Hopp til innhold
Fagartikkel

Ferritt

Atomstrukturen i stål kan ha mange ulike faser og strukturer. En av disse strukturfasene kalles ferritt.
Bilde som viser ulike atomstrukturer med varierende størrelse og farge. Foto.
Ferritt og perlittisk struktur i stål forstørret 500 ganger. Bilde: Melancholia~itwiki / CC BY-SA 4.0

Hva er ferritt?

Ferritt er en viktig krystallstruktur i jern og stål, kjent for sin romsentrerte kubiske (BCC) krystallstruktur, som ved oppvarming over omvandlingstemperatur omdannes til en flatesentrert kubisk (FCC) struktur. Ferritt dannes når austenitt, en annen jernstruktur som er stabil ved høye temperaturer, avkjøles til lavere temperaturer.

Ferritt er preget av sin mykhet og duktilitet, noe som gjør den lett å bearbeide og forme. Ferritt har begrenset evne til å løse opp karbon, derfor er den en betydelig komponent i mange typer stål og støpejern, og den har en nøkkelrolle i bygge- og konstruksjonsmaterialer. Ferritt brukes i alt fra broer til bygninger.

Bruksområder

Strukturen gir som sagt ferritt en kombinasjon av mykhet og duktilitet, noe som er viktig på en rekke bruksområder, fra konstruksjonsmaterialer som stålbjelker og broer til spesielle støpejernprodukter og elektroteknisk blikk. Det at ferritt er lett å forme og bearbeide samtidig som den beholder en tilfredsstillende styrke, gjør den til en anvendelig metallstruktur i moderne materialteknologi.

Konstruksjonsstål

Ferritt brukes i strukturelementer. På grunn av duktiliteten og styrken er den en viktig komponent i ulegert stål, som brukes i bygninger, broer og andre strukturelle elementer.

Støpejern

I visse typer støpejern, spesielt de som ikke inneholder mye legeringselementer, utgjør ferritt en betydelig del av mikrostrukturen. Dette bidrar til støpejernets mekaniske egenskaper.

Elektroteknisk metall

Ferritt med høyt silisiuminnhold brukes i elektroteknisk metall, som er viktige i produksjon av transformatorer og motorer på grunn av de gode magnetiske egenskapene og evnen til å operere ved høye temperaturer.

Varmebestandige stållegeringer

Ferrittiske legeringer med høyt krominnhold brukes i applikasjoner som krever høy varmebestandighet, for eksempel i ovner og varmevekslere.

Struktur og stabilitet

Den særegne romsentrerte kubiske strukturen i ferritt gir som nevnt materialer med god stabilitet.

Krystallstruktur

I krystallstrukturen i ferritt er jernatomene plassert i hjørnene av en kube med ett atom i midten av kuben. Dette gir en åpen struktur som gjør det mulig for ferritt å være duktil og relativt myk sammenliknet med andre jernstrukturer.

Stabilitet ved temperaturer

Alfajern (α-jern) er stabilt opp til 912 °C (1185 K).

Deltajern (δ-jern) er stabilt mellom 1394 °C (1667 K) og smeltepunktet for jern, 1538 °C.

Legeringselementer

Tilsetning av legeringselementer kan påvirke stabiliteten til ferrittisk struktur. Ved å blande jern med andre elementer, som krom eller silisium, kan man tilpasse stabiliteten og egenskapene til ferritt. Dette er viktig i spesifikke industrielle applikasjoner som krever varmebestandighet eller spesielle elektriske egenskaper. Legeringselementer kan være:

Krom
Kromstål har opp til 17 prosent krom og kan beholde ferrittisk struktur ved høyere temperaturer.
Silisium
Elektroteknisk metall med opp til rundt 4 prosent silisium kan holde ferrittisk struktur ved høye temperaturer.
Nikkel
Høyt nikkelinnhold kan forhindre dannelse av ferritt og i stedet stabilisere andre faser som austenitt.
To kubiske atomstrukturer. Venstre struktur har atomer i alle hjørner samt i senter, mens i høyre struktur er alle atomer i hjørner og på de ulike planenes overflater. Illustrasjon.
Bildet til venstre viser jernstruktur under 912 °C (body-centered cubic, BCC), mens bildet til høyre viser hvilken struktur jern får når det varmes opp til over 912 °C (face-centered cubic, FCC). Bilde: Cdang / CC BY-SA 4.0

Hvordan dannes ferritt?

