Stål och legeringar med speciella egenskaper
Innehållsförteckning
Stål och legeringar med speciella egenskaper utformas när hållbarheten hos en komponent inte längre bestäms enbart av klassiska mekaniska parametrar, utan en annan dominerande funktion träder i förgrunden: slitstyrka, korrosionsbeständighet, stabilitet vid höga temperaturer eller avsiktligt utformade fysikaliska egenskaper, såsom hög elektrisk resistans, specifik värmeutvidgning eller magnetiska egenskaper. I sådana material väljs den kemiska sammansättningen och bearbetningen inte ”generellt”, utan direkt för den mekanism som ska fungera under användning: materialet ska härda sig i ytskiktet, passivera i en given miljö eller bilda en skyddande hårdskorpa i heta gaser.
I praktiken finns det mycket sällan en legering som är ”motståndskraftig mot allt”. Korrosionsbeständigheten är starkt beroende av typen av miljö, slitstyrkan beror på om det är ”slipning”, friktion eller slitage under högt tryck och stötar som dominerar, och egenskaperna vid höga temperaturer måste betraktas separat som värmebeständighet (oxidationsbeständighet) och värmebeständighet (krypbeständighet). En meningsfull beskrivning av specialstål baseras därför på förståelsen av ”vad som ger effekten” och ”vilka gränsvillkoren är”, snarare än på att memorera några namn.
Slitstarka stål
Ett mycket karakteristiskt material med hög slitstyrka är austenitiskt manganstål 11G12, som innehåller cirka 1–1,3 % C och 11–14 % Mn, med ett rekommenderat kol-manganförhållande nära 1:10, eftersom endast ett tillräckligt kolinnehåll säkerställer hållbarheten hos den austenitiska strukturen. Detta stål, känt som Hadfield-stål, utmärks av en ovanlig uppsättning egenskaper: det har en låg sträckgräns (i storleksordningen Re ≈ 400 MPa) och låg hårdhet (ungefär 210 HB), samtidigt som det har mycket hög draghållfasthet (cirka Rm ≈ 1050 MPa) och exceptionellt goda plastiska egenskaper och slaghållfasthet (inklusive A ≈ 50 % och hög Charpy-slaghållfasthet).
Källan till dess slitstyrka är inte dess ”initiala hårdhet” utan dess beteende under belastning. Eftersom stålet har låg sträckgräns, härdas det lätt och mycket kraftigt, betydligt mer intensivt än många typiska konstruktionsstål. Dessutom kan austeniten i ytskiktet under tryck omvandlas till martensit, vilket lokalt ökar hårdheten och hindrar ytterligare slitage. Denna mekanism gör Hadfield-stål motståndskraftigt mot både nötning och stötar, medan klassiska härdade stål, även om de är motståndskraftiga mot nötning, ofta förlorar i stötapplikationer på grund av sin sprödhet.
En homogen austenitisk struktur är en förutsättning för att uppnå önskade egenskaper. Vid långsam kylning uppstår karbidutfällningar tillsammans med austenit, vilket försämrar egenskaperna. Därför övermättas 11G12-stål vid cirka 950–1000 °C med vattenkylning för att uppnå en så homogen austenit som möjligt. Ur praktisk synvinkel är även tillämpningsgränsen viktig: Hadfieldstål är främst slitstarkt när slitaget åtföljs av betydande yttryck; under ”slipande” förhållanden utan tryck visar det inte sina fördelar. Av denna anledning används det för järnvägskorsningar, brytarkäftar och fordonsspår, det vill säga där högt tryck och frekventa stötbelastningar förekommer samtidigt. Priset för dessa fördelar är mycket svår bearbetbarhet – i praktiken är det huvudsakligen genomförbart med hårdmetallverktyg.
