Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus SI I B. Materialekendska b. Konstruktionsstål, højstyrkestål og støbejern

Transkript

1 Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus SI I B Materialekendska b Konstruktionsstål, højstyrkestål og støbejern Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannels e i et samarbejde mellem Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1991

2 Materialekendska b Konstruktionsstål, højstyrkestål og støbejer n 1. udgave, 1. oplag, Undervisningsministeriet lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI/Grafi k Sats: Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : Omslag : Reproset, Københav n Indhold : DTI/Tryk, Taastru p Dansk Teknologisk Institu t Forlage t ISBN Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse

3 Materialekendskab - konstruktionsstål, højstyrkestål og støbejern Forord Historie 1 1 Behandles i Sl-A Anvendelse 12 Konstruktionsstål 1 4 Maskinstål 16 Støbejern 19 Fremstilling 2 1 Behandles i S1-A Metallurgi 2 2 Kortfattet resume af den generelle stålmetallurgi Konstruktionsstål (inkl. maskinstål) Afgrænsning af konstruktionsstål fra øvrige stålgrupper Konstruktionsståls og maskinståls særlige metallurgiske forhold Højstyrkestål Historisk oversigt Mekanismer for styrkeforøgelse i relation til højstyrkestål Varmebehandling under og efter bearbejdning Støbejern Størkning og afkøling Struktur og deraf følgende egenskaber Hovedelementernes betydning for struktur og egenskaber Fysiske og mekaniske egenskaber Mekaniske egenskaber Faktorer med indflydelse på stålenes mekaniske egenskaber Fysiske egenskaber 56 Præsentation af data hvor findes de 57

4 6 Legeringstyper Konstruktionsstål og maskinstål Konstruktionsstål (bygningsstål) Maskinstål Højstyrkestål HSLA stål Refosforiserede stål (P-stål) Dual Phase stål Normer og standarder Støbejern Ulegeret gråt støbejern og SG-jern 74 6,3.2 Austenitisk støbejern Martensitisk støbejern Bainithærdet SG-jern Nogle sporelementers virkning i støbejern 81 7 Prøvning Mekaniske prøvningsmetoder 8 9 Ikke destruktive prøvningsmetoder 8 9 Hårdhedsmåling med mobilt udstyr 9 6 Lagtykkelsesmåling med mobilt udstyr Prøvning i praksis - eksempler Bestemmelse af en stålplades materialekvalitet (St 44.2) Kontrol af varme- og overfladebehandlede slagler Kvalitetskontrol af søm Kontrol af grafittens mikrostruktur i støbejern Kontrol af støbejern kvalitet GG Kontrol af støbejern for fremstillingsfejl Dokumentation (certifikater) Fordele/ulemper Overbelastningsbrud Sejt overbelastningsbrud Kløvningsbrud Udmattelsesbrud 114 Sprødhedsformer 11 9

5 Krybning 120 Slid 12 1 Korrosion 123 Leveringsformer 12 6 Lager 126 Forskrivning 12 6 Rammeaftaler 12 6 Prisforhold 12 8 Plader 12 8 Stangstål 13 1 Bygningsstål 132 Ror 132 Åbne koldvalsede profiler 132 Blankstål 132 Prissammenligninger 132 Stikord 135

6

7 Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget syste m af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer ove r plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materialetype vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning o g konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontrol m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighe d for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vore s håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos de n enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være for - synet med en tyk sort streg langs margin som indikation af, at det pågældende afsnit specielt henvender sig til læsere med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdesmappe inde - holdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, op - gaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RIS Ø samt en række danske virksomheder. I denne forbindelse 7

8 skal der lyde en tak til de mange rundt omkring i virksom - hederne, der har bidraget til udviklingsarbejdet i form a f klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov Lov om Efteruddannelse) og her - under har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt d e tilknyttede referee's ligeledes ydet en god indsats med hen - blik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materia - lets indhold. Taastrup, september 1991 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbese n (projektadministrator) 8

9 Forord til S1 /B Modulet SI,»Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbe - jern«er af praktiske grunde opdelt i : S1/A: Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (generelt ) Sl/B : Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (konstruktion) Sl/C: Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (værktøj ) Til hver af disse delmoduler er der udarbejdet en lærebog. Den foreliggende bog udgør sammen med en arbejdsmapp e det kursusmateriale, som anvendes i Sl-B. I dette kursus gives en grundig indføring i den store gruppe af konstruktionsstål (herunder maskinstål) og støbejernslegeringer, som i dag har udbredt anvendelse i de fleste brancher. Egenskaber, fortrin og ulemper belyses. Endvidere behandles de nye interessante typer højstyrke - stål, som har kunnet/vil kunne erstatte konstruktionsstål til en række formål. Ved udarbejdelsen af materialet har fig. forfattere medvirket : Kim Glavind Rasmussen, Erik Ravnborg, Mariann e Schmidt, Kirsten Arndal Rotvel, Vagn Nielsen, Asger Sturlason, Dansk Teknologisk Institut og Erik Kaag, SCS Stål A/S. Arhus, oktober 1991 Kirsten Arndal Rotvel Civilingeniør Kim Glavind Rasmussen Civilingeniør 9

10

11 Historie 1 Dette emne behandles i S1-A. 11

12 2 Anvendelser De metalliske materialer og deres legeringer opdeles almindeligvis i de to hovedgrupper : Jernlegeringe r Ikke-jernlegeringer Som illustreret i fig. 2.1, udgør jernlegeringerne langt den største andel af verdensproduktionen af metaller. Fig Verdensproduktionen af de væsentligste metalliske materialer i vægtprocent. Al = aluminium, Zn = zink, Pb = bly, Ni = nikkel, Mg = magnesium, Sn = tin o g Ti = titan (ref. 1) AI (1.75 ) Cu (1.2 ) Zn (0.8) Pb (0.6) Ni (0.1) Mg Sn (0.1 ) Ti Jernlegeringer, definition Gruppen af jernlegeringer dækker legeringer med over 98 % jern til højtlegerede stål med op til 50% indhold af forskellige legeringselementer. Alle andre metallegeringer tilhører gruppen»ikke-jernlegeringer«, som igen kan opdeles i letmetaller (titan, aluminium, magnesium m.fl.), lavt smeltende metaller (bismuth, tin, bly m.fl.), tungtsmeltende metaller (molybdæn, niob, tantal og wolfram m.fl.), ædelmetaller (guld, sølv, platin m.fl.) o.s.v. Jernlegeringer, hvor stål er den mest anvendte type, udgø r ca. 90% af verdens totalforbrug af metalliske materialer. 12

