Børstet stål. Av . CC BY 2.0

stål

Eiffeltårnet er en ikonisk stålkonstruksjon i Paris. Bildet er hentet fra papirleksikonet Store norske leksikon, utgitt 2005–2007.

Av /KF-arkiv ※.

Artikkelstart

Stål er legeringer av jern og karbon som i tillegg kan inneholde betydelige mengder andre legeringselementer. Ulike typer stål har et bredt spekter av egenskaper som kan tilpasses en rekke ulike bruksområder, og det er trolig vårt mest allsidige konstruksjonsmateriale. Stål brukes i alt fra binderser til oljeplattformer. Stål har derfor en enorm betydning på en rekke områder og har bidratt mer til den moderne sivilisasjonen enn noe annet metall.

Stålets egenskaper avhenger av sammensetning, formgivningsprosess (støping, valsing, smiing, trekking) og varmebehandling. Slik kan man tilpasse egenskaper som styrke, hardhet, seighet, utmattingsbestandighet, slitasjemotstand, korrosjonsmotstand, magnetiske egenskaper med mer.

Ikke noe annet materiale har opp gjennom tidene vært mer benyttet i strukturelle og lastbærende anvendelser. Stål benyttes blant annet i tungindustri, til bygging av veier, broer og jernbane, i bygningskonstruksjoner, oljeinstallasjoner, biler, skip, verktøy, medisinsk utstyr og i næringsmiddelindustri. I 2020 var verdensproduksjonen av råstål (ubearbeidet stål) 1864 millioner tonn.

Jernets og stålets historie går minst 4000–5000 år tilbake i tid. Det eldste jernet ble utvunnet av meteoritter og inneholdt omtrent 7 vektprosent nikkel. Fremstillingen av jern fra jernmalm ble trolig oppdaget omkring år 1800 fvt., og denne oppdagelsen la grunnlaget for jernalderen som senere avløste bronsealderen som historisk epoke. Jern- og stålfremstilling har opp gjennom historien gjennomgått en lang og komplisert utvikling, men moderne og økonomisk masseproduksjon av stål startet først etter at engelskmannen Henry Bessemer i 1855 patenterte sin metode for fremstilling av stål fra flytende råjern.

Egenskaper og anvendelser

De fleste bruksområdene for stål er basert på en gunstig kombinasjon av stålets styrke, seighet, formbarhet, sveisbarhet og pris. Den overveiende delen av verdensproduksjonen er såkalte lavkarbonstål som generelt inneholder mindre enn 0,25 vektprosent karbon for å sikre en tilfredsstillende sveisbarhet. En stor andel av dette stålet er bløtt, «ulegert» stål med et manganinnhold på 0,4–0,6 vektprosent og en strekkfasthet på opptil cirka 400 MPa. Disse stålene benyttes i konstruksjoner i form av plater, bjelker, profiler, blikk, tråd, rør og annet. En bedre kombinasjon av egenskaper oppnås ved å legere lavkarbonstål med opptil 1,5 vektprosent mangan, ofte med tilsetning av små mengder elementer som niob, titan og vanadium (høyfaste lavlegerte stål). Slike stål har en strekkfasthet på 450–650 MPa og brukes for eksempel i broer, skip, biler, trykktanker, oljeinstallasjoner og skyskrapere (bæresøyler).

Ved siden av disse masseproduserte typene produseres mange spesialkvaliteter av stål. Disse spiller en mindre rolle tonnasjemessig, men de er likevel av stor betydning. Viktige egenskaper utenom styrke og seighet er slitasjebestandighet, motstandsevne mot oksidasjon og andre former for korrosjon og så videre. I tillegg kommer elektriske, magnetiske og termiske egenskaper for spesielle formål.

Typer stål

Stål inneholder opptil omtrent 2 vektprosent karbon. Det er ingen skarpe grenser mellom teknisk rent jern og kvaliteter som har høyere innhold av karbon og eventuelt andre legeringselementer. Jernlegeringer med høyere karboninnhold (oftest over 3 vektprosent) tilhører gruppen støpejern.

Stålets egenskaper varierer sterkt med innholdet av legeringselementer, til en viss grad av fremstillingsprosessen, og i stor grad av viderebehandlingen. Stål grupperes derfor etter forskjellige prinsipper:

  1. Karakterisert ved fremstillingsprosessen, for eksempel bessemerstål, thomasstål, LD-stål, siemens-martinstål og elektrostål.
  2. Karakterisert ved kjemisk sammensetning, med tre hovedgrupper: ulegert stål (herunder stål med opptil 1,65 prosent mangan), lavlegert stål og høylegert stål. Stål med egenskaper som hovedsakelig er bestemt av karboninnholdet, kalles karbonstål, og en skiller mellom lavkarbonstål, mediumkarbonstål og høykarbonstål.
  3. Stål med spesielle bruksegenskaper, for eksempel rustfritt stål, syrefast stål, høyfast stål, slitestål.
  4. Stål med navn etter anvendelsen, for eksempel konstruksjonsstål, maskinstål, verktøystål, kjelstål og armeringsstål.
  5. Opplysning om varmebehandling og mikrostruktur kan gis som et tillegg til hovedgruppen, for eksempel normalisert lavkarbonstål, austenittisk rustfritt stål.

Fremstilling

Masovnanlegg.

masovn
Av /※.

Stål fremstilles hovedsakelig gjennom produksjon av flytende råjern som renses for forurensninger og legeres opp med ønskede mengder legeringselementer.

Råjernproduksjon

Råjern blir fremstilt av jernmalm (jernoksid) ved å redusere smeltet malm med koks i en masovn eller i en elektroråjernsovn. Masovnen benytter koks som brensel mens i råjernsovnen blir malmen smeltet ved hjelp av elektrisk energi i en lysbueovn. Råjernet inneholder store mengder karbon fra koksen (oftest over 4 prosent) og elementer som silisium og mangan som stammer fra malmen, svovel som hovedsakelig stammer fra koksen, og fosfor som stammer fra både malmen og koksen.

