stål

Stål, som efter udstøbning og valsning køler af ved almindelig varmeudveksling med den omgivende luft, ender ved stuetemperatur i nogenlunde ligevægt, så strukturen kan bedømmes ved hjælp af jern-kulstof-diagrammet. Ved almindeligt forekommende tryk kan jern findes i to krystalformer, austenit, der er kubisk fladecentreret, og ferrit, der er kubisk rumcentreret. Da varmvalsning normalt gennemføres ved 900-1300 °C, viser diagrammet, at stålet under valsningen foreligger i austenitstruktur. Denne æltes og omkrystalliserer mange gange under valsningen. Ved afkølingen bliver den sidst dannede austenit ustabil og dekomponerer til ferrit og cementit. Hvordan slutstrukturen bliver, afgøres især af kulstofindholdet og afkølingshastigheden. Ved moderat afkølingshastighed bliver kulstoffattige stål med mindre end 0,02 procent C rent ferritiske og bløde. Eutektoide stål, dvs. stål med 0,76 procent C, dekomponerer til ferrit og cementit, der danner en lamellar struktur, som kaldes perlit. Undereutektoide stål, dvs. stål med mindre end 0,76 procent C, danner både ferrit og perlit; jo mere ferrit, jo længere man kommer fra det eutektoide punkt. Overeutektoide stål, stål med mere end 0,76 procent C (men mindre end 2,1 procent), danner både cementit og perlit, jo mindre cementit, jo nærmere man kommer det eutektoide punkt. Ferrit er blødt, omkring 100 HV (Vickers-hårdhed), mens cementit er meget hårdt, omkring 1000 HV. Ferrittens kornstørrelse er 10-100 μm, cementitlamellernes tykkelse 0,4-2 μm. Strukturelementernes blandingsforhold, form og dimensioner er afgørende for stålets mekaniske egenskaber. Hertil kommer, at man kan påvirke dem yderligere ved legering med nikkel og chrom eller med silicium og mangan ud over den ene procent, der normalt vil være til stede.

Ca. 75 procent af verdens samlede stålproduktion er konstruktionsstål, dvs. undereutektoide stål med 0,10-0,25 procent C, også kaldet blødt stål (mild steel). Strukturen af blødt stål består af 65-85 procent ferrit og 15-35 procent perlit. Da der er en næsten lineær sammenhæng mellem hårdhed og trækstyrke, giver strukturundersøgelsen og hårdheden, som er nem at måle, et fingerpeg om stålets øvrige egenskaber. Dette gælder dog kun, så længe der er tale om homogene produkter. Men moderne stål er langt mere homogene end tidligere tiders friskede og pudlede stål.

De vigtigste strukturer af denne art optræder i stål, der køler hurtigt ned fra austenitstrukturen. Ved den hurtige køling undertrykkes kulstofatomernes diffusion, så de ikke får lejlighed til at fordele sig mellem kulstoffri ferrit og kulstofrig cementit. I stedet fastlåses de, hvor de tilfældigvis befandt sig i austenitten, så denne på kompliceret måde omdannes til martensit eller til ekstremt finkornede blandinger af ferrit og perlit, den såkaldte bainit. Strukturer og hårdheder for en lang række almindelige ståltyper som funktion af afkølingsprocedure findes publiceret i CCT- og TTT-diagrammer.

Martensittens struktur og hårdhed afhænger af kulstofindholdet. Stål får forøget hårdhed ved bratkøling, men bratkølingen introducerer desværre en vis skørhed. Dette medfører, at de hærdede stål normalt straks underkastes en anløbning. Derved mister de noget af hårdheden, men restspændinger fjernes, og skørheden mindskes tilstrækkeligt til, at stålet kan anvendes som værktøj, fjedre, kuglelejer m.m. Da martensitdannelsen kræver stor afkølingshastighed, kan man kun forvente, at overfladen bliver hård. Der er den også af størst betydning, idet det er på overfladen, sliddet sker. Martensitdannelsen sker under volumenudvidelse, hvorfor der opstår trykspændinger i overfladen, der kan medvirke til at øge emnets udmattelsesstyrke (se udmattelse). Vil man sikre sig, at et større emne bliver hærdet til kernen, må stålet legeres.

