Stål er en legering med jern og karbon som de primære legeringselement. Legering betyr et metallisk materiale bestående av minst ett metallisk grunnstoff og ett eller flere legeringselementer som ofte er metaller. En klassisk definisjon er at stål er jern-karbon legeringer med opp til 2,1 % karbon. Er det mer enn 2,1 % karbon kalles det støpejern. Karbonet gjør stålet sterkere ved å legge seg interstitielt mellom jernatomene i krystallgitteret (med interstitielt menes at de ligger fullstendig mellom), slik at det ikke er direkte kontakt mellom jernatomene. Dermed hindres jernatomene i å gli i hver sin retning, og legeringen blir hardere enn rent jern. Karbonatomene vil også påvirke fasetransformasjonene i metallet, slik at stålet blir mer herdbart. Andre legeringselementer kan være mangan, krom eller nikkel. Når karboninnholdet i jern overstiger 2,1 %, blir dette betegnet som støpejern.
Fremstilling
1. Fersking – Ved ferskingen blir råjernets innhold av karbon og andre oksiderbare stoffer som silisium, mangan, svovel, fosfor fjernet i form av oksider.
2. Deoksidasjon og legering – Desoksidasjon og legering blir foretatt for å få kontroll over gassutviklingen under størkningen og for justering av sammensetningen. Prosessen kan foregå i ovner eller konvertere. Først trekker man av den oksiderende slagget fra ferskingperioden, og vanligvis desoksiderer man under tappingsprosessen. Andre tilsetninger tilsettes da i øsen, slik at omrøringen i øsebadet under tappingen bidrar til en effektiv blanding.
3. Utstøpingen – Utstøpingen foregår gjennom et tappehull med stopper i bunnen av øsen, enten direkte ned i kokillene (støpeform for metall forarbeidet av støpejernsplater) eller via en sentral trakt med kanaler til bunnen av kokillene (stigestøping). Stål med lavt oksygeninnhold kan også støpes kontinuerlig (strengstøping). Da støper man via en forherd ned i en vannkjølt bunn uten form. Deretter trekkes fast stål ut nedenfra som en sammenhengende streng samtidig som tilførselen av flytende stål fra forherden.
4. Valsing / smiing – Fjerde og siste trinn i stålfremstillingen omfatter varmformgivning ved valsing og smiing eller varmebehandling av støpt gods som ikke skal bearbeides plastisk. Disse prosessene utføres ofte på stålverket i tilslutning til fremstillingen, og ansees derfor å høre med til denne. Valsingen foregår i flere trinn etter utjevning av temperaturen i emnet under opphold i varmegrop. Samspillet mellom plastisk deformasjon og temperatur er et viktig ledd i kontroll av egenskapene hos det valsede stålet. For visse anvendelser foretas en varmebehandling etter valsingen (normalisering, seigherding). En rekke produkter blir videre tilvirket ved kaldbearbeiding i form av valsing og trekking.
Forskjellige materialer
Den kanskje viktigste anvendelsen av krom i dagens samfunn er som tilsats til industrielle legeringer, og da særlig i stål. Stål er en legering som består hovedsaklig av jern, noe karbon (opp til 2,1 %, over 2,1 % kalles det støpejern) i tillegg til andre metalliske grunnstoffer. Hvis stål illegeres 12-13 % krom kaller vi gjerne stålet ”rustfritt” eller ”syrefast”. Det finnes et utall typer av stål, der sammensetningen er tilpasset bruksområdet. 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.
Mynter av helt rent nikkel ble brukt i Sveits fra 1881, men nikkel brukes i all hovedsak i legeringer. Nikkel er ett sølvmatt, er et glinsende tungmetall med utmerket korrosjonsbestandighet og varmefasthet. Det er dyrt, derfor er bruken av nikkellegeringer i apparatur som er utsatt for store korrosive belastninger begrenset. Rent nikkel brukes gjerne til å lage beholdere og apparater for natronlut, kalilut og organiske løsninger.