Fremstilling av råstål fra råjern skjer gjennom fersking (rensing), desoksidasjon, opplegering og utstøping. Etter utstøpingen blir råstålet videre behandlet til ferdig produkt. Disse prosessene er beskrevet nedenfor.

Fersking

Ved ferskingen blir råjernets innhold av karbon og andre oksiderbare grunnstoffer som silisium, mangan og fosfor senket eller fjernet i form av oksider. Ferskingen kan for eksempel skje i en beholder med ildfast foring (konverter) ved at det blåses luft eller som oftest ren oksygengass gjennom smelten. Også oksiderende slagg som legges på smelten, kan anvendes. For fjerning av fosfor og svovel benyttes da en kalkholdig slaggdanner (kalsiumoksid).

Desoksidasjon (tetting) og opplegering

Etter ferskingen inneholder stålsmelten oksygen og eventuelt nitrogen fra luften. Oksygenet vil føre til at det dannes porer av karbonoksid i stålet under utstøpingen, og for å unngå dette blir smelten tilsatt oksiddannende elementer, i hovedsak silisium, som danner oksidpartiker som delvis flyter opp som slagg, delvis forblir i stålet som relativt små partikler. Man unngår dermed poredannelse, og man sier at stålet blir tettet.

Hvis man vil fjerne løst nitrogen fra stålsmelten, må man i tillegg tilsette aluminium i smelten (dobbeltetting). Aluminium danner partikler av både aluminiumoksid og aluminiumnitrid (de sistnevnte virker kornforfinende). Samtidig med desoksidasjonen blir det foretatt opplegering for justering av stålsammensetningen.

Før man tilsetter stålsmelten desoksidasjons- og legeringselementer, trekker man av slaggen fra ferskingsprosessen. Vanligvis blir tilsetningene gjort i forbindelse med at man før utstøpingen tapper smelten fra konverteren over i en øse (beholder for behandling og flytting av smelten). Ferrolegeringer og eventuelt andre legeringstilsetninger anbringes i øsen, og omrøring i øsebadet under tappingen bidrar til en effektiv blanding. Tilsetningen av silisium doseres med sikte på et kontrollert innhold av oksygen i stålet (en viss mengde porer er ønskelig for å kompensere for volumreduksjonen som skjer under størkning, se lunker).

Utstøping

Stål. Prinsipp for strengstøping.

Av /Store norske leksikon ※.

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 (beholder foran tappehullet) 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.

Videre behandling

Siste trinn i fremstillingen av et stålprodukt omfatter varmformgivning ved valsing eller smiing, eller varmebehandling av støpt gods som ikke skal bearbeides plastisk (støpestål). Disse prosessene utføres ofte på stålverket i tilslutning til fremstillingen, og ansees derfor å høre med til denne.

Valsingen foregår i flere trinn etter temperaturutjevning i emnet under opphold i en varmegrop. Samspillet mellom temperatur, plastisk deformasjon og tid er viktig i kontrollen av egenskapene hos det valsede stålet. For visse anvendelser foretas en varmebehandling etter valsingen (for eksempel normalisering).

En rekke produkter blir videre tilvirket ved kaldbearbeiding i form av valsing, trekking eller maskinering. Maskindeler og verktøy som skal ha høy hardhet/styrke, blir herdet ved bråkjøling fra høy temperatur (etter en gjenoppvarming) og deretter anløpt (glødet) ved en temperatur mellom 100 °C og 550 °C (avhengig av legeringsinnholdet) for å oppnå en ønsket kombinasjon av hardhet og seighet.

Direkte reduksjon av jernmalm

I tillegg til at stål blir produsert fra jernmalm via flytende råjern, kan jern (jernsvamp) også fremstilles fra fast jernmalm ved en direkte reduksjonsprosess ved en høy temperatur under jernets smeltepunkt. Dette er den eldste metoden for fremstilling av jern fra jernmalm, og i eldre tider ble trekull brukt som brensel og reduksjonsmiddel. I dag kan reduksjonsmiddelet være kull, naturgass, karbonoksid eller hydrogengass.

Jernsvamp blir mest brukt til produksjon av jernpulver og som tilsetning i konvensjonell stålfremstilling. I dag er det i tillegg stort fokus på å benytte jernsvamp produsert med hydrogen som reduksjonsmiddel i en grønnere stålproduksjon. Bakgrunnen for dette er at store utslipp av karbondioksid er knyttet til dagens stålproduksjon på grunn av bruken av koks som brensel og reduksjonsmiddel i masovnene. Hydrogengass kan fremstilles både fra naturgass og ved elektrolyse av vann, og ved å benytte sistnevnte gass som reduksjonsmiddel kan bruken av fossile stoffer fullstendig unngås. For å produsere stål fra svampjernet, må det smeltes i for eksempel en elektrisk lysbueovn og tilsettes karbon og andre legeringselementer.

Norsk stålproduksjon

På 1600-tallet ble bergverksdrift en viktig næring i Norge. Store deler av arbeidskraften var tyske innvandrere som var rekruttert som ekspertise. Bildet forestiller en masovn på Bærums verk på slutten av 1600-tallet.
Bærums Verk
Av .

I Norge er det i dag ingen råjernproduksjon. Tidligere var det masovndrift ved gamle norske jernverk fra den første masovnen ble tatt i bruk ved Bærum Jernverk i 1622, men alle disse ovnene ble senere nedlagt. Senere råjernproduksjon i Norge har foregått i elektroråjernsovner. Christiania Spigerverk hadde fra 1929 en elektroråjernsovn ved Bremanger Smelteverk som ble nedlagt i 1989. Statseide Norsk Jernverk i Mo i Rana hadde produksjon av elektroråjern fra 1955 til bedriften ble privatisert i 1988.