Jern, der legeres, får ændrede kemiske, fysiske og mekaniske egenskaber. Selv små mængder kulstof ændrer på afgørende måde jernets struktur og hårdhed. Med mere end ca. 2,5 procent C får man støbejern. Små mængder bor, kvælstof, fosfor og vanadium øver også betydelig indflydelse. Fx har jern med 0,2-0,3 procent fosfor bedre korrosionsbestandighed end rent jern. Andre grundstoffer som nikkel, chrom og mangan må normalt tilsættes i noget større mængder for at skabe nye ståltyper.

Der er mange gode grunde til at legere jern. Mens det simple jern-kulstof-stål kun lader sig gennemhærde i kniv- eller skruetrækkerstørrelse, kan større genstande gøres gennemhærdede ved legering med nogle få procent chrom, nikkel, vanadium og molybdæn. Hærdbarheden bedømmes vha. Jominy-prøven.

Ulegeret jern og stål mister sejheden i kulde. Under den såkaldte omslagstemperatur (se slagsejhed) er stål ret skørt og tåler dårligt slagagtige påvirkninger. Ved legering med især nikkel opnås sejere stål. Af stål med 9 procent nikkel kan således konstrueres beholdere, der tåler −160 °C.

Forbedret styrke ved forhøjet temperatur kan opnås ved fremstilling af finkornsstål eller lavt legerede konstruktionsstål, også kaldet HSLA-stål (high strength low alloy). Her benyttes en hel vifte af legeringsstoffer, mangan, chrom, nikkel, molybdæn, vanadium og niobium, der hver for sig kun indgår med nogle tiendedele procent. Det anslås, at den årlige produktion af HSLA-stål er omkring 12 procent af verdens totale stålproduktion.

Stål, der skal anvendes ved endnu højere temperatur, i ildsteder, jetmotorer etc., er kraftigt legerede (se også superlegeringer). Ildbestandige stål ligner de rustfri stål og bygger på høje tilskud af chrom, nikkel og molybdæn.

En vis forbedring af korrosionsegenskaberne opnås allerede ved nogle tiendedele procent legering med kobber, fosfor, chrom m.m., se cortenstål. Væsentlige forbedringer kræver mere end 12 procent chrom, hvorved man får den meget vigtige gruppe af rustfri stål (se nedenfor).

Slidstyrke opnås i regelen ved at lade cementit indgå som en væsentlig bestanddel. Ved legering med chrom, molybdæn og wolfram dannes stærke og seje carbider, der også tåler en vis varmepåvirkning, i hurtigstål op til 500-600 °C. Slidstyrke i kæbeknusere og entreprenørmateriel kan opnås ved legering med 11-14 procent mangan (Hadfield-stål, se R.A. Hadfield). For at lette spåntagning af blødt stål tilsættes 0,15-0,3 procent svovl eller 0,1-0,6 procent bly, hvorved man får de såkaldte automatstål. Disse leveres i regelen i stangform, der egner sig til massefabrikation af små emner vha. automatiske bore- og fræsemaskiner.

Udmattelsesstyrken kan forbedres ved legering med chrom og nikkel. Her er stålets slaggerenhed tillige en væsentlig faktor. Da man ved, at udmattelsesrevner ofte udgår fra mikroskopiske slaggepartikler, forsøger man ved smeltningen at nedbringe slaggeindholdet til et minimum. Da hovedparten af slaggerne flyder oven på stålsmelten, kan man opnå en forbedring ved at tømme diglen gennem et hul i bunden i stedet for at hælde den. Slaggefattige stål lader sig polere til en fin overfladefinish.

