Stålets legeringsstoffer

Transkript

1 Stålets legeringsstoffer Generelt De metaller, vi til daglig anvender i maskinindustrien, har mange forskellige egenskaber. Ser vi kun på f.eks. jern- og området, ved vi, at materialerne, når de skal bearbejdes, kan være meget forskellige. Dette skyldes ofte, at materialerne er blandet (legeret) med mere end en type grundstof. Ved fast opløsning mellem legeringselementerne og basismaterialet vil der kunne dannes blandingskrystaller. Ved denne legeringsmetode vil legeringselementets atomer sætte sig som indskuds- eller fremmed-atomer (substitutionsatomer) i basismetalgitteret og vil dermed ændre basismetallets grundlæggende egenskaber. I et findes der ud over grundstoffet jern (Fe), som er hovedbestanddelen, eller som det også kaldes, basismaterialet, en række andre grundstoffer, kaldet legeringselementer, som enten kan være naturlige følgestoffer fra råjernet eller tilsat fra værket. Når vi tilsætter råjernet legeringselementer for at opnå en ændring af egenskaberne, kaldes det at legere materialet. Klassificering af sker i henhold til DS/EN De typer, vi anvender til daglig, opdeles i følgende grupper: Ulegeret Stål med højst 1 til 1,5% legeringsstoffer. Der tillades altså et lille indhold af legeringselementer i materialet Lavtlegerede Stål med højst 5% legeringselementer Højtlegerede Stål med mere end 5% legeringselementer Når der tilsættes legeringselementer, er grunden den, at vi ønsker at frembringe nye eller forbedre kendte egenskaber i basismaterialet, f.eks. at øge hårdheden, slidstyrken, korrosionsbestandigheden, hærdbarheden eller andre specielle egenskaber. Når der tilsættes legeringselementer til basismaterialet, opløses det enten som en faststofopløsning, der virker metallisk, eller som en kemisk forbindelse, der virker ikke-metallisk. ma cdr Punktfejl i metalgitteret Når der opstår kemiske forbindelser mellem grundstofferne i legeringens masse, vil det oftest være af ikke-metallisk art, som er meget hårde partikler. De kemiske forbindelser er oftest karbid, der er dannet af et eller flere organiske og uorganiske grundstoffer og derfor nærmest af keramisk karakter. Det organiske grundstof er altid kulstof, der er jerns mest almindelige legeringsmateriale. Når man skal legere et materiale, kan det ofte være vanskeligt at opnå det ønskede resultat ved at tilsætte et enkelt grundstof. Man vil derfor oftest se, at et, der skal have helt specielle egenskaber som f.eks. korrosionsbestandighed eller værktøjs, er legeret med mange forskellige grundstoffer. I det efterfølgende fortælles, hvordan de mest anvendte grundstoffer påvirker jern. Industriens Forlag Ma166.fm