13 Ved stål forstås et materiale, som i vægtprocent indeholder mere jern end noget andet enkelt element, og som har e t kulstofindhold, der generelt er mindre end 2%, og som indeholder andre elementer/grundstoffer. Et begrænset anta l kromstål kan indeholde mere end 2% kulstof, men 2% er det almindelige skel mellem stål og støbejern. Stål og støbejern, definition Dette kapitel er en introduktion til de stål- og støbejernstyper, som anvendes til almindelige konstruktionsformål, emnefremstilling og til fremstilling af støbte produkter. Kapitlet omfatter en kort gennemgang af de væsentligste stål- og støbejernstyper, med eksempler på materialernes ty - piske anvendelser og kendetegn. I afsnittet om legeringstyper kapitel 6 vil de enkelte type r blive gennemgået mere detaljeret. De rustfrie stål og værktøjsstålene beskrives i kompendiern e»materialekendskab - værktøjsstål«og»materialekendskab rustfrit stål«. Stål klassificeres efter flere forskellige princippet : Den kemiske sammensætning, f.eks. ulegerede stål Fremstillingsmetoden, f.eks. koldtvalsede plader Produktformen, f.eks. stålrør Anvendelsen f.eks. kuglelejestå l Produktionsmetoden f.eks. valsede eller støbte stållegeringe r eller ved en kombination heraf, f.eks.»varmvalsede produkter af ulegerede konstruktionsstål «Det er derfor ikke muligt at vise en logisk opbygget oversig t over eksisterende stål- og støbejern. Ingen logisk oversigt over stål - og støbejer n Udbudet af kommercielt tilgængelige stål- og støbejerns kvaliteter afspejler de forskellige praktiske forhold, som er af be - tydning ved materialevalg, f.eks. : prisen styrken i forhold til vægte n behovet for dokumentation af stålets egenskaber f.eks. til kritiske konstruktioner som trykbelastede kedler. anvendelsestemperaturen - høj temperatur (styrkeskaber/krybning) - lav temperatur (slagsejhed) 13

14 korrosionsbestandigheden f.eks. vejrbestandighe d overfladekvaliteten svejsbarheden formgivningsegenskaberne bearbejdeligheden mekaniske egenskaber (styrke, udmattelse, hårdhed, m.fl.) fysiske egenskaber egnethed til overfladebehandling f.eks. emaljering I dette kompendium skelnes mellem to stål-hovedtype r Konstruktionsstå l Maskinstål (hermed menes stål til emnefremstilling ) som igen kan deles op i en række undertyper. Fig. 2.2 redegør for, hvordan de stål, som beskrives i dette kompendium, er fordelt på de to hovedgrupper. De anvendte stålbetegnelserne er danske oversættelser af de ståltypebetegnelser, der arbejdes med i de tyske standarder, og som for de fleste ty - pers vedkommende også er kendt dansk terminologi. Fig Konstruktionsstål Maskinstå l Alm. konstruktionsstål Automatstå l Vejrbestandige stål Indsætningsstå l Finkornstål Sejhærdningsstå l Højstyrkestål Nitrerstå l Koldseje stål Fjederstå l Kuglelejestå l 2.1 Konstruktionsstå l Almindelige konstruktionsstål (DS/EN (04.91) Ved almindelige konstruktionsstål forstås varmtvalsede, ulegerede stålprodukter, som anvendes til konstruktioner, hvortil der ikke stilles nogle særlige krav. Gruppen af konstruktionsstål omfatter stålkvaliteter med garanterede minimum trækstyrker fra 310 til 690 Nlmm2 og med garanteret minimum slagsejhedsværdier til - 20 C. Standarden omfatter syv ståltyper, hvoraf de tre er velegne - de til svejsning. 14

15 De almindelige konstruktionsstål anvendes f.eks. til svejste konstruktioner i bygninger, maskiner og transportudsty r samt til løftestænger, aksler og lign. i almindelig maskinkonstruktion. Vejrbestandige stå l Et stål betegnes som vejrbestandigt, når det i ubeskyttet tilstand har en bedre korrosionsbestandighed mod atmosfærisk korrosion end almindelige konstruktionsstål, og nå r denne forskel er opnået ved legering med små mængder kobber og evt. fosfor. Disse legeringselementer bevirker, a t stålet i første omgang korroderer, men at korrosionsproduktet er tæt og har god vedhæftning, således at den efterfølgende korrosionsproces hæmmes. Det vejrbestandige ståls korrosionsprodukt (rust) giver normalt en god beskyttelse i industri-, by og landatmosfære, men levetiden er selvfølgelig bestemt af de nævnte klimatiske forhold og mikroklimaet lige omkring materialet og evt. luftens indhold af skadelige stoffer som klor. Vejrbestandighe d Beskyttelse i industri-, by o g tandatmosfære Stålene anvendes f.eks. som facadebeklædning på huse og vindmølletårne, elmaster og lign. Højstyrkestå l De stål, der betegnes høj styrkestål, er forædlede almindelig e konstruktionsstål, som er udviklet til højere styrker samtidig med at stålenes evne til at kunne formgives (koldt) og svejses er uændrede eller bedre i sammenligning med almindelige konstruktionsstål. Højstyrkestål anvendes, hvor styrke/vægt forholdet ønskes forbedret eller optimeret. Stålen e udnyttes f.eks. til store stationære svejste konstruktioner og som bærende konstruktion i skyskrabere. Højstyrkestål er også meget anvendt i transportsektoren f.eks. til jernbane - vogne, blokvogne, busser, påhængsvogne, entrepenørmaskiner, mineudstyr m.v. Forædlede almindelige konstruktionsstå l Gode styrke/vægt forhol d Der findes en række forskellige typer højstyrkestål, som be - handles yderligere i afsnittet kapitel 6. Svejsbare finkornstå l Svejsbare finkornstål er en type stål, som især anvendes til 15