I dag foregår all stålproduksjon i Norge ved gjenvinning av skrapmetall som smeltes i elektriske stålovner. Dette foregår ved Celsa Armeringsstål (Mo i Rana)ogStavanger Steel AS (Jørpeland) som benytter lysbueovner, og ved Frekhaug Stål AS (Frekhaug)som benytter induksjonsovner. Den totale årsproduksjonen er omtrent 700 000 tonn (2020), og det er Celsa som står for den vesentligste delen av denne.

Stavanger Steel lager mye rustfritt kvalitetsstål som skal inneholde lite karbon, og for dette formålet og for andre høykvalitetsformål (for skip) renses stålsmelten for karbon og uønskede forurensninger og gasser i en AOD-konverter. Dette er en beholder med ildfast foring der smelten blir blåst fra undersiden med en blanding av argon (A) og oksygen (O) slik at smelten effektivt dekarburiseres (D, avkulles). Argon bidrar også til å fjerne løst hydrogen. I tillegg benyttes kalkholdige slaggdannere for fjerning av fosfor og svovel. Ved å tilsette smelten legeringselementer blir den ønskede stålkvaliteten oppnådd. Frekhaug lager også rustfritt og syrefast stål, men benytter såpass rene utgangsmaterialer at ferskingen blir gjort i stålovnen uten bruk av AOD. Heller ikke Celsa benytter AOD-rensing, men renser smelten delvis i elektrostålovnen (oksiderbare forurensninger), delvis i en lysbue øseovn (svovel) hvor også desoksidasjon med silisium og legeringstilsetninger gjøres før utstøping (strengstøping, se illustrasjon til høyre).

Mikrostrukturer

Stål. Fasediagram jern-karbon (Fe-C) for ulegert stål og strukturelementene ferritt, perlitt og sementitt. Kurven GS viser hvordan temperaturen for strukturovergangen austenitt-ferritt avtar når karboninnholdet i stål øker fra 0 % til 0,8 %. Kurven SE viser hvordan temperaturen for strukturovergangen sementitt-austenitt øker når stålets karboninnhold øker fra 0,8 %. I området ovenfor kurven GSE har stålet austenittstruktur. I temperaturområdet under linjen PK (732 °C) foreligger stålet som ferritt når karboninnholdet er lite, som ferritt + perlitt når karboninnholdet øker mot 0,8 %, som perlitt når karboninnholdet er 0,8 %, som sementitt + perlitt når karboninnholdet er større enn 0,8 %. I det rektangulære feltet nederst vises i skisseform hvordan strukturen i det faste stålet endrer seg når karboninnholdet øker.

Av /Store norske leksikon ※.
Mikrostruktur til stål som består av en blanding av ferritt (lys) og perlitt (mørk). Linjene i ferritten er korngrenser som er gjort synlige ved etsing. Lamellestrukturen i perlitten er ikke synlig på grunn av lav forstørrelse. Bildet er tatt i et lysmikroskop.
Av .
Lisens: CC BY NC SA 2.0

Stålets betydning i vår sivilisasjon skyldes ikke bare at stål kan produseres i store mengder, men også at egenskapene til stål kan endres innen vide grenser ved opplegering og ved egnet varmebehandling.

Denne mangfoldigheten kommer av at jern opptrer i to ulike tilstander (modifikasjoner), kalt faser, α-jern (ferritt) som har en romsentrert kubisk krystallstruktur, og γ-jern (austenitt) som har en flatesentrert kubisk krystallstruktur. Dette er vist i det såkalte fasediagrammet for legeringssystemet jern-karbon (Fe-C) som er vist i en figur til høyre. Ferritt-fasen eksisterer (er stabil) ved lavere temperaturer enn austenittfasen. (I tillegg fins det en ferrittfase δ som eksisterer ved enda høyere temperaturer enn dem som er inkludert i fasediagrammet.)

I fasediagrammet ser vi at det mellom énfase-områdene til ferritt og austenitt er områder som inneholder to mikrostruktur-elementer, for eksempel «ferritt + austenitt». For et stål som har en kombinasjon av karboninnhold og temperatur som faller innenfor dette området, vil da mikrostrukturen bestå av den angitte blandingen.

Av fasediagrammet fremgår det at temperaturområdet for austenitt avhenger sterkt av karboninnholdet. For eksempel ser vi at i rent jern (0 prosent karbon) er austenitten stabil ned til cirka 900 °C, men i et stål med 0,5 prosent karbon er austenitten stabil ned til cirka 800 °C. Hvis stålet avkjøles fra høy temperatur og til en temperatur under denne verdien, vil austenitten begynne å omvandles til ferritt.

På samme måte vil også de andre av stålets legeringselementer påvirke temperaturområdene hvor austenitten og ferritten er stabile. Man inndeler legeringselementene i en austenittstabiliserende gruppe som utvider austenittens stabilitetsområde, og i en ferrittstabiliserende gruppe som utvider ferrittens stabilitetsområde (henholdsvis austenittdannere og ferrittdannere). Den førstnevnte gruppen inkluderer blant annet karbon, nitrogen, mangan og nikkel, og i den ferrittstabiliserende gruppen er de teknologisk viktigste elementene aluminium, silisium, krom, molybden, titan, niob og vanadium.

Legeringselementene virker ikke bare inn på temperaturområdene hvor de to fasene ferritt og austenitt er stabile, men i forbindelse med en temperaturendring gjør de også omvandlingen fra den ene til den andre fasen tregere. Denne faseomvandlingen kan skje i løpet av brøkdeler av et sekund i rent jern, men ved egnet opplegering kan tiden som er nødvendig for å gjennomføre omvandlingen, økes betraktelig. Under normale avkjølingshastigheter fra høy temperatur vil da omvandlingen av austenitt til ferritt ikke få tilstrekkelig tid til å skje, og det vil derfor dannes andre omvandlingsprodukter enn de som fremgår av fasediagrammet, og som kan være et bedre alternativ for visse anvendelser. Med andre ord kan avkjølingsforhold og legeringsinnhold avpasses slik at man oppnår den ønskede mikrostrukturen og dermed de tilsiktede egenskapene.

