stål

Børstet stål

Brett Jordan. CC BY 2.0

Stål, smibare legeringer av jern, med karboninnhold mindre enn 1,7–2 %. Det er ingen skarpe grenser mellom teknisk rent jern og kvaliteter med høyere innhold av karbon og eventuelt andre legeringselementer.

Stålets egenskaper varierer sterkt med innholdet av legeringsstoffer, behandlingen og i visse henseender også av fremstillingsmetoden. Stål grupperes derfor etter forskjellige prinsipper: 1) Karakterisert ved fremstillingsprosessen, som bessemerstål, thomasstål, LD-stål, siemens-martinstål, elektrostål, digelstål; 2) Karakterisert ved kjemisk sammensetning, med tre hovedgrupper: ulegert stål, herunder karbon–manganstål, lavlegert stål og høylegert stål; 3) Stål med spesielle bruksegenskaper, for eksempel rustfritt stål, syrefast stål, verktøystål, konstruksjonsstål; 4) Stål med navn etter anvendelsen, f.eks. kjelstål, armeringsstål; 5) Opplysning om varmebehandling og struktur kan gis som et tillegg til hovedgruppen, for eksempel normalisert karbon–manganstål, austenittisk rustfritt stål.

Stål fremstilles ved raffinering av råjern. Fremstillingen går over fire hovedtrinn:

Ved ferskingen blir råjernets innhold av karbon og andre oksiderbare grunnstoffer som silisium, mangan, svovel og fosfor fjernet i form av oksider. Se jern (Videreforedling – Utvikling av prosesser).

2) Desoksidasjon og legering blir foretatt for å få kontroll over gassutviklingen under størkningen og for justering av sammensetningen. Den kan foregå i konverter eller ovn. Man trekker da først av den oksiderende slaggen fra ferskingsperioden, og vanligvis desoksiderer man under tappingen. Ferrolegeringer og eventuelt andre tilsetninger anbringes da i øsen, slik at omrøring i øsebadet under tappingen bidrar til en effektiv blanding. Tilsetningene doseres med sikte på et kontrollert innhold av oksygen i stålet.

3) Utstøpingen foregår gjennom et tappehull med stopper i bunnen av øsen, enten direkte ned i kokillene (fallstøping) eller via en sentral trakt med kanaler til bunnen av kokillene (stigestøping). Stål med lavt oksygeninnhold kan også støpes kontinuerlig (strengstøping). Man støper da via en forherd ned i en vannkjølt form uten bunn, der fast stål trekkes ut nedenfra som en sammenhengende streng i takt med tilførselen av flytende stål fra forherden (se figur).

Fjerde trinn i stålfremstillingen omfatter varmformgivning ved valsing og smiing eller varmebehandling av støpt gods som ikke skal bearbeides plastisk. Disse prosessene utføres ofte på stålverket i tilslutning til fremstillingen, og ansees derfor å høre med til denne. Valsingen foregår i flere trinn etter utjevning av temperaturen i emnet under opphold i varmegrop. Samspillet mellom plastisk deformasjon og temperatur er et viktig ledd i kontroll av egenskapene hos det valsede stålet. For visse anvendelser foretas en varmebehandling etter valsingen (normalisering, seigherding). En rekke produkter blir videre tilvirket ved kaldbearbeiding i form av valsing og trekking.

Se også figurer under jern.

Stålets betydning i vår sivilisasjon er enorm, ikke bare fordi stål kan produseres i store mengder, men også fordi dets egenskaper kan endres innen vide grenser ved legering og ved egnet varmebehandling. Denne mangfoldighet beror på at jern opptrer i to modifikasjoner, α- og δ-modifikasjonen ferritt og γ-modifikasjonen austenitt. Ved tilsetning av karbon og forskjellige legeringselementer kan stabilitetsområdene forskyves vesentlig. Man deler inn legeringselementene i en austenittstabiliserende gruppe, som blant annet omfatter karbon, nitrogen, mangan og nikkel, og i en ferrittstabiliserende gruppe, der de teknisk viktigste legeringselementer er aluminium, silisium, krom, molybden og vanadium.

1) Mangan inngår i konstruksjonsstål og maskinbyggingstål, som regel er innholdet under 2 % Mn. Slitesterkt austenittisk manganstål (hadfieldstål) inneholder 12–14 % mangan og ca. 1 % karbon. Det anvendes i knuseflater, skinnekryss og til andre formål der slitasjepåkjenningen er slagartet, idet overflaten blir hard på grunn av martensittdannelse og utfelling av karbider mens materialet under overflaten beholder sin seige austenittstruktur.