Rostfritt, syrafast och rostbeständigt stål
Korrosion är en process där metallen förstörs av den yttre miljön, med början på ytan och sedan inåt, ibland med ojämnt framåtskridande. När det gäller mekanismen skiljer man mellan kemisk korrosion, som är typisk för torra gasers verkan vid höga temperaturer, och elektrokemisk korrosion, som uppstår i vätskor (oftast i vattenlösningar) med deltagande av elektrolyt och strömflöde i lokala celler. Den viktigaste iakttagelsen är att processen kan hämmas om ett skikt av korrosionsprodukter bildas på ytan som uppfyller villkoren för en ”skyddande barriär”: det måste täcka metallen tätt, inte lösas upp i miljön, fästa väl och ha en expansionskoefficient som liknar metallens så att det inte spricker vid temperaturförändringar. Detta leder intuitivt till idén om rostfria stål, vars motståndskraft beror på att de upprätthåller ett stabilt, tätt passivt skikt.
I rostfria stål är den viktigaste komponenten krom, eftersom endast ett tillräckligt högt Cr-innehåll möjliggör permanent passivering. Materialet skiljer bland annat kromstål med olika kolinnehåll och visar hur sammansättningen påverkar strukturen i Fe–Cr–C-systemet. Vid mycket låga kolhalter (under cirka 0,1 %) kan ferritfältet sträcka sig över hela temperaturområdet, och stålet har en ferritisk struktur. Vid medelhöga kolhalter (cirka 0,20–0,30 %) uppstår partiell austenit efter upphettning, och efter kylning erhålls en blandning av ferrit och martensit, vilket resulterar i halvferritiska stål. Vid högre kolhalt omvandlas stålet helt till austenit efter upphettning och blir martensitiskt efter kylning. Mot denna bakgrund ges exempel på typiska kromstål: 0H13 som ferritiskt, 1H13 som halvferritiskt och 2H13–4H13 som martensitiskt, med värmebehandling bestående av härdning vid 950–1000 °C och anlöpning vid 600–700 °C, vilket gör det möjligt att uppnå ett brett spektrum av hållfastheter beroende på kolhalten. Dessa stål är korrosionsbeständiga i vattenånga och i vissa syror (till exempel salpetersyra eller ättiksyra), men är inte beständiga mot saltsyra och svavelsyra, vilket tydligt visar att ”rostfrihet” inte är absolut, utan beroende av miljön.
I praktiken finns det även kromrostfria stål med högre Cr-halt, till exempel kvaliteter i intervallet 16–18 % Cr och cirka 0,1 % C (till exempel H17), ofta med en ferritisk eller ferritisk-martensitisk struktur, som används inom livsmedelsindustrin eller för vardagsprodukter, samt stål med 25–28 % Cr (till exempel H25T) med en ferritisk struktur, mindre formbart, men också användbart som värmebeständigt material vid högre temperaturer. En betydande begränsning för ferritiska stål är att de inte genomgår allotropisk omvandling, så de kan inte ”förbättras” genom klassisk värmebehandling – kornförfining uppnås huvudsakligen genom plastisk bearbetning.
Den högsta korrosionsbeständigheten i många tillämpningar uppnås med austenitiska krom-nickelstål. Moderna kvaliteter innehåller vanligtvis 18–25 % Cr och 8–20 % Ni, och den vanligaste är 18/8-stål (och dess varianter), som är beständigt mot många korrosiva medier. Legeringstillsatser gör det möjligt att ”finjustera” beständigheten: molybden (cirka 1,5–2,5 %) ökar beständigheten i svavelsyramiljöer, koppar (cirka 3 %) minskar känsligheten för spänningskorrosion, och kisel (cirka 2–3 %) kan förbättra beständigheten mot saltsyra. För att säkerställa en homogen austenitisk struktur utsätts dessa stål för mättnad vid 1050–1100 °C med vattenkylning, vilket är ett av de viktigaste elementen i rostfritt stålteknik.
Samtidigt har austenitiska krom-nickelstål en typisk ”driftsfälla”: en tendens till interkristallin korrosion efter exponering för temperaturer i intervallet cirka 450–700 °C, när kromkarbider kan frigöras vid korngränserna, vilket tömmer gränserna på krom och lokalt avlägsnar passiveringen. Materialet indikerar klassiska sätt att begränsa detta fenomen: mycket lågt kolinnehåll (i intervallet 0,02–0,03 %), stabilisering med starkt karbiddannande element (titan, niob), stabiliserande glödgning vid cirka 850 °C och övermättnad. Detta är ett bra exempel på hur resultatet i specialstål inte bara bestäms av sammansättningen, utan också av materialets ”termiska historia”.
