes det slagg, som er let­ tere enn jernet og flyter ovenpå dette. Slaggets volum er to til fire ganger jernvolumet, og sammensetningen av slagget er viktig for den kjemiske prosess i ovnen. Bergartene består hovedsakelig av kvarts, SiO2, eller av kalk­ stein, CaCO3. For å oppnå lik sammenset­ ning av slagget setter man i første tilfelle til kalkstein, i siste tilfelle kvarts. I begge tilfeller forbinder kalsium seg med silisium til kaliumsilikat, en glassaktig masse som danner et lettflytelig slagg som skilles fra råjernet.

Utviklingstendenser (for råjernfremstilling) Masovnprosessen er en kontinuerlig prosess, og når den først er satt i gang, blir driften holdt i gang i årevis inntil nødvendige repara­ sjoner stanser driften. Konkurransen mellom råjernsprodusentene er stor, og et omfattende teknologisk forskningsarbeid har gitt til dels store framskritt. Utviklingen har ført til: 1. Senking av koksforbruket. Før regnet man 1 tonn koks til 1 tonn råjern. Nå regner man vanligvis ca. 700 kg/tonn. Fra Sovjet og Japan nevnes koksforbruk på 400—500 kg/tonn. 2. Anriking av malmen, forbedring av sinterog pelleteringsanlegg. 3. Økt ovnskapasitet. Før var 200—400 tonn råjern pr. døgn vanlig. I 1965 var man kommet opp i 1000 tonn/døgn. I Japan fin­ nes ovner med en kapasitet på 3500 tonn/ døgn, og det er planlagt ovner med en ka­ pasitet på 4000—5000 tonn råjern pr. døgn. 4. Forbedring av kokskvaliteten (fastere koks). 5. Forbedring gjennom en høyere blestlufttemperatur, opptil 1200 °C, mot før 800 °C, og høyere blestlufttrykk, 3—4 ato, mot før 1 ato.

6. Forbedring av ovnsforingen ved valg av bedre foringsmaterialer og bedre kjøling av sjakten og ovnsbunnen. Før regnet man ca. 6 år før ovnsforingen måtte fornyes, nå regner man ca. 10 år. 7. Forbedring av chargeringen og driften for øvrig. I nyanlegg vil det etter hvert bli tatt i bruk automatisk ovnschargering ved hjelp av EDB-anlegg. Se fig 1.2.

1.2.2 Elektriske råjernsovner (lavsjaktovner)

Elektriske råjernsovner er utviklet siden 1906 i Sverige og Norge. Prosessen i disse ovnene karakteriseres ved at den elektriske energien nyttes til å oppnå den nødvendige temperatur i ovnen, mens det til reduksjon og karburisering brukes koks. Slik reduseres forbruket av koks med ca. 60 % sammenlignet med ovnene som er beskrevet foran, dvs. ovnene bruker ca. 400 kg pr. tonn råjern. Tysland-Hole-ovnens konstruksjon vil fram­ gå av fig. 1.3. Det er en lukket ovn. Den har tre elektroder anbrakt i trekant. Chargeringen foregår gjennom sjakter på siden av elektro­ dene. Gassen ledes bort gjennom rør, passerer et vaskeanlegg og nyttes til forskjellige slags oppvarming. I en elektrisk, råjernsovn er man interessert i så lav spenning, men så høy strømstyrke som mulig, fordi den varmemengden som utvikles, er proporsjonal med kvadratet av strømstyrken.

Fig. 1.3. Elektrisk smelteovn for framstilling av råjern (ELKEM Tysland-Holeovn). Tverrsnitt av en ELKEM elektrisk råjernsovn. 1. Ovnen er foret med ildfast materiale for å motstå tem­ peraturer opp til 1600 °C. 2. Elektrode (kontinuerlig Søderbergelektrode), 3 stykker. 3. Bremseanordning for senking av holderen. 4. En av fire Chargeringssiloer med charge som består av jernmalm, kalkstein, koks og andre beskikningsmaterialer. 5. Chargeringssjakter. 6. Røykkappe. 7. Skorstein. 8. Elektrodespill. 9. Ovnstransformator. 10. Sekundærskinner for å lede strømmen fra trafo til de fleksible kabler som leder strømmen til elektrodene. 11. Tapperenne. 12. Øse.

Fig. 1.2. Masovner med automatisk ovnchargering. a) kokstilførsel. b) sinter (slig). c) forrådssiloer. d) transport­ bånd. e) blandingsbunker. f) transportbånd til masovnsgiktene g) masovner, 3 stykker.

11

Spenningen er delvis avhengig av motstan­ den i smelta. Da silisium øker motstanden for­ holdsvis mye, er spenningen og også kraftfor­ bruket avhengig av silisiuminnholdet. Kraft­ forbruket kan i gunstige tilfelle (lavt silisiuminnhold) være ca. 2000 kWh/tonn, men kan med høyt silisiuminnhold gå helt opp i 3000 kWh/tonn. Elektrodene er av Sbderberg-typen, også kalt kontinuerlig elektrode. Elektrodematerialet består av koks, tjære, antrasitt og bek blandet sammen i et bestemt forhold. For­ bruket av elektrodemateriale er 10 kg pr. tonn råjern. Elektroden består av en stålsylinder som fyl­ les med elektrodemasse. Under trykket av ovenforliggende masse og av varmen i ovnen blir denne massen bakt til en kompakt hard elektrode. Etter hvert som elektroden brenner opp og senkes ned i ovnen, skjøtes en ny sylin­ der på toppen ved sveising. Elektroden blir på denne måten kontinuerlig. Koksforbruket ligger mellom 380—420 kg pr. tonn jern. Gassen som dannes under pro­ sessen i ovnen, inneholder for det meste karbonmonoksyd, CO, og har en varmeverdi av ca. 2500 kcal. pr. m3 gass pr. tonn jern. Av elektriske råjernsovner (type TyslandHole) er det i dag følgende installasjoner i Norge: A/S Bremanger kraftselskap 1 ovn 33000 kVA, årlig produksjon 80000 tonn.

A/S Norsk Jernverk 4 ovner 33000 kVA, årlig produksjon 320000 tonn. A/S Norsk Jernverk 2 ovner 60000 kVA, årlig produksjon 280000 tonn. De to sistnevnte er i dag de største elek­ triske råjernsovner i verden. For å illustrere dimensjonene på ovnene ved Jernverket kan det nevnes at elektrodene i de største ovnene har en diameter på 1,9 m. Fordelene ved den elektriske råjernsovn kan sammenfattes i følgende punkter: 1. Større uavhengighet av råmaterialene og især reduksjonsmaterialenes fysikalske be­ skaffenhet. 12

2. Man trenger mindre av de reduksjonsmaterialer som er nødvendige i masovnen. 3. Ved at mengden av reduksjonsmaterialer og tilslag er redusert, blir det tilført beskikkingen færre bestandeler som kan forringe kvaliteten av jernet. 4. Den utmerkede avsvovling som oppstår i elektroovnen, gjør det mulig å smelte mate­ rialer som overhodet ikke kunne komme på tale i masovnen. 5. Den elektriske lavsjaktovn har stor fleksi­ bilitet og tillater en nøyaktig kontroll av smelteprosessen. 6. Forskjellige spesifiserte tilsetninger til jernet, f.eks. silisium, er lette å kontrollere. 7. Ved mindre produksjonsenheter er anleggs­ kostnadene for en elektrisk ovn lavere.

