Metaller
Metallene er den største gruppen av grunnstoffer. De leder varme og elektrisitet, de er seige og ugjennomsiktige, selv i meget tynne sjikt.
Rene metaller brukes sjelden alene, men blandes ofte med flere typer av metalliske grunnstoffer i såkalte metallblandinger/ legeringer. Årsaken til dette er behovet for å oppnå bestemte egenskaper i sluttmetallet.
I grove trekk kan en si at en legering er en blanding av metaller (to eller flere stoffer der ett er et metallisk stoff). Legeringen får andre egenskaper enn de opprinnelige metallene hver for seg.
Legeringer
Ved å legere ulike grunnstoffer vil en få frem metaller med ulike strukturer og egenskaper. Rene metaller har et skarpt smelte / størkningspunkt, mens legeringer vanligvis har et smelteområde. Smelteområdet for en legering er ofte lavere enn smeltepunktet for de rene enkelt-metallene. Ved hjelp av legeringsteknologi, kan de mekaniske egenskapene endres. Styrke og andre mekaniske egenskaper kan være betydelig høyere enn for enkeltmetallene.
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
Jern
Bare en liten del av jernet som blir produsert, er rent metall i den forstand at det inneholder mer enn 99,9 % Fe. Resten av produksjonen gir såkalt råjern. Dette er jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer, og er utgangsmaterialet for videreforedling til stål og støpejern.
Film om hvordan jern lages
Forekomst
Jern er et billig grunnstoff. Jern kommer fra malm som inneholder mye jern.
Fremstilling
Jernet er det viktigste metalliske konstruksjons-materialet fordi det finnes i store konsentrasjoner i jordskorpa, og at det er relativt enkelt å redusere med karbon. Jernet har også spesielt gode egenskaper (valsbarhet, smibarhet, hardhet, styrke o.a.). Egenskapene kan modifieres og nærmest skreddersys spesielle behov og anvendelser ved å justere innholdet av karbon og legeringsmetaller. I tillegg er egenskapene i stor grad avhengig av temperaturbehandlingen materialet har blitt gitt.
Det alt vesentlige av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner. Malmen (Fe203 og/eller Fe304), koks og slaggdannende oksider som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra. 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. Karbonmonoksidgassen beveger seg så motstrøms mot malmen. Reduksjonen beskrives kjemisk ved
Fe-oksid + CO(g) = Fe + CO2(g)
Under denne prosessen reduseres også oksidene til andre grunnstoffer som enten inngår i malmen eller som er satt til. Dette er i hovedsak oksider av fosfor, mangan og silisium.
Oppover i masovnen reagerer CO2 gassen dannet ved reduksjonen av jernoksidene med karbon og danner CO:
CO2(g) + C(s) = 2CO(g)
Denne likevekten forskyves mot høyre med økende temperatur.
Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert. Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Med økende temperatur dannes først ´Fe´ og så jern.
Slagg smelter ved en temperatur laver enn jern. Slagget har lavere massetetthet enn jernet og flyter oppå. Slagget kan derfor tappes av.
Jernet som tappes av har et karboninnhold pa 3-4 %. Dette jernet veldig hardt og sprøtt. For å få et stål som kan valses, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2 %. Dette oppnås ved at luft blåses gjennom det smeltede råjernet slik at karbonet oksideres.
Stål
Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning.
Film om hvordan stål lages
Ulegert stål
Omtrent 90% av verdens stålprodukter går til de ulegerte stålene.
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.
Legert stål
Der det er stor krav til slitestyrke bruker vi legert stål, for eksempel en manganlegering. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. De egenskapene som legert stål først og fremst får er stor hardhet, seighet og slitestyrke. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium.
Innlegeringselementer
Krom
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 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 og dermed en degradering av de mekaniske egenskapene til legeringen. Ved så høye temperaturer kan ikke jernbasert stål brukes (opp til 700-800 °C), men her er det såkalte superlegeringer som tar over. Superlegeringer har i tillegg til jern og krom et høyt innhold av nikkel, samt noe aluminium.
Nikkel
Nikkel anvendes dels i relativt lav konsentrasjon sammen med krom, molybden og vanadium i verktøystål, dels sammen med krom i rustfritt og syrefast stål (8–20 % nikkel) og dels alene (ca. 9 % nikkel) i stål som må ha god seighet også ved meget lave temperaturer, f.eks. for tanker til transport og oppbevaring av flytende hydrokarboner. Ved gehalter over ca. 35 % nikkel er strukturen austenittisk; stål av denne sammensetning har meget lav termisk utvidelseskoeffisient.
Molybden
Tilsetning av 0,25 til 8 % Mo øker hardheten og styrken til stålet.
Vanadium
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 styrken.
Manganlegering
En manganlegering har den egenskapen at jo mer den hamres og bankes på jo hardere blir den.
Cr-Ni
Rustfritt
Cr-Ni-Mo
Syrefast
Sammen med nikkel, til dels også molybden, er krom det viktigste element i det austenittiske rustfrie, syrefaste og varmebestandige stål. Best kjent er «18–8» typen (ca. 18 % krom, ca. 8 % nikkel, 0,03– 0,08 % karbon), som bl.a. brukes i kjøkkenbenker, i meieriapparatur, kjemisk industri. Utenom god korrosjonsmotstand har austenittisk kromnikkelstål betydelig mekanisk styrke ved høy temperatur.
Syrefaste rustbestandige stål er legert med minimum 2% Mo
Syrefast stål
Syrefast eller syrebestandig stål inneholder foruten jern, karbon og krom også en del nikkel og/eller mangan samt mindre kvantiteter av andre metaller som molybden, niob og titan. Dette er dyrt stål.
Syrefast stål brukes i miljøer med større kjemiske påkjenninger, f eks rørdeler, rustfrie skruer og mutre, og detaljer som kommer i kontakt med syrer.
Typer rustfrie/syrefaste strukturer:
Martensittisk, Ferrittisk, Austenittisk, Ferritt-austenittisk (duplex), Martensitt-austenittisk.
--------------------------------------------------------------------------------
Kilder:
Ndla.no, periodesystemet.no, wikipedia.no, snl.no
