Legeringar av konstruktionsstål
Innehållsförteckning
Legeringar av konstruktionsstål är stål avsedda för maskin- och utrustningskomponenter som används under förhållanden som anses typiska för konstruktionsmekanik, det vill säga vid temperaturer mellan cirka –40 °C och 300 °C samt i miljöer som inte är särskilt kemiskt aggressiva. I praktiken innebär detta att där mekaniska belastningar dominerar och miljön inte kräver korrosionsbeständighet eller värmebeständighet, är det grundläggande urvalskriteriet en uppsättning mekaniska egenskaper snarare än ”speciella” egenskaper.
Den parameter som oftast krävs är inte själva ”draghållfastheten”, utan hög sträckgräns, eftersom denna avgör om komponenten kommer att börja deformeras permanent under arbetsbelastning. Samtidigt fungerar konstruktionselement sällan under helt statiska förhållanden – i verkligheten förekommer varierande belastningar, stötar och vibrationer, varför utmattningshållfasthet och motståndskraft mot sprödbrott är mycket viktiga. I detta sammanhang är övergångstemperaturen mellan duktilitet och sprödhet (Tpk) ett viktigt begrepp, eftersom stål kan uppträda mycket sprödare vid låga temperaturer, och då blir även lokala spänningskoncentrationer (till exempel skåror, tvärsnittsövergångar, ytdefekter) farliga. Om en komponent ska fungera under friktion och glidande eller rullande kontakter krävs hög hårdhet och slitstyrka, vilket vanligtvis uppnås genom att producera ett hårt ytskikt samtidigt som en duktil kärna bibehålls.
Här kan vi se varför legerat stål så ofta väljs framför kolstål. Kolstål kan uppnå hög hårdhet efter härdning, men dess huvudsakliga begränsning är dess låga härdbarhet, vilket innebär att med större tvärsnitt (materialet anger en gräns på cirka 25 mm) kan ett enhetligt härdat tillstånd inte uppnås över tvärsnittet. Som ett resultat har komponenten efter efterföljande anlöpning olika egenskaper på ytan och i kärnan, vilket är särskilt ofördelaktigt i dynamiskt belastade konstruktioner. Legerat stål möjliggör, tack vare tillsatser, en mer ”förutsägbar” och enhetlig respons från materialet över hela komponentens tvärsnitt.
Varför legering fungerar
Bland konstruktionsstål är legering ett verktyg som främst förändrar kinetiken hos austenitomvandlingar och därmed påverkar den struktur som erhålls efter kylning. Den viktigaste praktiska effekten är en ökning av härdbarheten, dvs. stålets förmåga att bilda härdande strukturer (martensitiska eller bainitiska) inte bara på ytan utan också djupt inne i materialet. I praktiken har detta två viktiga effekter. För det första gör det möjligt att härda större komponenter i mildare kylmedel (till exempel i olja istället för vatten), vilket minskar risken för sprickor och begränsar deformation. För det andra möjliggör det genomhärdning efter kylning och anlöpning, det vill säga en uppsättning kärn- och ytegenskaper som är konsekventa genom hela tvärsnittet.
Den andra viktiga mekanismen är additivernas inverkan på fragmenteringen av strukturella komponenter och på stålets beteende under anlöpning. En finare struktur efter omvandlingen av underkyld austenit innebär vanligtvis högre hållfasthet samtidigt som brottmotståndet bibehålls. Samtidigt gör många legeringsadditiv att stålet ”behåller” sina fördelaktiga egenskaper under anlöpning och inte förlorar dem så lätt, eftersom mjukningsprocesserna fördröjs eller kräver en högre temperatur. Detta är viktigt eftersom det i maskinkonstruktioner inte handlar om maximal hårdhet, utan om en varaktig kompromiss: hög sträckgräns + slaghållfasthet + stabilitet i egenskaperna.
Av denna anledning används legerat stål ofta i värmebehandlat tillstånd. Den kemiska sammansättningen i sig räcker sällan till. Om stål ska fungera som ett mycket tillförlitligt konstruktionsmaterial måste i praktiken hela paketet utformas: val av stål + val av process (normalisering, värmebehandling, karburering, nitrering, ythärdning) + val av kylnings- och anlöpningsparametrar. Först då blir legering en verklig ”strukturkontroll” och inte bara ett tillägg av element till den kemiska analysen.
Låglegerade stål med ökad hållfasthet
Låglegerade stål med ökad hållfasthet, som ofta används i normaliserat tillstånd, intar en viktig plats bland konstruktionslegerade stål. Deras särdrag ligger i att de måste kombinera ökad sträckgräns (materialet anger ett intervall på cirka 300–460 MPa) med praktisk svetsbarhet. För att bibehålla svetsbarheten är kolhalten begränsad – materialet specificerar att den inte får överstiga cirka 0,22 %. Detta är mycket viktigt: i denna grupp är målet inte att öka egenskaperna genom att ”höja kolhalten”, utan genom att kontrollera strukturen och använda måttliga legeringstillsatser.