2) Nikkel anvendes dels i relativt lav konsentrasjon sammen med krom, molybden og vanadium i verktøystål, dels sammen med krom i rustfritt og syrefast stål (8–20 % nikkel) og dels alene (ca. 9 % nikkel) i stål som må ha god seighet også ved meget lave temperaturer, for eksempel for tanker til transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner. Ved gehalter over cirka 35 % nikkel er strukturen austenittisk; stål av denne sammensetning har meget lav termisk utvidelseskoeffisient (se invar).

3) Silisium anvendes i mengder utover det som er nødvendig for desoksidasjon, bl.a. i fjærstål, som inneholder inntil ca. 2 % silisium sammen med mangan, og i elektroteknisk blikk med inntil 4,5 % silisium (elektroteknisk blikk er et magnetisk, bløtt materiale med lavt «watt-tap»).

4) Krom anvendes sammen med karbon, til dels også med molybden og vanadium i verktøystål. Martensittisk kromstål (ca. 12 % krom og ca. 0,4 % karbon) er det vanlige rustfrie knivstål. Høyere gehalter (opptil 27 % krom) anvendes i ferrittisk varmebestandig stål, som blant annet benyttes i kjemisk og metallurgisk industri. Sammen med nikkel, til dels også molybden, er krom det viktigste element i det austenittiske rustfrie, syrefaste og varmebestandige stål. Best kjent er «18–8» typen (cirka18 % krom, cirka8 % nikkel, 0,03– 0,08 % karbon), som blant annet brukes i kjøkkenbenker, i meieriapparatur, kjemisk industri. Utenom god korrosjonsmotstand har austenittisk kromnikkelstål betydelig mekanisk styrke ved høy temperatur.

5) Molybden benyttes hovedsakelig sammen med andre legeringselementer i syrefast og varmebestandig stål, i verktøystål og visse typer lavlegert konstruksjonsstål, blant annet i sigefaste kvaliteter for rør, overhetere og liknende i varmekraftverk.

6) Vanadium brukes i verktøystål sammen med krom, som regel i gehalter under 1 %, for å oppnå en finkornet mikrostruktur. I verktøystål for varmt arbeid, spesielt i hurtigstål, kan innholdet av vanadium gå opp i cirka 4 %.

7) Hovedelementet i hurtigstål er imidlertid wolfram. En vanlig kvalitet inneholder 18 % wolfram, 4 % molybden og 1 % vanadium, men det benyttes også typer med lavere og høyere wolframinnhold.

8) Legeringselementene niob og titan brukes i det vesentlige som karbidstabilisatorer i rustfritt stål, i konsentrasjoner godt under 1 %, men også som finkorndannere i konstruksjonsstål.

Legeringselementene vil ikke bare virke inn på omvandlingstemperaturen, men også gjøre omvandlingsforløpet fra γ- til α-modifikasjonen tregere. Denne faseomvandling kan skje i løpet av brøkdeler av et sekund i rent jern; men ved egnet legering kan omvandlingstiden økes til flere døgn. Ved avkjøling av slikt stål gjennom det kritiske temperaturområde vil det dannes andre omvandlingsprodukter. Avkjølingsforhold og legeringsinnhold kan således avpasses slik at man oppnår den ønskede mikrostruktur og dermed de tilsiktede egenskaper.

Arten av de strukturelementer som dannes ved austenittomvandlingen, beror særlig på innholdet av karbon, mens omvandlingshastigheten er sterkt avhengig av legeringselementer av typen mangan, krom, molybden, nikkel med flere. De viktigste strukturelementer i ulegert og lavlegert stål er:

1) Ferritt, som består av nesten karbonfritt jern, eventuelt med løste legeringselementer, og som er den bløteste bestanddel i stål (Vickers hardhet (590–785) newton/mm2 og strekkfasthet cirka 250 MPa).

2) Perlitt, som består av tynne lameller av ferritt og jernkarbid Fe3C, med en gjennomsnittlig karbongehalt på ca. 0,8 % C i ulegert stål og med hardhet omkring 2450 N/mm2 og strekkfasthet ca. 900 MPa.

3) Overgangsstrukturer som er dannet ved at avkjølingen er for rask til å gi ferritt og perlitt.

4) Herdestrukturen martensitt, som er hard og sprø, men som kan gjøres seigere uten drastiske tap av hardhet ved ny oppvarming til temperaturer mellom 100 °C og 650 °C (cirka 370 K og cirka 920 K) (anløpning). Herdet og anløpt eggstål kan ha en hardhet på opptil 9000 N/mm2.