På gränsen mellan klassiska rostfria stål finns stål som är svåra att rosta och som främst används för atmosfärisk korrosion. Tanken bakom dem är att ytan med tiden täcks av ett kompakt, lågpermeabelt rostskikt som fäster väl på underlaget och bromsar ytterligare korrosion. Detta skyddande rostskikt kallas patina. Koppar (cirka 0,20–0,50 %) spelar en viktig roll i denna grupp, och för att göra den skyddande effekten mer uttalad används även krom (upp till cirka 1,3 %) och nickel, medan fosfor i närvaro av dessa komponenter ytterligare ökar motståndskraften, vilket är anledningen till att dess halt ibland ökas. Det välkända stålet ”Cor-ten A” och dess motsvarighet (10HNAP) ges som exempel, vilket tydligt visar att målet ibland inte är fullständig rostfrihet, utan snarare att uppnå stabilt skydd under atmosfäriska förhållanden.
Värmebeständighet, värmehållfasthet, krypning och val av materialgrupper
Arbete vid höga temperaturer ställer två olika krav. Värmebeständighet innebär motståndskraft mot gasers oxiderande effekt vid temperaturer över 550 °C, det vill säga i det glödheta området, där kolstål snabbt bildar glödskal och oxidationshastigheten ökar snabbt med temperaturen. Värmebeständigheten ökas genom tillsatser som krom, kisel och aluminium, som har större affinitet till syre än järn och bildar ett kompakt, tätt vidhäftande oxidskikt som hämmar ytterligare oxidation. Materialet har en mycket praktisk egenskap: med en halt på över 10 % Cr kan stål vara värmebeständigt vid cirka 900 °C, medan värmebeständighet vid 1100 °C vanligtvis kräver 20–25 % Cr. Det är också avgörande att värmebeständigt stål inte genomgår allotropiska omvandlingar inom driftstemperaturområdet, eftersom de därmed förknippade volymförändringarna kan äventyra skyddsskiktets integritet.
Det andra kravet är värmetålighet, det vill säga förmågan att motstå långvariga belastningar vid höga temperaturer utan överdriven deformation. Det är här fenomenet krypning kommer in i bilden: under konstant belastning töjs materialet med tiden, och en typisk krypkurva innehåller en sektion där deformationshastigheten är ungefär konstant; det är denna sektion som är särskilt viktig när man jämför material. Krypning kan förstås som en ”kamp” mellan två processer: förstärkning genom ökad dislokationsdensitet och återhämtning vid hög temperatur, som tar bort denna förstärkning. I värmebeständiga material är målet därför att säkerställa att strukturen motstår återhämtning och återkristallisering så effektivt som möjligt vid driftstemperaturer.
I värmebeständiga stål är tillsatser av molybden, volfram och vanadin viktiga, men de ger inte i sig själva någon oxidationsbeständighet, varför man i praktiken kombinerar dem med tillsatser som ökar värmebeständigheten, främst krom, men också kisel och aluminium. Om en austenitisk struktur krävs används även nickel och mangan. Materialet anger också standardmetoden för värmebeständighetsegenskaper (i samband med krypning) genom tidsvärden: den spänning som orsakar en specifik permanent deformation efter en given tid vid en given temperatur och den spänning som orsakar brott efter en given tid vid en given temperatur, vilket betonar att ”högtemperaturhållfasthet” alltid är relaterad till exponeringstiden.
Valet av material vid höga temperaturer är i hög grad beroende av arbetsområdet. Materialet uppvisar en praktisk uppdelning: i intervallet cirka 350–500 °C används ferritiska eller ferritisk-perlitiska legerade stål; i intervallet 500–650 °C är austenitiska stål vanligare; I intervallet 650–900 °C används nickel- och koboltbaserade legeringar, och över 900 °C används legeringar av svårsmälta metaller (inklusive molybden och krom). Denna uppdelning förklarar väl varför Cr-Mo-stål med måttliga tillsatser är typiska för pannor och kraftanläggningar, medan turbiner och jetmotorer kräver legeringar med en helt annan ”klass” av strukturell stabilitet.
