austenittiske manganstål – Store norske leksikon

Dannelse av deformasjonstvillinger i det austenittiske manganstålet Strømhard etter 5 prosent plastisk kompresjon (øverst) og 105 prosent plastisk kompresjon (nederst). Bildene er tatt med henholdsvis lysmikroskop og transmisjon elektronmikroskop.

Etter den minste deformasjonen er det en relativt beskjeden tvillingdannelse som ses som rette sorte linjer i bildet. (Stålets støpestruktur ses i bakgrunnen.) Etter den kraftigste deformasjonen er større deler av stålets volum fylt med tvillinger. Et tvillingpar ses som en lys og en mørk stripe som ligger inntil hverandre. Striper med samme intensitet har samme krystallografiske orientering.

Deformasjonstvillinger

Av MSc Benedicte Madsen.

Lisens: Begrenset gjenbruk

Austenittiske manganstål er stål som inneholder over 10 vektprosent mangan. De fastner kraftig når de blir plastisk deformert, og de har høy duktilitet og seighet.

Mangan er et element som stabiliserer fasen austenitt på bekostning av ferritt, og manganstålene har derfor en austenittisk krystallstruktur ved brukstemperatur.

En gruppe av disse stålene, slitesterke manganstål, har svært stor slitasjemotstand og blir blant annet brukt i knuseverktøy i gruveindustrien og pukkverk. En annen gruppe av stålene, TWIP-stålene, er ideelle for anvendelser innen bilindustrien fordi de kombinerer svært høy strekkfasthet med usedvanlig høy duktilitet (50–60 prosent forlengelse), og fordi de effektivt absorberer støtenergi ved kollisjon. TWIP-stålene er også aktuelle for annen industri, som LNG-skipsbygging, på grunn av sine gode kryogene egenskaper, og dessuten for olje- og gassindustri.

Metallurgi

Mangan benyttes som legeringselement i stål av ulike grunner. I små mengder (opptil 1,7 vektprosent) tilsettes mangan blant annet for å oppnå økt styrke og seighet i konstruksjonsstål og for å øke herdbarheten til martensittiske stål. Stål som inneholder 0,8–1,7 vektprosent mangan kalles ofte karbonmanganstål.

I mengder over 10 vektprosent medfører mangan at stålets austenittiske høytemperaturstruktur bevares ned til lave temperaturer ved normale avkjølingsforhold fra høy temperatur (for eksempel ved støping). Ved brukstemperatur får da stålet en krystallstruktur som er austenittisk istedenfor ferrittisk, som tilfellet er for de fleste andre stål.

Austenittiske stål arbeidsherder (fastner) betydelig mer enn ferrittiske stål når de blir plastisk deformert, og dette er avgjørende for anvendelsen av de austenittiske manganstålene. Den plastiske deformasjonen skjer hovedsakelig ved en kombinasjon av bevegelse av dislokasjoner (dislokasjonsglidning) og dannelse av deformasjonstvillinger i austenittstrukturen (atomene til et tvillingpar speiler hverandre over grenseplanet mellom dem, tvillingplanet). Tvillingplanene virker som barrierer mot dislokasjonsglidning, og dette bidrar sterkt til den store arbeidsherdingen.

Slitesterke manganstål

Konknuser av slitestålet Strømhard. Knuseren består av en ytre stasjonær konus (mantel) som fylles med malm/stein, og en indre roterende konus (konkav). Materialet mellom de to konusene knuses når den indre konusen roterer om sin eksentriske akse.

Konknuser

Stavanger Steel AS/Nordic Roads AS.

Lisens: Begrenset gjenbruk

Tennene i gravemaskinskuffer lages av slitesterke manganstål.

Gravemaskinskuffe

Av MINING.com.

Lisens:

Det første austenittiske manganstålet som ble utviklet er Hadfieldstålet, som inneholder 10–14 vektprosent mangan og 1,0–1,4 vektprosent karbon. Dette stålet er kjent for sin store motstand mot slagpåkjent og abrasiv slitasje og har en rekke anvendelser i slitasjepåkjente komponenter.

En norsk variant av Hadfieldstålet er Strømhard, som er mer høylegert og inneholder 20–22 vektprosent mangan og omtrent 1,4 vektprosent karbon. Strømhard er derfor hardere enn det originale Hadfieldstålet, både i utgangstilstanden og etter arbeidsherding, og det har en lengre levetid enn Hadfieldstålet. Begrepet manganstål er det samlenavnet som er mest brukt om disse to stålene.

Både Hadfieldstålet og Strømhard er støpestål, det vil si at formgiving skjer ved støping. (Hadfieldstål blir også av og til formvalset, det vil si formet/bøyd i et valseverk uten å endre tverrsnitt.) Smelten til disse stålene er nesten like lettflytelig som en støpejernsmelte, og formfyllingsevnen er derfor stor.

Fordi stålene fastner kraftig når de blir plastisk deformert, har de en høy motstand mot slagpåkjent slitasje, noe som er bestemmende for deres bruksområde. For å oppnå sin høye slitasjemotstand må stålenes overflate påføres plastisk deformasjon gjennom røff bruk, for eksempel slag. Dette gir den plastiske deformasjonen som er nødvendig for å øke overflatehardheten og dermed slitestyrken. Enkelte produkter blir overflateherdet ved ulike metoder før bruk. Noen stål blir tilsatt krom for å øke den abrasive slitasjemotstanden gjennom økt hardhet, og molybden for at utfelte karbidpartikler skal få en avrundet og mindre skadelig form.

