Legeringsämnen i järn-kol-legeringar
Innehållsförteckning
Kolstål kan uppnå ett mycket brett spektrum av egenskaper genom värmebehandling, men i många tillämpningar är detta ändå inte tillräckligt. Genom att tillsätta andra komponenter än järn och kol i stålet (eller öka halten av vissa tillsatser, såsom mangan och kisel) skapas en grupp material som kallas legerade stål. Dessa avsiktligt tillsatta element – legeringstillsatser – interagerar samtidigt med järn, kol och varandra, vilket resulterar i en förändring av struktur och egenskaper. Detta gör det möjligt att uppnå högre mekaniska och tekniska egenskaper, ökad härdbarhet, hög hårdhet och slitstyrka samt speciella egenskaper (till exempel korrosionsbeständighet, värmebeständighet eller värmetålighet).
Samtidigt är legerat stål i allmänhet dyrare, så det används när kolstål inte är ändamålsenligt. I praktiken är det också viktigt att legerat stål oftast används i värmebehandlat tillstånd, eftersom det är först då som effekterna av legeringen kommer till sin fulla rätt: förändrad kinetik för austenitomvandling, olika tendenser till kornväxt, möjligheten att producera och stabilisera legeringskarbider samt erhålla gynnsamma kombinationer av hårdhet och plasticitet.
Hur klassificeras legerade stål och varför är denna klassificering ibland tvetydig?
klassificeringen är enligt typ och mängd legeringsadditiv, det vill säga enligt kemisk sammansättning. Därav namnen kromstål, manganstål, krom-nickelstål. Materialet påpekar dock att med dagens alltmer komplexa kemiska sammansättningar är denna klassificering mindre tydlig, eftersom stål kan innehålla flera viktiga tillsatser samtidigt och dess beteende beror på deras kombination, inte bara på det ”huvudsakliga” elementet.
Ur teknisk synvinkel och med avseende på materialval är klassificeringen efter mängden legeringsämnen i låglegerade, medelstarka och höglegerade stål lika viktig, och vid mycket låga halter talar vi om mikrolegerade stål. Klassificeringen efter användningsområde är också av stor praktisk betydelse: vi skiljer mellan konstruktionsstål, verktygsstål och stål med speciella egenskaper. Det finns en enkel logik bakom denna klassificering: olika användningsområden kräver olika ”mekanismer” för förstärkning (till exempel karbidutfällning, ökad härdbarhet, strukturstabilisering vid höga temperaturer) och därför olika tillsatser.
Märkning av legerade stål
Materialet beskriver ett märkningssystem där stålmärkningen består av siffror och bokstäver, vars betydelse är nära kopplad till sammansättningen. Den första siffran anger vanligtvis det genomsnittliga kolinnehållet i hundradels procent, medan siffrorna efter bokstäverna anger det genomsnittliga innehållet av ett visst legeringsämne i procent. Om det inte finns något nummer efter bokstaven betyder det att innehållet av elementet inte överstiger 1,5 %. Dessutom märks stål av högre kvalitet med mycket lågt fosfor- och svavelinnehåll med bokstaven A i slutet av märkningen.
Det är också viktigt att notera att bokstäverna i det nämnda systemet härstammar från det ryska alfabetet och motsvarar specifika element (till exempel skiljer sig bokstaven för nickel, krom eller molybden i detta system från den i moderna kemiska symboler). Materialet ger också ett exempel på hur märkningen ska tolkas, med en beskrivning av hur man avläser kol- och huvudadditivhalten från själva märkningen och hur man känner igen om stålet är av vanlig eller högre kvalitet.
För verktygsstål är märkningssystemet annorlunda: i början finns bokstäver som anger funktionsgruppen (till exempel stål för kallbearbetning, varmbearbetning och höghastighetsstål), och följande bokstäver och siffror används för att ange de viktigaste legeringstillsatserna eller deras grupper och för att skilja mellan olika kvaliteter. Materialet innehåller också en lista över bokstäver som tilldelats element i verktygsmärkningar (till exempel separata märkningar för volfram, vanadin, molybden, krom, kobolt och så vidare).