Mikrostrukturen som dannes når austenitt avkjøles fra høy temperatur, avhenger særlig av karboninnholdet, men også av de andre legeringselementene som bestemmer hvor raskt omvandlingen av austenitten skjer. De vanligste legeringselementene som bestemmer stålets omvandlingstreghet er mangan, krom, molybden, nikkel med flere.

Ved romtemperatur er de viktigste mikrostruktur-elementene i ulegert og lavlegert stål:

  1. Ferritt, som består av nesten karbonfritt jern, eventuelt med løste legeringselementer, og som er den bløteste bestanddelen i stål (Vickers hardhet ca. 140 HV, strekkfasthet ca. 250 MPa (N/mm2).
  2. Perlitt, som består av tynne lameller av ferritt og jernkarbid Fe3C (sementitt), og som i ulegert stål har et karboninnhold på ca. 0,8 prosent, en hardhet på ca. 210 HV og en strekkfasthet på ca. 900 MPa. Majoriteten av stålprodukter har en mikrostruktur som består av en blanding av ferritt og perlitt (se fasediagrammet).
  3. Ulikevektstrukturen bainitt som blir dannet ved skjærbevegelser i atomgitteret hvis avkjølingen er for rask til å gi ferritt og perlitt. Bainitten består av tynne plater med karbidpartikler utfelt enten inni platene eller på plategrensene avhengig av dannelsestemperaturen, henholdsvis nedre og øvre bainitt. Bare nedre bainitt er seigt nok til å kunne anvendes.
  4. Ulikevekt- og herdestrukturen martensitt som blir dannet under bråkjøling ved skjærbevegelser i atomgitteret uten etterfølgende karbidutfelling. Martensitt er hard og sprø, men kan gjøres seigere uten drastiske tap av hardhet ved oppvarming til temperaturer mellom 100 °C og 650 °C (anløpning). Martensitt har anvendelse i maskinstål og verktøystål. Herdet og anløpt eggstål kan ha en hardhet på opptil 900 HV.
  5. Jernkarbidet sementitt som til dels inngår i perlitt, til dels danner en film på korngrensene under sakte avkjøling av stål som inneholder mer enn 0,8 prosent karbon (perlittens karboninnhold). Sementitten er hard og sprø, og stål med en sementittfilm på korngrensene er meget sprøtt og har ingen anvendelse. Både sementittplatene i perlitten og en sementittfilm på korngrensene kan transformeres til kuler ved en egnet glødeprosess (mykgløding). (Stål med karboninnhold over 0,5 prosent blir vanligvis benyttet i herdet og anløpt tilstand i maskindeler og verktøy).

Den relative andelen av disse mikrostruktur-elementene i stålet avhenger av karboninnholdet. Ved langsom avkjøling av karbonstål kan man beregne andelene av ferritt og perlitt fra fasediagrammet for systemet jern-karbon som er vist i figuren til høyre sammen med en skjematiske illustrasjon av mikrostrukturene som opptrer ved ulike karboninnhold.

Legeringselementer

Karbon

Alle stål inneholder karbon, fra noen hundredels vektprosent til omtrent 2 vektprosent. Karboninnholdet er svært viktig for stålets egenskaper og definerer i mange tilfeller stålets bruksområde. Generelt kan man si at økt mengde karbon øker stålets hardhet og styrke og reduserer dets duktilitet og bruddseighet.

Mangan

Mangan inngår i konstruksjonsstål (0,03 – 0,25 vektprosent karbon) i mengder opptil cirka 1,5 vektprosent. Mangan tilsettes for å øke stålets styrke, og det gir økt seighet på grunn av en viss reduksjon i kornstørrelsen. I tillegg motvirker mangan rødskjørhet (sprøhet ved høy temperatur) hvis stålet inneholder for mye svovel.

Maskinstål (stål til maskindeler, 0,15–0,5 prosent karbon) og verktøystål (0,5–2 prosent karbon) blir herdet for å oppnå sin nødvendige hardhet og styrke. Mangan er det elementet som mest effektivt øker herdbarheten til disse stålene.

Slitesterke austenittiske manganstål (Hadfieldstål, Strømhard) inneholder 11–20 prosent mangan og omtrent 1 prosent karbon. De anvendes i knuseflater, skinnekryss, gravemaskintenner og til andre formål der slitasjepåkjenningen er slagartet, idet overflaten blir hard på grunn av sterk arbeidsherding mens materialet under overflaten beholder sin seige austenittstruktur. Den sterke arbeidsherdingen skyldes endringer i mikrostrukturen under deformasjonen.

Austenittiske TWIP-stål (Twinning-Induced Plasticity) inneholder typisk 25 prosent mangan og svært lite karbon (bare forurensninger). Også disse stålene arbeidsherder kraftig under deformasjon, og de er derfor attraktive for bilindustrien fordi de effektivt absorberer støtenergi ved kollisjoner.

Nikkel

Nikkel brukes dels i relativt små konsentrasjoner sammen med krom, molybden og vanadium i verktøystål og andre herdbare stål hvor det øker herdbarheten og duktiliteten. Videre brukes nikkel sammen med krom i ferritt-austenittiske og austenittiske rustfrie stål (5–20 prosent), og dels alene (omtrent 9 prosent) i stål som må ha god seighet ved meget lave temperaturer, for eksempel i tanker for transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner. En mindre kjent stålgruppe er mareldingsstålene som er karbonfattige stål som inneholder 18–25 prosent nikkel, og som blir mye brukt i flyindustrien (blant annet i flyunderstell) fordi de kombinerer høy strekkfasthet med høy bruddseighet (glødd martensittisk mikrostruktur).