5) Jernkarbidet sementitt, som dels inngår i perlitt som tynne skiver, dels opptrer som eget strukturelement, for eksempel som kuler i stål som holder mer karbon enn perlitt (mer enn 0,8 % C i ulegert stål). Denne bestanddelen er meget hard og bidrar til å øke slitestyrken i eggverktøy, men kan også føre til sprøhet dersom den foreligger som filmer på korngrensene.

Den relative andel av disse strukturelementene i stålet avhenger av karboninnholdet. Ved langsom avkjøling av karbonstål kan man beregne andelen fra tilstandsdiagrammet for systemet jern-karbon (Fe-C), som er vist i figur sammen med skjematiske illustrasjoner av mikrostrukturene. Ved bråkjøling opptrer herdestrukturen martensitt, som dannes spontant ved skjærbevegelser i gitteret. (Se metallografi, varmebehandling, tilstandsdiagram.)

De fleste anvendelser av stål er basert på en gunstig kombinasjon av stålets styrke, dets formbarhet, sveisbarhet og pris. Den overveiende del av verdensproduksjonen er bløtt, ulegert stål med en strekkfasthet opptil cirka 350 MPa og med en anslagsvis sammensetning: karbon ≤ 0,25 %; silisium ≤ 0,25 %; mangan mellom 0,40 % og 0,60 %; svovel og fosfor ≤ 0,10 % til sammen. Denne type stål benyttes til konstruksjoner i form av plater, profiler, blikk, tråd, rør med mer.

Et vesentlig mindre volum fremstilles som konstruksjonsstål med større krav til styrke, seighet og sveisbarhet (karbon-manganstål, ofte med tilsetning av finkorndannende elementer og med strekkfasthet opptil ca. 550 MPa).

Ved siden av disse masseproduserte typer teller spesialkvalitetene lite tonnasjemessig; men de er like nødvendige i teknikken. Viktige egenskaper utenom styrke og seighet er slitasjefasthet, anløpningsbestandighet ved høy temperatur, motstandsevne mot oksidasjon og andre former for korrosjon osv. Hertil kommer elektriske, magnetiske og termiske egenskaper for spesielle formål.

Gjennom historien har jern vært tilvirket i tre varianter: Smijern, råjern og stål. Smijern fremkom opprinnelig ved direkte reduksjon av malm med trekull i fast tilstand, se jern. Hånddrevne blåsebelger sørget for nødvendig trekk; temperaturen kunne dreie seg om 1000–1200 °C. Bergrester i form av slagg ble hamret ut av jernluppen samtidig som jernpartiklene ble sveist sammen. Det ferdige produkt inneholdt omtrent 0,05 % karbon og var godt smibart og sveisbart (smisveising).

I regelen ble stål til våpen og verktøy fremstilt ved sementering, kjennetegnet ved at flate stenger av smijern ble glødet sammen med trekull i lang tid. Wootz stål, utviklet i India, representerte en mer avansert teknologi, der en innbyrdes tilpasset mengde av smijern, trebiter og grønne blad ble blandet og smeltet i en jerndigel. I smelten ble karbon og andre stoffer jevnt fordelt, slik at man fikk et stål med en forutsigbar og ensartet kvalitet. Et avgjørende ledd i prosessen var å mestre smeltetemperaturen, som var høyere enn brukt i annen teknologi den gang. India var alene om å lage wootz stål helt frem til 1740, da teknikken ble gjenoppdaget i England.

Etter at nedgangstiden i Europa på 1300-tallet var overvunnet, ble smijernsovnene bygget høyere og utstyrt med vannkraftdrevne belger. De ble forløpere til masovnen, som kom i drift omkring år 1500 og leverte flytende råjern, også kalt pig iron, fordi smelten ble utstøpt i et mønster som liknet en purke med unger. For samtiden var råjern et nytt og uprøvet materiale. Det lå høyt i karbon, var sprøtt og kunne ikke smis. Selvstendige støperier smeltet om og raffinerte jernet, for deretter å levere det som ferdig støpte gjenstander til husholdning og industri. Støpejern fortrengte kostbar bronse i produkter som kirkeklokker og kanoner, og ble det fremherskende materiale i store og tunge gjenstander som var vanskelige å håndtere i smia. En velkjent konstruksjon er støpejernsbroen i Coalbrookdale i England fra 1779. Den har et spenn på 35 m og står fremdeles (2005).

