Stål er et enestående materiale og absolutt uforlignelig når det kommer til dets utallige bruksområder og egenskaper. Intet annet materiale har bidratt mer til menneskehetens utvikling og ekspansjon enn stål. Hele vår moderne sivilisasjon hviler på det.

Dette er et bredt og komplisert tema som jeg har til hensikt å gå i dypet av, og gi en oversikt over et emne som kan virke uoversiktlig og overveldende, men som i bunn og grunn er ganske simpelt i de store trekk.

Dette blir delt opp i 3 innlegg:

Historie og produksjon
Krystaller, mikrostrukturer og legeringer
Varmebehandling; typer og metoder

Hva er stål?

Stål er en blanding av jern og karbon. Forskjellige ståltyper har ulike blandingsforhold av disse to stoffene og kan inneholde små mengder av andre grunnstoffer som endrer egenskapene til legeringen ytterligere.

Jern er et metall med atomnummer 26 og forkortelse Fe for Ferritt, fra latinske ferrum. Det er det fjerde mest vanlige grunnstoffet i jordskorpen på 5% etter aluminium (8%), silikon (28%) og oksygen (46%). Ettersom du kommer dypere ned blir det mer og mer vanlig, til du når jordens kjerne som er hovedsakelig flytende jern; alt jern på jorden er antatt og utgjøre ca 35% av planetens masse. Metallisk jern oppstår vanligvis ikke på overflaten, men er naturlig dypere i jordskorpen. Det finnes hovedsakelig som brun malm, eller jernoksid, bedre kjent som rust. Det meste av jernet som utvinnes slik kommer fra en type jernmalm som kalles hematitt (Fe2O3), som kommer fra “blodig” på gresk. Friske kuttede biter med jern fremstår med en skimrende grå overflate, men vil etterhvert omdanne seg til jernoksid igjen i en oksygenrik og fuktig atmosfære. Jern er et ganske “aktivt“ metall og binder seg lett med andre stoffer.

Det er et relativt mykt og duktilt materiale og har et smeltepunkt på 1538°C og koker ved 2862°C.

Karbon er et ikkemetall med atomnummer 6 og forkortelse C fra latinske carbo (kull). Det har 4 elektroner i ytre skall slik at det binder seg veldig enkelt til andre stoffer. I blanding med solide materialer lager høyt karboninnhold i mange tilfeller karbider. Disse er gjerne veldig harde. Rent karbon oppstår i ulike former kalt allotroper og egenskapene til disse er svært ulike. De vanligste formene for karbon er amorft karbon (løst karbon og andre ikke-krystalliske forekomster slik som kull), grafitt og diamant. Grafitt er bløtt og brukes i blyanter, mens diamant er det hardeste materialet vi kjenner til, så man kan se at strukturen til karbonet har stor innvirkning på egenskapene.

Produksjon av stål

Jern har vært kjent siden de gamle egypterne, mens kjennskap til stål har eksistert siden ihvertfall 200 år f.Kr. Det oppstod stort sett - som alt annet - i Kina og om de visste hva de drev med eller ikke er usikkert, men de var ihvertfall i stand til å lage en høvelig grei form for stål. Japanerne hadde også stål relativt tidlig, men siden Japan er en vulkansk øy var jernet deres fullt av urenheter og det resulterende stålet var ikke av den beste kvalitet. Dette er grunnen til at de istedenfor å lite på gode materialer måtte smi det de hadde slik at urenhetene ble hamret ut og at det resulterende jernet hadde en intern struktur som var solid. Ved å brette stålet og hamre det sammen banket de ut urenhetene så godt det lot seg gjøre; derfor er det kjente japanske sverdet, katana, brettet så mange ganger og lages med en karbonrik ståltype til eggen og en bløtere legering til kroppen som på ulike måter kombineres for å lage et solid blad. Den kurvede formen til sverdet oppstår ved herdingen pga. sammensetningen av ulike ståltyper.

Vikingene hadde forsåvidt også stål, men ikke fordi de utvinnet det på en effektiv måte. Hvis de hadde godt stål så var det enten plyndret eller handlet fra midt-/sør-europa eller sentral-asia. De hadde stort sett ikke mulighet til å oppnå nok varme for å smelte det ordentlig og i et forsøk på å lage bedre sverd og andre våpen brant de dyreknokler og horn sammen med smijernet, som hadde den utilsiktede effekt å tilføre en kilde til karbon. Dette karbonet sev inn i jernet og lagde stål og dermed bedre sverd, så det er ikke vanskelig å forstå at de trodde dyrets sjel var fanget i sverdet og ga det styrke.

Moderne stålproduksjon oppstod hovedsakelig på 1800 tallet med bl.a. Bessemer-metoden. Stålproduksjon av stor skala var den største pådriveren til den industrielle revolusjon. Moderne metoder for å produsere godt stål ble oppdaget allerede på tidlig til midten av 1700-tallet av Benjamin Huntsman, men prosessen var langsom og ga ikke store kvanta i slengen. Mer om disse senere.

Produksjon av stål som du får “kjøpt i butikken“ er en flerstegsprosess. Jernmalmen er som sagt jernoksid, så det første steget er å fjerne oksygenet for å ende opp med rent jern. Dette gjøres via en reduksjonprosess og den krever at malmen varmes opp til flytende og vel så det. Reduksjonprosessen går ut på å tilføre masse fritt karbon for å binde seg med oksygenet i jernet og lage karbonmonoksid og karbondioksid.

For å oppnå både høy nok temperatur og en god kilde til fritt karbon ble det brukt koks* (eng: coke), som var mye av nøkkelen til moderne stålproduksjon.

Dette ble gjort i store smelteovner enkelt kalt storovner, eller masovner, (eng: blast furnace (“blast“ kommer av at luften skytes inn nedenifra over atmosfærisk trykk)) der en blanding av koks, malm og fluksmiddel (eng: flux), ble helt i fra toppen og for-oppvarmet luft, gjerne 750°C eller varmere, ble blåst inn fra undersiden.

Fluksmiddelet, gjerne kalkstein og andre bergarter med lavere smeltepunkt, ble benyttet for å bidra til at urenhetene i malmen skiller seg ut og “samle opp“ disse urenhetene og lage en sammenhengende masse av dem som ligger og flyter som et lag oppå jernet slik at det lar seg tappe av og fjerne regelmessig. Det flytende jernet som samles på bunnen tappes ut i støpeformer, derav støpejern (eng: pig iron/cast iron/crude iron).

Antrasitt, eller rent steinkull (venstre) og koks (høyre)

* Koks er et brensel laget av kull. Det produseres i koksovner der steinkull varmes opp uten tilgang til oksygen slik at andre urenheter i kullet drives ut, men ikke forbrenner karbonet. Dette raffinerer det til et veldig rent brensel (tørrdestillasjon).

Trekull og beinkull lages på samme måten, ved å varme opp organisk materiale og benekte tilgangen på luft.

Navnet “pig iron” kommer av at støperennen og de tilkoblede formene (pigs) ligner en purke som mater ungene sine.

Forbrenningen av koksen skaper ekstrem temperatur og produserer karbonmonoksid. Denne karbonmonoksiden reagerer igjen med jernoksidet som igjen lager karbondioksid og fjerner oksygenet i malmen.

I sluttfasen av smelteprosessen er jernet i kontakt med kullet eller koksen det ble smeltet med som riktignok har fjernet oksygenet i malmen og omgjort det til rent jern, men karbonet har også bundet seg til jernet og resultatet vil ha et karboninnhold på rundt 4% av totalvekten. Det er mye.

Etter et deigaktig stadie stivner jernet ved ca 1130°C. Vi har nå en solid jevn blanding i form av støpejern. Som vi kan forstå fra dette har karbonet innvirkning på smeltepunktet til jern. Mer karbon vil gi et lavere smeltepunkt.

Støpejernet i denne tilstanden anses som et mellomstadie i produksjonen av stål, men brukes også til produksjon i støpeformer og det finnes ulike typer støpejern avhengig av bruksområdet. Støpejern er hardt og sterkt og har gode termisk ledende egenskaper, men det er skjørt og ikke veldig elastisk. Det lar seg bearbeide og blir brukt i motorblokker, stekepanner, slitedeler og store installasjoner som må tåle mye vekt. Jeg vil lenger ned forklare nærmere forskjellene på de ulike formene for støpejern, men vi har hovedsakelig grått støpejern og hvitt støpejern. Disse defineres av utseendet på en bruddflate. Hvitt støpejern er hardt og sprøtt, mens grått støpejern er mykere og sterkere.

Neste steg i prosessen for å lage stål er å fjerne alt karbonet som på godt og vondt blandet seg inn i det forrige steget. Hvis omgjøringen av malmen til jern var en deoksidering så må vi nå utføre en dekarbonisering. Dette ble tradisjonelt gjort med en prosess der man varmer opp støpejernet sammen med mer jernmalm, som inneholder oksygen som igjen løsner og binder seg med karbonet i jernet. På noen måter en paradoksal prosess, og i dag er det vanlig å varme opp råjernet elektrisk og blåse inn oksygen som forbrenner karbonet i smeltebadet for en veldig ren prosess som lager veldig rent jern.

Som vi nå vet så vil et høyere innhold av karbon gi et lavere smeltepunkt, så en smart prosess ble oppfunnet av Henry Cort rundt 1783.

Puddelprosessen (eng: puddling) gikk ut på å varme opp jernet adskilt fra selve brennselet slik at man ikke tilførte mer karbon når man prøvde å bli kvitt det.