Silisium

Silisium tilsettes i mengder opptil 0,5 vektprosent for å desoksidere stålsmelten (fjerne oksygen) og tette stålet. Ved dette unngår man at det dannes porer i stålet. Silisium bli av og til også tilsatt i større mengder, blant annet i fjærstål som inneholder opptil cirka 2 prosent silisium sammen med mangan, og i elektroteknisk blikk (transformatorblikk) som inneholder opptil 4,5 prosent silisium. Et slikt silisiuminnhold gir et bløtt magnetisk materiale med liten hysterese og lavt effekttap.

Aluminium

Aluminium kan tilsettes stålsmelten hvis det er nødvendig å fjerne nitrogen fra den. Aluminium blir da tilsatt sammen med silisium slik at man oppnår en såkalt dobbeltetting av stålet. I slike stål blir det i tillegg til oksider dannet små partikler av aluminium-nitrid som virker kornforfinenede.

Krom

Opptil 5 vektprosent krom anvendes i verktøystål sammen med karbon, til dels også sammen med molybden, vanadium og wolfram. Krom øker herdbarheten til stålet og bidrar til utfelling av karbidpartikler under anløpning over 500 °C.

Krom er det viktigste legeringselementet i rustfrie stål hvor det i luft danner en korrosjonsbeskyttende tynn film på ståloverflaten (krom-oksygen-forbindelse). Krom blir tilsatt i mengder på 12–30 vektprosent, og sammen med nikkel og karbon gir krom ulike typer rustfrie stål avhengig av legeringsinnholdet, det vil si ferrittiske, martensittiske, austenittiske og ferritt-austenittiske (dupleks) rustfrie stål (navnene henspiller på stålenes mikrostruktur). De ulike typene rustfrie stål har forskjellige egenskaper og anvendelsesområder. Mest kjent er austenittisk «18–8-stål»-som inneholder omtrent 18 prosent krom og 8 prosent nikkel (0,03–0,08 prosent karbon), og som blant annet brukes i oppvaskbenker, bestikk, meieriapparatur og i kjemisk industri.

Molybden

Molybden bedrer korrosjonsmotstanden til rustfrie stål fordi molybden letter dannelsen av den beskyttende overflatefilmen og stabiliserer filmen slik at den brytes langsommere ned. Tilsats av omtrent 3–8 prosent molybden i austenittisk rustfrie stål gir syrefaste stål som er korrosjonsbestandige i blant annet svovelsyre og saltvann og har stor anvendelse i kjemisk industri og offshore-industri.

Molybden benyttes også i herdbare stål for å øke deres herdbarhet og som karbiddannende element i visse typer verktøystål, for eksempel i martensittisk rustfrie stål og (i mengder opptil 10 prosent) i hurtigstål som brukes ved hurtig bearbeiding som medfører 500-600 grader temperaturstigning (se wolfram nedenfor).

Vanadium

Vanadium brukes i verktøystål sammen med krom, som regel i mengder under 1 prosent, for å oppnå en finkornet og seig martensittstruktur. I verktøystål for varmt arbeid, spesielt i hurtigstål, kan innholdet av vanadium være så høyt som 5 prosent for å danne karbider under anløpning før bruk (se wolfram nedenfor).

Små mengder vanadium kan tilsettes som såkalt mikrolegeringselement i moderne lavlegerte høyfaste konstruksjonsstål (HSLA-stål) for å oppnå styrke gjennom utfelling av vandiumkarbidpartikler i den ferrittiske grunnmassen.

Wolfram

Sammen med molybden er wolfram et av hovedelementene i hurtigstål som er en type verktøystål som nyttes til hurtig bearbeiding/maskinering som kan medføre en temperaturøkning på 500-600 grader. Verktøystål herdes og anløpes før bruk. Som molybden og vanadium danner wolfram karbidpartikler under anløpningen som typisk skjer ved 550 ºC. Karbidene er stabile opp til anløpningstemperaturen, og stålet beholder derfor sin hardhet ved brukstemperaturen. En vanlig kvalitet inneholder 18 prosent wolfram, 4 prosent molybden og 1 prosent vanadium, men det benyttes også typer med lavere og høyere wolframinnhold. (Noen hurtigstål inneholder ikke wolfram, men har da mye molybden, cirka 10 prosent).

Niob og titan

Mikrokonsentrasjoner av niob og titan brukes blant annet som finkorndannere i moderne lavlegerte høyfaste konstruksjonsstål (HSLA-stål). Titan feller ut titannitridpartikler allerede under utstøpingen, og disse partiklene hindrer kornvekst under senere varmepåvirkning (for eksempel sveising). Niob danner under kontrollert varmvalsing niobkarbidpartikler som hindrer kornvekst (i høytemperatur-fasen austenitt) mellom valsestikkene.

Niob og titan benyttes også som såkalte stabiliserende elementer i rustfrie stål for å unngå korngrensekorrosjon. Under gløding før bruk dannes det TiC- eller NbC-partikler gjennom hele materialet. Disse karbidene binder opp karbonet i legeringen slik at det senere, for eksempel under sveising, ikke felles ut kromkarbidpartikler på korngrensene i stålet. Slike kromkarbider vil utarme korngrenseområdene på krom og kan føre til senere korngrensekorrosjon undre bruk.

Kobber

Kobber i mengder over 0,2 prosent blir tilsatt konstruksjonsstål for å bedre den atmosfæriske korrosjonsmotstanden, spesielt i forurenset industriatmosfære. I mengder fra 0,4 prosent øker kobber stålets styrke gjennom oppløsningsherding, og i mengder over 0,75 prosent økes styrken gjennom utfelling av kobber-partikler i ferritten. Kobber gjør også at maling sitter bedre på ståloverflaten slik at vedlikeholdsbehovet reduseres.

En kobbertilsetning på 1–2 prosent i rustfrie stål forbedrer deres korrosjonsegenskaper, for eksempel i svovelsyre, og gir partikkelherding etter en varmebehandling.

Bor

Bor i mengder opp til 30 ppm øker herdbarheten til stål, helst karbonstål med mindre enn 0,4 prosent karbon. Borstål kan herdes direkte etter varmforming, og på den måten kan sterke komponenter produseres på en økonomisk måte. Borstål brukes ofte i slitasjepåkjente produkter som jordbruksredskaper.

