Når du varmebehandler stål, kan molekylstrukturen i stålet danne en struktur som heter sementitt. Hva er egentlig sementitt, og hva kan metaller med sementittstruktur brukes til?
Sementitt, også kjent som jernkarbid (Fe3C), er en kjemisk forbindelse av jern og karbon som finnes i forskjellige typer stål og støpejern. Sementitt er avgjørende for materialenes egenskaper, spesielt hardhet og styrke.
Forbindelsen sementitt spiller også en avgjørende rolle i dannelsen av perlittstrukturen i stål og andre legeringer. Sementitt dannes ved langsom avkjøling av stål fra austenittens omvandlingstemperatur. Den framstår som harde, skjøre partikler som interagerer med ferrittlagene i perlitt.
Sementittstrukturen bidrar til å styrke og stive opp perlittstrukturen og gir den mekaniske egenskaper som styrke og seighet. Sementitt er derfor en vesentlig komponent i materialteknikk, spesielt innen produksjonen av stål og andre konstruksjonsmaterialer der mekaniske egenskaper er kritiske.
Ståltyper med sementittstruktur
Konstruksjonsstål
Konstruksjonsstål som brukes i bygninger, broer og andre infrastrukturer inneholder ofte perlitt, som består av vekslende lag av ferritt og sementitt. Dette gir stålet en god kombinasjon av styrke og duktilitet (tøyeevne).
Verktøystål
Verktøystål har ofte høyere karboninnhold, noe som resulterer i mer sementitt i strukturen. Dette gir stålet høy hardhet og slitestyrke. Dette er viktig for verktøy som meisler, kniver og skjæreverktøy.
Hvitt støpejern
Hvitt støpejern inneholder alt karbonet i form av sementitt, noe som gjør det veldig hardt og sprøtt. Dette materialet brukes i applikasjoner hvor høy slitestyrke er nødvendig, som i knusemaskiner og slitedeler i gruveindustrien.
Jernbaneskinner
Jernbaneskinner er laga av stål med høy styrke og slitestyrke, hvor perlittisk struktur med mye sementitt gir de nødvendige egenskapene for å tåle de store belastningene fra tog.
Pianotråd og fjærer
Pianotråd og fjærer lages av stål med en struktur som inneholder veldig tynnlamellær perlitt. Den høye mengden sementitt i disse produktene gir dem høy strekkfasthet og elastisitet.
Martensittiske stål
Martensittiske stål, som brukes i maskindeler som må være veldig harde og slitesterke, blir ofte anløpet (varmebehandlet) ved temperaturer over 200 °C. Dette fører til utfelling av små sementittpartikler som gjør martensitten mykere og seigere.
Bainittiske stål
I bainittiske stål finnes sementitt i form av små partikler som bidrar til å gjøre materialet hardt og sprøtt. Disse stålene brukes i spesialiserte konstruksjoner hvor en balanse mellom styrke og seighet er viktig.
Deler som er utsatt for høy slitasje, som tannhjul, kjettinger og verktøy for skjæring og knusing, drar nytte av den høye hardheten og slitestyrken som sementitt gir.
Sementitt kan også framstilles syntetisk fra jernoksid ved en reduksjons- og karburiseringsprosess. Dette brukes i enkelte alternative prosesser for stålproduksjon, hvor man kan ønske å kontrollere karboninnholdet og mikrostrukturen nøyaktig.
Krystallstruktur
Sementitt har en ortorombisk krystallstruktur, noe som betyr at atomene er ordna i en romslig geometrisk form som minner om en boks med forskjellige sidelengder.
Denne strukturen bidrar til sementitts hardhet og sprøhet.
Sementitt dannes gjennom flere prosesser avhengig av temperatur, karboninnhold og tilstedeværelsen av andre legeringselementer.
I stål dannes sementitt ofte ved avkjøling av austenitt eller ferritt som inneholder karbon, mens i støpejern kan sementitt dannes direkte fra smelting. Legeringselementer som mangan og krom kan påvirke dannelsen av og egenskapene til sementitten, og syntetisk produksjon av sementitt er mulig gjennom reduksjons- og karburiseringsprosesser.
Dette gjør sementitt til en viktig komponent i mange typer stål og støpejern, med stor innvirkning på de mekaniske egenskapene.
Hvordan dannes sementitt i ulike metalltyper?