2 Ulegerede Ledsagestoffer De stoffer, der findes i ulegeret, kan alle betragtes som faste, naturlige legeringsstoffer. Til de ulegerede hører de, som indeholder mindre end 1,5% af legeringselementerne. Nogle af dem følger med ved fremstillingen og er vanskelige at skille fuldstændigt ud under fremstillingsprocessen. Disse følgestoffer eller ledsagestoffer, som de også kaldes, har naturligvis indflydelse på ets egenskaber. Til gruppen af naturlige legeringsstoffer hører: Kulstof Silicium Mangan Fosfor Svovl Nogle af disse stoffer betegnes som urenheder. Dette gælder for svovl og fosfor. Andre af legeringselementerne er man ikke interesseret i, hvis de ikke optræder i større mængder. Dette gælder f.eks. nitrogen, brint og ilt. Disse elementer behøver kun at findes i meget små mængder for at ændre ets egenskaber. Tager man udgangspunkt i den europæiske standard DS/EN 10025, som omhandler de tekniske leveringsbetingelser for varmvalsede produkter af ulegerede konstruktions- og maskin, er øvre grænse for kulstofindhold 0,22%, manganindhold 1,6%, silicium 0,55%, fosfor 0,045%, svovl 0,045% og nitrogen 0,009%. De opgivne værdier er for prøver udtaget ved chargeanalyse. For produktanalysen er en lille afvigelse tilladt, således at maks. indhold af kulstof stiger til 0,24%, manganindhold stiger til maks. 1,7%, og indholdet af svovl og fosfor stiger til et maks. indhold på 0,055%, mens nitrogenindholdet må komme op på maks. 0,011%. De ulegerede, som er opgivet i ovennævnte standard, er alle let svejselige, hvilket vil sige, at der normalt ikke kræves nogen særlig varmebehandling før eller efter svejsning. Ved store godstykkelser kan en forvarmning være nødvendig. For de her nævnte, kan man anvende Fe-C diagrammet, hvis man skal se nærmere på ets forskellige faser og strukturelementer, f.eks. i forbindelse med en varmebehandling. Kulstof, C (carbon, grafit) Massefylde: 2,266 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Det vigtigste legeringselement Kulstof er det vigtigste og mest indflydelsesrige legeringselement i. Ved tiltagende C-indhold øges brudstyrke og hærdebarhed i et, mens sejheden og svejsebarheden reduceres. For stort indhold af kulstof medfører, at et bliver uanvendeligt til svejste konstruktioner. Silicium, Si Massefylde: 2,33 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Det beroligende element Si er ikke metal, men et såkaldt metalloid eller semimetal. Det er et af de hyppigst forekommende grundstoffer i jordskorpen i form af kvarts. Si er en af jernledsagerne og findes praktisk taget i alt. I almindelige konstruktions i små mængder og i»ulegeret«støbegods op til 0,40%. Silicium har vist sig at have gunstig indflydelse på sejheden ved et indhold på op til 0,30 til 0,50% i såvel som tilsatsmateriale. Silicium har en ugunstig indflydelse på slidstyrken, men en gunstig indvirkning på brudstyrken, der øges med ca. 100 N/mm 2 pr. 1% Si, og flydegrænsen øges tilsvarende. Dette medfører, at kulstofindholdet kan sænkes en smule. Silicium øger elasticiteten i fjeder. Den væsentligste grund til at tilsætte silicium er dets evne til at berolige et under udstøbning. Det udjævner fordelingen af uønskede ledsagestoffer som svovl og fosfor, og derved undgås sejringszoner, der oftest vil forekomme i centerlini- 2 Industriens Forlag - Ma166.fm

3 en for størkningsprocessen. Uberoligede har et lavt Si-indhold < 0,03%, halvberoligede indeholder 0,04 til 0,15% Si, og helberoligede indeholder ca. 0,15 til 0,45%, hvor 0,55% må anses for maks. tilladelig. Mangan, Mn Massefylde: 7,47 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Det styrkeøgende element Mangan, der som Si er en jernledsager, findes i små mængder (ca. 0,20%) i almindeligt ulegeret konstruktions. Dets egenskab er bl.a. at give et større styrke uden at påvirke sejheden negativt. Mn hæver R mt (brudstyrken) med ca. 90 N/mm 2 pr. 1% Mn. Den øvre grænse for manganindholdet er normalt 16%. I specielle giver større manganindhold øget slidstyrke, f.eks. manganhård (Hadfield ). Et højt Mn/S-forhold > 50 forhindrer dannelse af lavtemperatursmeltende sulfider, hvorved varmerevner undgås. Manganindholdet bør derfor altid vurderes i sammenhæng med indholdet af svovl, idet svovlets store affinitet til mangan nedsætter den positive virkning af manganindholdet. Et med 1,60% Mn og samtidig 0,04% svovl behøver ikke at være stærkere end et med 1% Mn og 0,002% svovl. For at øge styrken og nedsætte tendensen til varmerevner tilsættes Mn i automat med ca. 0,3%. Fosfor, P Massefylde: 1,82 Smeltepunkt: 44,1 C Kogepunkt: 280 C P betragtes almindeligvis som et skadeligt stof. Derfor holdes P-procenten i de fleste så lavt som muligt. Fosfor gør et koldskørt, så omslagstemperaturen hæves, dette kan måles ved slagsejhedsprøvning. (Se ældning). Fosfor anvendes som legeringsmateriale til automat for med sin sprødhedsvirkning at forbedre spånbrydningen. Stål til svejsning må derfor ikke indeholde mere end 0,03 til 0,05%. Højkvalitets har ofte et meget lavt indhold af P, ca. 0,008%. Svovl, S Massefylde: 2,09 Smeltepunkt: 112,8 C Kogepunkt: 444,67 C S er også et skadeligt element i. Sammen med Fe danner det FeS, der udskilles i ets korngrænser og bevirker en svækkelse af disse, således at der forekommer en betydelig korngrænseglidning ved højere temperatur. S-holdigt kan ikke smedes. Det bliver rødskørt. Mangan danner sammen med svovl en blød umetallisk forbindelse, MnS, der udvalset i et kan give mikroslagger, der nedsætter ets trækstyrke. Et indhold på 0,025 til 0,040% kan tillades, men i højkvalitets bør indholdet af svovl ikke være over ca. 0,004%. Fosfor, svovl og bly anvendes sammen med mangan som legeringselementer i automat. Elementerne får spånerne til lettere at bryde under bore- og drejeprocesser, samtidig med at automatet bevarer sin brudstyrke. Automat bør ikke svejses på grund af det høje svovlindhold. Industriens Forlag Ma166.fm