Stål er som nævnt i princippet sammensat af tre stabile faser, ferrit, cementit og austenit, samt den metastabile martensit. Legeringselementerne fordeler sig mellem faserne. Helt ulegeret ren ferrit, som den kan træffes i frisket jern fra 1700-tallet, er blød, 70-75 HV. Ferrit legeres imidlertid let med fosfor, silicium og mangan, hvorved hårdheden stiger markant. Selv ulegerede, bløde kulstofstål indeholder omkring 0,3 procent silicium og 0,3 procent mangan, så hårdheden af moderne stål er sjældent mindre end 100-110 HV. Grundstoffer, som især samler sig i austenitten, er kulstof, nikkel og mangan. Ren austenit er ikke stabil ved stuetemperatur, men den kan blive det ved at øge nikkel- og manganindholdet. De almindelige austenitiske rustfri stål indeholder mindst 18 % chrom og 8 procent nikkel.

Ren cementit er Fe₃C, men i legeret stål træffes tillige carbiderne Cr₂₃C₆, TiC, VC, W₂C mfl. Fælles for carbiderne er deres store hårdhed, 1000-3000 HV, hvorfor de er nødvendige i værktøjsstål og slidstærke stål. Carbiderne bør foreligge som jævnt fordelte partikler med en størrelse af ca. 1 μm. Dette opnås lettest ved pulvermetallurgiske metoder, hvorimod støbning og smedning har tendens til at fremme en ujævn fordeling af store brokker og små partikler.

Stålets legeringsmuligheder synes uudtømmelige, og nye legeringer og varemærker dukker stadig op. For overskuelighedens skyld opdeler man ofte stålene i ulegerede med mindre end 1 procent, lavt legerede med 1-5 procent og højt legerede med mere end 5 procent legeringselementer. I den sidste kategori findes alle rustfri stål og de fleste værktøjsstål. Generelt kan man sige, at jo højere legeret stålet er, des vanskeligere er det at svejse.

Rustfri stål eller rustfaste stål omfatter en række højtlegerede ståltyper med fremragende korrosionsbestandighed. Hovedlegeringselementet er chrom, som indgår med mindst 12 procent, men derudover findes i vekslende omfang nikkel, molybdæn, kulstof m.m. Af smeltetekniske årsager tilsættes altid ca. 1 procent silicium og 1 procent mangan. Korrosionsbestandigheden skyldes, at der i neutralt eller iltrigt miljø dannes usynlige, chromrige overfladelag, som beskytter både ved stuetemperatur og ved forhøjede temperaturer. Mange rustfri stål finder derfor også anvendelse som ildfaste stål. Betegnelsen rustfri skal tages med forbehold: Intet rustfrit stål tåler at blive begravet i jord, og mange rustfri stål ødelægges ved grubetæring af kloridholdige væsker eller nedbrydes ved spændingskorrosion (se korrosion).

De rustfri stål inddeles på basis af deres struktur i ferritiske, martensitiske, austenitiske og ferritisk-austenitiske.

De ferritiske stål er kemisk set de simpleste, idet de indeholder 13-25 procent chrom, 0-0,5 procent nikkel, 0-2 procent molybdæn og 0-0,2 procent kulstof. De er magnetiske, men ikke velegnede til svejsning og normalt relativt billige. Som anvendelsesområder kan nævnes bestik, skruer, bolte, køkkenvaske, oliebrændere og detaljer til svovlsyre- og salpetersyreindustrien.

De martensitiske stål indeholder 13-17 procent chrom, 0-5 procent nikkel, 0-1 procent molybdæn og 0,1-1 procent kulstof. Ved glødning omkring 1000 °C fulgt af køling i olie og anløbning til ca. 600 °C får disse stål den ønskede martensitiske struktur. Jo højere kulstofindhold, des større styrke og hårdhed og dermed ægskarphed, som gør martensitisk stål velegnet til skærende værktøj. De martensitiske stål anvendes også til turbineskovle, aksler, barberblade, dampledninger på kraftværker mv. De er magnetiske, og de fleste typer er vanskelige eller næsten umulige at svejse.