Legeringsämnen och järnallotropi
En av de viktigaste effekterna av legering är tillsatsernas inverkan på stabilitetsområdet för järnallotroper, det vill säga på de temperaturer vid vilka austenit (γ-fas) kan existera. Materialet delar in elementen i två grundläggande grupper beroende på hur de förskjuter övergångstemperaturerna A3 och A4. Elementen i den första gruppen sänker A3 och höjer A4, vilket innebär att γ-fasens existensområde utvidgas. Vid tillräckligt hög halt kan en situation uppstå där γ-fasen existerar från omgivningstemperatur till smältpunkt – detta är ett system med ett öppet austenitfält. Denna effekt har beskrivits för järnlegeringar med nickel, kobolt och mangan, som bildar kontinuerliga fasta lösningar med järn.
Om de element som expanderar γ-fältet inte bildar kontinuerliga lösningar, utan endast gränslösningar, blir bilden mer komplex: γ-fältet kan initialt expandera, men senare – som ett resultat av uppkomsten av tvåfasintervall – gradvis minska tills det till och med försvinner. I materialet kallas detta fall för ett system med ett expanderat austenitfält och exempel ges (inklusive vissa system med koppar eller guld, samt påverkan av interstitiella element som kol och kväve).
Den andra gruppen har motsatt effekt: dessa element sänker A4 och höjer A3, och med tillräcklig löslighet i järn kan de leda till bildandet av ett slutet austenitfält, begränsat av tvåfasområdet α + γ. Utanför detta fält finns ferrit från normala temperaturer upp till smältpunkten. Materialet listar ett brett spektrum av element som uppvisar denna effekt (inklusive aluminium, kisel, titan, vanadin, krom, molybden, volfram, med flera). När lösligheten i γ är för låg bildas istället för ett slutet fält ett system med ett insmalt austenitfält, vilket beskrivs till exempel för legeringar med bor, zirkonium och cesium.
I vilken form förekommer legeringstillsatser i stål?
Hur ett tillsatsämne fungerar beror till stor del på var och i vilken form det förekommer i mikrostrukturen. Materialet listar olika möjligheter: legeringsämnen kan förekomma i fast lösning, som karbider, som icke-metalliska inneslutningar, som intermetalliska föreningar eller (sällan) i fri form. Samtidigt betonas att i praktiskt använda legerade stål är två former av avgörande betydelse: fast lösning och karbider, eftersom de i högsta grad bestämmer egenskaperna och beteendet under värmebehandling.
Icke-metalliska inneslutningar förekommer vanligtvis i små mängder, och deras inverkan beror mer på deras form, storlek och fördelning än på deras kemiska sammansättning. Intermetalliska föreningar kan bildas, men oftast endast vid mycket höga tillsatshalter, så i typiska konstruktionsstål är de mindre viktiga än fasta lösningar och karbider. Denna slutsats styr vidare analys: om vi vill förstå varför legerat stål är hårdare, mer härdbart eller mer motståndskraftigt mot överhettning, måste vi vanligtvis titta på lösningshärdningen och legeringskarbidens roll.
Effekten av tillsatser i den fasta lösningen på ferrit
Många legeringsämnen löses upp i ferrit eller austenit, men graden av denna löslighet är individuell och beror bland annat på atomstorlekarna. Materialet hänvisar till kriteriet för atomdiameterskillnad och visar det intervall inom vilket bildandet av fasta lösningar är särskilt gynnsamt, och påminner oss också om interstitiella element (såsom kol, kväve eller bor) som bildar interstitiella lösningar i järn.
Den viktigaste tekniska effekten är följande: tillsatser upplösta i ferrit ökar draghållfasthet, sträckgräns och hårdhet, medan minskar plastiska egenskaper. Materialet påpekar att ju större skillnaden är mellan ett givet element och järn (till exempel i termer av atomstorlek), desto större är förändringen. Kvalitativ information ges också om vilka element som härdar ferrit mest: mangan, kisel och nickel, bland andra, orsakar betydande härdning, medan effekten av krom, molybden och volfram är mindre uttalad. När det gäller slaghållfasthet anges att de flesta av dessa element (med undantag för krom och nickel) minskar den, och av de tillsatser som beaktas är nickel den mest fördelaktiga eftersom den kan öka både hårdhet och slaghållfasthet.
Det är också värt att beakta beroendet av kylningshastigheten. Materialet beskriver att ferrit som innehåller nickel, krom eller mangan i lösning kan bilda en nålliknande struktur som liknar martensit när den kyls snabbt, vilket resulterar i en ökning av hårdheten med 100–150 HB jämfört med tillståndet efter långsam kylning. För ferrit med kisel, molybden eller volfram är dock detta beroende av kylningshastigheten försumbar. Detta är en viktig iakttagelse eftersom det visar att även ”samma sammansättning” kan resultera i olika hårdhet om kylningsprocessen ändras.