16 kedler og trykbeholdere. Stålene er kendetegnet ved en finkornet stuktur i leveringstilstanden og ved, at denne finkornede struktur bevares ved svejning. Dette betyder, at materi- God sikkerhed mod sprødbrud alet har en god sikkerhed mod sprødbrud. Stålene levere s med garanterede styrketal i temperaturintervallet - 60 C til 400 C. Anvendelseseksempler : beholdere, kraner, broer, olie- og gasledninger. Koldseje stå l Denne type stål er beregnet til konstruktioner og komponenter, som skal anvendes ved lave temperaturer (-60 C -196 C). Dokumenterede slagprøvnings- Der er tale om svejsbare stål med krav til slagsejheden, d.v.s. værdier dokumentation for materialernes modstand overfor sprød - brud ved slagsejhedsprøvning. Anvendelseseksempler: trykbeholdere, køle/fryseanlæg, de - le til kole/frysemaskiner, luftfart, fjerngasledninger, dele for gasfyldningsanlæg, kryotekniske apparater. Kedel- og beholderstå l Som det fremgår af navnet, er der tale om stål til kedler o g Meget lig konstruktionsstål beholdere. Stålene er i princippet identiske med de almin - delige konstruktionsstål, blot med en større grad af dokumentation for materialernes egenskaber. Anvendelseseksempler : Kedler- og beholdere uden tryk. 2.2 Maskinstå l Sejhærdningsstå l Kendetegn Egner sig til overfladehærdning Til gruppen af sejhærdnings stål hører stål, som indeholde r 0,25-0,50% kulstof samt en vist indhold af legeringselementer (f.eks. krom, nikkel og molybdæn), således at stålene en - ten kan hærdes ved luft- eller olieafkøling. Stålene benyttes til fremstilling af mekanisk højtbelasted e ogleller udmattelsesbelastede dele fortrinsvist i maskin- og køretøjskonstruktion. Stålene egner sig til overfladehærd - 16

17 ving ved flamme- eller induktionshærdning. Nogle kvaliteter med krom, molybden, vanadin eller aluminium egner sig også til nitrering. Anvendelseseksempler : konstruktionsdele udsættes for sto r belastning f.eks skruer, løftestænger, krumtapaksler, geardele som spidshjul, dele til landingsstel på luftfartøjer m.v. Borlegerede stå l Borlegerede stål er hærdbare stål med ca. 0,3% kulstof, og som er legeret med 0,002-0,003% bor. Stålene kan formgi - ves, svejses (med forvarmning) og derefter hærdes indtil 56 0 HB afhængig af type og dimension. Stålene handles ofte under betegnelsen slidstål. Kan formgives, svejses og hær - des Stålene er især udviklet til konstruktion af dele, som udsæt - tes for lettere abrasivt slid. F.eks. lad til lastbiler, skovle til gravemaskiner, graveredskaber (skovle, spader), savklinger, knive, konstruktionsdetaljer til jordbrugsmaskiner m.v. Nitreringsstå l Nitreringsstål er stål, som er beregnet til indsætning med kvælstof (N) i overfladen. Forudsætningen for en hårdhedsforøgelse er, at stålet indeholder nitriddannende stoffer som f.eks. krom, molybde n og især aluminium. Nitrerede stål kan gøres hårdere end opkullede stål, me n overfladelaget er tyndere og sprødere, hvorfor store kontakt - tryk kan bryde laget. Den nitrerede overflade har en ikke - metallisk karakter og udnyttes især, hvor der er problemer med rivning. Indsætning med kvælsto f Nitriddannende stoffe r Hårdere end opkullede stå l Indsætningsstå l Herved forstås stål med et et relativt lavt kulindhold på 0, 1 0,3%, som kan indsættes med kulstof i overfladen og derp å hærdes og anløbes. Dette resulterer i en hård overflade, me d god styrke- og slidegenskaber, medens kernen forbliver duktil/sej. Indsætningsdybden afhænger af indsætningsmidlet og indsætningstiden, men er typisk indtil 1 mm. Kulstofindholdet kan i overfladen nå op på ca. 1%. Indsættes med kulstof 17

18 Anvendelseseksempler : Glidelåseringe, slagler, sliddele til maskiner, geardele f.eks. tandhjul, drejeled, aksler m.v. Udviklet til skærende bearbejdnin g Automatstå l Automatstål omfatter ståltyper, som er specielt udviklet ti l skærende bearbejdning, og som er kendetegnet ved god bearbejdelighed og spånbrydende egenskaber. Stålene udnyttes ofte ved fremstilling af masseproducerede dele. De automatstål, som er beregnet til indsætning eller hærdning, har i almindelighed ringere bearbejdningsegenskaber, idet bearbejdeligheden generelt er aftagende med stigend e indhold af kul (C), silicium (Si) og mangan (Mn). Stålene lader sig kun vanskeligt svejse. Høj flydegrænselelasticitetsg ræns e Stor kærvfølsomhed Forbedring af udmattelsesstyrken ved shot-peening Fjederstå l Et fjederstål er kendetegnet ved et stort elastisk arbejdsområde, hvilket vil sige at stålet har en høj flydegrænselelasticitetsgrænse. De store styrker opnås enten ved varmebehandling eller ved koldformgivning. Under drift påvirkes fjedermaterialerne fortrinsvist af dynamiske belastninger. Hermed er overfladebeskaffenhed og eventuelle slagger (størrelse, form og fordeling) af særlig be - tydning, især fordi materialerne er meget kærvfølsomm e p.g.a. de høje styrker. Hærderevner og afkulning er i forlængelse heraf de hyppigste årsager til havari. For at forbedre udmattelsesstyrken af højt belastede fjeder - materialer, er det almindeligt at behandle overfladen ve d shotpeening. Herved opnås en gunstig overflade tilstand med trykspændinger i overfladen. Anvendelse : alle typer fjedre f.eks. fjederringe, tallerkenfjedre, bladfjedre, skruefjedre, torsionfjedre m.v. Komponenter som enten via konstruktion og/eller design udnytte r metallernes elastiske (fjedrende) egenskaber ved cyklisk el - ler statisk belastning. 18

19 Kuglelejestå l Kuglelejestål er beregnet til de kuglelejedele som udsætte s for høje (lokale) udmattelsesbelastninger og slidende påvirkning. Der er tale om stålkvaliteter, der som minimum ka n overfladehærdes. Stålene er kulstofholdige og typisk legere t med krom. Gode slid- og udmattelsesegenskabe r Mar-aging stål (mar = martensit og aging = modning ) Mar-aging stål er et specialstål, som hovedsaglig anvende s indenfor luft- og rumfartsindustrien og til værktøjsfremstilling. Der er tale om en ståltype med høj styrke, som adskiller sig fra konventionelle stål ved at lade sig hærde ved en metallurgisk reaktion, som involverer nikkel. Stor styrke Der er tale om ståltyper med flydespændinger i område t MPa. Da stålet afviger fra almindelige stål, ha r denne ståltype derfor nogle helt specielle anvendelser, de r baserer sig på følgende egenskaber : Materialet kan bearbejdes efter hærdning/anløbning, men før modning. Styrkeforøgelsen ved modning medfører kun små dimensionsændringer. God svejsbarhed. Brudsejheden er betydelig bedre end konventionelle stå l med samme styrker. Anvendelseseksempler : lejer, transmissionsaksler, koblinger, bolte, dorne, matricer. Støbejern Støbejern er legeringer af jern, kul og silicium, som indeholder mere end 2% kulstof og 1-3% silicium. Der kan opnås store variationer i egenskaberne ved at varierer forholdet mellem kulstof og silicium og ved legering me d forskellige metalliske og ikke-metalliske elementer og ved a t variere smelte-, støbe- og varmebehandlings metoder. Gruppen af støbejern omfatter gråt - og hvidt støbejern, SG-jer n (sejgjern) og aducerjern. Betegnelsen gråt og hvidt støbejern refererer til brudfladens udseende. SG-jern udviser i mod Store forskelle i støbejerns egenskabe r 19