1.3 Råjernets sammensetning og egenskaper

Produktet fra masovnene kalles råjern, og ovnene kalles derfor ofte råjernsovner. Rå­ jernet har svært forskjellig sammensetning, avhengig bl.a. av malmen, brenselet og tem­ peraturen i ovnen. Det inneholder i alminne­ lighet ca. 90—95 % jern og fra 2—6 % kar­ bon. Karbon forekommer enten fritt som blad av grafitt, eller kjemisk bundet til jernet som jernkarbid, Fe3C. Dessuten inneholder rå­ jernet forskjellige stoffer som stammer fra malmene, tilslaget eller brenselet. De viktigste bestanddelene i råjernet er foruten jern og karbon: silisium, mangan, fosfor og svovel. Måten karbonet opptrer på, fritt eller bundet, er delvis avhengig av disse stoffene. Vi deler råjernet inn i tre hovedtyper. Denne inndelingen bygger på formen, fri eller bundet, som karbonet opptrer i, og det utseendet brud­ det får når et stykke råjern belastes til brudd. Disse typene er: A) Grått råjern B) Hvitt råjern C) Halvert råjern, også kalt melert råjern. Etter bruken har råjernet også benevnelser som f.eks. støperiråjern. Hematittråjern har særlig lavt fosforinnhold (0—0,1 %). Enkelte

sorter har også navn etter det stedet hvor de framstilles, f.eks. de engelske merkene Cleve­ land og Middlesbrough, og det norske NORIRON. Det kan også ha navn etter framstillingsmetoden, f.eks. koksråjern og elektroråjern. Elektroråjernet framstilles i Norge under forskjellige navn. Vantitjern, som leveres fra Bremanger smelteverk, har ca. 0,5—0,7 % vanadium og 0,3—0,5 °7o titan, dessuten — alt etter ønske — 3,8—4,2 % karbon, 1,5—3 % silisium og 0,5—1,0 % mangan. O.B.-jern leveres fra samme verk. Denne typen inneholder ikke vanadium og titan. NORIRON leveres fra Norsk Jernverk, med sammensetning etter ønske. Alle sorter av elektroråjern er fosforfattige. Innkjøp av støperiråjern bør alltid skje etter kjemisk analyse. Analysen bør legges til grunn ved omsmeltingen til støpejern.

1.4 Ferrolegeringer

Med ferrolegeringer forstår vi legeringer som foruten jern inneholder større mengder av andre stoffer. De kan framstilles i masovner, men i Norge framstilles de i elektriske ovner, såkalte ferrolegeringsovner. De viktigste ferrolegeringene er ferrosilisium, ferromangan, silicomangan, ferrokrom, ferrotitan og ferrowolfram.

Ferrosilisium består av jern og silisium. Hvis Si-innholdet er mindre enn 20 prosent, er legeringen finkrystallinsk og ligner hvitt råjern. Overstiger Si-innholdet 50 prosent, blir fargen blåaktig. Ferrosilisium brukes til desoksydasjon av stål (dvs. til å fjerne oksy­ genet i stålsmelta), og til framstilling av stål med stort Si-innhold for spesielle formål, f.eks. transformatorblikk. Vanligste Si-innhold er 75 0,07 °7o, er det for ELI-stålene i områ­ det 0,02—0,04 %. Korrosjonsbestandigheten er god. De ferrit­ tiske stålene har god resistens mot atmosfærisk korrosjon og vann (ikke brakkvann og salt­ vann). De har også god resistens mot kalde, uttynnede løsninger av visse syrer som salpe­ tersyre, fosforsyre og eddiksyre, og mot saltløsninger som sulfider, sulfiter og sulfater ved lav temperatur. Dessuten står denne ståltypen godt mot alkalier. De angripes derimot av saltsyre og svovelsyre (selv ved lave konsen­ trasjoner og temperaturer), klorholdige løsnin­ ger og metallsmelter som aluminium og sink m.fl. Varmebestandigheten (varmehardheten) er god. Stålene er oksydasjonsstabile og har en skalningstemperatur på ca. 800—900 °C med et krominnhold på 13—18 %. Økes krominn-

holdet, stiger skalningstemperaturen. Tillegerer vi nikkel, kan vi få stål med en skalnings­ temperatur på 1150 °C. En slik krom-nikkellegering kan brukes som motstandstråd til heteledere. De høylegerte ferrittiske stålene skiller seg fra andre rustbestandige stål ved at de mest brukes til spesialformål. Fordi de står godt mot en rekke syrer, sulfiter og sulfater, brukes de til apparatur og konstruksjoner i den kje­ miske industri (f.eks. treforedlingsindustrien), og på grunn av sin varmebestandighet til ovnskonstruksjoner, glødegryter, pyrometerrør etc.

2.7.2.2 Ferrittisk-martensittiske stål I disse stålene velger vi så lavt krominnhold som mulig og dessuten lavt karboninnhold, slik at vi kommer inn i feltet M + F, fig. 2.103. Stålene er billige, og blant annet av den grunn brukes de en del. En annen grunn er at dersom de ved sveising får kornvekst, kan de varmebehandles og ved omkrystallisering få en finkornet struktur. (Med det lave krom- og karboninnholdet vil vi ved oppvarming og av­ kjøling passere y-feltet. Se fig. 2.94).

99

Ved sveising har disse stålene lett for å sprekke ved smeltegrensen som følge av martensittdannelse. Dessuten er de ømfintlige for hydrogen.

2.7.2.3 Martensittiske stål Martensittiske stål har et karboninnhold som er avpasset etter krominnholdet, slik at de ved oppvarming over Arpunktet blir austenittiske og ved avkjøling går over til martensitt. Karbonprosenten kan variere, men oftest lig­ ger den mellom 0,10—0,35 %. I stål med la­ veste karboninnhold kan strukturen bli ferrittisk-martensittisk. Stålene holder ca. 12—18 % krom. De kan også inneholde små mengder nikkel. Da krom øker karbiddannelsen i stål og for­ skyver C-T-kurven mot høyre, er disse stålene luftherdende og slitesterke. De nyttes derfor i stor utstrekning til knivstål og andre rust­ bestandige instrumenter (tannlegeverktøy, ki­ rurgiske instrumenter og verktøy). De mekaniske egenskapene er avhengig av varmebehandlingen. Ønsker man at et lavlegert kromstål skal være så bløtt og bearbeidbart som mulig, kan man gløde det ved ca. 760 °C, dvs. under omvandlingstemperaturen, som ligger på omkring 840 °C. Avkjølingsmåten spiller mindre rolle. Enda bløtere får man det ved å gløde over omvandlingspunktet, men da må man la avkjølingen fore­ gå meget langsomt i ovn for å unngå martensittdannelse. Hardheten er da nede i ca. 180 HB. Ønsker man så stor hardhet som mulig, varmer man opp til ca. 950—1050 °C og kjøler raskt av i olje. Så følger en anløping til ca. 300—400 °C. Anløping i området 400—550 °C bør ikke foretas fordi stålene blir anløpssprø og korrosjonsresistensen avtar. Kromkarbider er praktisk talt alltid utskilt ved disse stål. Den eneste måte å unngå karbider på er å holde C i overmettet løsning (martensitt), men da er stålet mindre duktilt enn ønskelig.

Best korrosjonsbestandighet har stålet i her­ det og anløpt tilstand, fordi strukturen da er «homogenisert». Martensittiske stål har ut­ 100

merkede styrkeegenskaper i varmebehandlet tilstand. Et stål etter NVS F 366 har i seigherdet tilstand en flytegrense Rp 02 = 700 MPa og en strekkfasthet 900—1100 MPa, med en bruddforlengelse /15 ~ 15 %. Styrke­ egenskapene avtar imidlertid raskt ved høyere temperaturer. De reine martensittiske stål er ikke beregnet på sveising.