Legeringskarbider
I legerade stål spelar inte bara den fasta lösningen en viktig roll, utan det gör ofta även karbiderna. Materialet förklarar att elementens tendens att bilda karbider är relaterad till deras elektroniska struktur, och den praktiska slutsatsen är att elementen kan rangordnas efter deras ökande förmåga att bilda stabila karbider: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti, Zr, Nb. Ju stabilare karbiden är, desto högre är temperaturen vid vilken den löses upp i austenit under upphettning och desto svårare är det att separera den från martensit under anlöpning, vilket direkt påverkar valet av austenitisering och anlöpningstemperaturer i legerade stål.
Materialet citerar också Goldschmidts klassificering, som organiserar karbidtyper enligt kristallstruktur och egenskaper. Karbider i grupp I, med ett regelbundet gitter av NaCl-typ och MC-formel (till exempel TiC, ZrC, VC, NbC), är mycket stabila, har mycket höga smältpunkter och mycket hög hårdhet. Grupp II omfattar karbider med ett kompakt hexagonalt gitter av typen MC eller M2C (t.ex. WC, W2C, MoC), med något lägre smältpunkter och hårdhet. Grupp III består av M3C-karbider med en cementitstruktur (inklusive Fe3C och Mn3C), med lägre hårdhet jämfört med de mest stabila karbiderna i grupperna I och II.
Samtidigt betonades att legeringskarbider sällan förekommer ”i ren form”. De innehåller vanligtvis järn i lösning, och om stålet har flera tillsatser kan karbiderna också innehålla dessa element. Karbider med liknande struktur kan lösa upp varandra (till exempel cementit och mangankarbid), och stål innehåller också karbider med mer komplexa mönster, såsom M23C6 eller M7C3. Materialet belyser också en viktig teknisk skillnad: enkla karbider som MC och M2C är mycket stabila och svåra att lösa upp i austenit även vid höga temperaturer, medan komplexa karbider löses upp lättare när de värms upp.
Karbidbildande och icke-karbidbildande element
Materialet föreslår en praktisk klassificering av legeringselement baserat på deras interaktion med kol. Gruppen icke-karbidbildande omfattar bland annat Ni, Si, Co, Al, Cu och N. I stål förekommer dessa element i allmänhet i en fast lösning i järn, med viktiga undantag: koppar med en halt över cirka 0,5 % kan bilda en separat fas (en fast lösning på en kopparmatris), och kväve kan bilda föreningar i form av nitrider.
Karbidbildande element är mer ”tvåspåriga”: de kan förekomma både i fast lösning och som karbider, och vilken form som dominerar beror på kolhalten och vilka andra karbidbildande element som finns närvarande. Materialet ger här en praktisk logik: med ett högre kolinnehåll och en liten mängd karbidbildande tillsatser kommer dessa element huvudsakligen att finnas i karbider, medan med ett lågt kolinnehåll och ett högt innehåll av karbidbildande tillsatser kommer kolet att bindas i karbider och de ”överskjutande” tillsatserna kommer att förbli i den fasta lösningen. Vilka element som först binds i karbider bestäms av deras affinitet till kol.
Vid denna punkt betonar materialet tydligt att karbiders inverkan på egenskaperna i allmänhet är många gånger starkare än härdningen av ferrit genom tillsatser upplösta i lösningen. Dessutom bestäms karbiders ”kraft” i praktiken huvudsakligen av deras dispersion och morfologi: stora karbidpartiklar har en lägre förstärkande effekt, plattliknande utfällningar försämrar plasticiteten mer än sfäroidala med samma hårdhet, och karbider vid korngränser kan orsaka sprödhet.
Hur förändrar legeringsadditiv Fe-Fe₃C-systemet?
Införandet av legeringsadditiv förändrar positionen för karakteristiska temperaturer och punkter i järn-cementitsystemet. Materialet anger att element som utvidgar området för γ-fasen sänker Ac3-omvandlingstemperaturen, medan element som begränsar γ-fältet höjer Ac3, vilket är särskilt tydligt vid lågt kolinnehåll. En liknande effekt (i viss utsträckning) gäller för eutektoid omvandlingstemperaturen, eftersom det också finns en allotropisk omvandling ”i bakgrunden”.