Visste du at... inntil 1880 sto Norge for om lag halvparten av verdens produksjon av nikkel.
Vanadium anvendes først og fremst som legeringsmetall for jern og stål. Selv små mengder av metallet (0,1-0,2 %) øker i vesentlig grad metallets seighet og fasthet, samtidig som det virker deoksiderende. Det vil si at stål av vanadium skal kunne opprettholde stålets seighet, og ikke overstige elastitetenes regler. Samtidig skal stålet tåle å ikke utsettes for dette. Gjenstander laget av vanadiumstål kan derfor lages lettere enn av annet stål og allikevel beholde styrken. Derfor brukes vanadium ofte som verktøystål.
Rustfritt stål
Vanlig rustfritt stål inneholder minst 11 vekt % krom og brukes til stålemner som skal brukes i miljøer med moderate kjemiske påkjennelser, ofte i ferskvann eller materialer som ofte bløtlegges, for eksempelbestikk, barberblader og kniver. Rustfritt stål som inneholder mellom 13-18 % krom og ingen nikkel kalles også kromstål.
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 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.
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.
Strukturer
Martensittisk rustfritt stål
Martensittisk rustfritt stål har en martensittisk struktur. Det 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 har en ferrittisk struktur. 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.
Austenittisk rustfritt stål
Austenittisk rustfritt stål utgjør den største gruppen av rustfrie stål. Det har en austenittisk struktur, noe som medfører at de ikke er magnetiske og ikke kan herdes.
Det består av krom (12-30 %) og nikkel (7-30 %) samt andre metaller, ofte molybden (2-3 %). Karboninnholdet er svært lav, som regel under 0,05 %.
Rustfritt stål av denne typen er enklere å arbeide med enn andre stålkvaliteter. 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. Syrefast stål tilhører denne kategorien av rustfrie stål.
En svært vanlig legering i denne kategorien er 18/8-stål (eller 18/10-stål) som er legert med 18 % krom og 8 % (10 %) nikkel. Rustfrite husholdningsartikler som gryter, kaseroller m.m. er ofte laget av 18/8-stål. Bestikk laget av 18/8-stål har en tendens til å sverte visse typer porselen. Visse vaskemidler for oppvaskmaskin gjør at den passiviserende hinnen som naturlig dannes på alle rustfrie ståltyper, blir temmelig mørk i en gråblå nyanse. Dette betyr ikke at tingene ikke er rene, snarere at belegget som beskytter stålet har blitt tykkere og sterkere. Man bør altså ikke prøve å pusse bort den mørke fargen på bestikket.
Ferritt-austenittisk (duplex)-rustfritt stål
Ferritt-austenittisk rustfritt stål, også kalt duplex-stål, inneholder krom (opptil 29 %), nikkel (5-8 %), molybden (1-4 %), karbon under 0,03 % samt nitrogen 0,4 %. Det har god korrosjonsbestandighet og høy mekanisk holdbarhet, og passer i miljøer med høyt innhold av klorider, for eksempel i konstruksjoner ved kysten og offshore.
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.
Korrosjon
Også rustfritt stål rammes av korrosjon avhengig av dets miljø. De kan rammes av groptæring i nærvær av oksidasjonsmiddel som saltvann. Groptæring innebærer at passivfilmen brister i et punkt hvormed punktet blir anode og det omgivende stålet katode. Det innebærer at oksidasjonen skjer i punktet, dvs metallet angripes i et punkt som hules ut slik at det dannes en grop. Korrosjonen gjøres mulig dels gjennom kompleksdannelsen mellom metallioner og Cl –, dels gjennom at hydrolysen er sur, noe som senker pH i gropen.
Derfor kan nevnes at austenitiske rustfri stål motstår miljøer med saltvann på grunn av en tilsetning av litt molybden. En vanlig sammensetning av rustfritt stål for å motstå saltvann er, foruten jern, 18 % krom, 10 % nikkel og 3 % molybden.