De austenitiske stål indeholder 17-26 procent chrom, 7-25 procent nikkel, 0-4,5 procent molybdæn, mindre end 0,1 procent kulstof og har ofte små tilsætninger af kvælstof, titan og niobium. De er austenitiske ved alle temperaturer, umagnetiske og velegnede til svejsning. Standardkvaliteten kaldes ofte 18-8 efter indholdet af 18 procent chrom og 8 procent nikkel. De austenitiske stål er meget duktile (bøjelige), så plader kan formgives og fx dybtrækkes til køkkenvaske. De finder stor anvendelse som konstruktionsmaterialer overalt i industrien, som damprør i el- og varmeindustri og syrefaste dele i svovlsyre- og salpetersyrefabrikation. Koldvalset anvendes de i stigende omfang i karosserier (biler, tog og hårde hvidevarer); endvidere anvendes de som dekorative og konstruktive elementer i bygningsindustrien og som umagnetiske, rustfri detaljer i instrumenter. I husholdningen møder man dem som bestik, køkkenudstyr (kogekar, piskeris, dørslag) og vaskemaskiner.

Ferritisk-austenitiske stål eller duplexstål har ca. 50 procent ferrit og ca. 50 procent austenit i strukturen. De indeholder normalt 18-25 procent chrom, 4-7 procent nikkel, 0-4 procent molybdæn, 0,1-0,3 procent kvælstof og 0,03-0,1 procent kulstof. Ferritisk-austenitisk stål forener de ferritiske ståls saltvandsbestandighed med de austenitiske ståls gode svejsbarhed og styrkeegenskaber, men kan kun anvendes op til ca. 300 °C. De anvendes især inden for den kemiske industri og ved olieudvinding.

På verdensbasis produceredes i 2014 ca. 41,7 millioner ton rustfri stål. Op til en fjerdedel af alt rustfrit stål bliver leveret som båndstål af austenitisk kvalitet. Prisen er, afhængigt af type og dimensioner, 4-25 gange prisen på stål.

Forudsætningen for udviklingen af de rustfrie stål var adgangen til chrom- og ferrochromlegeringer. Med etableringen af elektriske smeltemetoder i de første årtier af 1900-tallet blev det muligt at eksperimentere med højchromholdige stål, og den gode korrosionsstyrke af stål med mere end 12 procent chrom blev erkendt og udnyttet fra omkring 1915 med pionerindsatser i England (Thomas Firth & Sons, H. Brearley (1871-1948)), Tyskland (Krupp, B. Strauss (1873-1944)) og Sverige (Avesta, Bo Kalling (1892-1975)). Der udvikles stadig nye rustfri ståltyper.

Stålindustrien omfatter fremstilling af jern og stål og de indledende trin af stålets formgivning. Yderligere forarbejdning finder sted i den vidt forgrenede maskinindustri eller i mindre håndværksmæssige enheder. Stålindustrien støtter sig til en række hjælpeindustrier, som leverer smelte- og varmebehandlingsovne, transportsystemer, ilt og ædelgasser, ildfaste materialer og grafitelektroder, computer- og styresystemer samt råstoffer som malm, flusmidler og koks.

Også i den nordiske stålindustri er der sket store forandringer. I 1986 blev SKF Steel (SKF) sammenlagt med en af sine alvorligste konkurrenter, Ovako OY i Finland, under navnet Ovako Steel AB. I 1990 fusionerede det østrigske statsejede stålværk Böhler med det privatejede svenske Uddeholm AB, hvorved man skabte Böhler-Uddeholm, en af verdens største virksomheder for værktøjsstål. I 1992 fusionerede Avesta Järnverks AB med British Steel Sheffield. Den nye koncern, Avesta Sheffield, var med en årlig produktion på ca. 1 millioner ton blandt Europas førende inden for rustfri stål. Virksomheden blev i 2001 overtaget af Outokumpu.

Tabellen viser sammensætning i færdig tilstand for nogle almindelige stålsorter og angiver indhold af legeringselementer i vægtpct. Fælles for stålene er fosfor- og svovlindhold på mindre end 0,03 vægtprocent.