Hopp til innhald
Fagartikkel

Ferritt

Atomstrukturen i stål kan ha mange ulike fasar og strukturar. Ein av desse strukturfasane blir kalla ferritt.
Bilete som viser ulike atomstrukturar med varierande storleik og farge. Foto.
Ferritt og perlittisk struktur i stål forstørra 500 gonger. Bilete: Melancholia~itwiki / CC BY-SA 4.0

Kva er ferritt?

Ferritt er ein viktig krystallstruktur i jern og stål, kjent for den romsentrerte kubiske (BCC) krystallstrukturen, som ved oppvarming over omdanningstemperatur blir omdanna til ein flatesentrert kubisk (FCC) struktur. Ferritt blir danna når austenitt, ein annan jernstruktur som er stabil ved høge temperaturar, blir avkjølt til lågare temperaturar.

Ferritt er prega av å vere mjuk og duktil, noko som gjer han lett å omarbeide og forme. Ferritt har avgrensa evne til å løyse opp karbon, derfor er han ein stor komponent i mange typar stål og støypejern, og ferritten har ei nøkkelrolle i bygge- og konstruksjonsmateriale. Ferritt blir brukt i alt frå bruer til bygningar.

Bruksområde

Strukturen gir som sagt ferritt ein kombinasjon av mjukleik og duktilitet, noko som er viktig på ei rekke bruksområde, frå konstruksjonsmateriale som stålbjelkar og bruer til spesielle støypejernprodukt og elektroteknisk blikk. Det at ferritt er lett å forme og omarbeide samtidig som han beheld ein tilfredsstillande styrke, gjer han til ein brukande metallstruktur i moderne materialteknologi.

Konstruksjonsstål

Ferritt blir brukt i strukturelement. På grunn av duktiliteten og styrken er han ein viktig komponent i ulegert stål, som blir brukt i bygningar, bruer og andre strukturelle element.

Støypejern

I visse typar støypejern, spesielt dei som ikkje inneheld mykje legeringselement, utgjer ferritt ein stor del av mikrostrukturen. Dette bidreg til dei mekaniske eigenskapane til støypejernet.

Elektroteknisk metall

Ferritt med høgt silisiuminnhald blir brukt i elektroteknisk metall, som er viktige i produksjon av transformatorar og motorar på grunn av dei gode magnetiske eigenskapane og evna til å operere ved høge temperaturar.

Varmebestandige stållegeringar

Ferrittiske legeringar med høgt krominnhald blir brukt i applikasjonar som krev at materialet er svært varmebestandig, til dømes i omnar og varmevekslarar.

Struktur og stabilitet

Den særeigne romsentrerte kubiske strukturen i ferritt gir som nemnt materiale med god stabilitet.

Krystallstruktur

I krystallstrukturen i ferritt er jernatoma plasserte i hjørna av ein kube med eit atom i midten av kuben. Dette gir ein open struktur som gjer det mogleg for ferritt å vere duktil og relativt mjuk samanlikna med andre jernstrukturar.

Stabilitet ved temperaturar

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.

Legeringselement

Tilsetjing av legeringselement kan påverke stabiliteten til ferrittisk struktur. Ved å blande jern med andre element, som krom eller silisium, kan ein tilpasse stabiliteten og eigenskapane til ferritt. Dette er viktig i spesifikke industrielle applikasjonar som krev at materialet er varmebestandig eller har spesielle elektriske eigenskapar. Legeringselement kan vere:

Krom
Kromstål har opp til 17 prosent krom og kan behalde ferrittisk struktur ved høgare temperaturar.
Silisium
Elektroteknisk metall med opp til rundt 4 prosent silisium kan halde ferrittisk struktur ved høge temperaturar.
Nikkel
Høgt nikkelinnhald kan forhindre danning av ferritt og i staden stabilisere andre fasar som austenitt.
To kubiske atomstrukturar. Venstre struktur har atom i alle hjørne og dessutan i senter, mens i høgre struktur er alle atom i hjørne og på dei ulike planoverflatene. Illustrasjon.
Biletet til venstre viser jernstruktur under 912 °C (body-centered cubic, BCC), mens biletet til høgre viser kva struktur jern får når det blir varma opp til over 912 °C (face-centered cubic, FCC). Bilete: Cdang / CC BY-SA 4.0

Korleis blir ferritt danna?

