Når du varmebehandlar stål, kan molekylstrukturen i stålet danne ein struktur som heiter sementitt. Kva er eigentleg sementitt, og kva kan metall med sementittstruktur brukast til?
Støyping av jern. Bilete: Afedchenko / CC BY-SA 4.0
Kva er sementitt?
Sementitt, òg kjend som jernkarbid (Fe3C), er ei kjemisk sambinding av jern og karbon som finst i ulike typar stål og støypejern. Sementitt er avgjerande for eigenskapane til materiala, spesielt hardleik og styrke.
Sambindinga sementitt speler òg ei avgjerande rolle i danninga av perlittstrukturen i stål og andre legeringar. Sementitt blir danna ved langsam avkjøling av stål frå austenittens omdanningstemperatur. Han framstår som harde, skjøre partiklar som interagerer med ferrittlaga i perlitt.
Sementittstrukturen bidreg til å styrke og stive opp perlittstrukturen og gir han mekaniske eigenskapar som styrke og seigleik. Sementitt er derfor ein vesentleg komponent i materialteknikk, spesielt innan produksjonen av stål og andre konstruksjonsmateriale der mekaniske eigenskapar er kritiske.
Ståltypar med sementittstruktur
Konstruksjonsstål
Konstruksjonsstål som blir brukt i bygningar, bruer og andre infrastrukturar inneheld ofte perlitt, som består av vekslande lag av ferritt og sementitt. Dette gir stålet ein god kombinasjon av styrke og duktilitet (tøyeevne).
Verktøystål
Verktøystål har ofte høgare karboninnhald, noko som resulterer i meir sementitt i strukturen. Dette gir stålet høg hardleik og slitestyrke. Dette er viktig for verktøy som meislar, knivar og skjereverktøy.
Kvitt støypejern
Kvitt støypejern inneheld alt karbonet i form av sementitt, noko som gjer det veldig hardt og sprøtt. Dette materialet blir brukt i applikasjonar der høg slitestyrke er nødvendig, som i knusemaskiner og slitedelar i gruveindustrien.
Jernbaneskjener
Jernbaneskjener er laga av stål med høg styrke og slitestyrke, der perlittisk struktur med mykje sementitt gir dei nødvendige eigenskapane for å tole dei store belastningane frå tog.
Pianotråd og fjører
Pianotråd og fjører blir laga av stål med ein struktur som inneheld veldig tynnlamellær perlitt. Den høge mengda sementitt i desse produkta gir dei høg strekkfastleik og elastisitet.
Martensittiske stål
Martensittiske stål, som blir brukte i maskindelar som må vere veldig harde og slitesterke, blir ofte anløpte (varmebehandla) ved temperaturar over 200 °C. Dette fører til utfelling av små sementittpartikler som gjer martensitten mjukare og seigare.
Bainittiske stål
I bainittiske stål finst sementitt i form av små partiklar som bidreg til å gjere materialet hardt og sprøtt. Desse ståla blir brukte i spesialiserte konstruksjonar der ein balanse mellom styrke og seigleik er viktig.
Delar som er utsette for høg slitasje, som tannhjul, kjettingar og verktøy for skjering og knusing, dreg nytte av den høge hardleiken og slitestyrken som sementitt gir.
Sementitt kan òg framstillast syntetisk frå jernoksid ved ein reduksjons- og karburiseringsprosess. Dette blir brukt i enkelte alternative prosessar for stålproduksjon, der ein kan ønske å kontrollere karboninnhaldet og mikrostrukturen nøyaktig.
Krystallstruktur
Sementitt har ein ortorombisk krystallstruktur, noko som betyr at atoma er ordna i ei romsleg geometrisk form som minner om ein boks med ulike sidelengder.
Denne strukturen bidreg til at sementitt er hard og sprø.
Sementitt blir danna gjennom fleire prosessar avhengig av temperatur, karboninnhald og kva andre legeringselement som er til stades.
I stål blir sementitt ofte danna ved avkjøling av austenitt eller ferritt som inneheld karbon, mens i støypejern kan sementitt bli danna direkte frå smelting. Legeringselement som mangan og krom kan påverke danninga av og eigenskapane til sementitten, og syntetisk produksjon av sementitt er mogleg gjennom reduksjons- og karburiseringsprosessar.
Dette gjer sementitt til ein viktig komponent i mange typar stål og støypejern, med stor innverknad på dei mekaniske eigenskapane.