20 sætning til gråt- og hvidt støbejern evnen til plastisk deformation (duktilitet). Aducerjern udstøbes som hvidt støbe - jern og varmebehandles derefter for at give den nødvendig e duktilitet. Aducergods anvendelse er meget begrænset efte r at SG-jernet blev introduceret. I gråt støbejern udskilles kulstoffet som flagegrafit Støbejern hører til de billigste støbelegeringer I gråt støbejern udskilles kulstoffet som flagegrafit ved størk - ningen. Dette er baggrunden for mange af de gode egenskaber, som kendetegner gråt støbejern, som f.eks. : Stor dæmpningskapacitet Lav kærvfølsomhed (materialet er fyldt med kærve ) God bearbejdelighed Gode glideegenskabe r Støbejern hører til de billigste støbelegeringer. Andre støbe- legeringer bør derfor kun overvejes, såfremt støbejerns mekaniske - eller fysiske egenskaber ikke er tilfredstillende. Gråt støbejern anvendes f.eks. til lejehuse, maskinstativer, kileremskiver m.v. I hvidt støbejern udskilles kulstoffet som karbider I SG-jern udskilles kulstoffet som kugler Hvidt støbejern er kendetegnet ved, at alt kulstoffet størkne r som karbider, hvilket gør materialet meget hårdt og skørt. Hvidt støbejern anvendes hovedsaglig til slidbestandige komponenter (abrasivt slid) så som knuselegemer. SG-jern indeholder kulstof udskilt som kugler i modsætning til flager i gråt støbejern. Ofte bruges SG-jern i den støbt e tilstand, men mange gange varmebehandles materialet også. Disse varmebehandlinger har samme effekt på støbejerne t som på stål. SG-jern kan legeres med nikkel, molybden, kobber eller krom for at forbedre styrken, hærdbarheden eller korrosionsegenskaberne. SG-jern har sammenlignende egenskaber som stål og veel- ges i konkurrence hermed. Som et typisk eksempel på anvendelse af SG-jern kan nævnes krumtapaksler. SG -jern har sammenlignende egenskaber som stål Reference r 1. Mahmoud M. Farag :»Selection of Materiales and Manufacturing Processes for Engineering Design«. Prentice Hall International (UK) Ltd,

21 Fremstilling 3 Dette emne behandles i Sl-A. 21

22 4 Metallurgi 4.1 Kortfattet resume af den generelle stålmetallurg i Stål er betegnelsen for de metallegeringer, som fremkom - mer, når man blander kulstof i jern. En mindre andel kulsto f kan gå i fast opløsning i jern, men en større andel kulsto f danner en kemisk forbindelse med jern. Denne såkaldte intermediære forbindelse er en jernkarbi d (Fe 3C), som kaldes cementit. Stål er legeringer mellem jern og kulstof De jern-kulstoflegeringer, som har teknisk, kommerciel in - teresse, indeholder op til 6,7% kulstof. Op til ca. 2% kulstof betegnes legeringerne som stål, og ved højere kulstofindhold er det støbejernslegeringer. Som mange andre materialer optræder stål i fast, flydend e eller luftformig tilstand, afhængigt af temperaturen og trykket, men herudover kan stål i fast tilstand forekomme i forskellige faser, d.v.s. med forskellige krystalgitteropbygninger. Da disse faser kan indeholde en begrænset andel kulstof i fast opløsning, vil der normalt optræde udskillelser af cementit. Forekomsten af faser og udskillelser er afhængig af tempera - tur, tryk og legeringens koncentration d.v.s. sammensætning. De såkaldte tilstandsdiagrammer viser sammenhængen mellem disse parametre ved atmosfærisk tryk. Tilstandsdiagrammet for jern-kulstof ses afbildet i fig. 4.1 for et kulstofindhold op til 2%. Ferrit, cementit og perlit Ved stuetemperatur optræder der en fase betegnet ferrit o g den omtalte intermediære forbindelse, cementit, samt et 3. strukturelement betegnet perlit, der er en blanding melle m ferrit og cementit opbygget med skiftevise lameller. Fordelin - gen mellem de 3 strukturelementer afhænger af kulstofkoncentrationen, og den kan udregnes via tilstandsdiagramme t (vægtstangsreglen). Tilstandsdiagrammet er principielt kun gældende for rene jern-kulstoflegeringer. Selv de såkaldte ulegerede stål indeholder en mindre andel legeringselementer og urenheder. 22

23 Ferrit = oc o~ H ,',Nor~ha, ~~~~,b, Auste nit = nmax Fer r it nn +austenit A3hØrd~ 'n9, s,, edc,te~per' era to;, Smelte + Y ~~~~~i~i i~ i ii~~i i i~~iiii~ i~ Pm Austen it + ce ment it i i i~~ i i~%i~iii~ P Ai uiiiiiiiiiiiiiiiiiiiitiiiiiiiiiiiiiiiiii S æroi.isenng \ M M A MM NI M M MM MM MM MM NIO Ob.M IIII MM N I O K Rek ṙ.y~. M~ MM M stallisations lø.nin. ` ~.~.~.A.A.A.~ A.A.~VA.,.A.A.A.AV&.A.~.MM~\`\\\\\\`\ e.~.~.a.a A,.~. 0~~~~~j~j j~j ;~j~~ ; ; j j j~j~~ ;~j A spæn. i n a s ø. n in "; ; ; ; ; ; ; ;" ; ; ; ; ; ; ; ;9.~~~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~.~. ~ ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~.~ `\\\\\\\`\~~\\\`\\ Rekr stallisations.lø.nin. E ` r ` ~ CL Ferrit + perlit Undereutektoid > Perlit + cementi t Overeutektoi d 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2, 1 % C Fig Jern-kulstofdiagrammet, her vist som det metastabile ligevægtsdiagram for jern-cementit 23

