Karbonstål er en fellesbetegnelse for stål der egenskapene hovedsakelig er oppnådd ved legering med karbon i mengder fra omtrent 0,05 prosent til 2,1 prosent. Egenskapene til karbonstål varierer sterkt med karboninnholdet.
I faglitteraturen finner man ulike definisjoner av begrepet karbonstål. Den enkleste er at karbonstål bare skal inneholde spor/forurensninger av andre legeringselementer enn karbon, ensbetydende med at det ikke bevisst skal være tilsatt andre elementer enn karbon. Vanligvis forutsettes det imidlertid at stålet i tillegg kan inneholde opptil 0,6 prosent av deoksidasjonsmiddelet silisium og opptil 1,65 prosent mangan som tilsettes for å oppnå økt styrke, seighet og herdedybde.
Den mest detaljerte og presise definisjon av begrepet karbonstål er gitt av det amerikanske jern- og stålinstituttet AISI. Denne definisjonen inkluderer kobber som legeringselement i tillegg til silisium og mangan. Kobber blir ofte tilsatt konstruksjonsstål fordi det øker stålets styrke og atmosfæriske korrosjonsmotstand. Noe omformulert sier AISI-standarden at et gitt stål er et karbonstål hvis det i spesifikasjonene for stålet (I) oppgis at mengden silisium ikke skal overskride 0,60 prosent, (II) oppgis at mengden mangan ikke skal overskride 1,65 prosent, (III) oppgisat minimums- og maksimumsgrensen for kobber ikke skal overskride henholdsvis 0,40 og 0,60 prosent, (IV) ikke oppgis minimumstilsetninger av noen andre elementer for å oppnå en ønsket legeringseffekt.
Karbonstålene inndeles i følgende undergrupper (grenseverdiene kan variere litt i forhold til dem som er oppgitt her):
I AISI-standarden er stål med høyt karboninnhold delt i to grupper: høykarbonstål opptil 1,0 prosent karbon og ultrahøykarbonstål over 1,25 prosent karbon.
Betegnelsen mediumkarbonstål brukes for øvrig mer på engelsk og amerikansk (medium-carbon steel) enn på norsk.
Egenskapene til karbonstål varierer sterkt med karboninnholdet. Med økende karboninnhold blir generelt hardheten og styrken høyere, mens duktiliteten, seigheten og sveisbarheten blir mindre.
Bjelker av lavkarbonstål i brokonstruksjon. Typisk legeringsinnhold i slike stålbjelker er 0,22 prosent C, 0,55 prosent silisium, 1,60 prosent mangan (maksimumskonsentrasjoner).
Lavkarbonstål blir hovedsakelig brukt som konstruksjonsstål i for eksempel bygninger, broer, biler, løftekraner, skip og oljeinstallasjoner i form av bjelker, profiler, armering, rør, plater, stenger, tråd og annet. Disse stålene leveres mest i varmvalset (eller varmsmidd) tilstand, ofte normalisert. Noen produkter blir viderebehandlet ved kaldforming som valsing, pressing og trekking til for eksempel tynnplater til karosseri og bygninger, blikk til hermetikkbokser og tråd til spiker. De lavkarbonstålene som trenger økt styrke, blir opplegert med mangan (også kalt karbon-mangan-stål hvis manganinnholdet er over 1,2 prosent). Lavkarbonstål har en mikrostruktur som er en blanding av ferritt og perlitt.
Mediumkarbonstål blir brukt i herdet og anløpt tilstand til maskindeler, bolter og muttere, og til enkle håndverktøy som hammere, brekkjern og hagesakser. Stålene herdes som regel gjennom hele godset for å oppnå høy styrke og hardhet. Maskindeler må tåle en overbelastning uten å gå til brudd, og de anløpes derfor kraftig ved en relativt høy temperatur for å få stor seighet. Dette kalles seigherding, og stål som blir behandlet på denne måten, kalles også seigherdingsstål. Verktøy blir anløpt ved en lavere temperatur. Alle disse stålene har en mikrostruktur som består av anløpt martensitt.
Stålene herdes ved avkjøling fra en høy temperatur i austenittområdet. For et helt ulegert stål krever dette meget rask avkjøling, men selv da må godset være tynt for å oppnå herding i midten som blir langsommere avkjølt enn overflaten. Ved å tilsette legeringselementer kan man få martensitt selv ved lavere avkjølingshastigheter, og spesielt for tykke gjenstander er det nødvendig å opplegere stålet for å oppnå gjennomherding. Mangan er det elementet som øker herdbarheten mest. For eksempel brukes mediumkarbonstål med 0,4–0,6 prosent karbon og 0,6–1,65 prosent mangan til maskindeler som akslinger og tannhjul, og mediumkarbonstål med 0,5–0,6 prosent karbon og 0,6–0,9 prosent mangan brukes til rimelige kniver, økser og skuffer.
Høykarbonstål brukes vanligvis i gjennomherdet og anløpt tilstand til for eksempel fjærer og til verktøy med enkle former som kan herdes i vann og som derfor ikke trenger stor herdbarhet. Martensittens hardhet øker med karboninnholdet, og disse stålene oppnår derfor en hardhet som gjør dem egnet til bruk i kutteverktøy og til formål der det kreves stor slitasjestyrke. Stålene anløpes til nødvendig seighet. Stålfiler kan lages av høykarbonstål med 1–1,25 prosent karbon (gjennomherding er ikke nødvendig), men er ofte kromlegert (stålet faller da utenfor definisjonen av karbonstål). Et verdenskjent knivstål inneholder 1 prosent karbon, 0,45 prosent mangan og 0,2 prosent silisium.
Høykarbonstål med omtrent 0,9 prosent karbon, 0,5 prosent mangan og 0,2 prosent silisium blir brukt i såkalt pianotråd. Denne kvaliteten blir ikke herdet til martensitt, men blir kaldtrukket fra en stang som etter varmvalsing er blitt bråkjølt ned til cirka 500 °C hvor den er blitt holdt til austenittstrukturen har blitt transformert til en svært fin perlittstruktur (tynne lameller, patentering). Under den etterfølgende kaldtrekkingen forfines perlitten ytterligere slik at tråden får en svært høy styrke. Pianotråd benyttes i strengeinstrumenter, i (heis)wirer og som fjærstål.
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.