I normaliserat tillstånd finns det två ”modeller” av mikrostruktur. Den första är perlitiska stål med en ferritisk-perlitisk struktur, där legeringselement finns i den fasta lösningen i ferrit eller ingår i karbider i perlit. Den ökade hållfastheten jämfört med kolstål med liknande kolhalt beror på att tillsatserna härdar ferriten, främjar en högre andel hårdare komponenter och stödjer kornförfining. De typiska tillsatserna i denna grupp är främst mangan, koppar, kisel och aluminium, och i vissa varianter även vanadin och niob. typiska intervall anges också, inklusive mangan i intervallet 1,0–1,8 % och kisel i intervallet 0,20–0,60 %.
Den andra modellen är bainitiska stål, som i normaliserat tillstånd får en bainitisk struktur tack vare en uppsättning tillsatser som fördröjer diffusionsomvandlingar och främjar bildandet av bainit under kylning. Materialet noterar att denna grupp kan innehålla små mängder tillsatser såsom molybden och bor, samt tillsatser som påverkar omvandlingarnas kinetik, såsom mangan och krom, vilket gör det möjligt att uppnå mycket höga hållfasthetsnivåer även vid kylning i luft (materialet ger ett intervall på 1100–1200 MPa). Detta visar logiken i denna materialfamilj: svetsbarheten bibehålls tack vare lågt kolinnehåll, och ”hållfastheten” tillhandahålls av den struktur som erhålls genom normalisering, med stöd av lämplig legering.
Stål för karburering och ythärdning
Stål för karburering väljs främst utifrån att komponenten ska ha ett mycket hårt ytskikt, medan kärnan ska behålla duktilitet och motståndskraft mot sprickbildning. Därför är detta stål med låg kolhalt i kärnan; materialet ligger vanligtvis i intervallet cirka 0,14–0,25 % C. Den tekniska motiveringen är enkel: kärnan förblir ”mjuk” (mindre spröd) och hög hårdhet uppstår endast i ytzonen, där kol har tillförts under karbureringsprocessen, och detta skikt härdas sedan.
Det är möjligt att karbonera kolstål, men materialet betonar att denna lösning främst är lämplig för små komponenter med små tvärsnitt eller där slitstyrka är viktigt men hög kärnstyrka inte krävs. Med större tvärsnitt kan kolstål ge en hård yta, men kärnan uppnår inte önskad hållfasthet eftersom komponenten inte härdas i tvärsnittet. För att säkerställa hårdheten hos skiktet i kolstål krävs dessutom ofta snabbare kylning, vilket ökar deformationen och risken för sprickor.
I praktiken dominerar därför legerade stål för karburering, eftersom legeringstillsatser ger bättre härdbarhet och ger fördelaktiga egenskaper inte bara för skiktet utan också för kärnan, ofta när det härdas i olja. Materialet uppmärksammar en viktig gräns: överdriven legering, särskilt i ett skikt med ökat kolinnehåll, kan främja bildandet av mer residual austenit, vilket i sin tur kan minska hårdheten hos det karburerade skiktet. Detta är en viktig praktisk slutsats, eftersom den visar att karburering inte handlar om att maximera tillsatserna, utan om att välja dem optimalt.
Artikeln betonar betydelsen av krom, som finns i praktiskt taget alla stål för karburering, vanligtvis i mängder på 1–2 %, eftersom det effektivt ökar härdbarheten och underlättar bildandet av ett hårt skikt under oljekylning. Ytterligare förbättring av härdbara egenskaper och kärnegenskaper uppnås genom tillsats av nickel, vilket är anledningen till att viktiga komponenter ofta tillverkas av krom-nickelstål.
Samtidigt påpekas att nickel är en knapp komponent, så dess användning motiveras av operativa krav snarare än av ”sedvänja”. I praktiken används också manganlösningar, men då är det nödvändigt att kontrollera ogynnsamma fenomen (till exempel avseende korn) och tillsatser som molybden eller titan används som hjälpmedel för att förbättra egenskaperna och främja fragmentering.
Stål för ythärdning väljs ut med hjälp av en liknande logik, där målet är att uppnå en hård yta med en stark kärna. Materialet anger ofta ett kolinnehåll på 0,4–0,6 % för stål som används för denna typ av behandling, och vid högre krav på kärnegenskaper (särskilt i större tvärsnitt) är praxis att först utföra värmebehandling av hela elementet och först därefter ythärdning.
Stål för värmebehandling och specialiserade grupper
Stål för värmebehandling är utformat för att uppnå en mycket fördelaktig kompromiss efter härdning och hög anlöpning: hög hållfasthet och sträckgräns samtidigt som duktilitet och slaghållfasthet bibehålls.
Värmebehandling (härdning + hög anlöpning) leder till sorbitstrukturer och är det grundläggande sättet att uppnå höga egenskaper i maskinkomponenter. Materialet anger att typiska anlöpningstemperaturer ligger i intervallet cirka 500–700 °C och att egenskapsnivåerna kan nå Rm 750–1500 MPa och Re 550–1350 MPa. Det är också avgörande att legerat stål gör det möjligt att uppnå detta tillstånd genomgående med större tvärsnitt, medan kolstål vanligtvis är tillräckligt främst för tvärsnitt upp till cirka 20–25 mm.
