Hvilken betydning har legeringselementerne i stål, og hvordan kan legeringssammensætningen bestemmes?

Transkript

1 Hvilken betydning har legeringselementerne i stål, og hvordan kan legeringssammensætningen bestemmes? Af Carsten Jensen, FORCE Technology, Afdelingen for Korrosion & Metallurgi Risø-DTU, Roskilde, 24. januar 2008.

2 Disposition Grundstoffernes oprindelse Hvad forstås ved en legering? Generelt om legeringselementer Legeringselementernes indflydelse på materialets egenskaberne Enkelte eksempler på stål-legeringer Bestemmelse af legeringssammensætningen

3 Legeringselementernes oprindelse Smithsonian Astrophysical Observatory / NASA Chandra / Harvard for non-commercial use

4 Metaller på jordskorpen Cr Mg Al Mn 96 g/ton 2,8 x 10 4 g/ton 8,0 x 10 4 g/ton 1,0 x 10 3 g/ton C 2,7 x 10 5 g/ton 8,6 x 10 3 g/ton 5,8 x 10 5 g/ton 72 g/ton Si Ti Fe Ni Cu V 58 g/ton 1,7 x 10 2 g/ton

5 Legeringselementer Materialevalg Materialeegenskaber Legeringssammensætning / Fremstillingsmetode

6 Legeringer Hvad forstås ved en legering? En legering består af to eller flere grundstoffer, hvoraf hovedbestanddelen er et metal. Det metal, som indgår i størst mængde, kaldes basismetallet Hvad forstås ved et legeringselement? Et legeringselement er et grundstof, der er tilsat en legering i en mindre mængde end basismetallet. Lavt legeret stål: Mindre end 5% legeringselementer Højt legeret stål: Mere end 5% legeringselementer

7 Klassificering af jern-kulstoflegeringer Klassificering efter kulstofmængden Legeringstype % kulstof Hypoeutektoidt stål ca. 0,05-0,8 Eutektoidt stål 0,8 Hypereutektoidt stål 0,8 - ca. 1,5 Støbejern 2-4 Klassificering efter totale legeringsindhold Legeringstype Sammensætning Ulegeret stål 0,05 1,3 Totalt max. 1-2% leg. Mikrolegeret stål Som ovenfor dog med op til 1,5% Mn samt op til 0,1% specielle leg. Lavtlegeret stål Totalt max. 2-5% leg. Højtlegeret stål Totalt max. Leg. > 5%

8 Grænseværdier for legeringselementer Grænseværdier hos en række legeringselementer af stållegeringer som legerede eller ulegerede Legeringselement Grænseværdi [wt%] Al Aluminium 0,10 B Bor 0,0008 Co Kobolt 0,10 Cr Krom 0,30 Cu Kobber 0,40 Mn Mangan 1,65 Mo Molybden 0,08 Nb Niob 0,06 Ni Nikkel 0,30 Pb Bly 0,40 Si Silicium 0,50 Ti Titan 0,05 V Vanadium 0,10 W Wolfram 0,10

9 Ståls Legeringselementer (1) Kulstof [C]: STYRKE OG HÅRDHED ØGES MENS SEJHEDEN MINDSKES MED STIGENDE INDHOLD. HÆRDBARHEDEN ØGES. SVEJSELIGHEDEN FORRINGES. Silicium [Si]: BEROLIGELSESMIDDEL (binder ilt). Mangan [Mn]: ØGET STYRKE OG HÆRDELIGHED. BINDER SVOVL OG SLAGGE. Svovl [S]: FORURENINGSELEMENT. PROBLEMER MED RØDSKØRHED (varmerevner) STØRRE INDHOLD I AUTOMATSTÅL. Fosfor [P]: FORURENINGSELEMENT. PROBLEMER MED KOLDSKØRHED (hæver omslagstemp.) Kvælstof [N]: FORURENINGSELEMENT. PROBLEMER MED ÆLDNING. Legeringselementerne findes alle i lavt legerede stål.

10 Urenheder i stål Energi, J Sej Sprød Temperatur, C

11 Ståls Legeringselementer (2) Krom [Cr]: STYRKEN ØGES. SEJHEDEN FORRINGES. VARMEBESTANDIGHEDEN ØGES. KORROSIONSBESTANDIGHEDEN ØGES. Nikkel [Ni]: STYRKEN ØGES UDEN AT SEJHEDEN FORRINGES. Wolfram [W]: VIRKNING SOM Cr. SPECIELT ØGES STYRKEN VED HØJERE TEMPERATURER. Vanadin [V]: STYRKEN ØGES VED HØJERE TEMPERATUR. FINKORNDANNER. ØGER SEJHEDEN. Molybden [Mo]: EGENSKABER SOM Cr OG W, DOG KRAFTIGERE EFFEKT. Cobalt [Co]: SAMME VIRKNING SOM Ni. ANVENDES MEST TIL VÆRKTØJSSTÅL.