24 Et indhold op til ca. 1% vil dog kun have begrænset indflydelse på diagrammets udseende. Hos lavtlegerede stål med 2-5% legeringselementer kan der være tale om væsentlige ændringer, og for de egentlige højt - legerede stål (> 5% legeringselementer) vil diagrammerne have et helt anderledes udseende. Det vil derfor i disse situationer være nødvendigt at anvende andre tilstandsdiagram - mer, som tager højde for de ekstra legeringselementer. Der legeres ud fra ønsket om a t opnå bedre egenskaber Der legeres med en række forskellige elementer såsom man - gan, silicium, krom, nikkel, molybdæn, kobber, kobolt, aluminium m.fl. Der legeres ud fra ønsket om at opnå bedre egenskaber f.eks. med hensyn til styrke, svejsbarhed, bearbejdelighed, varmebestandighed, hærdbarhed, korrosionsbestandighed, slidstyrke og meget mere. Stållegeringers styrke er baseret på mikroskopiske og sub - mikroskopiske forhold i materialet. Den aktuelle styrke hos en stållegering er grundlæggend e afhængig af kulstofindholdet. Dels fremkommer der hærdning ved den faste opløsning af kulstof i jern, og dels øges styrken ved udskillelse af cementit. Også andre karbid- og nitrid-udskillelser kan give styrkeøgning, hvad der udnyttes ved højstyrkestål. Styrkeøgningsmekanismer Deformationshærdning er en velkendt styrkeøgningsmekanisme, som fremkommer ved kolddeformation. Kornstørrelsen i mikrostrukturen har ligeledes en stor indflydelse p å styrken, og man forsøger derfor bl.a. ved legering med for - skellige elementer at sikre sig en kornforfining. Styrkeøgning kan endvidere opnås ved varmebehandling, idet man eksempelvis herved kan omdanne de velkendte faser ferrit, perlit og cementit til en anden meget hård fase be - tegnet martensit. Denne proces kaldes hærdning (martensithærdning) og er en af mange forskellige varmebehandlinger, som anvendes til at forøge ståls styrke. Varmebehandlinger Men der varmebehandles også for at ændre på andre egen - skaber hos stållegeringer. Eksempelvis egenskaber som duktiliteten (sejheden), slagsejheden, udmattelsesstyrken, krybestyrken, slidbestandigheden og korrosionsbestandigheden. Varmebehandlinger hertil kunne være sfæroidisering (blød - glødning), normalisering, sejhærdning, overfladehærdnin g med flere. 24

25 Andre typer varmebehandlinger drejer sig primært om at fjerne uønskede spændinger fra et let eller svært deformere t materiale. Disse processer kan være afspændingsglødning og rekrystallisationsglødning. Konstruktionsstål (incl. maskinstål) Jern-kulstoflegeringer kan klassificeres i henhold til kulstofindhold eller i henhold til legeringsmængden, hvad der giver anledning til de betegnelser, som står anført nedenfor i ta - bel 4.1 og Tabel 4.1 Klassificering af jern-kulstoflegeringer i henhold ti l %-kulstof Legeringstype % kulstof (% C ) Hypoeutektoidt stål ca. 0,05-0,8 Eutektoidt stål 0, 8 Hypereutektoidt stål 0,8-ca. 1.5 (2) Støbejern 2-4 Tabel 4.2 Klassificering af jern-kulstoflegeringer i henhold til det totale indhold af legeringselemente r Betegnelse for legeringstype Sammensætning Ulegeret stål 0,05-1,3% C, dog kun op til ca. (blødt stål eller kulstofstål) 0,7% C for legerede stål til konstruktionsbrug. Totalt max. 1-2% legerings - elementer + urenhede r Mikrolegeret stål Som ovenstående, dog med forhøjet indhold af mangan (op til 1,5%) samt op til 0,1 % af specielle legeringselementer såsom aluminiumnitrid, niobium, titan eller vanadiu m Lavtlegeret stål Højtlegeret stål Totalt legeringsindhold ca. 2-5% Totalt legeringsindhol d over 5% 25

26 Der er imidlertid også foretaget en klassificering af stållege - ringer i henhold til anvendelse eller egenskaber. Denne klassificering er ikke særlig præcis, men nok mere velkendt for stålbrugere. Nogle betegnelser fra denne klassificering er : Konstruktionsstål Bygningsstål Maskinstål (maskinbygningsstål ) Automatstål Fjederstål Værktøjsstål Rustfrie stål (rustfaste stål) Varmfaste stål (varmebestandige stål) m.fl Afgrænsning af konstruktionsstål fra øvrige stålgruppe r Konstruktionsstål er en upræcis betegnelse, der dækker et varierende antal stållegeringer. Konstruktionsstål er svejsbare Konstruktionsstål bruges ofte som synonym til bygningsstål, stål d.v.s. som betegnelse for en række generelt svejsbare stål, der typisk anvendes til bygningsmæssige konstruktioner og lignende. Sidestillet med denne gruppe kan der opstilles 3 andre hovedgrupper : maskinstål, værktøjsstål og rustfrie stål. Maskinstål anvendes til maskinkomponenter Maskinstål eller maskinbygningstål, som gruppen underti - den også betegnes, anvendes til maskinkomponenter såso m aksler, tandhjul, ventiler o.lign., hvor der ikke er et primært krav til svejsbarhed, sådan som det er tilfældet for bygningsstål (konstruktionsstål). Maskinstålene er karakteriseret ved at være mere eller mindre velegnede til spåntagende bear - bejdning, og de legerede typer er endvidere hærdbare. Der er dog ikke nogen skarp adskillelse mellem bygningsstå l og maskinstål, som tværtimod overlapper hinanden i et vist omfang. Begge grupper vil således i denne her sammenhæng være omfattet af kursusoverskriften konstruktionsstål. Værktøjsstål og rustfrie stål be- Over for denne store fælles gruppe af stål til bygnings- og handles ikke her maskinkonstruktioner står således de rustfrie (højtlegerede ) stål, der behandles i et selvstændigt undervisningsforløb o g gruppen værktøjsstål, som behandles i et andet delkursus 26