I gruppen av värmebeständiga ferritiska och ferritisk-perlitiska stål, avsedda för långvarig drift vanligtvis upp till cirka 500–550 °C, ger materialet exempel på pannrörsstål som innehåller ungefär 0,1–0,2 % C, ungefär 1–2 % Cr, och 0,5–1 % Mo. De är svetsbara men kräver förvärmning före svetsning, och efter svetsning normaliseras och härdas fogen (materialet specificerar härdning vid cirka 700 °C) för att uppnå en så stabil struktur som möjligt. Detta visar att i högtemperaturstål är fogtillverkningstekniken en del av ”materialpaketet” och inte ett tillägg i slutet.
Värmebeständiga stål inkluderar krom-aluminium-, krom-kisel- och krom-nickelstål, och i tillämpningar såsom motorventiler används stål med ökat krom- och kiselinnehåll, till exempel så kallade silkromer som innehåller cirka 0,4–0,5 % C, 8–10 % Cr, och 2–3 % Si. Deras värmebehandling innefattar härdning vid cirka 1050 °C och anlöpning vid 680–700 °C, vilket kombinerar komponentens värmebeständighet (krom/kisel) med elementets hållfasthetskrav.
För de mest krävande förhållandena, särskilt i turbiner och jetmotorer, beskrivs materialet av speciella grupper av värmebeständiga legeringar: austenitiska järnbaserade legeringar med krom och nickel, komplexa Cr-Ni-Co-Fe-legeringar, koboltbaserade legeringar och nickelbaserade legeringar (nimonic). Typiska driftstemperaturområden och karakteristiska värmebehandlingar anges, till exempel övermättnad och åldring (för Cr-Ni-Co-Fe-legeringar, övermättnad i ett mycket högt temperaturområde och åldring vid cirka flera hundra grader; för Nimonic-legeringar, övermättnad i området cirka 1050–1200 °C och åldring vid cirka 700 °C). Detta är en annan filosofi än för konstruktionsstål: här beror egenskaperna till stor del på krypbeständighet och kontrollerad utskiljningshärdning vid höga temperaturer, och inte bara på ”härdning och anlöpning”.
Särskilda fysikaliska egenskaper
I elektriska värme- och motståndselement krävs material med hög specifik resistans, låg resistansökning vid höga temperaturer och samtidigt hög värmebeständighet, låg värmeutvidgning och hög smältpunkt. Materialet betonar att en fast lösningsstruktur är fördelaktig här, eftersom denna typ av struktur främjar större elektrisk resistans än fasblandningar. I praktiken används två huvudsakliga materialfamiljer: nickel-kromlegeringar (nikrom) eller austenitiska krom-nickelstål med en sammansättning som liknar värmebeständiga stål, samt ferritiska krom-aluminiumstål som är kända under handelsnamn (till exempel Kanthal, Alchrom).
En separat grupp består av legeringar som är utformade för en specifik värmeutvidgningskoefficient. Materialet uppvisar ett särskilt starkt beroende av utvidgningen på sammansättningen av Fe-Ni-legeringar. Ett klassiskt exempel är invar, som innehåller cirka 36 % Ni och har en mycket låg expansion i intervallet cirka –80 till +150 °C, med en koefficient som ökar betydligt utanför detta intervall. Ännu lägre expansion inom ett visst temperaturområde uppnås med superinvar, som innehåller cirka 30–32 % Ni, 4–6 % Co, och mycket lite kol. Dessa legeringar används i instrument och mekanismer som inte får ändra sina dimensioner vid temperaturvariationer, samt i gaskondensationsanordningar.
Den andra familjen av Fe-Ni-legeringar väljs så att expansionen motsvarar glasets. Ett exempel är platinit med ett innehåll på cirka 46 % Ni och låg kolhalt, som används för smältning till glas i glödlampor och elektronrör. Inom samma användningsområde finns också bimetaller, det vill säga tvåskiktade band som erhålls genom svetsning av material med olika expansionskoefficienter. När ett sådant element värms upp orsakar skillnaden i expansion att det böjs, vilket används i temperaturmätnings- och regleringsanordningar, omkopplare, reläer och värmeskyddsanordningar.