2.7.2.4 Ferrittisk-austenittiske stål

Ferrittisk-austenittiske stål har egenskaper som ligger mellom de ferrittiske og de austenittiske stålene. Strukturen består i utglødd tilstand av ferritt med innblandet austenitt. Analysegrenser: krom ca. 25—28 %, nikkel ca. 4—6 %, karbon ca. 0,08—0,15 %. Molyb­ den kan forekomme. I utglødd tilstand er stålet seigt og egner seg til sveising. Det tåler også langvarig opp­ varming over 900 °C uten at seigheten avtar når materialet kjøles ned igjen til romtem­ peratur. Derimot bør det ikke varmes opp i temperaturområdet 400—900 °C i lengre tid, fordi dette fører til hardhetsøkning og senkning av seigheten. Ved gløding til ca. 950—1000 °C kan seigheten gjenvinnes. Stålene er magnetiske og er ikke herdbare. Bruksområde: Dels som syrefast stål i den kjemiske industri, spesielt celluloseindustrien, og dels som varmebestandige (varmeharde) stål i temperaturområdet 900—1100 °C. 2.7.2.5 Austenittisk stål

Disse stålene inneholder krom og nikkel i så store mengder at strukturen alltid blir austenit­ tisk (Cr + Ni, til sammen minst 24—25 %. Se fig. 2.98.) De kan dessuten inneholde min­ dre mengder av andre legeringsbestanddeler som molybden, titan og niob. Vanligvis er karbonprosenten under 0,1 % C. Disse stålene er umagnetiske. I visse tilfeller kan de likevel bli svakt magnetiske, f.eks. ved kaldbearbeiding, idet en del av den austenittiske struktu­ ren nedbrytes, og vi får innslag av martensitt. Den mest kjente typen er det såkalte 18/8 stål (med minst 17 °7o Cr og 7 % Ni). Sam-

mensetningen kan variere noe. Med en viss forenkling kan man dele dem inn i fire grup­ per, nemlig: a) lavlegert med ca. 0,10 % C, b) standardtype med karbonprosent ca. 0,06 %, c) ELC-stål med ekstra lav karbonprosent, ca. 0,03 (0,02), d) titan- eller niobstabiliserte stål. Disse gruppene svarer omtrent til Norsk Standard 14320 (maks. 0,12 % C, min. 17 % Cr og 7 % Ni), eller DIN 17440 (X5CrNi 189, som står for 0,05 % C, 18 % Cr, 9 % Ni), NS 14350 (som for 14340, men ca. 0,05 % C) og NS 14360 (maks. 0,03 % C, min. 17 % Cr og 9 % Ni). Sveisbarheten er stort sett god. Da stålene ikke tar herdsel, er det ingen fare for herdeeffekter. Noen større fare for kornvekst med sprøhet til følge er det heller ikke. For de to første stålenes vedkommende kan det være fare for interkrystallinsk korrosjon etter svei­ singen, når denne ikke blir fulgt av austenittglødning. For de to siste typene, som har lav karbonprosent og er stabilisert, bortfaller denne faren. Sveisemetoder som fører til kar­ burisering (oppkulling), bør unngås fordi de for alle ståls vedkommende fører til sterk fare for interkrystallinsk korrosjon. De austenittiske stålene har høyere lengdeutvidelseskoeffisient og lavere varmeledningsevne enn vanlig stål (ca. 50 %). Dette med­ fører sterkere krymping, og stålene har derfor større tendens til å bli deformerte (kastninger) ved sveising enn vanlig karbonstål.

Fig. 2.104. Senking av krominnholdet inntil en korngrense.

vist på fig. 2.104. Materialet blir da dispo­ nert for interkrystallinsk korrosjon, og man sier at stålet er blitt sensitivt. En langt fremskredet interkrystallinsk korrosjon fører til at materialet helt går i oppløsning langs korngrensene. Se fig. 2.105. Men kan motvirke

Interkrystallinsk korrosjon av austenittisk stål Visse austenittiske rustbestandige stål har et kritisk temperaturområde, 450—750 °C. I en viss avstand fra sveisesømmen vil tem­ peraturen ligge på dette nivået i kortere eller lengre tid, alt etter sveisehastigheten. Det som da skjer, er at krommen forbinder seg med det karbon som måtte være oppløst i austenit­ ten, og vandrer som kromkarbider ut i korngrensene. Resultatet blir at vi får et område inn til korngrensen som blir kromfattig, som

Fig. 2.105. Mikrofoto av interkrystallinsk korrosjon.

101

interkrystallinsk korrosjon i austenittiske stål enten ved oppløsningsgløding ved temperaturer > 1000 °C med rask avkjøling, holde karbon­ prosenten lav, 0,05 eller 0,03 % eller tilsette små mengder av stabiliserende elementer, f.eks. titan eller niob som har sterkere affi­ nitet til C enn Cr. De danner da titan- eller niobkarbider, og grunnmassen holder krom­ men. Bearbeiding. I sin alminnelighet skulle en austenittisk struktur være lett å bearbeide, fordi austenitt er en bløt struktur. Men det vi­ ser seg at ved kaldbearbeiding, f.eks. ved kaldtrekking, kaldvalsing o.l., vil den austenit­

102

tiske strukturen delvis gå over i martensitt, og vi får en sterk økning av fasthet og hardhet. En slik deformasjon av strukturen er mindre heldig for korrosjonsbestandigheten, derfor bør stålet etter bearbeidingen føres tilbake til en rein austenittisk struktur ved gløding med etterfølgende rask avkjøling. Korrosjonsbestandighet. De austenittiske 18/8 stålene har langt bedre korrosjonsbe­ standighet enn de rustbestandige stålene som er omtalt før. De står godt mot de fleste sy­ rer, baser og saltoppløsninger. De er vanlig­ vis ikke særlig resistente mot svovelsyre og saltsyre, men ved tilsetning av molybden blir

resistensen bedre. Med høyt innhold av krom og nikkel foruten molybden (2—3 %) får vi såkalte syrefaste stål. Gropkorrosjon (punktvis angrep) motvirkes også ved molybdentilsetning. Spenningskorrosjon i austenittiske stål kan også forekomme. Den er vanligvis transkrystallinsk. Den opptrer først og fremst ved på­ virkning av halogenholdige, kloridholdige løs­ ninger når materialet samtidig er utsatt for strekkpåkjenninger inkludert indre spenninger, f.eks. sveisespenninger. Fig. 2.106 viser mi­ krofoto av et speningskorrodert 18/8 Mo-stål. Den første sprekken utvider seg til et nettverk av sprekker. Mekanismen bak spenningskorrosjonsfenomenet er vel ennå ikke helt klarlagt. Man pleier ikke å regne med fare for spen­ ningskorrosjon ved temperaturer under 50 °C. Mekaniske egenskaper. Det som karakteri­ serer rustbestandige austenittiske stål, er at de har meget høy strekkfasthet 500—700 MPa, men meget lav flytegrense, (ÆPo,2) 180—220 MPa. De er meget seige, med en bruddforlengelse /45 på 40 %. Som nevnt fører kraftig mekanisk kaldbearbeiding til en fastning som for en stor del skriver seg fra at austenitten slår over i mar­ tensitt. De austenittiske stålene er også karakte­ risert ved at de er varmefaste (varmeharde), det vil si at de er oksydasjonsstabile. De har også høy sigefasthet. Kjente høytemperaturmaterialer er Nimonic, Iconel m.fl., som nyttes til konstruksjonsformål for driftstemperaturer opp til 1000 °C. De austenittiske stål er i likhet med de ferrittisk-perlittiske stål utmerket ved lave tem­ peraturer. Undersøkelser har vist at strekk­ fastheten var 2,5 ganger større ved -195 °C enn ved 20 °C. Også formbarheten øker. Bruksområde: På grunn av sine mange gode egenskaper har de austenittiske stålene fått stor utbredelse på forskjellige områder. Kromnikkelstålenes fremragende kombinasjon av kjemisk motstandsevne og mekanisk fasthet muliggjør forenklede, lette konstruksjoner. Særlig har deres motstandsevne overfor alle

organiske syrer, som eddiksyre, sitronsyre, vinsyre, melkesyre og fettsyre, og mot alkalisk virkende reagenser, sikret dem stor utbredelse ved fabrikker i næringsmiddelbransjen, i meie­ rier, bryggerier, tobakksfabrikker, fargerier, papir- og kunstgjødselindustri. Krom-nikkelstålene leveres i alle ønskelige utførelser, som støpegods, smiegods, plater, bånd, rør, stenger osv.