I denna grupp av processparametrar görs valet inte ”blint”, eftersom härdning är en kompromiss: en högre temperatur förbättrar vanligtvis plasticiteten på bekostnad av hållfastheten, medan en lägre temperatur ger högre hållfasthet på bekostnad av större känslighet för sprickbildning. Materialet framhäver också fenomenet härdskörhet, som yttrar sig i minskad slaghållfasthet inom vissa temperaturområden. En karakteristisk minskning omkring 300 °C och en andra minskning över 500 °C har identifierats, varvid det i det senare fallet är praktiskt viktigt att kylningshastigheten efter anlöpningen är betydande: accelererad kylning (till exempel i vatten eller olja) kan minska den negativa effekten jämfört med långsam kylning. Detta visar att ”anlöpningstemperaturen” inte är den enda variabeln – hur processen genomförs är också viktigt.
När det gäller legeringar i stål för värmebehandling betonar materialet betydelsen av tillsatser som krom (ökar härdbarheten och påverkar anlöpningsbeteendet), molybden (bidrar till att minska vissa negativa effekter, inklusive tendensen till anlöpningssprödhet, och ökar härdbarheten) och nickel, som är särskilt värdefullt eftersom det ökar härdbarheten och förbättrar plastiska egenskaper, samt sänker övergångstemperaturen mellan duktilitet och sprödhet, vilket är viktigt vid arbete vid reducerade temperaturer.
Materialet visar att krom-nickelstål är bland de bästa i denna grupp, även om de kräver kontroll av härdningsrelaterade fenomen, därav praxis att tillsätta molybden och ibland även vanadin.
Förutom stål för förstärkning finns det grupper av strukturella legeringsstål med en ganska tydligt definierad funktion. Stål för nitrering väljs för att producera ett hårt skikt av nitrider; därför används tillsatser som aluminium, krom och molybden, och processen föregås vanligtvis av värmebehandling, där anlöpningstemperaturen måste vara högre än nitreringstemperaturen så att kärnan inte ändrar sin struktur under själva nitreringen. Fjäderstål är konstruerade för hög elasticitetsgräns och utmattningshållfasthet; materialet betonar betydelsen av kisel och vikten av ytkvalitet (oxidation och avkolning försämrar utmattningshållfastheten avsevärt), och typisk bearbetning inkluderar härdning och anlöpning för att bibehålla hög hållfasthet. Lagerstål måste ha mycket hög hårdhet och motståndskraft mot nötning och kontakttryck, och materialet avser typiskt högkolhaltigt, högkromhaltigt stål och typisk bearbetning: oljehärdning och låg anlöpning vid cirka 180 °C för att erhålla finkorniga strukturer med fina karbider.
Materialet pekar också på mer specialiserade lösningar, men fortfarande inom det ”strukturella” området i vid bemärkelse. Maragingstål (järn legeringar med nickel) bildar duktil martensit efter härdning och uppnår endast hög hållfasthet efter åldring, när intermetalliska fasutfällningar uppträder; detta är vägen till exceptionella egenskaper till ett högt pris. I sin tur kombinerar värme- och plastbehandling den plastiska deformationen av austenit med härdning, så att martensit ”ärver” en tätare dislokationsstruktur och fragmentering, vilket resulterar i en betydande ökning av hållfastheten (materialet anger att den ökar med så mycket som flera till flera dussin procent), men gör efterföljande bearbetning svår.
Legeringar av konstruktionsstål – sammanfattning
Legerade konstruktionsstål används när det är nödvändigt att uppnå vissa, repeterbara mekaniska egenskaper under normala driftsförhållanden och samtidigt upprätthålla komponentens säkerhet under varierande belastningar. Deras fördel jämfört med kolstål beror främst på deras större härdbarahet, vilket möjliggör värmebehandling och formning av egenskaper på större tvärsnitt, ofta med mildare kylning och därmed mindre risk för sprickor och deformationer. I praktiken är valet av legerat konstruktionsstål valet av hela systemet: sammansättning + typ av värmebehandling (normalisering, förfining, karburering, nitrering, ythärdning) + processparametrar, eftersom endast denna uppsättning bestämmer mikrostrukturen, och mikrostrukturen bestämmer egenskaperna.
Inom denna grupp utmärker sig följande: låglegerade normaliserade stål (där svetsbarhet och sträckgräns är avgörande), stål för karburering och ythärdning (där ett hårt skikt och en duktil kärna är viktigt, med kontroll av fenomen som residual austenit), stål för värmebehandling (där kompromissen mellan egenskaper och medvetet val av anlöpning, inklusive hänsyn till anlöpningssprödhet, är avgörande) och specialiserade grupper såsom stål för nitrering, fjäder- och lagerstål.