27 under modul SI, samt nogle andre mindre betydningsfuld e stålgrupper. Konstruktionsståls og maskinståls særlige metallurgiske forhol d Da det er mest almindeligt at skelne mellem konstruktions - stål (bygningsstål) og maskinstål, skal denne opdeling imidlertid bibeholdes i den fortsatte tekst. Konstruktionsstål omfatter en række forskellige grupper stål, som har hver sine særlige anvendelsesområder Opdelingen i disse undergrupper vil blive nøjere beskrevet i kapitel 6. Konstruktionsstål er oftest svejsbare uden krav om forvarmning og efterfølgende varmebehandling. Dette nødvendiggør et relativt lavt kulstofindhold (max. ca. Konstruktionsstål har relativt 0,2%) samt meget lave indhold af kvælstof (max. ca. 0,009%) lavt kulstofindhol d og svovl og fosfor (max. 0,05% for hver). Konstruktionsstål findes som ulegerede kulstofstål, som mikrolegerede stål og som lavtlegerede stål. Til særlige formål kan der anvendes højtlegerede stål, som f.eks. maragin g stål (højstyrkestål til rumfartsindustrien) og nikkelstål (stå l til lave temperaturer). De almindelige ulegerede stål findes i forskellige styrkeklasser, men der er højere styrke hos de mikrolegerede stål i kraft af karbid- ogleller nitrid- udskillelser, der medføre r kornforfining og udskillelses- eller dispersionshærdning. De lavtlegerede konstruktionsstål er blevet hærdbare i kraf t af legeringselementerne og opnår således en større styrke bl.a. ved sejhærdning. Maskinstålene er som nævnt ofte bearbejdelige ved spåntagende bearbejdning, og disse stål skal derfor have en ensar - tet struktur og en ringe andel urenheder. Maskinstålene er ofte bearbejdelige ved spåntagende bearbejdning Nogle af maskinstålene er svejsbare uden ekstra foranstaltninger, mens andre kun er svejsbare ved for- ogleller efterbehandling. Maskinstålene findes både som ulegerede kulstofstål og som legerede (oftest lavtlegerede) kulstofstål. De rene kulstofstål har et kulstofindhold fra ca. 0,1% til 0,7%. 27

28 Op til 0,5% kulstof leveres de som regel i normaliseret til - stand, men en blødglødning (sfæroidisering) er nødvendi g for maskinstål med over 0,5% C for at sikre bearbejdelighe - den. De ulegerede kulstofstål findes generelt ikke i sejhærdet tilstand. Styrken hos disse maskinstål afhænger af kul - stofindholdet, og hvis man ønsker bedre styrkeegenskaber, skal man anvende de legerede maskinstål. De legerede maskinstål er altid varmebehandlede for at op - nå bedre styrke. Der kan f.eks. være tale om sejhærdning, indsætning, nitridering eller martensithærdning og anløbning. Flere af de nævnte varmebehandlinger har givet navn til en undergruppering af de legerede maskinstål. Som legeringselementer anvendes primært mangan (max. 1,8%), nikkel (op til 5%), krom (op til 3%), molybdæn (op til 0,5%) og bor (- 0,003%). Konstruktionsstål og maskinstål behandles nøjere i kap Høj styrke, god formbarhed og svejsbarhed Hojstyrkestå l Det primære sigte i udviklingen af høj styrkestål har været a t kombinere høj styrke med god formbarhed og svejsbarhed. For at opnå denne kombination af egenskaber er der gjor t brug af næsten alle de metoder for styrkeforøgelse, som e r beskrevet i kursusmodulet S1, første del Historisk oversigt De første lavtlegerede høj styrkestål (HSLA) fra begyndelse n af århundredet var udviklet med henblik på god trækstyrk e næsten uden hensyn til sejhed, formbarhed og svejselighed. De var legerede med det billige kulstof og eventuelt mangan. HSLA står for high-strength-low-alloy, dvs. høj styrke, lavt legeret. Tidligt blev det også erkendt, at bl.a. vanadium og aluminiumnitrid havde en styrkeøgende effekt, som kunne udnyttes. I halvtredserne blev sammenhængen mellem kornforfinin g og flydespænding og sejhed beskrevet, og aluminiumfin - kornbehandling introduceredes. Yderligere udvikling var tilsætning af niobium, vanadium og 28

29 titan, som med passende fremstillingsbetingelser kunn e kornforfine og danne udskillelser af karbider og nitrider. En ringere opløselighed af niobiumkarbid (NbC) (i forhold til vanadi - umkarbid VC) betød, at mens VC kunne give udskillelseshærdning i normaliseret tilstand, var dette ikke muligt med NbC, som kun ga v kornforfining. En udskillelseshærdning kunne kun opnås ved højer e slutvalsetemperatur og medførte grovkornethed. Disse probleme r førte til udvikling af kontrolleret valsning med lavere sluttemperatur, som dog holdt tilstrækkeligt NbC i opløsning til, at en udskillelses - hærdning kunne finde sted. Parallelt med ovennævnte udviklinger på ferrit-perlitstål forskedes i HSLA-stål af bainitisk type og stål, som hærdes o g anløbes. Krav om formbarhed og svejselighed førte til gradvis sænkning af kulstofindholdet. Med henblik på god formbarhed særligt i relativt tynd plad e udvikledes de forholdsvis billige DP-stål, som ved hærdnin g og anløbning bibringes en to-faset struktur af ferrit og martensit. Mekanismer for styrkeforøgelse i relation til hojstyrkestål Flydespændingen i et stål kan foruden ved hærdning (fase - omdannelse) øges som følge af følgende faktorer, hvora f nogle vil blive beskrevet i dette afsnit : Flydespændingsbidrag fra fast opløsning af legerings - elementer. Flydespændingsforøgelse fra udskillelseshærdning (modning). Flydespændingsbidrag fra deformationshærdning, dvs. dislokationer og andre gitterfejl. Bidrag fra textur (foretrukken krystalorientering). Bidrag fra kornforfining. For høj styrkestålene er de vigtigste af parametrene afbilde t som vektorer på figur 4.2. Diagrammet viser, hvorledes omslagstemperaturen (mål for slagsejheden) ændres ved en flydespændingsøgning på 10 Styrke og omslagstemperatu r 29

30 Fig Ændring i omslagstemperatur ved forskellige styrkeøgend e mekanismer (Ref.4) Flydespændings-forøgelse på 10 N/mm 2 N/mm ved forskellige styrkeforøgende mekanismer. Det er mindre fordelagtigt med styrkeforøgelse, som samtidig giver stigning i omslagstemperatur, fordi dette betyder, at stålet bliver mere koldskørt. Samtidig øgning af styrke og slagsejhed kan altså kun opnås ved kornforfining og fast opløsnin g af mangan og nikkel, og samtidig skal kulstofindholdet hol - des lavt, da både opløst kulstof og et forhøjet perlitindhol d giver stort fald i slagsejhed. Fast opløsnin g Flydespændingsforøgelsen ved fast opløsning i form af substitution eller indskud af legeringsatomer i jernatomgitteret (se fig. 4.3) afhænger af legeringselementet. Kulstof og kvælstof har størst effekt Størst effekt pr. tilsat vægtandel har grundstofferne kulstof og kvælstof, derefter følger fosfor, silicium, kobber, mangan og nikkel. Fosfor anvendes som legeringselement i en af de almindelig- 30

