Jern og stål

Jern i sine forskjellige former er et svært vanlig materiale på jorda. Reint jern (Fe) er ikke egna for konstruksjoner, men blanda med karbon danner det stål, som er det nest mest brukte byggematerialet i verden etter betong.

Stål er en fellesbetegnelse for legeringer som består av jern, inntil 2 % karbon og eventuelle andre legeringselementer. Det er mengden karbon og de ekstra legeringselementene som bestemmer egenskapene til den enkelte ståltypen. De ulike ståltypene har ulike fysiske og kjemiske egenskaper. Derfor har de også ulike styrker og svakheter.

Stål med egenskaper som først og fremst er bestemt av karbonmengden, kaller vi karbonstål. Stål som får de spesielle egenskapene sine sine hovedsakelig gjennom andre legeringselementer, kalles legeringsstål. Mangan, nikkel, krom, molybden, bor, titan, vanadium, wolfram, kobolt og niob er typiske eksempler på slike legeringselementer.

Klassifisering av stål

Det fins ei rekke klassifiseringer og tabeller for stål. American Iron and Steel Institute (AISI) for eksempel deler ståltypene inn i fire grunnleggende grupper: karbonstål, legert stål, rustfritt stål og verktøystål. Rustfritt stål og verktøystål er i utgangspunktet to typer legeringsstål, men disse to typene er så mye brukt at det fins egne klassifiseringer for dem.

Også ulike industrigreiner har ofte behov for sine egne klassifieringer. Et firma som lager utstyr for næringsmiddel, vil bruke tabeller for rustfritt stål, mens en knivprodusent vil bruke andre tabeller fordi knivstål også må ha egenskaper som seighet og hardhet.

Karbonstål

Karbonstål har et karboninnhold på opptil 2 %. Karbonmengden vil påvirke egenskaper som hardhet, fleksibilitet, sprøhet og sveiseevne. Vi kan dele inn stål i fire hovedkategorier ut fra karboninnholdet: lavkarbonstål, mediumkarbonstål, høykarbonstål og ultrahøykarbonstål.

Korrosjonsmotstanden øker når karboninnholdet øker. Når karboninnholdet er på mer enn 2 %, men lavere enn 4 %, kalles stålet for støpejern.

Lavkarbonstål (mildt stål)

Lavkarbonstål inneholder vanligvis 0,04 % til 0,30 % karbon og utgjør en av de største karbonstålgruppene. Denne typen stål kommer i et stort mangfold av former, fra flatt ark til strukturell bjelke. Avhengig av egenskapene som trengs, blir andre legeringselementer lagt til eller økt.

Mediumkarbonstål

Denne ståltypen har vanligvis et karbonområde på 0,31 til 0,60 % og et manganinnhold mellom
0,06 og 1,65 %. Dette produktet er sterkere enn lavkarbonstål, men det er vanskeligere å forme, sveise og kutte. Mediumkarbonstål er ganske ofte herda ved hjelp av varmebehandling.

Høy- og ultrahøykarbonstål

Denne typen er kjent som karbonverktøystål og har vanligvis et karbonområde på mellom 0,61 og 2 %. Stål med høyt karboninnhold er svært vanskelig å kutte, bøye og sveise. Når det er varmebehandla, blir det ekstremt hardt og sprøtt.

Legeringsstål

Legeringsstål er stål som har blitt tilsatt små mengder av ett eller flere legeringselementer slik at det får spesifikke egenskaper som vanlig karbonstål mangler. Mye brukte legeringselementer er mangan, silisium, nikkel, titan, kobber, krom og aluminium.

Legeringsstål er mye brukt i industrien fordi materialet er relativt rimelig og bredt tilgjengelig. I tillegg har det gode mekaniske egenskaper og er enkelt å behandle. Legeringsstål tåler generelt varme og mekanisk bearbeiding bedre enn karbonstål.

Lavlegert stål

Jern med mindre enn 0,25 % karbon (ofte under 0,15 %) og med legeringselementer på totalt bare
2–3 % betegnes som lavlegert stål. Typiske legeringselementer i lavlegert stål er karbon, nikkel, krom, molybden, mangan og silikon.

Korrosjonsbestandigheten til karbonstål og lavlegert stål er mer eller mindre den samme. Begge brukes til å konstruere skipsskrog, bygninger, bruer, biler etc.

Forvitringsstål

Forvitringsstål, best kjent under varemerket Cor-Ten (cortenstål), er en spesiell type lavlegert stål som blei utvikla for å eliminere behovet for maling. Denne ståltypen danner et beskyttende rustfarga oksidlag på overflata. Oksidlaget gjør at cortenstål ruster mye langsommere enn vanlig stål.

Cortenstål er legert med litt høyere mengder krom, fosfor og kobber. De første 1,5–4 år vil det korrodere akkurat som vanlig karbonstål. Deretter hindrer oksidlaget (rustlaget) stålet i å ruste like raskt som tidligere.

Cortenstål blir tradisjonelt brukt i konstruksjonen til fraktkonteinere og blir da vanligvis overflatebehandla med spesiell konteinermaling. Men ståltypen kan òg brukes på for eksempel bygningsfasader. Da får rustlaget en dekorativ funksjon og blir til vanlig ikke overflatebehandla.

Høylegert stål

Høylegert stål inneholder mellom 15 og 30 % legeringselementer. Stålet er primært legert med krom og nikkel. Dersom krom utgjør minst 11 vektprosent av legeringa, defineres stålet som rustfritt. Det kan også tilsettes molybden for økt korrosjonsbestandighet.

Det dannes en tynn, beskyttende kromoksydfilm på overflata av metallet som forhindrer rusting. Men rustfritt stål er ikke immunt mot korrosjon. Det beskyttende oksidlaget kan bli skada eller angrepet av klorider. Også oksygen og andre miljøpåvirkninger kan føre til omfattende korrosjon.

Det fins mange ulike standarder og navnesystemer for rustfrie stålkvaliteter som er i bruk over hele verden, for eksempel EN-standard og AISI/ASTM-standarder. Eksempler:

• ASTM 304 (18–20 % Cr, 8–10,5 % Ni) er vanlig høylegert stål.

• ASTM 316 (16–18,5 % Cr, 10–14 % Ni, 2–3 % Mo) er mer sjøvannsbestandig.

• ASTM S31254 (19,5–20,5 % Cr, 17,5–18,5 % Ni, 6–6,5 % Mo) er enda mer sjøvannsbestandig.