Magnetiska egenskaper – mjuka, hårda och icke-magnetiska material
Inom elektroteknik delas material in i magnetiskt mjuka, magnetiskt hårda och icke-magnetiska, och kraven för varje grupp är olika. Magnetiskt mjuka material är lätta att magnetisera och avmagnetisera, så deras struktur bör vara grovkornig och så nära jämvikt som möjligt, och halten av kol och skadliga föroreningar (svavel, fosfor, syre, kväve) bör vara så låg som möjligt, eftersom de ökar koerciviteten och förlusterna. Det enklaste exemplet är tekniskt rent järn som används för elektromagneter och reläkärnor, men även lågkolhaltiga stål används ofta. I praktiken är kiselstål, där kisel förekommer i en fast lösning, också mycket viktiga; dessa är grundmaterialen för elektriska stålplåtar.
I materialet påpekas också att Fe-Ni-legeringar kan uppvisa särskilt goda magnetiska egenskaper, och permalloy (en Fe-Ni-legering med hög nickelhalt) anges ofta som ett exempel på en klassisk legering med mycket hög magnetisk permeabilitet, vilket stämmer väl överens med praxis att använda nickellegeringar i precisionsutrustning. Inom området permanentmagneter, det vill säga magnetiskt hårda material, är målet att materialet ska behålla sin magnetisering efter magnetisering, vilket kräver olika strukturella egenskaper och ofta olika legeringsadditiv. Materialet betonar att de bästa magnetiska egenskaperna (i samband med magneter) uppvisas av stål som innehåller kobolt, även om deras användning begränsas av tillgången på kobolt.
En mycket viktig familj av legeringsmagneter är Fe-Ni-Al-Co-legeringar, kända som alnico, som vanligtvis innehåller 14–28 % Ni, 6–12 % Al och 5–35 % Co. Deras egenskaper uppnås inte bara genom deras sammansättning, utan också genom värmebehandling som innefattar homogenisering vid hög temperatur, följt av övermättnad (i vatten eller olja) och sedan åldring i ett medeltemperaturområde. Detta gör att alnico kan användas för att tillverka starka magneter med små dimensioner och låg vikt, vilket är avgörande i många enheter.
I vissa tillämpningar behövs dock icke-magnetiska material som beter sig neutralt i ett magnetfält. Det material som anges här är krom-nickel-manganstål (till exempel H12N11G6) och krom-manganstål (till exempel G18H3), som värmebehandlas genom övermättnad och vars mekaniska egenskaper kan förbättras ytterligare genom kallformning. Detta visar att inom den ”magnetiska” gruppen kan specialstål utformas både för att maximera och minimera magnetiska fenomen.
Stål och legeringar med speciella egenskaper – sammanfattning
Stål och legeringar med speciella egenskaper är material som är utformade för den dominerande arbetsmekanismen snarare än för ”genomsnittlig” hållfasthet. I slitstarka stål, såsom Hadfield-stål, är självhärdning under belastning och möjligheten till ytförändring avgörande, vilket ger slitstyrka samtidigt som slaghållfastheten bibehålls, men samtidigt medför driftsmässiga och tekniska begränsningar (tryck, bearbetbarhet). I rostfria och syrabeständiga stål är grunden passivering baserad huvudsakligen på krom, medan den faktiska hållbarheten beror på strukturen, legeringsadditiv och termisk historia, ett exempel på detta är problemet med interkristallin korrosion i austenitiska stål efter upphettning till vissa temperaturer. I högtemperaturapplikationer måste kraven på värmebeständighet och värmetålighet separeras, med förståelse för skyddande skals och krypnings roll, och valet av material sträcker sig från Cr-Mo-stål till nickel- och koboltbaserade superlegeringar när driftstemperaturen ökar. Slutligen visar fysikaliska egenskaper som elektrisk resistans, värmeutvidgning och magnetism att stål och legeringar kan utformas som funktionella komponenter i en anordning – från motståndstråd och termisk bimetall till permanentmagneter av aluminium och icke-magnetiskt stål för användning i magnetfält.
