Jern og stål

Jern i sine ulike former er eit svært vanleg materiale på jorda. Reint jern (Fe) er ikkje eigna for konstruksjonar, men blanda med karbon dannar det stål, som er det nest mest brukte byggematerialet i verda etter betong.

Stål er eit samleomgrep for legeringar som består av jern, inntil 2 % karbon og eventuelle andre legeringselement. Det er mengda karbon og dei ekstra legeringselementa som bestemmer eigenskapane til kvar enkelt ståltype. Dei ulike ståltypane har ulike fysiske og kjemiske eigenskapar. Derfor har dei også ulike styrkar og svakheiter.

Stål med eigenskapar som først og fremst er bestemde av karbonmengda, kallar vi karbonstål. Stål som får dei spesielle eigenskapane sine sine hovudsakleg gjennom andre legeringselement, blir kalla legeringsstål. Mangan, nikkel, krom, molybden, bor, titan, vanadium, wolfram, kobolt og niob er typiske døme på slike legeringselement.

Klassifisering av stål

Det finst ei rekke klassifiseringar og tabellar for stål. American Iron and Steel Institute (AISI) til dømes deler ståltypane inn i fire grunnleggande grupper: karbonstål, legert stål, rustfritt stål og verktøystål. Rustfritt stål og verktøystål er i utgangspunktet to typar legeringsstål, men desse to typane er så mykje brukte at det finst eigne klassifiseringar for dei.

Også ulike industrigreiner har ofte behov for sine eigne klassifieringer. Eit firma som lagar utstyr for næringsmiddel, vil bruke tabellar for rustfritt stål, mens ein knivprodusent vil bruke andre tabellar fordi knivstål også må ha eigenskapar som seigleik og hardleik.

Karbonstål

Karbonstål har eit karboninnhald på opptil 2 %. Karbonmengda vil påverke eigenskapar som hardleik, fleksibilitet, sprøheit og sveiseevne. Vi kan dele inn stål i fire hovudkategoriar ut frå karboninnhaldet: lågkarbonstål, mediumkarbonstål, høgkarbonstål og ultrahøgkarbonstål.

Korrosjonsmotstanden aukar når karboninnhaldet aukar. Når karboninnhaldet er på meir enn 2 %, men lågare enn 4 %, kallar vi stålet for støypejern.

Lågkarbonstål (mildt stål)

Lågkarbonstål inneheld vanlegvis 0,04 til 0,30 % karbon og utgjer ei av dei største karbonstålgruppene. Denne typen stål kjem i eit stort mangfald av former, frå flatt ark til strukturell bjelke. Avhengig av eigenskapane som trengst, blir andre legeringselement lagt til eller auka.

Mediumkarbonstål

Denne ståltypen har vanlegvis eit karbonområde på 0,31 til 0,60 % og eit manganinnhald mellom
0,060 og 1,65 %. Dette produktet er sterkare enn lågkarbonstål, men det er vanskelegare å forme, sveise og kutte. Mediumkarbonstål er ganske ofte herda ved hjelp av varmebehandling.

Høg- og ultrahøgkarbonstål

Denne typen er kjend som karbonverktøystål og har vanlegvis eit karbonområde på mellom 0,61 og 2 %. Stål med høgt karboninnhald er svært vanskeleg å kutte, bøye og sveise. Når det er varmebehandla, blir det ekstremt hardt og sprøtt.

Legeringsstål

Legeringsstål er stål som har blitt tilsett små mengder av eitt eller fleire legeringselement slik at det får spesifikke eigenskapar som vanleg karbonstål manglar. Mykje brukte legeringselement er mangan, silisium, nikkel, titan, kopar, krom og aluminium.

Legeringsstål er mykje brukt i industrien fordi materialet er relativt rimeleg og breitt tilgjengeleg. I tillegg har det gode mekaniske eigenskapar og er lett å behandle. Legeringsstål toler generelt varme og mekanisk bearbeiding betre enn karbonstål.

Låglegert stål

Jern med mindre enn 0,25 % karbon (ofte under 0,15 %) og med legeringselement på totalt berre
2–3 % blir karakteriserte som låglegerte stål. Typiske legeringselement i låglegert stål er karbon, nikkel, krom, molybden, mangan og silikon.

Korrosjonsmotstanden til karbonstål og låglegert stål er meir eller mindre den same. Begge blir brukte til å konstruere skipsskrog, bygningar, bruer, bilar etc.

Forvitringsstål

Forvitringsstål, best kjent under varemerket Cor-Ten (cortenstål), er ein spesiell type låglegert stål som blei utvikla for å eliminere behovet for måling. Denne ståltypen dannar eit vernande rustfarga oksidlag på overflata. Oksidlaget gjer at cortenstål rustar mykje langsamare enn vanleg stål.

Cortenstål er legert med litt høgare mengder krom, fosfor og kopar. Dei første 1,5–4 åra vil det korrodere akkurat som vanleg karbonstål. Deretter hindrar oksidlaget (rustlaget) stålet i å ruste like raskt som før.

Cortenstål blir tradisjonelt brukt i konstruksjonen til fraktkonteinarar og blir då vanlegvis overflatebehandla med spesiell konteinarmåling. Men ståltypen kan òg brukast på til dømes bygningsfasadar. Då får rustlaget ein dekorativ funksjon og blir til vanleg ikkje overflatebehandla.

Høglegert stål

Høglegert stål inneheld mellom 15 og 30 % legeringselement. Stålet er primært legert med krom og nikkel. Dersom krom utgjer minst 11 vektprosent av legeringa, blir stålet definert som rustfritt. Det kan også tilsettast molybden for auka korrosjonsmotstand.

Det dannar seg ein tynn, vernande kromoksydfilm på overflata av metallet som forhindrar rusting. Men rustfritt stål er ikkje immunt mot korrosjon. Det vernande oksidlaget kan bli skadd eller angripe av klorid. Også oksygenmangel og andre miljøpåverknader kan føre til omfattande korrosjon.

Det finst mange ulike standardar og namnesystem for rustfrie stålkvalitetar som er i bruk over heile verda, til dømes EN-standard og AISI/ASTM-standardar. Døme:

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

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

• ASTM S31254 (19,5–20,5 % Cr, 17,5–18,5 % Ni, 6–6,5 % Mo) er endå meir sjøvassbestandig.