4 Nitrogen, N Massefylde: 0,0013 Smeltepunkt: 209,81 C Kogepunkt: 195,8 C Ældning Nitrogen (kvælstof) i ulegerede kulstof er skadeligt, fordi det medfører ældning af et. Ældning er en proces, hvor et med tiden får en reduceret slagsejhed. Alle typer bliver ved lave temperaturer skøre, dvs. at de let kan springe som glas ved en pludselig påvirkning. Ved ældning vil den temperatur, hvorved bliver skørt, stige. Derfor kan med tiden få for dårlige egenskaber ved den temperatur, emnerne anvendes ved. Ældning kan ske hurtigt ved en varmepåvirkning som f.eks. ved svejsning, eller det kan tage flere år. Man antager, at sejheden mindskes, og at omslagstemperaturen øges 2 til 4 C pr. 0,0018% nitrogen, og ved kolddeformation vil nitrogen give yderligere forsprødning (deformationsældning). Legerede De legerede eller værkstøjsene deles i lavtlegerede og højtlegerede. Til de lavtlegerede hører de, som indeholder fra 1 til 5% legeringselementer. Til de højtlegerede hører de, som indeholder over 5% legeringselementer. Faserne austenit og ferrit findes også i disse ; men her er det som blandingskrystaller, der indeholder andre stoffer end kulstof. Fe-C diagrammet for de lavtlegerede vil ligne diagrammet for de ulegerede ; men linien G-S-E og linien P-S vil ligge anderledes. Højtlegerede Ser vi f.eks. på materialegrupperne i EN 287-1, certificering af svejsere Stål, vil de højtlegerede være placeret i materialegruppe W04 og W11. Stålene kendes bl.a. som ferritiske rustfaste, der anvendes meget til kedelbygning, og som austenitiske, der anvendes meget i den petrokemiske industri og i fødevareindustrien. Chrom, Cr Massefylde: 7,2 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Cr forhøjer brudgrænsen med ca. 80 N/mm 2 pr. % Cr. På grund af sin tilbøjelighed til karbiddannelse forøger Cr hårdheden. Stål med et chromindhold over 12% bliver korrosionsbestandige over for vand. Det betyder, at der kan dannes en sammenhængende chromoxidhinde på overfladen af ene. Den er meget modstandsdygtig mod korrosion. Stål med chromindhold over 12% er ferritisk ved alle temperaturer. Det betyder, at et ikke kan forbedres ved varmebehandling, hvis man har fået dannet en uheldig kornstruktur. De vigtigste legeringselementer er: Chrom Nikkel Wolfram Molybdæn Vanadium Kobolt Lavtlegerede Et eksempel på disse er 13CrMo44, som især anvendes til trykbeholdere. Lavtlegeret har oftest bedre styrkeegenskaber end de ulegerede konstruktions, og som følge heraf kan man opnå en vægtbesparelse på konstruktionerne. Et lavtlegeret som 13CrMo44 er desuden varmebestandigt og kan modstå krybning. 4 Industriens Forlag - Ma166.fm