Ferritt er den formen jern eller stål har ved lave temperaturer, under ferrittisk omvandlingstemperatur (912 °C). Når temperaturen faller under 912 °C, omdannes austenitt til ferritt.

I varmebehandling kan stål oppvarmes og deretter avkjøles kontrollert for å sikre ønsket mikrostruktur, hvor ferritt kan være en viktig komponent i det endelige materialet. Temperaturkontroll er altså viktig i stålproduksjon.

Ulike framstillingsmetoder

Framstilling gjennom varmebehandling

Omdannelse fra austenitt til ferritt

Før dannelse av ferritt er jernet vanligvis i austenittisk fase (flatesentrert kubisk struktur) ved høye temperaturer, over 912 °C.

Når austenittisk stål avkjøles til lavere temperaturer (under 912 °C), omdannes det til ferritt. Denne omdanningen skjer ved at den austenittiske krystallstrukturen går over til en romsentrert kubisk struktur.

Kontrollert avkjøling

For å oppnå ønsket mengde ferritt i stål, kan det være nødvendig med kontrollert avkjøling. Dette gjøres ved å varme opp stålet til ønsket temperatur og deretter avkjøle det langsomt, for eksempel i ovner eller ved bruk av varmeisolerende materialer som regulerer kjølehastigheten.

Normalisering er en prosess som innebærer oppvarming av stålet til høy temperatur etterfulgt av avkjøling i luft. Normalisering gir en mer ensartet ferrittisk struktur og forbedrer stålets mekaniske egenskaper.

Legering og tilsetning av elementer

Legeringselementer

Tilsetning av legeringselementer som krom (for varmebestandige stål) eller silisium (for elektroteknisk metall) kan påvirke stabiliteten til ferritt. Disse elementene kan endre de temperaturmessige grensene hvor ferritt er stabil, og de kan også øke stålets korrosjonsbestandighet og magnetiske egenskaper.

Begrense dannelse av ferritt

Høye nivåer av nikkel i stål kan stabilisere austenitt og forhindre dannelse av ferritt. Dette er nyttig i legeringer som krever høy styrke eller som skal brukes i aggressive miljøer.

Produksjonsmetoder

Stålproduksjon

I stålproduksjon brukes bessemer- eller konverterprosesser for å redusere karboninnholdet i jern og oppnå ønsket sammensetning. Resultatet kan være en struktur som inneholder ferritt, spesielt når karboninnholdet er relativt lavt.

Bessemerprosessen er en metode for å konvertere råjern (jern som inneholder høye nivåer av karbon) til stål (jern med lavere karboninnhold) ved å fjerne overflødig karbon og andre urenheter. Prosessen foregår i en stor, skråstilt konverter som er laget av stål eller et annet materiale som tåler høye temperaturer.

Etter produksjon kan stål gjennomgå kaldvalsing for å justere egenskaper og oppnå en ønsket mengde ferritt i overflata.

Støpejern

For å produsere støpejern med ønsket mengde ferritt, kontrolleres kjølehastigheten under støpeprosessene. Langsom kjøling kan tillate dannelse av ferrittisk struktur, mens raskere kjøling kan føre til dannelse av mer sementitt.

Metallografi og kontroll

Mikroskopisk analyse

Ferritt kan identifiseres ved hjelp av metallografiske teknikker. En polert og etset prøve av stål undersøkes under mikroskop for å observere ferrittens karakteristiske lyse områder.

Kjemisk analyse

Ved å analysere karboninnholdet og andre legeringselementer i stålet kan man forutsi mengden ferritt og andre faser som vil være til stede i det ferdige materialet.

Fordeler

Ferritt er myk og duktil, og den har god korrosjonsmotstand. Den brukes derfor ofte i applikasjoner der korrosjonsmotstand er viktig.

Ulemper

Ferritt alene har begrensede mekaniske egenskaper, spesielt når det gjelder styrke og hardhet.