31 Opløst atom (Si, Mn, P) Opløst atom (C, N ) Fig Atomgitre med fremmedatomer i fast opløsnin g Substitution ste typer højstyrkestål til brug i autokarosserier, ligesom silicium og mangan er hyppigt forekommende. Udskillelseshærdnin g Når et korn i et metallisk materiale skal deformeres, ske r dette ikke ved, at to hele atomplaner bevæger sig i forhold til hinanden på een gang. Deformationen sker ved, at fejl i gitteret (dislokationer) vandrer gennem krystallen. Indskudte og substituerede atomer (fast opløsning) hæm - mer denne dislokationsvandring, og det samme gør fine udskillelser. Derfor kan legeringssystemer med en faldende opløselighe d af et grundstof i metallet (se fig. 4.4) bibringes styrkeforøgel - se ved udskillelseshærdning. Størrelsen af den styrkeforøgelse, som kan opnås ved udskillelse af fine partikler i ferritten, øges med faldende størrelse på udskillelserne. Finere partikler giver større styrkeøgnin g L+ a Udskillelseshærdba r sammensætnin g Fig. 4.4 Udsnit af farediagram for legeringssystem med mulighed fo r udskillelseshærdnin g a a+(3 Koncentration 31

32 o C Nb 0,04 0,08 % 0 Ti 0,04 0,08 0,12 0,16 % 0 V 0,04 0,08 0,12 % Fig Skematisk sammenligning af styrkeforøgelse (flydespænding) og ændring i omslagstemperatur ved kornforfining og udskillelseshærdning med niobium, titan og vanadium. Effekten af de mest anvendte stoffer niobium, titan og vanadium fremgår af fig (Ref. 5). Det ses af figuren, at niobium giver bedste kombination af styrke og sejhed. Mikrolegeringsstofferne har flere funktioner i stålet, og som det se s af fig. 4.5, virker niobium i høj grad også kornforfinende ud ove r udskillelseshærdningen. Vanadium udmærker sig ved at kunne give udskillelseshærdning selv ved lave austenitiseringstemperaturer, o g titan har også en indflydelse med hensyn til formen på de ikke-metalliske indeslutninger (sulfide shape control). Sidstnævnte effekt har også cerium og kalcium. 32

33 Udskillelsen af de mere opløselige fine partikler, som giver styrkefor - øgelse, sker dels ved austenit-ferrit transformationen dels i ferritten efter transformationen. De mindre opløselige er til stede ved valsningen og hindrer korn - vækst i austenitten. Kornforfinin g Begrænsning af kornstørrelse er et meget effektivt middel ti l styrkeforøgelse, f.eks. betyder en formindskelse fra 15 til 5µm en forøgelse af flydespændingen på ca. 90 N/mme. Fig. 4.6 viser sammenhængen mellem ferrittens middelkorn - størrelse og flydespændingen (Ref. 6) : Kornforfining fra 15 til 5µm giver flydespændingsøgning på 9 0 N/m m Kornstørrelse(µm) Fig Sammenhæng mellem middel I I I I I I I I I kornstørrelse og flydespænding I I d -'/2(mm-1 /2) Ferrovac E D 0,05% C A 0,09% C O 0,13% C 0,15% C o 0,20% C I I I I Kornstørrelsen styres ved hjælp af mikrolegeringsstoffer, som nævnt under udskillelseshærdning, og ved variation i procesparametrene. Det er austenitkornstørrelsen, som skal begrænses, da den er afgørende for den resulterende ferritkornstørrelse. Faseomdannelse, DP-stå l Styrkeforøgelse ved hærdning er et velkendt fænomen. Ved fremstilling af de såkaldte DP-stål er processen den, at glød - 33

34 C 400 ving foretages i to-faseområdet austenit-ferrit, således at strukturen efter bratkøling bliver martensit + ferrit. Andelen af martensit styres af kemisk sammensætning, glødetemperatur og afkølingshastighed ved bratkølingen. Trækstyrken stiger med manensitandelen Trækstyrken øges med martensitandelen, således som det fremgår af fig Flydespændingen har derimod et minimum, som det ses af fig. 4.8, og flydespændingen udgør en lavere del af trækstyr - ken, end det er tilfældet for konventionelle stål, hvilket er medvirkende til den særlige formbarhed for DP- stålene. N/mm z _ \10\,4 A C Y 400 _ F Martensit volumen % Fig. 4.7 Trækstyrke som funktion af martensitandel (Ref. 7) rn c 300 Ili - -p T LL - 2 \.s I I I Martensit volumen % Fig Flydespænding som funktion af martensitandel (Ref. 8) Ved omdannelsen af austenit til martensit dannes fordeformeret ferrit med stor dislokationstæthed tæt ved martensitøerne. Den øvrige ferrit har ikke disse mange dislokationer, og plastisk deformation vi l derfor fremkomme ved de mobile dislokationer nær martensitte n og ved lave spændinger, fordi der også er restspændinger fra volu - menekspansionen ved martensitdannelsen. Fjernes inhomogeniteten i dislokationsmønstret, f.eks. ved deformation, taber DP-stålene de særlige mekaniske egenskaber (Ref. 9), lav flydespænding og kontinuerlig flydning. Opvarmning ødelægger DP-stålenes gode egenskaber Opvarmning til selv relativt lave temperaturer fører (ligeso m deformation) til tab af de særlige egenskaber, som kendetegner DP-stålene. Trækstyrken falder, og flydegrænsen øges, og med hensyn til deformationsevne falder både den totale og den jævnt for - delte brudforlængelse. 34

35 Deformationsældnin g I mange højstyrkestål er der indbygget mulighed for en ekstra styrkeforøgelse efter den egentlige stålfremstilling. Styrkeforøgelsen opnås ved en opvarmning til relativt lav temperatur ( C) f.eks. ved ovnlakering. Dette ha r givet navn til effekten, som kaldes bake-hardening.»bake-hardening«ved ovnlakerin g Ved en modning (eller ældning), der er knyttet til det kulstof, som findes opløst i stålets ferrit, opnås en forøgelse a f flydespændingen. Figur 4.9 (Ref. 10) beskriver fænomene t ved hjælp af trækdiagrammer. N /mmz Fig Deformationshærdning og bake-hardening Fordeformatio n % Fig Flydespænding før og efte r ovnlakering for forskellige grader af fordeformatio n Som det fremgår af figur 4.10 (Ref. 10), øges styrkeforøgelsen med graden af deformation før ovnlakering, men der er en vis effekt selv helt uden deformation. Behandlingstemperatur, stålets forhistorie og den kemiske sammensætning er afgørende for størrelsen af styrkeøgningen, og primært er indholdet af opløst kulstof afgørende. Varmebehandling under og efter bearbejdning De styrker, som høj styrkestålene kan bibringes ved de om - talte mekanismer, er ikke lige følsomme over for en efterfølgende opvarmning. I Ref. 11 er gennemført en række forsø g med deformation og efterfølgende opvarmning af forskellig e ståltyper, hvorefter de mekaniske egenskaber og mikrostruktur er undersøgt. 35

