mikrolegerte stål

Skip blant isflak i Polishavet.
Skip i Arktis
Av .
Lisens: CC BY 2.0
Trans-Alaska oljerørledning.
Oljerørledning
Av .
Lisens: CC BY 2.0

Artikkelstart

Mikrolegerte stål er lavlegerte konstruksjonsstål som inneholder små mengder såkalte mikrolegeringselementer, hvorav niob, vanadium og titan er de mest kjente. Stålene har stor industriell anvendelse fordi de er relativt billige, har moderat til meget høy styrke, høy seighet og utmattingsmotstand og ofte meget lav omslagstemperatur.

Faktaboks

Også kjent som

høyfaste lavlegerte konstruksjonsstål som på engelsk forkortes 'HSLA-steels' (High Strength Low Alloy steels). Bakgrunnen for dette er stålenes kjemiske sammensetning og høye styrke. Forkortelsen HSLA-stål brukes også i norsk tale og skrift.

De mest optimale kombinasjonene av egenskaper oppnås ved hjelp av kontrollert valsing. Stålene har som regel også god sveisbarhet på grunn av sitt vanligvis lave legeringsinnhold.

Mikrolegerte stål utgjør cirka tolv prosent av verdens totale stålproduksjon og har stor anvendelse i olje- og gassinstallasjoner, i skip, broer, bygningsstrukturer med mer, blant annet i arktiske strøk. Motivasjonen for å utvikle mer høyfaste konstruksjonsstål er å redusere dimensjonene og dermed vekten og kostnadene av tunge konstruksjoner.

Kjemisk sammensetning

Mikrolegerte stål inneholder vanligvis mindre enn 0,1 vektprosent karbon og som regel mangan i en mengde på 0,5–1,5 vektprosent. Mikrolegeringselementene tilsettes enten alene eller i kombinasjon i individuelle mengder på maksimalt 0,1 vektprosent. Den totale mengden mikrolegeringselementer er som regel mindre enn 0,15 vektprosent. Stålene inneholder også ofte små mengder nitrogen og, hvis de er tettet med aluminium, små mengder aluminium. Legeringer som trenger økt herdbarhet, kan inneholde opp til to prosent mangan og i tillegg elementer som molybden, krom og bor.

Mikrolegeringselementenes funksjon

Mikrolegeringselementene niob, vanadium og titan er sterke karbid- og nitriddannende elementer og fører til utfelling av karbid-, karbonitrid- og nitridpartikler, avhengig av om stålet inneholder nitrogen eller ikke. Det er disse partiklene som er årsak til stålenes gode egenskaper. Små partikler av titannitrid, TiN, dannes ved høye temperaturer under utstøpingen av stålet fordi kombinasjonen av titan og nitrogen har svært liten løselighet i stål. Andre partikler felles ut i austenitten under varmvalseprosessen eller i ferritten under den etterfølgende avkjølingen: NbC, Nb(C,N), VC (eller V4C3), VN og TiC. I legeringer som inneholder flere mikrolegeringselementer, kan blandingspartikler dannes, for eksempel (Ti,Nb)(C,N). I aliminiumtettede stål vil også små partikler av aluminiumnitrid, AlN, forekomme.

Mikrolegeringspartiklene har en dobbel funksjon. De bidrar både til en forfining av stålenes mikrostruktur, noe som øker stålenes styrke og seighet, og til en økning av deres styrke gjennom partikkelherding. En forfining av mikrostrukturen oppnås helst ved tilsetning av niob, men også vanadium blir brukt til dette formålet. Når temperaturen synker under valsingen, vil partikler av niob, eventuelt vanadium, felles ut og bremse veksten av rekrystalliserte austenittkorn fordi partiklene pinner fast korngrensene. Ved enda lavere valsetemperaturer vil partiklene hindre rekrystallisasjon av de deformerte austenittkornene slik at mikrostrukturen etter avsluttet valsing (kontrollert valsing) består av små flatklemte austenittkorn som er fylt med deformasjon i form av bånd som deler opp kornene i mindre enheter.

Under avkjølingen etter endt varmvalsing transformeres austenitten til ferritt, og ferritten (kim)dannes da på både korngrenser og deformasjonsbånd i austenitten. Dette gir et stort kimdanningsareal slik at mange kim dannes, og den resulterende mikrostrukturen blir meget fin, noe som gir styrke og seighet.

Mikrolegeringselementene kan gi et betydelig styrkebidrag i form av partikkelherding i stål med en ferrittisk-perlittisk mikrostruktur. Grunnen er at disse elementene har ekstrem liten løselighet i ferritt, og gjenværende løste elementer etter varmvalsingen vil kunne felles ut i ferritten som små partikler, for eksempel i forbindelse med at austenitten omvandles til ferritt eller under etterfølgende kveiling av stålet.

Karbider/-karbonitrider av niob har langt mindre løselighet i austenitt enn det karbider/nitrider av vanadium har. Det dannes derfor flere partikler av niob enn av vanadium under valseprosessen. Av denne grunn er niob det mikrolegeringselementet som mest effektivt hindrer kornvekst og rekrystallisasjon i austenitten. Av samme grunn vil det være tilgjengelig mer vanadium enn niob til å felle ut partikler i ferritten, og vanadium blir derfor mye utnyttet til å oppnå partikkelherding.

Nitridpartikler av titan er meget temperaturstabile, og de har derfor en viktig rolle ved at de hindrer austenittkornvekst både under den glødingen som må gjøres forut for varmvalsingen for å løse opp grove støpepartikler av karbonitrid, og ved senere sveising. Dette er viktig for seigheten og styrken til selve stålet og til den varmepåvirkede sonen rundt sveiser. Både TiN og AlN blir også utnyttet til å bremse kornvekst under selve varmvalseprosessen.

Produksjon

Formgiving av stålene skjer ved varmforming, enten ved valsing eller smiing over rekrystallisasjonstemperaturen, men oftest ved kontrollert valsing etterfulgt av luftkjøling eller akselerert avkjøling ved bruk av vann. Sluttproduktets mikrostruktur og egenskaper bestemmes av stålets kjemiske sammensetning og av hvordan valse- og avkjølingsprosessen gjennomføres. Mikrostrukturen består enten av finkornet ferritt/perlitt eller av en av herdestrukturene acikulær ferritt, bainitt og martensitt (eventuelt en blanding). Stålene har en meget god kombinasjon av styrke og seighet. Omslagstemperaturen kan være lavere enn –100 °C, og flytegrensen ligger vanligvis mellom 350 MPa og 1000 MPa, sterkt avhengig av mikrostrukturen. Se egne artikler om hver type mikrolegert stål.

Historikk

Fram til midten av 1900-tallet ble høy styrke i varmvalsede konstruksjonsstål oppnådd ved å øke mengden karbon og mangan. Bruk av niob som mikrolegeringselement for å øke styrken til stål var kjent allerede i 1938–1939, men utviklingen av mikrolegerte stål startet for alvor først på slutten av 1950- og begynnelsen av 1960-tallet for å produsere sveisbare stål med høy styrke og seighet til bruk i blant annet olje- og gassrørledninger. Bruk av akselerert avkjøling med vann startet på 1980-tallet for å produsere sterkere og seigere skipsplater og har fortsatt til langt utpå 2000-tallet.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg