Hvilken betydning har legeringselementernei stål, og hvordan kan

legeringssammensætningen bestemmes?

Af

Carsten Jensen,FORCE Technology,

Afdelingen for Korrosion & Metallurgi

Risø-DTU, Roskilde, 24. januar 2008.

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Disposition

� Grundstoffernes oprindelse

� Hvad forstås ved en legering?

� Generelt om legeringselementer

� Legeringselementernes indflydelse på materialetsegenskaberne

� Enkelte eksempler på stål-legeringer

� Bestemmelse af legeringssammensætningen

Legeringselementernes oprindelse

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Smithsonian Astrophysical Observatory / NASA Chandra / Harvard � for non-commercial use

Si Ti Fe Ni

Cu V

2,7 x 105 g/ton 8,6 x 103 g/ton

58 g/ton 1,7 x 102 g/ton

5,8 x 105 g/ton 72 g/ton

Cr Mg Al Mn

96 g/ton 2,8 x 104 g/ton 8,0 x 104 g/ton 1,0 x 103 g/ton

Metaller på jordskorpen

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

C

Materialevalg

Materialeegenskaber

Legeringssammensætning / Fremstillingsmetode

Legeringselementer

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Legeringer

Hvad forstås ved en legering?

En legering består af to eller flere grundstoffer, hvorafhovedbestanddelen er et metal.

Det metal, som indgår i størst mængde, kaldes basismetallet

Hvad forstås ved et legeringselement?

Et legeringselement er et grundstof, der er tilsat en legering i en mindre mængde end basismetallet.

Lavt legeret stål:

Mindre end 5% legeringselementer

Højt legeret stål:

Mere end 5% legeringselementer

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Klassificering af jern-kulstof-legeringer

Klassificering efter kulstofmængden

Legeringstype % kulstof

Hypoeutektoidt stål ca. 0,05 - 0,8Eutektoidt stål 0,8Hypereutektoidt stål 0,8 - ca. 1,5Støbejern 2 - 4

Klassificering efter totale legeringsindhold

Legeringstype Sammensætning

Ulegeret stål 0,05 � 1,3

Totalt max. 1-2% leg.

Mikrolegeret stål Som ovenfor dog med

op til 1,5% Mn samt op

til 0,1% specielle leg.

Lavtlegeret stål Totalt max. 2-5% leg.

Højtlegeret stål Totalt max. Leg. > 5%

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Grænseværdier for legeringselementer

Grænseværdier hos en række legeringselementer af stållegeringer som legerede eller ulegerede

Legeringselement Grænseværdi [wt%]

Al Aluminium 0,10B Bor 0,0008Co Kobolt 0,10Cr Krom 0,30Cu Kobber 0,40Mn Mangan 1,65Mo Molybden 0,08Nb Niob 0,06Ni Nikkel 0,30Pb Bly 0,40Si Silicium 0,50Ti Titan 0,05V Vanadium 0,10W Wolfram 0,10

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Ståls Legeringselementer (1)

Kulstof [C]:� STYRKE OG HÅRDHED ØGES MENS � SEJHEDEN MINDSKES MED STIGENDE INDHOLD.� HÆRDBARHEDEN ØGES.� SVEJSELIGHEDEN FORRINGES.

Silicium [Si]:� BEROLIGELSESMIDDEL (binder ilt).

Mangan [Mn]:� ØGET STYRKE OG HÆRDELIGHED.� BINDER SVOVL OG SLAGGE.

Svovl [S]:� FORURENINGSELEMENT.� PROBLEMER MED RØDSKØRHED (varmerevner)� STØRRE INDHOLD I AUTOMATSTÅL.

Fosfor [P]:� FORURENINGSELEMENT.� PROBLEMER MED KOLDSKØRHED (hæver omslagstemp.)

Kvælstof [N]:� FORURENINGSELEMENT.� PROBLEMER MED ÆLDNING.

Legeringselementerne findes alle i lavt legerede stål.

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Urenheder i stål

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Energi, J

Temperatur, °C

Sprød

Sej

Ståls Legeringselementer (2)

Krom [Cr]:� STYRKEN ØGES. SEJHEDEN FORRINGES.� VARMEBESTANDIGHEDEN ØGES.� KORROSIONSBESTANDIGHEDEN ØGES.

Nikkel [Ni]:� STYRKEN ØGES UDEN AT � SEJHEDEN FORRINGES.

Wolfram [W]:� VIRKNING SOM Cr.� SPECIELT ØGES STYRKEN VED � HØJERE TEMPERATURER.

Vanadin [V]:� STYRKEN ØGES VED HØJERE TEMPERATUR.� FINKORNDANNER. ØGER SEJHEDEN.

Molybden [Mo]:� EGENSKABER SOM Cr OG W,

DOG KRAFTIGERE EFFEKT.

Cobalt [Co]:� SAMME VIRKNING SOM Ni.

ANVENDES MEST TIL VÆRKTØJSSTÅL.

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Sensibilitering af rustfritstål

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Samspillet mellem kulstof, krom og titani austnitisk rustfritstål.

Opløsningsglødet. jævn kromfordeling

Karbidudskillelse i korngrænser efter opvarmning til 600-900°C. kromfattige områder

Kromkarbid

18% Cr12% Cr

18% Cr

Legeringselementernes indvirkenpå hærdeprocessen

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Legeringselementernes effekt

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Titan- og krom-indholdetsindflydelse på austenit-områdets udstrækning

Ferrit- og austenit-stabiliserende legerings-elementer

Ferrite formers Austenite formers

Dan

nel

ses-

enth

alpi

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Ti Cr

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Kulstofs (C) betydning for mekaniske egenskaber

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Legeringselementernes indflydelse på egenskaberne

Kul

stof

Silic

ium

Man

gan

i lav

t le

g. s

tål

Man

gan

i høj

t leg

. stå

l

Kro

m

Nik

kel

i lav

t. le

g. s

tål

Nik

kel

i høj

t leg

. stå

l

Alu

min

ium

Wol

fram

Van

adiu

m

Mol

ybdæ

n

Kob

ber

Svov

l

Fos

for

C Si Mn Mn Cr Ni Ni Al W V Mo Cu S P

Trækstyrke - -

Forlængelse -

Kærvslagstyrke -

Hærdbarhed - -

Nitrerbarhed - - - - - -

Svejselighed ()

Korrosionsbestandighed - - - - - -

Slidbestandighed - - - - - -

Skalningsbestandighed - - -

= Forbedrer = Forringer = Lille effekt- = Ingen effekt

Kuls

tof

Silic

ium

Krom

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Udvalgte Ståltyper

0,80-1,20

0,30-1,15

0,15-1,10

1,00-3,50

0,40-1,10

0,26-0,42

%Al%Ni%Mo%Cr%Mn%C

-0,40-4,75

0,15-0,50

0,40-1,70

0,30-1,40

0,07-0,25

%Al%Ni%Mo%Cr%Mn%C

-0,60-4,75

0,15-1,00

0,30-2,70

0,30-1,10

0,22-0,62

%Al%Ni%Mo%Cr%Mn%C

--< 0,300,2-1,20

0,40-1,90

0,35-0,80

%Al%Ni%Mo%Cr%Mn%C

-0,30-4,70

0,12-5,20

0,30-17,0

0,15-1,60

0,24-2,30

%Al%Ni%Mo%Cr%Mn%C

----0,30-0,70

0,07-0,18

%Al%Ni%Mo%Cr%Mn%C

Indsætningsstål

Nitrerstål

Lavt legeret stål

Sejhærdningsstål

Fjederstål

Koldarbejsstål / værktøjsstål

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Rustfrit stål

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Ferritiske

12-30% Cr, 0,015-0,1% C

Martensitiske

11-17% Cr, 0,15-1,2%C

Austenitiske

16-26% Cr, 7-25% Ni, 0,02-0,1% C

Duplex (Ferritisk-Austenitiske)

18-26% Cr, 4,5-7% Ni, 0,03-0,07% C

Legeringselementer

Legeringselementer i værktøjsstål

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Eksempel � lavt legeret stål

Varmvalsede produkter af ulegeret konstruktions- og maskinstål

Kilde: DS/EN 10025

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Hvorfor analyser et materiale?

� Bestemme materialekvalitet

� Sikre overholdelse af standarder og specifikationer

� Vurdere styrkeegenskaber og bearbejdelighed

� Vurdere korrosionsbestandighed

� Fastlægge optimal varmebehandling

� Bedømme svejsbarhed

� Fastlægge evt. reparationsprocedure

� Angive mulige erstatningsmaterialer

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Bestemmelse af den kemiske sammensætning af metaller

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

OES - Optisk emmissionsspektoskopi

� Meget præcis metode� Kan bestemme kulstofindholdet

XRF � Røngtenflourescens

� Z=11 / Z=22� Mulighed for analyse af meget små mængder� Pulver, væsker og fastestoffer

SEM-EDAX � Energidispersiv røngten

� Z=5� Mulighed for analyse af volumen på 1 µm3

� Linescan og mapping

� Grøn : Klor

� Blå : Kalium

� Rød : Svovl

Ståltyperlegering, struktur og egenskaber

Legering

Struktur

Egenskaber

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008

Legeringselementer

supernova-eksplosioner

Risø-DTU, Roskilde, 24. Januar 2008