2.7.3 Verktøystål

Å velge konstruksjonsstål er forholdsvis lett. Vi kjenner jo vanligvis de påkjenninger som stålet utsettes for i praksis. Helt annerledes er det når vi skal velge verktøystål. De krav som stilles til materialet, er så vekslende og ube­ stemte at det ofte er vanskelig å finne en pas­ sende ståltype. Ofte er påkjenningene på verk­ tøyet av så forskjellig art at vi må finne et kompromiss for å nå så langt som mulig med hensyn til hardhet, bøyefasthet, seighet osv. Til verktøystål nyttes både karbonstål og le­ gerte stål. Verktøystål er ingen bestemt lege­ ring, men kan ha forskjellige sammensetninger og varmebehandling alt etter bruksområdet. Det finnes derfor et utall av verktøystål på markedet. De kan forenklet deles i fire grup­ per: 1. Karbonstål 1 . , , ... , ,, , f kaldarbeidsstal 2. Legerte kaldarbeidsstal J 3. Legerte varmarbeidsstål 4. Hurtigstål (highspeedstål)

2.7.3.1 Karbonstål

Med karbonstål eller ulegerte verktøystål me­ ner vi stål der karbonets innflytelse er domine­ rende og eventuelle legeringselementer bare ut­ gjør en liten andel, f.eks. Mn og Si i størrelses­ orden 0,25 °7o, og dessuten i enkelte tilfeller Cr, W og V i små mengder for å øke slitestyrken. Karbonstålene er de billigste verktøystålene. De er enkle å framstille og varmebehandle. Ved å forandre karboninnholdet kan vi forandre egenskapene, og de forandres i langt sterkere grad ved en variasjon i karbonprosenten med 103

etterfølgende varmebehandling enn ved tilsva­ rende variasjon av et hvilket som helst annet legeringselement. Karbonstålene herdes som regel i vann. Derved får en en forholdsvis stor overflatehardhet og god slitestyrke, selv om denne ikke kan sammenlignes med stål som inneholder større mengder av karbiddannende legeringsemner. På den annen side medfører vannherdingen at karbonstålene ikke passer for verktøy med innviklet form, dels fordi den kraftige avkjø­ lingen gir risiko for sprekkdannelse, dels på grunn av kast og formforandringer som den kan medføre. Maksimalhardheten hos karbonstål er meget høy, i mange tilfeller høyere enn for legerte stål, men gjennomherdbarheten er vesentlig mindre. Karbonstålene er derfor mer eller min­ dre gruntherdende, dvs. herdesjiktet strekker seg bare noen få millimeter inn i materialet, og selve kjernen får en lavere hardhet enn ytter­ sjiktet, under forutsetning av at dimensjonen ikke er så liten at stålet herder tvers igjennom. Overeutektoide stål er noe mer gruntherden­ de enn undereutektoide fordi herdetemperaturene over 0,8 % C bare ligger noe over Alf der vi har austenitt + frie karbider. Ved avkjøling hemmes martensittdannelsen, og perlittutskillelsen favoriseres. Herdesjiktet betegnes vanligvis som herdedybden. Den kan variere hos de forskjellige slag av karbonstål. Variasjonene henger delvis sammen med stålets kjemiske sammensetning og visse andre omstendigheter under framstil­ lingen av stålet, noe som gjør det mer eller mindre finkornet. For eksempel oppnår et stål som fremdeles er finkornet etter oppheting til relativt høy temperatur, en mindre herdedybde enn et materiale som under tilsvarende forhold blir mer grovkornet. Grunnen til dette er om­ talt under jominyprøven. En mindre herdedybde er ofte en fordel for verktøy som foruten å ha hard og slitesterk overflate krever en seig kjerne. For andre verk­ tøy igjen kreves kanskje større bæring, dvs. et mer dyptherdende materiale.

104

Karbonstålene har relativt liten motstand mot anløping, dvs. hardheten minker mer enn hos stål som er legert med karbiddannende legeringsemner, f.eks. krom og wolfram. Sti­ gende innhold av disse legeringsemnene gir større motstand mot anløping. Anløpingen av verktøystål er viktig. I herdet tilstand er stålet sprøtt med store indre spen­ ninger. Ved anløping utløses disse, samtidig som hardheten ved lav løpetemperatur bare av­ tar uvesentlig. For alle typer verktøystål gjelder det at an­ løpingen må foretas så snart som mulig etter herding for at de store indre spenninger ikke skal føre til herderiss eller herdesprekker. An­ løping av karbonstål er behandlet i tidligere avsnitt. Karbonstålene er som nevnt billige verktøy­ stål, og varmefastheten er dårlig. De mister sin hardhet ganske raskt ved anløping. Se fig. 2.61. Men til enkelte formål kan karbonstålenes spesielt gode herdeegenskaper gi gode re­ sultater. For overeutektoide stål øker ikke hardheten i herdet tilstand nevneverdig når kar­ bonprosenten øker (fig. 2.32), men slitestyrken øker fordi det blir skilt ut karbid. Ulegerte karbonstål brukes i senker til kaldstuking og stansing, saksekniver, brosjer, trebearbeidingsverktøy etc.

2.7.3.2 Legerte verktøystål

Selv om karbonstålene er utmerkede verktøy­ stål til mange formål, er det klart at med det utall av legeringer vi i dag skal bearbeide, kreves det også et utall av verktøystål for å oppnå optimale ytelser med lavest mulig verktøyomkostninger. Det man kan oppnå med le­ gerte verktøystål sammenlignet med karbon­ stål, er

større gjennomherdbarhet (herdedybde) større slitestyrke større styrke og seighet større varmehardhet (varmefasthet) sikrere herding og mindre deformasjon.

Vi skal her se på legeringselementenes inn­ flytelse på verktøystålenes egenskaper. Karbonet øker hardheten opp til ca. 0,8 %. Videre økning gir større slitestyrke.

Mangan øker gjennomherdbarheten i forbin­ delse med krom. Austenittisk høymanganholdig stål har sær­ lig høy slitasjemotstand på grunn av fastning ved kalddeformasjon. Samtidig har det god seighet. Krom senker den kritiske avkjølingshastig­ heten og forskyver C-T-kurven mot høyre. Derved øker herdedybden. Man må unngå for rask oppvarming og avkjøling, ellers kan det oppstå herderiss. Vann blir vanligvis for kraf­ tig når C- og Cr-innholdet er stort. Cr-stålene er derfor luft- eller oljeherdende. Krom øker slitestyrken, da det er karbiddannende. Nikkel senker den kritiske avkjølingshastig­ heten og forskyver C-T-kurven mot høyre. Der­ ved øker herdedybden. Nikkel gir stor seighet. Ni-legerte verktøystål brukes i senker og pregestål, men ikke til sponende verktøy. Wolfram har en lignende innvirkning som krom, men svakere. Wolframstål kan derfor vannherdes. Wolfram er karbiddannende, og wolframlegerte stål brukes derfor til sponskjærende verktøy. Wolfram er et viktig legeringselement i hurtigstålene. Wolframlegerte stål er varmeharde og brukes til varmarbeidsstål.