12 Sensibilitering af rustfritstål Samspillet mellem kulstof, krom og titan i austnitisk rustfritstål. 18% Cr Opløsningsglødet. jævn kromfordeling 18% Cr 12% Cr Karbidudskillelse i korngrænser efter opvarmning til C. kromfattige områder Kromkarbid

13 Legeringselementernes indvirken på hærdeprocessen

14 Legeringselementernes effekt Dannelses-enthalpi Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008 Ferrite formers Austenite formers Ti Cr Ferrit- og austenitstabiliserende legeringselementer Titan- og krom-indholdets indflydelse på austenitområdets udstrækning

15 Kulstofs (C) betydning for mekaniske egenskaber Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

16 Legeringselementernes indflydelse på egenskaberne Kulstof Kulstof Silicium Silicium Mangan i lavt leg. stål Mangan i højt leg. stål Krom Krom Nikkel i lavt. leg. stål Nikkel i højt leg. stål Aluminium Wolfram Vanadium Molybdæn Kobber Svovl Fosfor C Si Mn Mn Cr Ni Ni Al W V Mo Cu S P Trækstyrke - - Forlængelse - Kærvslagstyrke - Hærdbarhed - - Nitrerbarhed Svejselighed ( ) Korrosionsbestandighed Slidbestandighed Skalningsbestandighed = Forbedrer = Forringer = Lille effekt - = Ingen effekt

17 Udvalgte Ståltyper 0,80-1,20 0,30-1,15 0,15-1,10 1,00-3,50 0,40-1,10 0,26-0,42 %Al %Ni %Mo %Cr %Mn %C - 0,40-4,75 0,15-0,50 0,40-1,70 0,30-1,40 0,07-0,25 %Al %Ni %Mo %Cr %Mn %C - 0,60-4,75 0,15-1,00 0,30-2,70 0,30-1,10 0,22-0,62 %Al %Ni %Mo %Cr %Mn %C - - < 0,30 0,2-1,20 0,40-1,90 0,35-0,80 %Al %Ni %Mo %Cr %Mn %C - 0,30-4,70 0,12-5,20 0,30-17,0 0,15-1,60 0,24-2,30 %Al %Ni %Mo %Cr %Mn %C ,30-0,70 0,07-0,18 %Al %Ni %Mo %Cr %Mn %C Indsætningsstål Nitrerstål Lavt legeret stål Sejhærdningsstål Fjederstål Koldarbejsstål / værktøjsstål

18 Rustfrit stål Ferritiske 12-30% Cr, 0,015-0,1% C Martensitiske 11-17% Cr, 0,15-1,2%C Austenitiske 16-26% Cr, 7-25% Ni, 0,02-0,1% C Duplex (Ferritisk-Austenitiske) 18-26% Cr, 4,5-7% Ni, 0,03-0,07% C

19 Legeringselementer Legeringselementer i værktøjsstål

20 Eksempel lavt legeret stål Varmvalsede produkter af ulegeret konstruktions- og maskinstål Kilde: DS/EN 10025

21 Hvorfor analyser et materiale? Bestemme materialekvalitet Sikre overholdelse af standarder og specifikationer Vurdere styrkeegenskaber og bearbejdelighed Vurdere korrosionsbestandighed Fastlægge optimal varmebehandling Bedømme svejsbarhed Fastlægge evt. reparationsprocedure Angive mulige erstatningsmaterialer

22 Bestemmelse af den kemiske sammensætning af metaller OES - Optisk emmissionsspektoskopi Meget præcis metode Kan bestemme kulstofindholdet XRF Røngtenflourescens Z=11 / Z=22 Mulighed for analyse af meget små mængder Pulver, væsker og fastestoffer SEM-EDAX Energidispersiv røngten Z=5 Mulighed for analyse af volumen på 1 µm 3 Linescan og mapping Grøn : Klor Blå : Kalium Rød : Svovl

23 Ståltyper legering, struktur og egenskaber Legering Struktur Egenskaber

24 Legeringselementer supernova-eksplosioner