Effekten på kolkoncentrationen vid eutektoidpunkten är också mycket viktig. Materialet anger att alla legeringsämnen förskjuter perlitpunkten S åt vänster, dvs. mot lägre kolhalter, vilket minskar kolhalten i legeringens perlit. På samma sätt förskjuter de flesta tillsatsämnen punkt E, som bestämmer löslighetsgränsen för kol i austenit, åt vänster, med den starkaste effekten från (i stigande ordning efter effekt) W, Si, Cr, Mo, V, Ti. Förskjutningen av punkt E kan vara så stor att även med ett kolinnehåll under 2 % i legerade stål kan en ledeburitisk struktur uppstå, vilket är ett starkt tecken på att ett enkelt Fe-Fe₃C-diagram inte längre är tillräckligt för att förutsäga strukturen hos legerade stål.
Materialet drar en entydig metodologisk slutsats av detta: ju fler tillsatser och ju högre deras halt är, desto mer förändras omvandlingstemperaturerna och de karakteristiska punkternas position. Därför bör man för legerade stål inte ”mekaniskt” använda endast järn-cementitsystemet, utan komma ihåg att jämvikten består av flera komponenter.
Tillsatsers inverkan på CTPi-diagram
Det mest ”praktiska” för värmebehandling är hur legeringsadditiv förändrar omvandlingarna av underkyld austenit som syns i CTPi-diagram. I materialet förklaras att icke-karbidbildande element (till exempel Ni, Cu, Si, Al, Co) vanligtvis inte förändrar formen på kurvorna för början och slutet av austenitförvandlingen, utan förskjuter dem åt höger, vilket innebär en ökning av stabiliteten hos underkyld austenit och en avmattning av dess omvandlingar. Samtidigt anges ett undantag: kobolt kan agera annorlunda och påskynda omvandlingen.
När det gäller karbidbildande element är bilden mer komplex, särskilt vid högre kolhalter. Materialet anger att dessa tillsatser framför allt orsakar en fördröjning av perlitisk omvandling, ofta också en ökning av den maximala temperaturen för perlitisk omvandling (med undantag för mangan), en sänkning av den övre gränsen för bainitisk omvandlingstemperatur och en fördröjning av bainitisk omvandling, men vanligtvis mindre än vid perlitisk omvandling. Resultatet blir en ”spridning” av de perlitiska och bainitiska omvandlingsintervallen, som kan överlappa varandra i olegerade stål. Med ökande halt av legeringsadditiv kan två distinkta omvandlingshastighetsmaxima uppträda, åtskilda av ett intervall med hög austenitstabilitet.
Det är dock mycket viktigt att notera att effekten av karbidbildande tillsatser på austenitens stabilitet beror på hur mycket av dem som faktiskt finns i austeniten, det vill säga om de har haft tid att lösas upp under austenitiseringen. Materialet betonar att karbidbildande element ökar stabiliteten hos underkyld austenit endast om de har lösts upp helt i den under upphettningen. Om de däremot förblir olösta karbider kan effekten bli den motsatta: austeniten blir fattigare på tillsatser och kol, och karbiderna själva kan fungera som kärnor och påskynda omvandlingen. Detta förklarar varför rätt temperatur och austenitiseringstid är så viktiga i legerade stål.
Legeringsämnen i järn-kol-legeringar – sammanfattning
Ur ett tekniskt perspektiv kan legeringsämnen i Fe-C-stål förstås som ett verktyg som fungerar på tre relaterade nivåer. För det första modifierar de fasjämvikten, vilket förskjuter omvandlingstemperaturerna och austenitstabiliteten, ibland till den grad att system med ett öppet, stängt eller begränsat γ-fält bildas. För det andra påverkar de omvandlingarnas kinetik, förskjuter CTPi-diagram, ökar austenitens stabilitet, förändrar förhållandet mellan perlit och bainit och formar härdbarkeheten genom att sänka den kritiska kylningshastigheten. För det tredje bygger de upp egenskaper genom mikrostrukturen: de lösningshärdar ferrit, men framför allt möjliggör de genom legeringskarbider stark förstärkning, kontroll av kornväxt och specialeffekter under anlöpning, inklusive sekundär hårdhet.
I praktiken innebär detta att legeringstillsatser inte är ”bonusar till sammansättningen” utan element i ett strukturkontrollsystem: deras verkliga effekt beror på om de är upplösta i austenit eller förekommer som karbider, hur deras spridning ser ut och hur austenitisering, kylning och anlöpning fortskrider. Endast en konsekvent syn på dessa samband gör det möjligt att utnyttja legeringsstålens fulla potential.