Jernbadet som bestod av hvitt støpejern med høyt karboninnhold ble varmet opp med indirekte varme og en gjennomstrømning av luft. Veggene i ovnen ble dekket med jernmalm for å tilføre ekstra oksygen. En luke i siden ble åpnet og en arbeider med en lang stang/åre rørte rundt i pytten for å hjelpe oksideringsprosessen. Etterhvert som karbonet i blandingen forbrenner som karbondioksid stiger smeltepunktet til det nå rene jernet og dette blir igjen en deigete substans som fester seg til arbeiderens stang og kan deretter tas ut litt etter litt og hamres ut til en blokk av smijern. Hamringen drev ut det meste av slagget som ble med ut fra pytten. Det engelske navnet for dette produktet er wrought iron, hvilket er en gammel måte å skrive worked på, som rett å slett betyr at det er bearbeidet med slag og andre formgivende prosesser.

Først nå ender man opp med rent jern med ikke mer enn 0,08% karbon.

Før den moderne storovnen ble tatt i bruk var det mindre masovner som produserte stål (eng: bloomery). De var ofte ikke i stand til å oppnå temperaturer som gjorde at jernet ble flytende, men varmt nok til at det smeltet delvis og konsolidere i bunnen som en klump med jern (eng: bloom). De hadde heller ikke mestret bruken av fluks, så klumpen inneholdt også slagg. Det var derfor nødvendig å raffinere jernet på en mer “hands-on“ måte og klumpen ble hamret sammen slik at urenhetene ble fortrengt.

Dette jernet er ikke støpejern, for det har ikke blitt støpt, og det inneholder heller ikke like mye karbon, men det har fremdeles et relativt høyt karboninnhold. Dette er en av de tidligste formene for brukbart stål. Det kan betraktes som høy-karboninnholdig smijern.

Etter at jernet er redusert til et mykere, så godt som, karbonløst materiale kan det kan nå tilsettes mer karbon og andre stoffer for å produsere stål med ønskede egenskaper.

Som nevnt tidligere så akkrediteres Benjamin Huntsman med å ha oppfunnet den første effektive måten å lage godt stål på rundt 1740, som mye av nøkkelen bak var at han oppnådde høy nok temperatur til å gjøre stålet godt flytende slik at det blandet seg godt og jevnt, hvilket han som førstemann benyttet koks til. Prosessen hans gikk ut på å smelte “blister steel “, solide jernbarrer som har sugd opp karbon uten å smelte, mye på samme måte som vikingene gjorde; den største forskjellen værende at jernet ble lagt lagvis med kull i lufttette bokser. Navnet blister steel kommer av at det dannet seg “blemmer“ på overflaten av det resulterende stålet. Dette kalles cementeringsprosessen. Dette produktet hadde ikke et helt jevnt karboninnhold og ble kappet i biter, bundet med jerntråd og varmhamret (eng: forged) for å slå ut ytterligere slagg, blande karbonet bedre og produsere et mer homogent materiale. Denne prosessen kaltes faggoting og resultatet ble kalt shear steel.

Benjamin Huntsman tok altså dette stålet, kappet det i biter og puttet det i smeltedigler og puttet disse i en ovn med koks. Dette produserte smeltedigelstål (eng: crucible steel), rett og slett stål som er laget i potter (smeltedigler) slik at det er adskilt fra brennselet. Resultatet var bra for datidens standarder, men prosessen langsom med tanke på kvanta.

Over 100 år senere kom Henry Bessemer til unnsetning med en ny oppfinnelse. Bessemer så behovet for en raskere, billigere og mer effektiv måte å produsere stål på fra råjern og oppnådde dette i 1855 med sin Bessermer-konverter.

Ideen var å ta flytende støpejern rett fra masovnen og helle det i denne maskinen. Den har ingen innebygd oppvarming og blir heller ikke oppvarmet eksternt, men prosessen fungerer på prinsippet at den varme luften som blir skutt inn underifra gjennom blestdysene tilfører oksygen rett inn i blandingen slik at alle urenhetene, spesielt karbonet, silikon og mangan, blir oksidert og forsvinner som gasser ut fra toppen eller legger seg som slagg oppå badet. Oksidasjon av disse stoffene er en eksotermisk reaksjon, som vil si at de avgir varme, og er nok til å holde badet flytende i den opp til 30 min lange prosessen. Ytterligere karbon og andre legeringstoffer kunne også tilsettes i slutten av prosessen for å oppnå en ønsket type stål. Maskinen blir så tippet til den ene siden for å helle av slagget mens den holder på stålet og så til den andre siden for å helle av produktet.

Det var del 1, del 2 er på vei. Hold øynene åpne for den, der vi går i dypet av krystallografi, mikrostrukturer, effekten av ulike karboninnhold og varme og hvordan alt dette henger sammen! Stay tuned!

EVENTYR I MEKANIKKENS VERDEN

Stål: Historie og produksjon

Hva er stål?

Produksjon av stål