Historie og utvikling

Tidlig jern/stål-fremstilling

Det eldste jernet ble utvunnet av meteoritter og var en jernlegering som inneholdt omtrent 7 vektprosent nikkel. Dette materialet var smibart og kunne hamres ut i ønskede former. Tilgangen var selvfølgelig meget begrenset, og legeringen ble derfor høyere verdsatt enn gull.

Jernmalm (som er ulike typer jernoksid) ble oppdaget omtrent 2500 år fvt., men det tok enda sju hundre år før man greide å separere det nye metallet fra malmen, en oppdagelse som pekte framover mot jernalderen. Opp gjennom historien har jern senere blitt tilvirket i tre varianter: Smijern, råjern og stål.

Trolig var det et folkeslag ved Svartehavet som var de første som klarte å fremstille jern fra jernmalm, allerede omkring år 1800 fvt. De slo seg sammen med de krigerske hettittene i Lilleasia, og mye av den tidlige jernhistorien er knyttet til dette folkeslaget som var kjent for sine overlegne sverd og stridsvogner. Mye tyder på at hettittene holdt fremgangsmåten for jernproduksjon hemmelig i flere hundre år, men på grunn av folkevandringene i Midtøsten og Sør-Europa på 1300–1100-tallet fvt. spredte kunnskapen om jernet seg etter hvert til de andre kulturnasjonene i Midtøsten, til India, Afrika, Europa og Kina.

I denne første tiden ble oksygenet fjernet fra malmen uten å smelte den, det vil si at malmen ble direkte redusert i fast tilstand. Dette ble gjort ved å gløde den sammen med trekull. Hånddrevne blåsebelger sørget for nødvendig trekk, og temperaturen kunne ligge rundt 1000–1200 °C. Ved at karbon i kullet forbandt seg med oksygen i malmen ble det etter hvert dannet en klump av et svampaktig jern (jernsvamp) som var blandet opp med aske og bergrester i form av slagger. For å få et brukbart jern ble klumpen hamret i varm tilstand slik at den ble smidd/sveist sammen til et fast metall samtidig som slagger og andre forurensninger ble tvunget ut. Det ferdige produktet, smijern, også kalt sveisjern, inneholdt omtrent 0,05 prosent karbon og var godt smibart og sveisbart (også til seg selv).

Lenge etterpå oppdaget smedene at et hardere, sterkere og mer holdbart produkt kunne oppnås hvis tynne strimler av jern ble glødet sammen med trekull i lang tid. Ved dette økte karboninnholdet i strimlene (mest nær overflaten), sementering, og ved å smi sammen strimlene igjen oppnådde man en voldsom økning i jernets styrke. Av jernet hadde man nå fått et slags stål som kunne anvendes til verktøy og våpen. Denne herdemetoden var kjent i Midtøsten omtrent 1200 år fvt., og den førte til at interessen for jern økte betraktelig.

Det første «sanne» stålet ble imidlertid produsert i India. Der utviklet man omkring år 400 fvt. en forbedret oppkullingsteknikk der en innbyrdes tilpasset mengde av smijern, trebiter og grønne blad ble blandet og smeltet i en leirdigel. I smelten ble karbon og andre stoffer jevnt fordelt slik at man fikk et stål med en forutsigbar og ensartet kvalitet, wootz-stål. Et avgjørende ledd i prosessen var å mestre smeltetemperaturen som var høyere enn den som ble brukt i annen teknologi den gangen. India var alene om å lage wootz-stål helt fram til 1740 da teknikken ble gjenoppdaget i England.

Kina blir regnet som den første masseprodusenten av kvalitetsstål. I dette landet utviklet jernfremstillingen seg etter hvert på en annen måte enn i resten av verden. Funn av gjenstander av støpejern tyder på at masovner var utbredt i Kina allerede i det femte århundret fvt., og under Han-dynastiet ble det i det første århundret evt. bygd relativt sofistikerte masovner med leirvegger. I det tredje århundret evt. startet så masseproduksjonen av stål i Kina. Masovnene produserte flytende råjern ved å redusere jernmalm med trekull som også fungerte som brensel i smelteprosessen. Av det karbonrike råjernet ble det støpt (relativt sprø) jordbruksredskaper av støpejern eller produsert stål etter å ha raffinert råjernet med en teknikk som sannsynligvis ligner bessemer-prosessen (som kom mye senere i England), etterfulgt av sementering og varmsmiing.

Masovner og støpejern i Europa

Ironbridge i Coalbrookdale.

I Sverige er det funnet spor av masovner fra omtrent år 1100. Men de eldste kjente masovnene er noe yngre, bygd i Sveits, Tyskland og i Lapphyttan i Sverige, som hadde masovndrift gjennom nesten hele 1200-tallet. Etter at nedgangstiden i Europa på 1300-tallet var overvunnet, ble det større fart på jern- og stålproduksjonen. Smijernsovnene ble bygd høyere og utstyrt med vannkraftdrevne belger, og de utviklet seg etter hvert til masovner. På 1500-tallet hadde mange land masovner som leverte flytende råjern, på engelsk kalt pig iron fordi smelten ble utstøpt i et mønster som liknet en purke med unger. I Norge kom den første masovnen i drift i 1622 ved Bærum Jernverk (i dag er det ingen masovner i Norge). For samtiden i Europa var råjernet et nytt og uprøvd materiale. Det hadde høyt innhold av 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 materialet i store og tunge gjenstander som var vanskelige å håndtere i smia. En velkjent konstruksjon er støpejernsbroen Ironbridge i Coalbrookdale i England fra 1779. Den har et spenn på 35 meter.