Molybden og Vanadium. Molybden og va­ nadium er karbiddannende. Vanadiumkarbid er det hardeste av alle karbider. Mo- og V-legerte stål er enda mer varme­ harde enn wolframlegerte. De gjør stålet min­ dre ømfintlige for overoppheting. Kobolt øker varmehardheten, fordi det vir­ ker diffusjonshemmende. Ved å variere meng­ den og typen av legeringskomponentene og varmebehandlingsprosessen kan man få et utall av verktøystål. Det er derfor klokt å kontakte firmaer som er forhandlere for de store verktøyfabrikkene når man har spesielle problemer på dette feltet. En arbeidsoperasjon kan gå ut­ merket med en bestemt materialkvalitet og overflatebehandling, mens økt verktøyslitasje eller brudd kan forekomme ved små endringer i de bestående forhold. For eksempel vil det gi mindre verktøyslitasje at overflaten på de de­ lene som skal bearbeides sponløst er rein, enn om de har et overflatebelegg av f.eks. gløde­ skall. For å forenkle stålvalget har man forsøkt mange metoder. Den som har fått størst be­ tydning, er den som i amerikansk litteratur er betegnet som «The Matched Set Method». Den går i korthet ut på at verktøykonstjmktørene nytter det billigste og enkleste verktøymateriale som finnes, og ut fra dette setter til de lege­ ringselementer som gir den ønskelige egenskap. Som basis har man valgt et vannherdende karbonstål med god hardhet, «vannhardt stål», som inneholder ca. 1,05 % C, ca. 0,20 °7o Si, ca. 0,20 % Mn. De særskilte ønskemål man har, kan sammenfattes i fire retninger:

Større slitestyrke

Fig. 2.107.

Større sikkerhet mot feil, mindre deformasjon

Større varmehardhet

Større seighet

105

Hurtigstål (HS) er en verktøytype som er sær­ lig kjent fra skjærende bearbeiding. Med høy skjærehastighet blir det stor friksjon mellom verktøyet og materialet, og temperaturen på verktøyeggen blir høy. Da gjelder det å ha temperaturbestandig stål som beholder hardheten. Derfor nyttes varmeharde stål. Det finnes en rekke forskjellige typer hurtigstål i handelen. Ut fra verktøyvalgskjemaet setter vi til ele­ menter i HS-stålene som øker basisstålets varmehardhet, dvs. vi legerer med W, V, Mo og Co. Sammensetningen av hurtigstålene kan va­ riere innenfor følgende grenser: karbon 0,5— 1,6 To, wolfram 0—20 To, vanadium 1—5 To, molybden 0—9 To og kobolt 0—12 To. Sam­ mensetningen av hurtigstålene (bl.a. høyt Cinnhold) gjør at de både får stor maksimal hardhet og også god gjennomherdbarhet. For å få maksimal hardhet må de oppvarmes me­ get høyt (ca. 1250 °C) for at all karbiden skal oppløses og for at de skal få mest mulig mar­ tensitt ved avkjølingen. Fabrikantene angir maksimal herdetemperatur for sine HS-stål. Varmebehandling over denne temperaturen må ikke finne sted, fordi det da kan dannes smeltefaser. Avkjølingen kan finne sted i saltbad, olje eller luft. Dekarburisering kan finne sted under varme­ behandlingen dersom stålene ikke er beskyttet. Vi kan beskytte dem ved å bruke: 1. ovner med kontrollert atmosfære, 2. flytende oppvarmingsbad, 3. fast pakkemiddel.

Verktøystål. Sammendrag

Det er forholdsvis lett å velge konstruksjons­ stål fordi vi kjenner påkjenningene og de lover som gjelder for dem. Å velge verktøystål er mye vanskeligere fordi de krav som stilles, er så vekslende, og ved mange bearbeidingsoperasjoner er påkjenningene vanskelige å beregne. Alt etter formålet (bruksområdet) kan vi ved å variere den kjemiske sammensetning og var­ mebehandlingen få fram et utall av verktøy­ stål. Forenklet kan de deles inn i fire grupper: 106

Karbonstål eller ulegerte verktøystål Legerte kaldarbeidsstål Legerte varmarbeidsstål Hurtigstål (highspeedstål) Til mange formål vil det enkleste karbon­ stål være det beste verktøystål (f.eks. til sen­ ker, saksekniver, kaldstukingsverktøy etc.). Dersom dette «basisstålet» ikke oppfyller kra­ vene, må det legeres. De vanligste legeringselementene er, foruten karbon, Mn, Cr, Ni, W, Mo, V, Co m.fl. Ved å legere basisstålet med ett eller flere av disse elementene (i forskjellige mengder) kan vi styre egenskapene til verktøystålet i retning av: 1. større slitestyrke, 2. større varmehardhet (temperaturbestandighet), 3. større styrke og seighet (duktilitet), 4. større sikkerhet og mindre deformasjon (formbestandighet). Å velge ståltype er ingen enkel sak, selv for dem som arbeider med disse problemene. I tvilstilfeller er det greit å ta kontakt med stålleverandørene for å få utredet problemene. Det er sagt at fire faktorer er medvirkende for å lage et godt verktøy: 1. skikkelig konstruksjon, 2. nøyaktig utforming og tilpassing, 3. riktig verktøystål, 4. korrekt varmebehandling. (Følg leverandørenes varmebehandlingsforskrifter!) 1. 2. 3. 4.

2.7.4 Hardmetall

Med de store produksjonshastigheter som kre­ ves i dag, kan selv hurtigstålene ikke alltid opp­ fylle kravene. Ved å øke andelen av de elemen­ ter som danner karbider kan man få såkalte hardlegeringer direkte ved avkjøling fra smeltefasen. Hardlegeringene trenger ingen varmebe­ handling. Sammensetningen kan variere. De kan f.eks. ha 2,2 To C, 27 To Cr, 14 To W, 55 To Co, resten Fe. Som en ser, inneholder de praktisk talt ikke jern. Hardmetallene kan vel derfor ikke kalles stål, men behandles som regel i sammenheng med verktøystål. Den typen som er nevnt fo-

ran, kalles smeltetypen. Et kjent handelsnavn er Stellitt. Den kan bl.a. fås i form av elektro­ der til buesveising. Avsettet blir hardt og slite­ sterkt, samtidig som det er korrosjonsbestan­ dig og varmehardt (varmefast). Den andre ho­ vedtypen er sinterhardmetall. Det består av wolfram-, tantal- eller titankarbider som er sintret sammen med kobolt som bindemiddel. Blant de første som produserte sintrede hardmetaller, var Krupp-verkene. Da disse hardmetallene hadde meget stor hardhet, opp til HV 1800, kalte man dem WIDIA (WIe DIAmant). De blir framstilt i en rekke kvaliteter. Alt etter sammensetningen og forholdet mel­ lom karbider og kobolt får man seige, men mindre slitesterke eller harde, sprø og slite­ sterke typer. Etter ISO-TC 29 nyttes følgende gruppebetegnelser for avsponingsverktøy for stål: P for langsponende materialer, K for kortsponende materialer og M for materialer som ligger mellom disse. Gruppe G nyttes for plastisk forming. En nærmere redegjørelse for sintermetaller finnes i avsnittet om Pulvermetallurgi i bind 2.