Ferritt er den forma jern eller stål har ved låge temperaturar, under ferrittisk omdanningstemperatur (912 °C). Når temperaturen fell under 912 °C, blir austenitt omdanna til ferritt.

I varmebehandling kan stål bli varma opp og deretter kontrollert avkjølt for å sikre ønskt mikrostruktur, der ferritt kan vere ein viktig komponent i det endelege materialet. Temperaturkontroll er altså viktig i stålproduksjon.

Ulike framstillingsmetodar

Framstilling gjennom varmebehandling

Omdanning frå austenitt til ferritt

Før danning av ferritt er jernet vanlegvis i austenittisk fase (flatesentrert kubisk struktur) ved høge temperaturar, over 912 °C.

Når austenittisk stål blir avkjølt til lågare temperaturar (under 912 °C), blir det omdanna til ferritt. Denne omdanninga skjer ved at den austenittiske krystallstrukturen går over til ein romsentrert kubisk struktur.

Kontrollert avkjøling

For å oppnå ønskt mengde ferritt i stål, kan det vere nødvendig med kontrollert avkjøling. Dette blir gjort ved å varme opp stålet til ønskt temperatur og deretter avkjøle det langsamt, til dømes i omnar eller ved bruk av varmeisolerande materiale som regulerer kjølefarten.

Normalisering er ein prosess som inneber oppvarming av stålet til høg temperatur etterfølgd av avkjøling i luft. Normalisering gir ein meir einsarta ferrittisk struktur og forbetrar dei mekaniske eigenskapane til stålet.

Legering og tilsetjing av element

Legeringselement

Tilsetjing av legeringselement som krom (for varmebestandig stål) eller silisium (for elektroteknisk metall) kan påverke stabiliteten til ferritt. Desse elementa kan forandre dei temperaturmessige grensene der ferritt er stabil, og dei kan òg auke stålets korrosjonsmotstand og magnetiske eigenskapar.

Avgrense danning av ferritt

Høge nivå av nikkel i stål kan stabilisere austenitt og forhindre danning av ferritt. Dette er nyttig i legeringar som krev høg styrke eller som skal brukast i aggressive miljø.

Produksjonsmetodar

Stålproduksjon

I stålproduksjon blir bessemer- eller konverterprosessar brukte for å redusere karboninnhaldet i jern og oppnå ønskt samansetjing. Resultatet kan vere ein struktur som inneheld ferritt, spesielt når karboninnhaldet er relativt lågt.

Bessemerprosessen er ein metode for å konvertere råjern (jern som inneheld høge nivå av karbon) til stål (jern med lågare karboninnhald) ved å fjerne overflødig karbon og andre ureinskapar. Prosessen går føre seg i ein stor, skråstilt konverter som er laga av stål eller eit anna materiale som toler høge temperaturar.

Etter produksjon kan stål gå gjennom kaldvalsing for å justere eigenskapar og oppnå ønskt mengde ferritt i overflata.

Støypejern

For å produsere støypejern med ønskt mengde ferritt, blir kjølefarten kontrollert under støypeprosessane. Langsam kjøling kan tillate danning av ferrittisk struktur, mens raskare kjøling kan føre til danning av meir sementitt.

Metallografi og kontroll

Mikroskopisk analyse

Ferritt kan identifiserast ved hjelp av metallografiske teknikkar. Ei polert og etsa prøve av stål blir undersøkt under mikroskop for å observere dei karakteristiske lyse områda til ferritten.

Kjemisk analyse

Ved å analysere karboninnhaldet og andre legeringselement i stålet kan ein føreseie mengda ferritt og andre fasar som vil vere til stades i det ferdige materialet.

Fordelar

Ferritt er mjuk og duktil, og han har god korrosjonsmotstand. Han blir derfor ofte brukt i applikasjonar der korrosjonsmotstand er viktig.

Ulemper

Ferritt åleine har avgrensa mekaniske eigenskapar, spesielt når det gjeld styrke og hardleik.