Stål (karbonholdig jern)
Fra austenitt til sementitt
Ved høye temperaturer (over 727 °C) kan stål med karbon være i en fase kalt austenitt (γ-fase). Denne fasen er en fast løsning av karbon i en kubisk tettpakka jernstruktur.
Når austenitt med et karboninnhold på 0,76 prosent avkjøles til under 727 °C, transformeres det til vekslende lag av ferritt og sementitt. Denne prosessen kalles eutektoid omvandling og resulterer i dannelsen av perlitt, hvor sementitt opptrer som tynne lameller mellom lagene av ferritt.
Fra ferritt til sementitt
Ferritt (α-fase) er en myk og duktil fase av jern med svært lite karbon (mindre enn 0,02 prosent). Når ferritt avkjøles, kan karbon som er løst i ferritten, begynne å danne sementitt når konsentrasjonen av karbon overskrider løselighetsgrensa i jernet.
Ved konsentrasjoner over løselighetsgrensa, vil karbon kombinere med jern for å danne sementitt. Dette skjer ofte ved lavere temperaturer.
Løselighetsgrense betyr til den maksimale mengden av ett stoff (karbon, i dette tilfellet) som kan oppløses i et annet stoff (jern) uten at det dannes en ny fase (sementitt). Når denne grensa overskrides, begynner det overskytende stoffet å danne en ny fase.
Støpejern
Hvitt støpejern
I hvitt støpejern, som inneholder høyere mengder karbon, kan noe av smeltebadet omdannes direkte til sementitt når det størkner. Dette skjer uten behov for langsom avkjøling, fordi karboninnholdet er tilstrekkelig høyt til å favorisere dannelsen av sementitt over grafitt.
Avkjøling fra smelting
Ved rask avkjøling av smelte kan sementitt dannes direkte fra smeltebadet. Dette er spesielt tilfelle i legeringer som hvitt støpejern hvor man ønsker en hard og sprø struktur.
Legert stål
Tilstedeværelse av andre elementer
I legeringer kan elementer som mangan og krom erstatte noen av jernatomene i sementitten. Dette påvirker ikke bare dannelsen, men også egenskapene til sementitten.
Avkjøling og varmebehandling
Når legerte stål avkjøles fra austenittisk struktur, dannes sementitt som en del av komplekse mikrostrukturer som bainitt og martensitt.
Når martensittiske stål anløpes (varmebehandles) ved temperaturer over 200 °C, utfelles sementitt fra en overmettet fast løsning av karbon i martensitten. Dette reduserer hardheten og øker seigheten.
Syntetisk framstilling av sementitt
Reduksjons- og karburiseringsprosess
Sementitt kan framstilles ved å redusere jernoksid med karbon. Denne prosessen innebærer først å redusere jernoksidet til metallisk jern og deretter tilføre karbon for å danne sementitt. Denne metoden brukes i enkelte industrielle prosesser for stålproduksjon hvor kontroll over karboninnholdet og mikrostrukturen er viktig.
Egenskaper
Sementitt bidrar som sagt til å styrke og stive opp perlittstrukturen, og gir den mekaniske egenskaper som styrke og seighet. Derfor er sementitt en vesentlig komponent i materialteknikk, spesielt der mekaniske egenskaper er avgjørende.
Hardhet:
Sementitt er svært hard og sprø, noe som gjør den mindre duktil enn ferritt (reint jern).
Materialinnhold:
Sementitt består av 6,67 vektprosent karbon og 93,33 vektprosent jern.
Krystallstruktur:
Ortorombisk, noe som gir materialet sin karakteristiske hardhet og sprøhet.
Magnetiske egenskaper:
Sementitt er ikke magnetisk, i motsetning til ferritt som er ferromagnetisk.
Fordeler
Sementitt bidrar til å forbedre styrken til perlittstrukturen ved å stive opp og styrke de krystallinske lamellene. Siden sementitt er en hard forbindelse, bidrar den til å øke hardheten til stål og andre legeringer som inneholder perlitt.
Ulemper
Sementitt er skjør, noe som kan føre til svekkelse av materialets mekaniske egenskaper, spesielt i situasjoner der duktilitet og seighet er viktige. Sementittpartiklene kan virke som sprekker i materialet, noe som reduserer materialets evne til å deformere seg uten å knekke.