Flere steder i Skandinavia fortsatte man fremstillingen av smijern ved direkte reduksjon av malm helt fram til slutten av 1700-tallet. Andre steder i Europa tok imidlertid produksjonen etter hvert utgangspunkt i råjern fra masovnen. Råjernet ble smeltet om, samtidig som karbon og andre stoffer ble fjernet ved oksidasjon (fersking) ved hjelp av en kraftig luftstrøm over smelten. Fast jern dannet seg gradvis når karboninnholdet sank og smeltetemperaturen steg. Det ble så hamret fritt 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.

Den utstrakte bruken av masovner førte til avskoging fordi trekull ble benyttet som brensel og reduksjonsmiddel, særlig i England og på kontinentet. Av denne grunn, og av økonomiske grunner, gikk man i første halvdel av 1700-tallet over til å bruke koks istedenfor trekull i masovnen. Denne overgangen ble imidlertid 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 og en forbedret forkoksingsprosess, 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.

Puddelprosessen

I puddelprosessen fra 1784 ble karbonet i råjernet fjernet ved å oksidere det med luft og jernoksid i en ovn der kull-brenselet ikke var i direkte kontakt med jernsmelten (reverberatory-ovn). Ovnen var utstyrt med en mekanisk innretning for omrøring av smelten. Slaggen ble drevet ut ved valsing. Puddeljern var førsteklasses smijern og ga England en ledende stilling blant Europas smijernsprodusenter helt fram til 1856 (se også puddelovn).

Flusstål

Forskjellige typer eldre og nyere stålovner.

Jern
Av /※.

Flusstål og flusstålprosessene, introdusert av Henry Bessemer i 1855 med følge av Sidney Thomas, Pierre Martin og Karl Wilhelm Siemens noen år senere, revolusjonerte den gamle jern- og stålindustrien. I bessemerprosessen blir det høye karboninnholdet og urenheter i råjernet redusert (oksidert) ved å blåse luft gjennom råjernsmelten. Dette var den første økonomiske prosessen som masseproduserte stål fra flytende råjern, og den innledet den moderne stålproduksjonen. 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 smelting av skrap. Utgangsmaterialet var flytende råjern fra stadig større masovner.

Etter at George Stephenson hadde oppfunnet lokomotivet i 1814, ble valsede jernbaneskinner en av de første større anvendelsene av bessemerstål. Andre viktige produkter var skruer, nagler og bolter.

Puddeljern og digelstål forble etterspurte produkter til spesielle formål til langt utpå 1900-tallet, blant annet fordi det lave slagginnholdet i smijern gav materialet fremragende sveiseegenskaper.

Flusstålprosessene, utvidet med elektrostålprosessen omkring 1900, holdt seg på det nærmeste uforandret fram til 1950–1960, med siemens-martinstål som den klare produksjonslederen. Men utfordringer og problemer meldte seg. Viktige deler av det alminnelige beregningsgrunnlaget for stålkonstruksjoner manglet eller var ikke forstått, og tretthetsbrudd i rullende materiell samt kjeleksplosjoner ble tilbakevendende tragedier på begge sider av 1900-tallet.

Manglende innsikt i de endringene i mikrostruktur og egenskaper som skjer i stålet under sveising, ble avdekket i årene mellom 1930 og 1940 i forbindelse med overgangen fra klinkede til sveiste stålkonstruksjoner, se sprøbrudd. Alvorlige sprekker oppstod i tre sveiste broer over Albertkanalen i Belgia i årene 1938–1940. Sprekker og brudd ble også funnet i et betydelig antall sveiste handelsskip som ble bygd i krigsårene 1941–1945 i USA (Liberty-skip). Undersøkelsene som fulgte, gjorde det klart at bruddene var et resultat av herdesoner (sprø martensitt) dannet ved rask avkjøling av sveis og grunnmateriale. I tillegg hadde spenningskonsentrasjoner knyttet til mangelfull sveiseutførelse en innvirkning. Den samlede effekten rammet høykarbonstål i særlig grad.

LD-prosessen og finkornstål

Hendelsene initierte en ny epoke for fremstilling av stål, forsiktig påbegynt ved produksjon av desoksidert manganstål for sveiste konstruksjoner og nitrogen-fattige stål til kjettinger i årene før 1940. Den store omveltningen fulgte et tiår senere da Linz-Donawitz-verkene i Østerrike kunne demonstrere fordelene ved å ferske råjernet med ren oksygen istedenfor med luft, det som går under navnet LD-prosessen. Den åpenbare gevinsten består i at nitrogen ikke tar del i prosessen. Derfor synker den forsprøende nitrogenmengden i stålet, og det samme gjør varmetapet under ferskingen slik at konverteren kan fylles med mer skrap. Svovel- og fosforrensingen er svært god, og etter en 15–20-årsperiode fortrengte LD-prosessen og andre oksygenprosesser de gamle luftbaserte metodene.

Finkornstål eller mikrolegerte stål som er en type høyfast lavlegerte konstruksjonsstål (HSLA, High Strength Low Alloy), ble utviklet i samme periode. Ved tilsetting av små mengder egnede legeringselementer (niob, titan) og utvikling av en nøye kontrollert varmvalseprosess (kontrollert valsing) kunne ferrittkornstørrelsen reduseres med 25 mikrometer (μm) ned til 7 μm, noe som bedret både styrken, duktiliteten og seigheten til stålet. Enda bedre materialegenskaper oppnås ved enda finere korn, og forskningslaboratorier verden over er i dag opptatt av å utvikle metoder som ytterligere forfiner mikrostrukturen.

Disse og andre termiske og mekaniske prosesser, inkludert vakuumbehandling av smelten for å fjerne løst hydrogen (jfr. hydrogensprøhet), har revolusjonert fremstilling og egenskaper av sveisbare konstruksjonstål etter andre verdenskrig. Flytegrensen, som bestemmer hvor stor belastning stålet kan utsettes for uten å bli deformert, er hevet med en faktor 2–3. Samtidig er omslagstemperaturen, som beskriver hvor lav temperatur stålet kan ha før det går over fra å være seigt til å bli sprøtt, senket med 50–60 °C. Prosesser og teknikker har forgreninger til andre typer HSLA- og høyfaste stål og til rustfrie stål.

Gevinsten ble raskt forstått og utnyttet i store, sveiste konstruksjoner som broer, atomkraftanlegg, rørledninger for olje og gass og offshore-plattformer, godt assistert av nytt beregningsverktøy for styrke, utmatting og deformasjoner. I skip, der skrogets stivhet er en avgjørende faktor i dimensjoneringen, dro verftene i første omgang fordel av stålenes høye bruddseighet som gir en ekstra sikkerhet mot sprøbrudd.

De mikrolegerte finkornstålene ble fra 1950-tallet også brukt innen bilindustrien for å redusere bilenes vekt. De er imidlertid ikke spesielt velegnet for bruk i komplekse bildeler hvor det i tillegg til styrke stilles store krav til formbarheten. Det var først på 1960-tallet og spesielt på 1990-tallet at de første HSLA-stålene med tilstrekkelig formbarhet, tofasestålene, ble utviklet. Disse stålene, som har en mikrostruktur av de to fasene ferritt og martensitt, har også en meget god evne til å absorbere støtenergi ved en kollisjon. De anvendes derfor innen bilindustrien for å øke bilenes sikkerhet, blant annet til å forsterke tak og understell og til produksjon av kollosjonsforsterkere i støtfangere og bildører. Senere er det utviklet høyfaste stål med enda bedre formbarhet og energiabsorberende evne (blant annet TRIP- og TWIP-stål), og som derfor har samme anvendelse innen bilindustrien som tofasestålene.

Rustfrie stål

Rustfritt stål ble oppfunnet i 1913 av engelskmannen Harry Brearley. Han legerte jern med 12,8 prosent krom og kom dermed fram til et stål som var korrosjons- og rustmotstandig. Brearly var egentlig på jakt etter et metall som var motstandsdyktig mot erosjon i geværløp. Legeringen Fe-13 %Cr tilhører gruppen ferrittisk rustfrie stål og er blant de minst korrosjonsbestandige rustfrie stålene. Senere er det utviklet martensittisk rustfrie stål til bruk i verktøy og andre sterke komponenter, og austenittiske og ferritt-austenittiske rustfrie stål med andre korrosjonsegenskaper og bruksområder enn de ferrittiske.

Stål og samfunnsutvikling

Stål har bidratt mer til den moderne sivilisasjonen enn noe annet metall. Etter at flusstålprosessene var godt i gang i 1880, økte verdensproduksjonen eksponensielt med ca. 3 prosent per år fra ca. 17 millioner tonn til 143 millioner tonn i 1940, med noen avvik omkring første verdenskrig og under den økonomiske krisen i 1929–1930. Veksten tok av for alvor etter andre verdenskrig med 6 prosent per år, og i 1975 nådde produksjonen 711 millioner tonn. Da var det plutselig stans, og et tilbakefall skjedde i 1976 og 1977. Deretter var produksjonen svingende og svakt stigende opp til 830 millioner tonn i 2000. Berlinmurens fall, Sovjetsamveldets sammenbrudd, oljekrisene og Kinas oppsving kan spores i tallene.

Forbruket av stål er i stor grad knyttet til den økonomiske utviklingen i et land, med økende forbruk i perioder med omfattende utbygging av veier, jernbane og tungindustri. En redusert produksjon har derfor skjedd i den vestlige verden, og her har ikke produksjonen steget de siste tiårene, men snarere gått ned, se tabellen nedenfor. I asiatiske land som Kina, India, Sør-Korea og Iran har imidlertid produksjonen steget betydelig, likeså i Tyrkia. Også i Russland og Brasil, som er blant verdens ni største stålproduserende land, har produksjonen økt siden 2000. Økningen i verdensproduksjonen fra 830 millioner tonn i 2000 til 1864 millioner tonn i 2020 avspeiler forholdet til samfunnsutvikling som er nevnt ovenfor.

Stål og bærekraftig utvikling

Den sterke økningen i stålproduksjonen bryter dessverre med tanken om en bærekraftig utvikling. Koks benyttes som brensel i masovnene, og dette medfører store utslipp av karbondioksid. Det er estimert at stålproduksjon er ansvarlig for 7–9 prosent av verdens utslipp av karbondioksid (gjennomsnittlig 1,8 tonn per tonn produsert stål). Selv om det har skjedd en økende bevisstgjøring av verdens klimaproblemer etter at Parisavtalen ble inngått i 2015, økte verdensproduksjonen av stål fra 2015 til 2019. I 2020 falt riktignok verdensproduksjonen med 0,9 prosent, men mye av denne nedgangen blir knyttet til koronapandemien som rammet verden dette året.

For å redusere stålproduksjonens påvirkning av klimaet arbeides det i dag med en grønnere stålproduksjon ved å benytte hydrogengass som reduksjonsmiddel. Hydrogenet kan enten tilsettes som et hjelpereduksjonsmiddel i masovnene eller benyttes som reduksjonsmiddel i produksjonen av rent jern ved direkte reduksjon av jernmalm (jernsvamp, omtalt lenger oppe i artikkelen). I Sverige er full kommersiell produksjon av «grønt stål» ventet å komme i gang i 2026.

Produksjon av råstål 2020

Område / land Mill. tonn Endring fra 2000, %
Verden totalt 1864,0 + 121
Asia 1374,9
EU 138,8 – 28
CIS* 102,0
Nord-Amerika 101,1
Midt-Østen 45,4
Sør-Amerika 38,2
Afrika 17,2
Oseania 6,1
Kina 1053,0 + 729
India 99,6 + 272
Japan 83,2 – 22
Russland (e) 73,4 + 22
USA 72,7 – 29
Sør-Korea 67,1 + 56
Tyrkia 35,8 + 150
Tyskland 35,7 – 23
Brasil 31,0 + 11
Iran (e) 29,0 + 339

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

e = estimert

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