36 Mest stabil er en styrke opnået ved fast opløsning. I tilfælde, hvor denne mekanisme er primær f.eks. ved de refosforiserede høj styrkestål, må stålene forventes at bibeholde styrken næ - sten uændret selv ved normalisering, (se dog nedenfor angå - ende deformationshærdning). Opvarmning af udskillelses - hærdede stål vil øge udskillelsernes størrelse, hvorved styr - ken falder selv ved relativt lave temperaturer (over ca. 300 C). Hvis kornstørrelsen vokser ved en rekrystallisation eller normalisering, fås et styrkefald. DP-stålene ændrer egenskaber ved relativt lave temperaturer (fra ca. 200 C), dels fordi de ved bratkølingen opnåede lokale spændinger i ferritfasen udløses, dels på grund af udskillelser af nitrider og karbider, og endelig fordi martensitte n anløber. Deformationshærdning, som altid opstår ved kold plastisk formgivning, er yderligere en faktor, som skal tages med i vurderingen af, hvilke efterbehandlinger og reparationer, der er tilladelige. Formgivning giver betydelig styrkeøgning, særlig med hensyn til flydespænding, og en opvarmning vi l reducere styrken ved temperaturer fra ca. 450 C og opefter. 4.4 Støbejern Støbejern indeholder mere en d 2% kulstof samt silicium, mangan, svovl og fosfor Størkning og afkølin g Jern-kulstof-legeringer med mere end 2% kulstof klassificeres i reglen som støbejern. Støbejern adskiller sig fra stål ve d den form, hvori kulstoffet forefindes. I stål findes kulstof sædvanligvis som jernkarbid, hvorimod kulstof i støbejer n kan forefindes både som jernkarbid og frit kulstof (grafit). Bortset fra kulstof vil støbejern også indeholde andre vigtige elementer som f.eks. silicium, mangan, svovl og fosfor, som i udpræget grad kan ændre jernets struktur og egenskaber. Den enkleste metode til klassificering af støbejern er at gøre dette efter jernets struktur, således som den fremtræder set under mikroskop, og man vil da finde, at der er tre hovedtyper af strukturer : Strukturer, som indeholder flagegrafit (gråt støbejern ) som vist i fig Strukturer, som ikke indeholder nogen grafit (hvid t støbejern), fig

37 Strukturer, som indeholder kuglegrafit (SG- jern), fig Disse tre strukturer er alle fremkommet under jernets størkning, mens en fjerde struktur, hvor kulstoffet forefindes so m klumpede flager af grafit (temperkul) fremkommer genne m en styret glødning af hvidt støbejern, en temperglødning, ti l temperjern eller aducerjern. Kulstof i støbejern forefindes som flagegrafit, kuglegrafit elle r i cementit Støbejernets struktur og egenskaber bestemmes i vid ud - strækning af, hvad der sker under størkningen og den efterfølgende afkøling. Således bestemmes grafitstrukturen under størkningen, mens matrixstrukturen bestemmes unde r afkølingen. Fig Struktur af grat støbejern, x 100 Fig Struktur af hvidt støbejern, x

38 Fig Struktur af SG-jern, x 100 Fig Jern- kulstof dobbelt diagram, støbejernsdel C C% Karbid Smelte + karbi d eutektiku m Støbejern størkner enten som det stabile eutektikum, bestå - ende af grafit og austenit, eller som det metastabile eutektikum, bestående af jernkarbid og austenit, således som vist i det»dobbelte«fe-c diagram i fig Støbejern med grafit i strukturen betegnes gråt støbejern, d a jernet ved at blive brækket viser brud langs med grafitten, og det pågældende brud fremtræder gråt. Når der ikke e r nogen grafit i jernets struktur, fremtræder det som hvidt Fig brud og betegnes som»hvidt«eller»hvidstørknet«støbejern. Hvidt og gråt brud i støbejern De respektive brud er vist på fig

39 For at grafitten under størkningen kan udskilles som kugler, tillegeres magnesium (Mg) i en mængde, der er tilstrækkelig til at fjerne svovlet fra jernet samt med et overskud, der be - virker, at jernet har et restmagnesiumindhold på 0,03-0,06%. Det meget lave svovlindhold og restmagnesium bevirker, a t grafitten udfældes som kugler og ikke som flager, som det ville være tilfældet for det samme jern uden Mg og med et højere S-indhold. I SG -jern er grafitten udskilt som kugler. SG-jern har et restmagnesiumindhold på 0,03-0,06 % Som vist på fig fremkommer eutektikum af jern og kul - stof med et kulstofindhold på ca. 4,3 og et smeltepunkt p å 1153 C. Et binært eutektikum består af to faste faser fremkommet ved størkning ved konstant temperatur. Den eutektiske legering har det laveste størkningspunkt i systemet. Tilsætninger af silicium og fosfor sænker kulstofprocenten i den eutektiske sammensætning med ca. 0,33% fo r hver 1%, der forekommer. Disse virkninger kan indsættes i en formel, som giver jernets kulstofækvivalent. Kulstofækvivalent (CEV) = kulstof% + silicium% + fosfor % 3 Når kulstofækvivalenten er 4,3, er legeringen eutektisk. Når den er mindre end 4,3, er legeringen undereutektisk. Når den er mere end 4,3, er legeringen overeutektisk. Jernets kulstofækvivalent (CEV) anvendes som X-akse i Fe-C dia - grammet Ved undereutektisk jern er den første fase, der udskilles af smelten, austenitten, en fast opløsning af kulstof i -y-jern, som krystallisere r i form af dendritter, hvis længde og mønster afhænger af tempera - turgradienten. De austenitiske dendritter fortsætter med at vokse, og den resterende del af det flydende jern får øget kulstofindhold, indtil den eutektiske temperatur og koncentration er nået. Størknin - gen begynder fra nogle centre, hver med en nogenlunde sfæris k krystallisationsfront, og der sker samtidig udskillelse af grafit og au - stenit. Til sidst mødes disse eutektiske celler og opsuger den tilbageværen - de del af det flydende jern. Dendritternes austenit og austenitten i den eutektiske struktur bliver sammenhængende, og strukture n fremstår som spredte grafitflager i en matrix af austenit. Efter størk - ningen er den eutektiske cellestruktur og den tilfældige orienterin g af de primære austenitiske dendritter igennem hele strukturen i al t væsentligt færdig og kan ikke senere modificeres ved videre afkøling eller ved efterfølgende behandling. Det almindelige mønster, som størkningen følger, er illustreret i fig