Korleis blir sementitt danna i ulike metalltypar?
Stål (karbonhaldig jern)
Frå austenitt til sementitt
Ved høge temperaturar (over 727 °C) kan stål med karbon vere i ein fase kalla austenitt (γ-fase). Denne fasen er ei fast løysning av karbon i ein kubisk tettpakka jernstruktur
Når austenitt med eit karboninnhald på 0,76 prosent blir avkjølt til under 727 °C, blir det transformert til vekslande lag av ferritt og sementitt. Denne prosessen blir kalla eutektoid omdanning og resulterer i danninga av perlitt, der sementitt opptrer som tynne lamellar mellom laga av ferritt.
Frå ferritt til sementitt
Ferritt (α-fase) er ein mjuk og duktil fase av jern med svært lite karbon (mindre enn 0,02 prosent). Når ferritt blir avkjølt, kan karbon som er løyst i ferritten, byrje å danne sementitt når konsentrasjonen av karbon overskrid løyselegheitsgrensa i jernet.
Ved konsentrasjonar over løyselegheitsgrensa, vil karbon kombinere med jern for å danne sementitt. Dette skjer ofte ved lågare temperaturar.
Løyselegheitsgrense betyr den maksimale mengda av eit stoff (karbon, i dette tilfellet) som kan løysast opp i eit anna stoff (jern) utan at det blir danna ein ny fase (sementitt). Når denne grensa blir overskriden, begynner det overskytande stoffet å danne ein ny fase.
Støypejern
Kvitt støypejern
I kvitt støypejern, som inneheld høgare mengder karbon, kan noko av smeltebadet gjerast om direkte til sementitt når det størknar. Dette skjer utan behov for langsam avkjøling, fordi karboninnhaldet er tilstrekkeleg høgt til å favorisere danninga av sementitt over grafitt.
Avkjøling frå smelting
Ved rask avkjøling av smelte kan sementitt bli danna direkte frå smeltebadet. Dette er spesielt tilfelle i legeringar som kvitt støypejern der ein ønsker ein hard og sprø struktur.
Legert stål
Nærvær av andre element
I legeringar kan element som mangan og krom erstatte nokre av jernatoma i sementitten. Dette påverkar ikkje berre danninga, men òg eigenskapane til sementitten.
Avkjøling og varmebehandling
Når legerte stål blir avkjølte frå austenittisk struktur, blir sementitt danna som ein del av komplekse mikrostrukturar som bainitt og martensitt.
Når martensittiske stål blir anløpte (varmebehandla) ved temperaturar over 200 °C, blir sementitt felt ut frå ei overmetta fast løysning av karbon i martensitten. Dette reduserer hardleiken og aukar seigleiken.
Syntetisk framstilling av sementitt
Reduksjons- og karburiseringsprosess
Sementitt kan framstillast ved å redusere jernoksid med karbon. Denne prosessen inneber først å redusere jernoksidet til metallisk jern og deretter tilføre karbon for å danne sementitt. Denne metoden blir brukt i enkelte industrielle prosessar for stålproduksjon der kontroll over karboninnhaldet og mikrostrukturen er viktig.
Eigenskapar
Sementitt bidreg som sagt til å styrke og stive opp perlittstrukturen, og gir den mekaniske eigenskapar som styrke og seigleik. Derfor er sementitt ein vesentleg komponent i materialteknikk, spesielt der mekaniske eigenskapar er avgjerande.
Hardleik:
Sementitt er svært hard og sprø, noko som gjer han mindre duktil enn ferritt (reint jern).
Materialinnhald:
Sementitt består av 6,67 vektprosent karbon og 93,33 vektprosent jern.
Krystallstruktur:
Ortorombisk, noko som gjer materialet karakteristisk hardt og sprøtt.
Magnetiske eigenskapar:
Sementitt er ikkje magnetisk, i motsetning til ferritt som er ferromagnetisk.
Fordelar
Sementitt bidreg til å forbetre styrken til perlittstrukturen ved å stive opp og styrke dei krystallinske lamellane. Sidan sementitt er ei hard sambinding, bidreg han til å auke hardleiken til stål og andre legeringar som inneheld perlitt.
Ulemper
Sementitt er skjør, noko som kan føre til svekking av dei mekaniske eigenskapane til materialet, spesielt i situasjonar der duktilitet og seigleik er viktige. Sementittpartiklane kan verke som sprekkar i materialet, noko som reduserer evna materialet har til å deformere seg utan å knekke.