5 Nikkel, Ni Massefylde: 8,91 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Ni er både sejt og stærkt, men da det er ret kostbart, er brugen af det begrænset. Ni forhøjer brudgrænsen med ca. 40 N/mm 2 pr. %, flydespændingen dog forholdsvis stærkere. Ni sænker den kritiske afkølingshastighed. Ved legering med mere end 25% Ni dannes austenitiske, som er umagnetiske og korrosionsbestandige (rustfaste ). Legeres et foruden med Cr, opnås den ønskede austenitiske tilstand ved et indhold af 8% Ni og 18% Cr (18/8 chrom-nikkel). Nikkel er en ikke-karbiddanner. Wolfram, W Massefylde: 19,25 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C W har det højeste smeltepunkt af alle metaller. Derfor vil W, som er en stærk karbiddanner, sammen med C danne en legering i forening med, som giver en meget stor varmefasthed eller varmebestandighed. Ud over denne egenskab vil brudgrænsen forøges med ca. 40 N/mm 2 pr. % W. Ydermere vil slidstyrken forøges dramatisk. Wolfram anvendes i glødetråden i elektriske pærer, som svejseelektroder ved ædelgassvejsning samt som legeringselement i wolframkobber, der anvendes som elektrodemateriale ved gnistbearbejdning. Endvidere anvendes W som hovedbestanddel (karbidform) i hårdmetal. Molybdæn, Mo Massefylde: 10,22 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Mo forøger ets styrke, sejhed og varmefasthed. Mo er en stærk karbiddanner og anvendes i HS- og varmarbejds, idet det øger anløbsbestandigheden. Mo øger gennemhærdningsevnen og varmefastheden. Mo i rustfaste giver forøget modstandsevne over for korrosion fra: Svovlsyre Fosforsyre Myresyre Forskellige varmeorganiske syrer Vanadium, V Massefylde: 6,09 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C V er den stærkeste karbiddanner af alle metaller. V tilsat i små mængder øger varmefastheden, mindsker kornstørrelsen, øger styrken og hårdheden uden at nedsætte sejheden. V øger sprødheden. Hvis man tilsætter V i større mængder, vil et blive meget hårdt og totalt ubearbejdeligt. Kobolt, Co Massefylde: 8,8 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Co minder egenskabsmæssigt om nikkel. Co er et blødt materiale med en meget stor varmeledningsevne. Co anvendes som legeringselement i hurtig HS, hvor det netop er vigtigt, at varmen ledes væk fra skærene. Derfor forøger Co indirekte slidstyrken på skærende værktøj. Co er en ikke-karbiddanner. Derfor anvendes dette metal som»bindemiddel«i hårdmetal, hvor wolframkarbiderne er hovedbestanddelen suppleret med titanium- og tantalkarbiderne. Industriens Forlag Ma166.fm

6 Kobber, Cu Massefylde: 8,93 Smeltepunkt: C Kogepunkt: C Cu anvendes kun i små tilsætninger på op til 1,5 til 2% for at forbedre korrosionsbestandigheden i, der anvendes til konstruktioner, der ikke efterbehandles, f.eks. den udvendige beklædning af Metalforbundets bygning. Ved større tilsætningsprocenter vil der kunne dannes frie kobberkrystaller, og derved er der mulighed for interkrystallinsk korrosion. Aluminium, Al Massefylde: 2,7 Smeltepunkt: 660 C Kogepunkt: C Al tilsat i små mængder gør finkornet og kan modvirke ældningstilbøjelighed. Al tilsættes også til ildfast for at modvirke glødeskalsdannelser. Endvidere tilsættes Al for at forbedre nitrerbarheden. Det tilsættes i mængder under 1% og kendes fra de dobbeltberoligede. Legeringselementernes indvirkning på et Legeringselement Generel korrosionsbestanddighed Hårdhed Styrke R mt Mekaniske egenskaber Flydegrænse R 0,2 Brudforlængelse: A 5 Indsnøring z Slagsejhedsstyrke Varmfasthed Silicium ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ Mangan i perlitisk Mangan i austenitisk ~ Chrom Nikkel i perlitisk Nikkel i austenitisk Kritisk afkølingshastighed ved hærdning Karbiddannelse Slidfasthed Smedelighed Bearbejdelighed ved spåntagning Glødeskalsdannelse Nitrerbarhed ~ ~ ~ Aluminium Wolfram Vanadium ~ ~ Kobolt ~ Molybdæn Kobber ~ ~ ~ ~ ~ Svovl Fosfor = Forøgelse, = Reduktion af egenskab. Jo flere pile, des stærkere virkning. ~ = Uden virkning, = Ukendt eller ikke karakteristisk. 6 Industriens Forlag - Ma166.fm