Bruk

De slitesterke manganstålene brukes blant annet til knuseverktøy innen gruve- og pukkindustrien, i sementblandere, gravemaskinkjefter, veihøvler, traktorbelter, safer, skuddsikre kabinett, kabinett for kuleblåsing og i jernbanesporvekslere og -kryss. Jernbanekomponenter av Hadfieldstål blir ofte overflateherdet ved eksplosjonsherding før bruk. Stålene er vanskelig å kutte eller maskinere med tradisjonelle metoder.

Det kan også nevnes at Hadfieldstål i lang tid ble benyttet i stenger og rammer i fengselsvinduer for å forhindre rømninger som kunne fortas ved å sage over stengene i fengselsvinduet med en innsmuglet baufil. Det første draget med baufilen gikk lett, fordi stålet ennå ikke hadde arbeidsherdet, men fortsatt saging slet raskt ned tennene på sagbladet.

TWIP-stål

En relativt ny type austenittiske manganstål er TWIP-stålene, som er spesielt utviklet for bilindustrien, og som i motsetning til slitestålene formes ved plastisk bearbeiding. TWIP er en forkortelse for Twinning-Induced Plasticity (tvillingindusert plastisitet).

Kjemisk sammensetning

Twip-stålene inneholder 15–30 vektprosent mangan og 0–1 vektprosent karbon, men for å unngå utfelling av skadelige karbidpartikler inneholder konvensjonelle TWIP-stål vanligvis mindre enn 0,3 vektprosent karbon. I tillegg er stålene ofte tilsatt 2–4 vektprosent av både aluminium og silisium, fordi en fast løsning av disse elementene stabiliserer austenitten mot fasetransformasjon under deformasjon og dessuten øker stålenes styrke. Økende karboninnhold gir en tilsvarende styrkeeffekt. Rustfrie TWIP-stål kan oppnås ved opplegering med minst 12 vektprosent krom.

Egenskaper og bruk

Den kraftige arbeidsherdingen under plastisk deformasjon gjør at TWIP-stål oppnår en svært høy strekkfasthet kombinert med en ekstrem høy forlengelse. Dette gjør at TWIP-stålene er spesielt godt egnet til produksjon av mange strukturelle bildeler som krever høy styrke eller høy formbarhet, for eksempel takstolper og kollisjonsforsterkere, samt kompliserte deler som må framstilles ved pressing av plater med høy duktilitet. På grunn av TWIP-stålenes høye styrke kan man redusere dimensjonene og vekten av slike og andre bildeler og dermed redusere fossile bilers forbruk av drivstoff og deres utslipp av drivhusgasser.

Austenittstrukturen gjør dessuten at TWIP-stålene bevarer sine attraktive egenskaper opp til høye deformasjonshastigheter. Stålene øker derfor bilenes kollisjonssikkerhet fordi den kraftige deformasjonsherdingen medfører at de effektivt absorberer støtenergi ved en kollisjon.

Austenittstrukturen gjør også at TWIP-stålene bevarer sine attraktive egenskaper ned til kryogene temperaturer (−150 °C). De er derfor aktuelle for bruk i LNG-skip. I tillegg er austenittiske stål i motsetning andre stål paramagnetiske («umagnetiske»), og dette gjør at de kan brukes i for eksempel elektriske motorer hvor ikke-magnetiske materialer er viktig for å sikre maksimal effekt.

Historikk

Hadfieldstålet ble utviklet i England av metallurgen Sir Robert Abbott Hadfield (1858–1940), som i 1883 patenterte produksjonsprosessen for dette stålet. Han ble utnevnt til baron i 1917.

I Norge ble Hadfieldstål i mange år produsert for norsk og utenlandsk gruveindustri i stålstøperiet ved Raufoss Ammunisjonsfabrikker. I 1970 ble dette støperiet slått sammen med Strømmen Staal, som var Norges eldste stålstøperi, under navnet Strømmen Staal – Strømmen Raufoss. En videreutvikling av Hadfieldstålet startet ved Raufoss-avdelingen av det sammenslåtte støperiet i 1972, og dette førte til slitestålkvaliteten Strømhard, som ble patentert i 1977–1978.

Etter at Strømmen Staal – Strømmen Raufoss ble nedlagt i 1977, ble støperiet på Raufoss overtatt av Raufoss Ammunisjonsfabrikker. De fortsatte utviklingen og produksjonen av Strømhard til 1983, da også Raufossavdelingen av støperiet ble nedlagt. Utvikling og produksjon av Strømhard ble da overført til Stavanger Electro Staalverk A/S (Jørpeland), som senere endret navn til Scana Steel Stavanger AS i 1991 og til Stavanger Steel AS i 2015. Høsten 2022 ble verket kjøp opp av Nordic Roads AS ,som viderefører framstillingen av Strømhard. Etter nedleggelsen av Strømmen Staal ble kjøpesenteret Strømmen Storsenter etablert i de gamle fabrikklokalene i 1985.

Utviklingen av TWIP-stål som nytt konstruksjonsmateriale ble initiert av fem publikasjoner fra 1997–2000. I disse publikasjonene ble det påvist et meget gunstig styrke/duktilitet-forhold og en utstrakt tvillingdannelse i stål som inneholdt over 25 prosent mangan, over 3 prosent aluminium, 2–3 prosent silisium og mindre enn 100 ppm karbon. Oppdagelsen av TWIP-stål representerer et gjennombrudd for utviklingen av nye stålkvaliteter med et vidt spekter av egenskaper.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

Fagansvarlig for Stål og andre jernlegeringer

Jan Ketil Solberg

Professor emeritus, NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet