..
Jern
___________________________________________________________________________________
Jern finnes i store konsentrasjoner i jordskorpa, (Ca. 5 %). Det er det viktigste metalliske konstruksjons-matrialet, og er relativt enkelt å redusere med karbon, noe som gjør at jernet har spesielt gode egenskaper (valsbarhet, smibarhet, hardhet, styrke). Egenskapene kan modifieres og nærmest skreddersys spesielle behov og anvendelser ved å justere innholdet av karbon for å få rent jern og legeringsmetaller.
Bilde: Jernmalm
Jern foreligger ikke i ren form, men i form av oksider( jernoksid/malm), som må fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner, hvor jern produseres etter det såkalt motstrømsprinsippet. Moderne masovner kan være veldig store. De kan ha diameter opp mot 10 m og produsere ca. 3000 tonn råjern per døgn. Ovnene kan drives kontinuerlig i årevis.
Fremstillingsprossesen - jern:
Malmen (Fe203 og/eller Fe304), koks og slaggdannende oksider
som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra i masovnen. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover i ovnen. Det blåses luft (oksygen) i motsatt retning fra bunnen og oppover i ovnen. Temperaturen i masovnen er lavest i toppen og øker nedover fra ca. 250 °C til ca. 1500 °C nederst hvor slagg og jern tappes av.Jernet reduseres av CO-gass som dannes ved reaksjon mellom luften som blåses inn og karbonet i de nedre deler av ovnen. Reduksjonen beskrives kjemisk ved :
Fe-oksid + CO(g) = Fe + CO2(g).
Oppover i masovnen reagerer CO2 gassen dannet ved reduksjonen av jernoksidene med karbon og danner CO:
CO2(g) + C(s) = 2CO(g)
Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert. Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2Ved ca. 1200 °C begynner dette jernet å smelte. Jernet som tappes av fra bunnen av ovnen, råjernet, har en temperatur på 1400-1500 °C.
I tillegg til jernet dannes det slagg som smelter ved 1300-1400 °C. Slaggen har lavere massetetthet enn jernet og flyter oppå. Slaggen kan derfor tappes av.
Men når jernet smelter, blir mye karbon løst i smelten. Jern fra masovner får derfor et høyt karboninnhold pa ca. 3-4 %, noe som fører til at det blir hardt og sprøtt og ikke lar seg smi. Slikt jern kalles støpejern. Dette er jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer, og er utgangsmaterialet for videreforedling til stål og støpejern. Uten bearbeiding kan det brukes til produksjon av ovner. Men ellers er støpjern utgangspunkt for produksjon av stål.
..
Stål
Stål
__________________________________________________________________________________
Stål er en smibar legering av jern og karbonstål, med karboninnhold mindre enn 1,7–2 %, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning.
For å kunne omdanne støpejernet til stål og et materiale som kan bearbeides, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2%. Dette oppnås ved at luft blåses gjennom det smeltede råjernet slik at karbonet oksideres.
Første trinn i framstilling av stål går ut på å fjerne en del av karboninnholdet i støpjernet. Dette gjøres ved å bringe smeltet støpjern i tettest mulig kontakt med oksygengass. Karbonet i jernet vil da forbrenne til karbondioksid.
Karbonet gjør stålet sterkere ved å gå inn mellom jernatomene i krystallgitteret. Jernatomene glir dermed ikke så lett over hverandre, og legeringen blir hardere enn rent jern. Karbonatomene vil også påvirke effekten av temperaturbehandlingen slik at stålet blir mer herdbart.
Når karboninholdet er mindre en 1,7-2% kan metallet kalles stål og deles inn i to hovedgrupper:
Ulegert stål
Omtrent 90% av verdens stålprodukter går til de ulegerte stålene les mer
Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede.
Ved hjelp av legeringsteknologi, kan de mekaniske egenskapene endres. Styrke og andre mekaniske egenskaper kan være betydelig høyere enn for enkeltmetallene. For å få stål med spesielle egenskaper som feks fjærstål, syrefast stål, rustfritt stål osv. tilsettes forskellige andre metaller. Denne gruppen kalles legert stål:
Legert stål
Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium.
..
Legeringselementer
_______________________________________________
Legeringselementer
_______________________________________________
Funksjonen til de ulike legeringene:
Nikkel anvendes dels i relativt lav konsentrasjon sammen med krom, molybden og vanadium i for å oppnå hardhet, dels sammen med krom for å oppnå rustfritt og syrefast stål (8–20 % nikkel) og dels alene (ca. 9 % nikkel) i stål som må ha god seighet (Milleritt)
også ved meget lave temperaturer,
f.eks. for tanker til transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner.
også ved meget lave temperaturer,
f.eks. for tanker til transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner.
Krom (Cr) legering:
Hvis stål ilegeres 12-13 % krom kaller vi gjerne stålet ”rustfritt” eller ”syrefast”. Krom har særlig to viktige funksjoner i stål, det øker den mekaniske styrken og det forbedrer materialets korrosjonsbestandighet. I forbindelse med høye (Kromitt, FeCr2O4)temperaturer snakker man gjerne
om kromoksiddannere, dvs legeringer som baserer sin bestandighet mot korrosjon på tette krom(III)oksidfilmer. Selv ved temperaturer opp mot 900–1000 °C er kromoksidfilmen relativt bestandig og hindrer oksidasjon/korrosjon. Ved så høye temperaturer kan ikke jernbasert stål brukes (opp til 700-800 °C), men her er det såkalte superlegeringer som tar over.
Molybden (Mo) legering:
Tilsetning av 0,25 til 8 % Mo øker hardheten og styrken til stålet.Molybden benyttes hovedsakelig sammen med andre legeringselementer i syrefast og varmebestandig stål, i verktøystål og visse typer (Molybdenitt, MoS2)lavlegert konstruksjonsstål, bl.a.
i sigefaste kvaliteter for rør, overhetere o.l. i varmekraftverk.
Vanadium (V) legering:
3Cl.jpg)
Selv små mengder av metallet (0,1-0,2 %) øker i vesentlig grad stålets seighet og fasthet samtidig som det virker deoksiderende. Gjenstander laget av vanadiumstål kan derfor lages lettere enn av annet stål og allikevel beholde (Vanadinitt (Vanadiummalm),styrken. Pb5(VO4)3Cl)
..
Stål-legeringer
_____________________________________________________________________________________________
Kjente legeringer:
Kobber og tinn er forholdsvis myke og bøyelige hver for seg, men blandes de, danner de en sterk legering som kalles bronse.
Messing er en hard og motstandsdyktig legering av kobber og sink.
Aluminiumslegering er både lette og sterke, og benyttes derfor i flyindustrien.
Magnesium er det letteste av metallene.
Noen ulike stållegeringer og legeringstypene er:
Verktøystål
Verktøystål er stål som det lages verktøy av, verktøy som skal brukes til å behandle materialer. De må være tilpasset det de skal brukes til når det gjelder seighet, hardhet og fasthet. Det er veldig slitesterk og er til dels varmefast. Eksempler på hvor verktøystål kan brukes er for eksempel lasteskuffen på en gravemaskin eller en hjullaster, deres lasteskuffer må tåle mye juling og har ofte en mangan legering som gjør at metallet blir bare hardere jo mer man slår på det, det en stor fordel.Lages av (foruten jern) legeringer som: krom, molybden, nikkel og vanadium (alle i en legering)
Rustfritt stål
Lages av (foruten jern) legeringer som: Krom og/eller Nikkel + Molybden
Syrefast stål
Dette er dyrt stål. Syrefast stål brukes i miljøer med større kjemiske påkjenninge, f.eks. i kaseroller, bestikk, rørdeler, rustfrie skruer og mutre, detaljer som kommer i kontakt med syrer samt deler til båter. Til knivblad bruker man imidlertid å unngå stål med nikkel, da det gjør kniven vanskeligere å slipe og beholde en skarp egg på. I stedet bruker man forskjellige typer kromstål til dette. Stållegeringer som inneholder både krom og nikkel kalles også for kromnikkelstål.Lages av (foruten jern) legeringer som : Krom, en del Nikkel og/eller Mangan og også litt Molybden, Niob og Titan.
Varmebestandig stål
Stål med høyere krominnhold, omkring 25 % krom, kan utsettes for høye temperaturer uten å brennes eller misfarges, og kalles derfor varmebestandig eller oksidasjonsbestandig stål. Det brukes gjerne i ovner og motorer.Lages av (foruten jern) legeringene: Krom og molybden
Som en oppsumering gjør:
Cr-Ni
Rustfritt stål
Cr-Ni-Mo
Syrefast stål
Austenittisk rustfritt stål:
Det er lett formbart, og det lave karboninnholdet gjør at det er lettere å sveise enn andre typer av rustfritt stål. De austenittiske rustfrie ståltypene har derfor et stort bruksområde som konstruksjonsstål og i rør.
Stålet i min bedrift:
Det er Austenittisk-stål som brukes i Ringkabelanleggene på ABB. Matrialet har et toleranseinnhold på 17-19% krom (Cr) og 8-11% Nikkel (Ni) som legering. Resten av legeringen består av det som kalles skrapjern. Når krominnholdet er/overstiger 12%, dannes det en tynn hinne en krom-nikkeloksidfilm på stålet som beskytter det underliggende stålet mot videe oksidering. Den tynne hinnen som dannes er usynlig for det blotte øyet, fordi det bare r noen nanometer tykt.
Filmen har den egenskapen at hvis den blir skadet (ripet osv.), gjennoppbygges den raskt forutsatt at det finnes oksygen tilgjengelig i omgivelsene. Den er med andre ord delvis selvreparerende slik at hinnen kan gjendannes på det skadede området.
Martensittisk rustfritt stål
Martensittisk rustfritt stål har et krominnhold på 12-18 %, og et karboninnhold på 0,1-0,3 %. Stålet er magnetisk og herdbart. Til denne gruppen tilhører visse typer kromstål.
Martensittisk rustfritt stål er ganske hardt og brukes f.eks. i verktøy som kniver og sakser. Stålet egner seg dårlig til sveising og brukes derfor ikke som konstruksjonsmateriale.
Ferrittisk rustfritt stål
Ferittisk rustfritt stål har et krominnhold på 12-30 %, og et karboninnhold under 0,1 %. Det er magnetisk men kan ikke herdes. Visse typer av kromstål og varmebestandig stål tilhører denne kategorien. Stålet egner seg dårlig til sveising og brukes ikke som konstruksjonsstål.
Dette stålet er et sterkere materiale enn de austenittiske ståltypene, og kan også sveises og formes, så det egner seg bra til konstruksjoner. Duplex-stål er magnetiske men kan ikke herdes.
Martensitt-austenittisk rustfritt stål
Martensitt-austenittisk rustfritt stål består av krom (13-16%), nikkel (5-6%), molybden (1-2%) og karbon (0,04-0,08%). Det er magnetisk og kan herdes og sveises. Det brukes bl.a. i turbiner og propeller.
Kilder:
http://www.google.no/ --> til bilder