I Skandinavia ble smijern fremstilt ved direkte reduksjon av malm helt frem til slutten av 1700-tallet. På andre steder i Europa tok produksjonen etter hvert utgangspunkt i råjern fra masovnen. Jernet ble smeltet om, samtidig som karbon og andre stoffer ble fjernet ved oksidasjon (fersking) av en kraftig luftstrøm. En fast jernluppe dannet seg gradvis når karboninnholdet sank og smeltetemperaturen steg. Den ble så hamret fri for restslagg og tilvirket i stenger, passende for videre behandling. Stål ble fortsatt laget ved sementering. En vanskeligere kontrollerbar og mindre brukt prosess var å legere opp smijern med råjern.

Overgangen fra trekull til koks i masovnen i første halvdel av 1700-tallet i England ble en utfordring, fordi svovel og fosfor i koksen legerte seg med jernet og gjorde det uegnet, især som råmateriale til smijern. Oppgaven ble angrepet ved å bruke svovelfattig kull med forbedret forkoksing, forsterket blest og høyere temperatur. Kvaliteten kom ikke opp mot trekulljern fra Skandinavia, men jernet var billigere og kunne konkurrere. Nye teknikker for fersking til smijern måtte utvikles. I puddelprosessen fra 1784 ble råjernet oksidert med luft og jernoksid i en reverberatory-ovn med atskilt herd og ildsted, slik at kull og jern ikke var i direkte berøring. Ovnen var videre utstyrt med en mekanisk innretning for omrøring av smelten. Slaggen ble drevet ut ved valsing. Puddeljern var førsteklasses smijern, og gav England en ledende stilling blant Europas smijernsprodusenter helt frem til 1856. (Se også puddelovn.)

Flusstål og flusstålprosessene, innledet av Henry Bessemer i 1856 med følge av Sidney Thomas, Pierre Martin og Karl Wilhelm Siemens noen år senere, revolusjonerte den gamle jern- og stålindustrien. Smijern og stål ble nå ett og samme produkt, hvor sammensetningen kunne tilpasses formålet ved prosessjustering og opplegering. Overskuddsvarmen fra forbrenning av oppløst karbon, silisium og fosfor kunne utnyttes til oppsmelting av skrap. Utgangsmaterialet var flytende råjern fra stadig større masovner. Puddeljern og digelstål forble etterspurte produkter til spesielle formål lenge etter århundreskiftet, bl.a. fordi slagginnholdet i smijern gav materialet fremragende sveiseegenskaper.

Flusstålprosessene, utvidet med elektrostålprosessen omkring 1900, holdt seg på det nærmeste uforandret frem til 1950–60, med siemens-martinstål som den klare produksjonsleder. Men utfordringer og problemer meldte seg. Viktige deler av det alminnelige beregningsgrunnlag for stålkonstruksjoner manglet eller var ikke forstått, og utmatningsbrudd i rullende materiell og kjeleksplosjoner ble tilbakevendende tragedier på begge sider av 1900-tallet. Tegn til metallurgisk utilstrekkelighet ble avdekket i årene mellom 1930–40 i forbindelse med overgangen fra klinkede til sveisede stålkonstruksjoner, se sprøbrudd. Alvorlige sprekker oppstod i tre sveisede broer over Albertkanalen i Belgia i årene 1938–40. Sprekker og brudd ble også funnet i et betydelig antall sveisede handelsskip bygd i krigsårene 1941–45 i USA.

Undersøkelsene som fulgte, gjorde det klart at bruddene var et resultat av herdesoner dannet ved rask avkjøling av sveis og grunnmateriale. I tillegg virket spenningskonsentrasjoner knyttet til mangelfull sveiseutførelse, og slik at den samlede effekt rammet høykarbonstål i særlig grad. Hendelsene initierte en ny epoke for fremstilling av stål, forsiktig påbegynt ved produksjon av desoksidert manganstål for sveisede konstruksjoner og eldingssvake stål til kjettinger i årene før 1940. Den store omveltning fulgte et tiår senere da Linz-Donawitz-verkene i Østerrike kunne vise fordelene ved å ferske råjernet med ren oksygen i stedet for med luft, i det som nå går under navnet LD-prosessen. Den åpenbare gevinst er å finne i at nitrogen ikke tar del i prosessen. Derfor synker nitrogenmengden i stålet, det gjør også varmetapet under ferskingen, slik at konverteren kan beskikkes med mer skrap. Svovel- og fosforrensingen er svært god, og etter en 15–20-årsperiode fortrengte LD-prosessen og andre oksygenprosesser de gamle luftbaserte metoder.