2.7.5 Støpestål

For en del år siden kunne stålstøpt formgods feire hundreårsjubileum, idet Bochumer Verein i Westfalen da begynte å produsere stålstøpte kirkeklokker. Produksjonen av stålstøpegods har gjennom­ gått en rivende utvikling, og tilvirkningen nå dreier seg om stykkvekter fra noen få hekto og opp til flere hundre tonn (støpevekt ca. 450 tonn). Det viser seg meget ofte at formgiving av stål gjennom støping er en metode som med­ fører både tekniske og økonomiske fordeler. Stålstøpegods er derfor tatt i bruk på mange områder, hovedsakelig innen maskin-, skips-, transport- og bygningsindustrien, men også i flyindustrien, der det til enkelte særlig påkjente deler nyttes en stållegering. Veivaksler er et annet produkt av støpt stål. Med stålstøpegods har man stor frihet, ikke bare i den konstruktive utforming, men også

i materialvalget. Man kan nytte de materialer som er best egnet til formålet. Til stålstøpe­ gods er det også lett å bruke en kombinasjon av støpt gods og valset plate eller smidd gods fordi alt er av stål. Med forskjellige sveisemetoder kan man føye delene sammen. Kompli­ serte konstruksjonsdeler er det ofte en fordel å støpe i flere deler og siden sette sammen ved sveising. Særlig er ulegert støpestål lett å svei­ se, men også legert støpestål kan sveises hvis man nytter passende elektroder og sveisin­ gen utføres av øvet personell. Sveiste kon­ struksjoner av mer komplisert form bør spenningsglødes etter sveisingen for å unngå kastninger og sveisesprekker. Fordelen ved spen­ ningsgløding gjelder ikke bare for sveiste kon­ struksjoner. Alt større stålstøpegods må glødes (normaliseres) for å bli kvitt spenninger og for at strukturen skal bli finkornet. Glødetemperaturen tas ut av jern-karbondiagrammet, og vil vanligvis ligge i temperaturområdet 800— 900 °C,. litt over Aci. Avkjølingen foregår raskt eller langsomt, etter om man velger nor­ malisering eller full utgløding av godset. Det er oftest også nødvendig med en anløping i for­ bindelse med normaliseringen. Stålstøpegods som er normalisert (homogenisert), gir de høyeste verdier for bruddstyrke og flytegrense. Normalisering i forbindelse med anløping gir de beste verdier for innsnøring, forlengelse og skårslagarbeid. Stålstøpegods er i Norsk Standard 1698 inn­ delt etter strekkfastheten i Sst 41 til Sst 60. Stålstøperiene kan levere gods i følgende grupper: 1. Karbonstål (karbon + små mengder Mn og Si) 2. Lavlegerte stål (Mn, Cr-Ni, Ni, Cr-Mo) 3. Høylegerte stål 4. Varmebestandige og rustbestandige stål. Det er langt vanskeligere å framstille gjen­ stander av støpestål enn av støpejern, da støpestålet krymper atskillig mer (lineær kontrak­ sjon ca. 1,5—2 °7o, mot støpejernets 1 To). Det har også større tendens enn støpejern til å dan­ ne hulrom (lunker) under størkningen. Det krever en annen løpsteknikk, og dødhodene

107

(synkehodene) utgjør ofte 50 % av godsmassen. Av denne grunn unngår mange konstruktø­ rer stålstøpegods hvis de på noen måte kan det. Det skulle ikke være noen grunn til det. Det støperitekniske nivå i dag er ganske høyt, og vi har også en rekke kontrollmuligheter, f.eks. røntgen, bruk av radioaktive isotoper, magnetiske sprekksøkemetoder og ultralyd, som meget nøye kan lokalisere eventuelle støpefeil. Dermed skulle en ha den beste garanti for at stålstøpegods som blir utsatt for sterke påkjenninger, kan leveres fritt for lunker eller andre indre feil.

materialer enten som følge av sin flerfasestruktur, for eksempel perlittiske stål, eller som følge av gunstig fordeling av presipitater (so­ ner) i matriksen, slik tilfellet er i utskillingsherdbare legeringer. I den seinere tid er navnet komposittmateri­ aler blitt brukt om sammensatte materialer generelt, ikke nødvendigvis om metalliske. Ek­ sempler er materialer som har dispergerte par­ tikler (f.eks. karbider) som er uløselige i ma­ triksen (vertsmetallet), og infiltrering av fibrer (whiskers) av forskjellige elementer i matriksen (vertsmaterialet), f.eks. karbonfibrer i epoksy, forsterkning av bly med molybdentråd, kar­ bonfibrer til forsterkning av aluminium.

2.7.6. Komposittmaterialer

De fleste metalliske bruksmaterialer er legerin­ ger. De kan karakteriseres som kompositt­

108

Fig. 2.108. Kombinasjoner av egenskapene til typiske cermets.

At komposittmaterialene har en stor fremtid, er det neppe tvil om. Komposittmaterialene er kompromisser. Man søker et kompromiss mellom kostnader og akseptable nivåer f.eks. for styrke, duktilitet, densitet og høy temperaturbestandighet. Kombinasjoner av egenskaper hos typiske cermet-materialer er vist på fig. 2.108. Cennets er keramisk-metalliske blandinger. Enhver pulver-metallurgisk framstilt metallkeramisk blanding er en cermet når egen­ skapene til de metalliske og de keramiske an­ delene er direkte virksomme. Det er klart også at komponentenes dårlige egenskaper bringes inn i kombinasjonen. Man får et kompromissmateriale med middelverdi­ en av egenskaper. Disse middelverdiene er ikke bare avhengige av volumandeler i de fasene som inngår, men er også bestemt av strukturgeometrien, altså av form, størrelse, orien­ tering og fordeling av faseandelene. Styrken i sølv (også høytemperaturstyrken) kan økes vesentlig med f.eks. 30 volumpro­ sent Al2O3-pulver (pulverforsterket). En kan øke styrken enda mer ved å infiltrere A12O3whiskers (fiberforsterket). Slanke fibrer (l/d ~ 300) er bedre enn tykkere (J/d ~ 100). Fig. 2.103 viser forholdene.

Faseforsterkning

Cermets består for det meste av to faser. Mel­ lom dem er det i mange tilfeller en reaksjons-

Temperatur °C Fig. 2.109. Varmefasthet (høytemperaturstyrke) hos sølv og sølvkompositter.

Fig. 2.110. Skjematisk framstilling av forskjellige former for tofasestruktur.

fase. Metoden med å kombinere to forskjellige faser eller materialer med hverandre for å få et materiale med bedre egenskaper er ikke ny. Alt i middelalderen framstilte araberne såkalt damascenerstål (dvs. «fra Damaskus») som bestod av tynne sjikt av herdbart stål innkapslet i et bløtt karbonfattig stål. Det ble kjent i Europa under korstogene, særlig som sverdklinger. Som det går fram av fig. 2.108, består cer­ mets av en keramisk fase (som kan være Be, O, A12O3, SiC etc.). Karakteristisk er lavt ordningstall, noe som gjør det mulig å oppnå stor styrke ved lav tetthet (densitet). Ulempen er dårlig plastisk tilformingsevne. Materialene er slag- og kjervømfintlige. Klarer man å få ke­ ramiske materialer uten mikroriss med atomær jevn overflate, og å beskytte denne overflaten under driftsforhold, er de keramiske materi­ alene utmerkede konstruksjonsmaterialer. Det­ te prøver man i praksis å oppnå ved å infil­ trere tynne faser i en plastisk matriks (grunn­ masse), som vist på fig. 2.110. Som faseblandinger nyttes stoffer der to eller flere faser danner termodynamisk likevekt. Slike blandinger er termostatiske. Men sam­ tidig vil jo slike blandinger i termodynamisk likevekt begrense typen, sammensetningen og volumandelen av de faser som inngår i blan­ dingen. På den annen side kan man «binde sammen» blandinger av vilkårlige faser ved å sintre pulverblandinger, infiltrere fibrer eller infiltrere flytende metall i porøse emner. Forutsetningen for å få dannet et faststoff er at det dannes et fastsittende grensesjikt mellom komponen­ tenes overflate. Da fasene ikke er i likevekt, 109

får man en reaksjonsfase i overgangen. Derfor er disse materialene termostabile bare opp til en viss grense. Den form fasene kan opptre i, kan variere. Forenklet kan vi tale om kuleform, stavform og plateform. Plateformede og stavformede faser kan dannes ved diskontinuerlige reaksjoner. Lengdeaksen står da normalt på reaksjonsfronten. Hvilken form som dannes, er avhengig av de to fasenes volumandel og av grenseflateforholdene. Av egenskapene til faseblandinger er det enklest å bestemme de som er svakt retningsavhengige, for eksempel spesifikk varme, varmeinnhold og tetthet. Da gjelder en enkel additivitet:

PM — P1 fl + Pl J21................... P nfn Her er PM blandingens egenskap

Pi Pi.... Egenskapene og fi fi .... volumandelene til de fasene som inn­ går i blandingen Fig. 2.105 viser additiviteten for noen egen­ skaper hos ferritt-cementittblandinger (fasefordeling) hos stål. Retningsbestemte egenskaper som elastisitetsmodul, strekkfasthet etc. lar seg bare be­ stemme under bestemte geometriske forutset­ ninger når det gjelder fordeling og beliggenhe­ ten av fasene i strukturen. Dette går klart fram av fig. 2.110.

a)

110

Fe - whiskers

Fig. 2.111. Varmeinnhold, tetthet og utvidelseskoeffisient hos Fe-Fe3C.

Fiberforsterkede metaller Fiberforsterkede metaller er kompositter som består av en matriksfase (grunnmassefase) og en fiberfase (trådfase). Matriksen er vanligvis reine, duktile metaller. Årsaken til at komposittmaterialer har fått større betydning, er kravet om høyere styrke og mindre vekt. Vi vet at mange materialer har langt høyere styr­ ke i fiberformet (trådformet) tilstand enn i kompakt. I de fibrer, whiskers, som fram­ stilles, er det få uregelmessigheter i gitteret og Fig. 2.112. Sammenhengen mellom strekkfasthet og dia­ meter av whiskers a) Fe-whiskers b) Cu-whiskers

b) Cu-whiskers

få muligheter for dislokasjonsbevegelser, med andre ord økt flytegrense. Med fiberforsterking kan man nå flytegrenseverdier opp mot det som er teoretisk mulig, alt etter fiberens dimensjoner og framstillings­ måten. De høyeste verdiene får man med me­ get tynne enkrystallwhiskers med få eller ingen bevegelige dislokasjoner. Med økende tykkelse og flerkrystallinsk oppbygging synker for ek­ sempel strekkfastheten raskt, slik det går fram av fig. 2.112. Vi ser at det for Fe-whiskers er stor spredning i forsøksverdiene. Krystallene, whiskersene, kan framstilles så­ vel av metaller som av keramiske materialer. Jo tynnere whiskers, desto dyrere er de. Er forsterkermaterialet relativt tykkere enn whiskersene eller bygd opp av flere tynne trå­ der, blir materialet gjerne kalt fiber. Tabell 2.8. Egenskapene til whiskers med diameter 1—4 pm Fig. 2.113. Prisutviklingen for fiberforsterkede materialer.

og ved 20 °C. Egenskap

Strekk­ fasthet

Materiale

Jernferritt Kobber Silisium Grafitt A12O3 SI C Karbon

E-modul E MPa- 10’ ■ 103

Tetthet 9 kg /dm’

Spes, styrke E„/P

Spes, elasti­ sitet E-modul E/ P

Smelte­ punkt °C

7,8 8,9 2,3 2,2 4,0 3,2 2,3

1,540 0,335 3,0 9,1 4,0 6,2

27,0 13,5 78,0 315,0 145,0 220,0 480,0

1536 1080 1456 3000 2050 2600 3500

MPa-10’ • 103

12 3 7 202) 16 20

210 120 180 700—10002> 580 700 1000

1) Enkrystallwhiskers 2) Basisplan || whiskersaksen

Fibrer som har forskjellig tykkelse og er bygd opp flerkrystallinsk, framstilles av for­ skjellige materialer og på forskjellig måte. Også vekstretning og krystallorientering kan va­ riere. Derfor vil data for fibrene variere sterkt. Dersom det ikke finnesa nøyaktig spesifikasjon, må verdier som oppgis i tabeller, bare tas som veiledning. Karbonfibrer eller borfibrer er karakterisert av et høyt forhold E-modul/tetthet. De brukes derfor i materialkomponenter i romfarten og i fly- og bilindustrien. Ford har bygd en eksperi-

mentbil hvor en rekke strukturelle deler er utført i karbonfibermaterialer. Herved er bilen blitt flere hundre kilo lettere enn ved bruk av konvensjonelle materialer. Mindre vekt betyr mindre bensinforbruk. Karbonfiber i epoksy blir brukt i skifabrikasjon. Prisen på fiberfor­ sterkede materialer sank kraftig i årene 1970— 75, slik figur 2.113 viser. Den er i dag på et ak­ septabelt nivå. Borfibrer framstilles i dag vanligvis ved kondensasjon av B-atomer på tynne metalltråder, for eksempel wolfram. Egenskapene til forskjellige fibermaterialer er vist i tabell 2.9.

111

Tabell 2.9. Egenskapene til fibermateriale ved 20 °C. Egenskap

Materiale Sodaglass (1 Mm) Kiselglass (1 Mm) Bor Stål, 0,9 % C (150 Mm 0) Rustbestandig 18/8 (150 Mm 0) Wolfram (150 Mm 0) Beryllium (170 Mm 0) Karbon Grafitt (10 Mm)

Strekk­ fasthet

f-modul MPa-103 • 103

103

MPa-103

Spes, strekk­ fasthet Km

Spes. Æ-modul km • 103

4.5

98

2,5

180

3,9

10 10

105 550

2,5 2,3 ■

400 430

4,2 24,0

6

300

7,85

80

3,8

2,5

290

7,85

30

3,7

5,5

500

19,3

30

2,6

1,8 3—2 5

1,8 100 2,3 130—85 2,2 230 — ---------------------- i — 450 230—700

Forsterkermaterialene kan klassifiseres som følger: 1. Whiskers, dvs. filamenter av enkrystaller av forskjellig lengde, a) metalliske b) ikke-metalliske 2. Fibrer, polykrystallinske 3. Fibrer, amorfe 4. Metalltråder (wires) med meget liten dia­ meter. Forsterkermaterialet kan være infiltrert i matriksmaterialet enten som kontinuerlige trå­ der parallelt med fibrenes lengderetning, eller som diskontinuerlige fibrer. Se fig. 2.114.

Fig. 2.114. Fiberorientering i komposittmaterialer. a) kontinuerlige fibrer b) diskontinuerlige fibrer

112

Densitet kg/dm3

25,0 10—30,0

Metoder for framstilling av fiberkomposittmaterialer Det finnes en rekke metoder for framstilling av fiberkomposittmaterialer. Vi skal nevne noen: 1. Infiltrasjon av flytende metall i en fiberbunt eller en muffe. 2. Pulvermetallurgiske metoder: kald- eller varmpressing av fibrer og metallpulver, fulgt av sintring. Se fig. 2.115. 3. Varmpressing av fibrer etter at de er be­ lagt med matriksmateriale. 4. Varmvalsing eller varmpressing av fibrer mellom plater av matriksmateriale. Se fig. 2.110. 5. Kontrollert vekst der det dannes en nålefase eller fiberfase ved avkjøling av en legering.

Forsterkingseffekt Ved dispersjonsherding skjer styrkeøkningen i matriksmaterialet som følge av dislokasjonshindringen av ikke-metalliske utfelte faser som oftest har globulær (sfærisk) form < Iptm diameter. Volumandelen av utfellinger er 1 50 %.

Fig. 2.115. Rein aluminiumpulver med 1,8 mm rustfri ståltråd presset ved 450 °C (a) presset (xlOO), (b) sintret 1 time ved 600 °C (x 100).

Cermetsmaterialer inneholder også metaller og ikke-metaller av globulær form, men med diameter over 1 ptm. Volumandelen kan gå opp til 50 1 betyr at jernet er undereutektisk, henholdsvis overeutektisk. Merk at samme metningsgrad kan nås ved forskjellig kjemisk sammensetning. For ek­ sempel kan vi få støpejern Sj.G 20 med en metningsgrad på 0,94 enten med en karbon­ prosent på 3,25 i forbindelse med en silisiumsprosent på 2,50, eller med en karbonpro­ sent på 3,45 i forbindelse med en silisiumprosent på 1,85. Vi ser her bort fra de øvrige elementers innflytelse.

Fig. 3.9 viser forholdet mellom strekkfasthet og metningsgrad (godssammensetningen), fun­ net ved normerte strekkstaver (30 mm diame­ ter i støpt tilstand). Når kunden ønsker et støpegods med en bestemt styrke, kan met­ ningsgraden angis. Kunden bør overlate til stø­ periet å velge den kjemiske sammensetningen slik at riktig metningsgrad oppnås. Fig. 3.9 viser at ved en og samme metnings­ grad, f.eks. 0,9, kan verdien for strekkfasthe­ ten variere mellom 250 og 300 MPa (25—30 kp/mm2). Om det nyttes en spesiell chargering,

4,26-0,312Si-0,33 • P + 0,18(Mn-1,76 • S) Fig. 3.9. Metningsgrad Sc.

126

kan variasjonen gå opp i 350 MPa (35 kp/mm2) uten at dette kan forklares ut fra jernets kjemiske sammensetning. Metningsgraden er konstant. Til tross for dette har begrepet metningsgrad og forholdet metningsgrad— strekkfasthet fått stor betydning ved bedøm­ ming av støpejern. I Storbritannia og USA blir det ofte brukt et annet uttrykk for relasjonen mellom mikro­ struktur og fasthet, nemlig karbonekvivalenten CE, også kalt Ec. Dette uttrykket bruker jern-karboneutektikumverdien direkte som basis. For en spesiell analyse tilføyes den nødvendige korreksjon til den totale karbonverdi, slik at sluttallet kan sammenlignes med det teoretiske karboneutektikumtallet for reine jern-karbonlegeringer. Med andre ord er CE et mål for forskyv­ ningen i eutektisk sammenheng.

CE = totalt karbon (%) + 1/3 (% Si + % P) En karbonekvivalent på 4,26 gir den ideelle sammensetning. Høyere verdier gir overeutektisk og lavere verdier gir undereutektisk støpe­ jern. Overeutektiske støpejern er både vanske­ lig å støpe og vanskelige å bearbeide, men de er slitesterke. Jern og karbon danner sammen en eutektisk legering med ca. 4,3 % C i det metastabile sy­ stem. Som omtalt i Materialteknikk. Metalllografi-Legeringer, har eutektiske legeringer de

Fig. 3.10. Karbonekvivalenten CE.

beste støpeegenskaper (mest lettsmeltelig og lettflytende og best formfyllingsevne). Eutektikumet i det stabile system er 4,26 % C. Da støpejern alltid inneholder forskjellige mengder av andre elementer, vil 4,26 % C bare ha teo­ retisk interesse, idet andre elementer forskyver eutektikumet. Størst betydning har Si og P, som forskyver eutektikumet mot lavere karbon­ prosent: Ceut = 4,26 - 0,3 (%Si + %P) For eksempel kan et støpejern Sj.G 20 ha følgende analyse: 3,30 % C, 2,2 % Si, 0,70 % Mn, 0,70 % P maks Og 0,14 % Simaks. Dette gir da: Cem = 4,26 - 0,3(2,2 + 0,7) = 3,39 CE = 3,3 + 0,97 = 4,27

En karbonekvivalent på 4,26 gir den teore­ tisk ideelle eutektiske sammensetning. Vårt eksempel viser at et støpejern med den sam­ mensetning som er valgt, er et undereutektisk støpejern, men så nær det eutektiske at det gir godt støpbart materiale. Høyere karbon- og silisiumsprosent vil gi overeutektisk støpe­ jern. Et støpejern i klasse Sj.G 10 (som kan ha høyere Si og C enn i eksemplet ovenfor) er derfor slett ikke det letteste å støpe når det skal oppfylle de krav om lav hardhet og god maskinerbarhet som stilles til det. Fig. 3.10 viser forholdet mellom strekk­ fasthet og karbonekvivalent. Som det går fram, vil en bestemt CE-verdi også gi spredning av resultatene. Enten man bruker metningsgraden eller kar­ bonekvivalenten, er det altså mulig å finne en sammenheng mellom mikrostruktur (kjemisk sammensetning) og fasthetsegenskaper for en­ hver godstykkelse. Av begge formlene går det fram at karbonet har langt sterkere innflytelse på Sc og CE enn silisium og fosfor, eller sagt på en annen måte: 1 % Si og 1 % P er ekvivalent med 1/3 % C. Støpejern med flakgrafitt, dvs. gråjern eller grått støpejern, byr som konstruksjonsmateriale på de beste muligheter når det gjelder fleksi127

•— Forholdet 0/V, cm~1 2.0 400f~

1,5 I

1,0 1

08 1

0,6 0,5 0,4 11 I

0,3 0,25 I -270

-260 -250 |

3501.

240 R 03

230 *

300

QJ

220$

190 i

200

180

4S co

u

150

100

xr

..f

20 30 45 60 90 120 Støpegodsdiam syl. prøvestykke, mm

Støpesty kke med vegg tykkelse: omkr. 15 mm

omkr 30 mm

omkr evt.over 60 mm

Fig. 3.11. Diagram til omtrentlig bestemmelse av strekk­ fasthet og hardhet i støpejern med lamellærgrafitt.

bilitet i utformingen, fordi dette materialet støperiteknisk sett er bedre enn noe annet materi­ ale i gruppen jernkarbon-støpelegeringer. På grunn av sin gode bearbeidbarhet, gode dempningsevne og gode slitasje- og korrosjonsmotstand brukes grått støpejern til en rekke for­ mål som kokiller, turbinhus, verktøymaskiner, motorer av alle slag, rør, sanitærgods og mye annet. Som nevnt influeres materialegenskapene til grått støpejern av flere faktorer, deriblant avkjølingshastigeheten. Jo større den overflaten som varmetapet skjer gjennom, er i forhold til det godsvolum som er avgjørende for varmeinnholdet, desto større er avkjølingshastighe­ ten. Vi får altså et overflate/volum-forhold som referanse. Ser man dette forhold i sam­ menheng med fig. 3.8, kan man sette opp et diagram som på fig. 3.11. For å forklare dette nærmere kan vi ta for oss to eksempler. I ek­ sempel 1 har vi et støpejern med strekkfasthet

128

i en 30 mm prøvestav på 230 MPa (23 kp/ mm2). Det er derfor satt i kvalitetsklasse Sj.G-20. For en prøvestav med 20 mm diameter, eller et støpestykke med tilstrekkelig avkjølingshas­ tighet, gir det ca. 260 MPa (26 kp/mm2) og en brinellhardhet på 215. En stav på 45 mm diameter vil gi en strekkfasthet på 190 MPa og en brinellhardhet på 185. Skal man oppnå en minimumsstrekkfasthet på f.eks. 260 MPa (27 kp/mm2) i et støpegods med «midlere» godstykkelse på 30 mm (eksempel 2), må det nyttes kvalitetsklasse Sj.G-30. I den seinere tid har man ved systematiske undersøkelser kunnet øke styrken og seigheten i støpegodset uten at dette har gått ut over de typiske gunstige egenskaper som vekselbøyefasthet og dempingsevne.

Utviklingen har skjedd etter tre hovedlinjer: 1. Påvirkning av grunnmassens mikrostruktur. 2. Senking av karboninnholdet og dermed grafittinnholdet. 3. Påvirkning av formen og størrelsen av grafittutfellingen. Mikrostrukturen For støpejern med høy fasthet er en perlittisk mikrostruktur absolutt nødvendig. Ved metal­ lurgiske forholdsregler, særlig en riktig av­ stemt jernanalyse etter veggtykkelsen i støpe­ godset, kan dette kravet oppfylles. Støpejern med perlittisk mikrostruktur kan framstilles i kvalitetsklasse opp til Sj.G-35 (7?ni = 340 MPa (