Finkornstål eller mikrolegerte stål er utviklet i samme periode. Her reduseres ferrittkornstørrelsen med 25 μm til 7 μm, noe som bedrer såvel styrke som duktilitet i stålet. Optimale materialegenskaper er å finne ved enda finere korn, og forskningslaboratorier verden over er i dag opptatt av å utvikle metoder til ytterligere nedbryting av strukturen i metaller og legeringer. Disse og andre termiske og mekaniske prosesser, herunder vacuumbehandling av smelten, har revolusjonert fremstilling og egenskaper av sveisbare konstruksjonstål etter den annen verdenskrig. Flytegrensen er hevet med en faktor på 2–3, samtidig som omslagstemperaturen for sprøbrudd er senket med 50–60 °C. Prosesser og teknikker har forgreninger til rustfrie stål og andre spesialstål.

Gevinsten ble raskt forstått og utnyttet i store, sveisede konstruksjoner som broer, atomkraftanlegg, rørledninger for olje og gass og offshore-plattformer, godt assistert av nytt beregningsverktøy for styrke, utmatning og deformasjoner. I skip, der skrogets stivhet er en avgjørende faktor i dimensjoneringen, drog verftene i første omgang fordel av stålenes høye bruddseighet, som gir en ekstra sikkerhet mot sprøbrudd. Bilindustrien holdt frem med tradisjonelle materialtyper i mange år, bl.a. pga. den store kapital som var bundet i presser, stanser og annet tilvirkningsverktøy og som måtte fornyes ved overgang til nye ståltyper. Finkornstålene er ellers ikke velegnet til fremstilling av pressede produkter med høy formingsgrad, se tofasestål. Omslaget i 1990-årene var presset frem av bl.a. samfunnets endrede syn på hva man skal forlange av en bil mht. redusert vekt og sterkere konstruksjon. Bilfremstilling er i stor grad knyttet til forming og sveising av relativt tynne plater, noe som krever tilpasning av formingsmetoder og verktøy. Denne prosessen er nå i gang og eksemplifisert bl.a. ved nøyaktigere utforming av stanser, utvidet bruk av skreddersydde pressemner og ikke minst rutinemessig modellering i datamaskin for predikering av utfallet av nye prosesser. Laser synes å bli det foretrukne sveiseverktøy. Det forventes at karosserivekten vil kunne reduseres med vel 20 %.

Stål har bidratt mer til den moderne sivilisasjon enn noe annet metall, og i pengeverdi kommer stål på andreplass etter olje. Etter at flusstålprosessene var godt i gang i 1880, økte verdensproduksjonen eksponensielt med ca. 3 % per år fra ca. 17 mill. tonn til 143 mill. tonn i 1940, med noen avvik omkring første verdenskrig og under den økonomiske krisen 1929–30. Veksten tok av for alvor etter den annen verdenskrig med 6 % per år og 711 mill. tonn i 1975. Da var det plutselig stans, med tilbakefall i 1976 og 1977 og deretter svingende og svakt stigende produksjon opp til 830 mill. tonn i 2000. Berlinmurens fall, Sovjetsamveldets sammenbrudd, oljekrisene og Kinas oppsving kan spores i tallene.

Forbruket av stål er knyttet til den økonomiske utvikling i et land opp til et visst nivå, i en periode med omfattende vei- og jernbaneutbygging og tungindustri. Et redusert forbruk er derfor ventet i den vestlige verden. Her har ikke forbruket steget de siste tiår, og ligger nå i området 400–500 kg per capita per år. I landene i den nære Østen, Mexico og Kina er forbruket vesentlig lavere, omkring 150 kg per capita, men stiger raskt. Økningen i verdensproduksjonen de siste tre år til 948 mill. tonn i 2003 avspeiler denne sammenhengen, og fortsatt økning er ventet. Progresjonen bryter med Brundlandkommisjonens ånd om bærekraftig utvikling, men det er vanskelig å se at den pågående omveltning i samfunnsstruktur, kultur og økonomi som nå foregår i Øst-Asia skal kunne holdes tilbake, eller enda vanskeligere, hvorledes veksten skal kunne kompenseres med en tilsvarende nedgang i forbruket i den vestlige verden.

mill. tonn
EU 185,9
Øvrige Europa 25,5
CIS* 106,2
Nord-Amerika 123,8
Sør-Amerika 43
Kina 218,6
Japan 110,5
Øvrige Asia 97,0
Verden totalt 948,0

* CIS = Commonwealth of Independent States = Hviterussland + Kazakhstan + Moldavia + Russland + Ukraina + Uzbekistan.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.