Materialelære i fortid og fremtid

Hvor kommer jern fra sagde jeg til mine elever både i fysiktimerne men også i materialelære. Det er en fantastisk proces at lave materialer som indgår i al vores udvikling, våben, landbrug, industri, forædling og meget mere næsten alting og der er selvfølgelig mere end stål.

  • Old times - Viking

  • New times - Koreans

De stoffer, som kun består af et slags atomer, kaldes grundstoffer. Man kan inddele disse stoffer i nogle hovedgrupper.

Metaller

Metallerne, der er langt den største gruppe. Her findes jern, kobber, aluminium og alle de andre kendte metaller, men også en stor mængde ukendte og sjældne stoffer. Samt ledende for strøm.

Halvmetaller

Halvmetallerne (metalloiderne), der er stoffer med metallignende egenskaber. Kulstof og silicium hører til denne gruppe. Samt ledende for strøm.

Ikke-metaller

Ikke-metallerne, der omfatter stoffer som ilt, kvælstof, fosfor og svovl samt de inaktive luftarter: helium, neon, argon og krypton. At luftarterne er inaktive betyder, at de ikke danner kemiske forbindelser med andre stoffer. Ikke-metaller udgør 75% af stofmængden på jordkloden.

For lettere at kunne skrive et navn eller betegnelse for et grundstof har man indført atom-eller grundstofsymbolet. Det består af et eller to bogstaver, hvoraf det første skrives med stort.

 

Navn Symbol Smelte Vægt
Jern Fe 1535,00°C 7,86 g/cm3
Kobber Cu 1084,62°C 8,96 g/cm3
Zink Zn 419,53°C 7,14 g/cm3
Aluminium Al 660,32°C 2,70 g/cm3
Tin Sn 231,90°C 7,29 g/cm3
Bly Pb 327,46°C 11,34 g/cm3
Nikkel Ni 1455,00°C 8,91 g/cm3
Guld Au 1064,18°C 17,31 g/cm3
Sølv Ag 961,78°C 9,32 g/cm3
Platin Pt 1768,30°C 21,45 g/cm3
Plast 120-170 0C Ca. 0,9 g/cm3 200-400 m/min.
100% rent jern er meget, meget dyrt at fremstille.

Det er praktisk umuligt at fjerne alle legerings­stoffer i jernet.

Metaller

Jern (Fe)

Jern udgør 6,2% af jordens overflade.

Jern udvindes af jernmalm i åbne brud og i miner.

Jern udgør 95% af de metaller, der bruges i verden.

Den reneste jernkvalitet, som fremstilles i større mængder, er Armcojern med ca. 99,8% jern. Små mængder af særlig rent jern over 99,9% jern, kan fremstilles som elektrolytmetal eller som carbonyljern.

Kobber (Cu)

Kobber optræder som rent metal i naturen indlejret i kobbermalm.

Bakterier trives ikke på en kobberoverflade.

Kobber er en god elektrisk leder og varmeleder.

Kobber danner ir, som beskytter mod yderligere korrosion.

Zink (Zn)

Zink udvindes elektrolytisk af sphalerit.

Zink anvendes til tagbeklædning, tagrender og nedløb samt galvanisering.

Aluminium (Al)

Aluminium udvindes primært fra bjergarten bauxit.

Aluminium er et letmetal og vejer ca. 1/3 af jerns vægt. Aluminium har stor mekanisk styrke og er korrosionsbestandigt. Det er let at forarbejde, ugiftigt samt en god leder for både varme og elektrisk strøm.

Aluminium anvendes til mange ting, eksempelvis: Til emballage benyttes det i aluminiumdåser og som indpakning for færdigretter og til aluminiumfolie (alufolie eller sølvpapir) samt til almindeligt køkkengrej. Inden for byggeindustrien anvendes aluminium f.eks. til drivhuse, døre og vinduesrammer. Inden for transportsektoren anvendes aluminium til fly, både, biler, lastbiler, busser og tog. De moderne IC tog er fremstillet af aluminium.

Aluminium har en stabil overflade af aluminiumoxid.

Tin (Sn)

Tin udvindes elektrolytisk af cassiterit og stannit.

Tin legerer sig let med andre metaller, da smeltet tin opløser lidt af overfladen og danner overgangslag af f.eks. jern-tin- og kobber-tin-krystaller, som giver god vedhæftning og gode loddeegenskaber.

Tin anvendes først og fremmest i form af fortinning, dvs. som et ugiftigt, korrosionsbestandigt og lodbart overtræk på andre metaller, især til konservesdåser, dunke og bøtter. Dåseblik er som regel elektrofortinnet med ca. 1 μm tin lagtykkelse.

Tin kan også anvendes til pynteting som lysestager og tinsoldater.

Bly (Pb)

Bly udvindes blymalm også kaldet blyglans.

Bly er et blødt tungmetal, der egner sig til fremstilling af bøjelige ting.

Bly anvendes til kirketage, batterier, hagl og Romerrigets vandrør. Bly benyttes endvidere som skærmning mod røntgen- og gammastråling.

Bly er et meget giftigt metal og kommer ikke ud af kroppen.

Nikkel (Ni)

Langt det meste nikkel udvindes af mineralet pentlandit i sulfidmalm.

Nikkel anvendes i smykker, magneter og mønter. Endvidere indgår nikkel i genopladelige batterier og akkumulatorer baseret på nikkel-jern (NiFe) eller nikkel-cadmium (NiCd).

Det allermeste nikkel ender som bestanddel i legeringer, først og fremmest rustfri stål. Nikkel bidrager til legeringernes styrke, hårdhed, varme- og korrosionsbestandighed.

Nikkel anvendes også som dekorativ overfladebehandling i form af en fornikling.

Nikkel er kemisk modstandsdygtigt over for luft, vand og syrer.

Guld (Au)

Guld er et ædelmetal. Det nedbrydes vanskeligt under påvirkning af ilt, vand og almindelige kemikalier. Guld er modstandsdygtig overfor de fleste kemikalier.

Guld udvindes af granitmalm (1-5 gram guld pr. ton malm).

Guld findes også i form af udskyllede guldpartikler. Ved forvitring af de guldholdige bjergarter frigøres guldpartiklerne og skylles ud i floder som grus, hvor guldet på grund af sin store tyngde koncentreres i sandforekomster. I enkelte tilfælde findes store guldklumper.

Guld anvendes i smykker, elektronik, bladguld og betalingsmiddel.

Guld er et sjældent og derfor eftertragtet metal. At eje guld har altid været ensbetydende med magt og rigdom.

Sølv (Ag)

Sølv udvindes som “frit”, metallisk sølv og af mineraler.

Sølv anvendes i smykker, elektronik, til lodning og som betalingsmiddel.

Sølv er en god varmeleder og har god elektrisk ledningsevne.

Sølv har længe været anvendt som ædelmetal til kostbare ting, der afspejlede deres ejers rigdom og status. Smykker og sølvtøj fremstilles traditionelt af sterlingsølv, som består af 92,5% sølv og 7,5% andre metaller, normalt kobber.

Platin (Pt)

Platin udvindes af malm (0,5 gram platin pr. ton malm).

Platin anvendes i smykker, urer og elektronik.

Platin anvendes som katalysator til en række kemiske processer. Platins korrosionsbestandighed ved høje temperaturer gør metallet velegnet som katalysatorer i bilers udstødningssystemer.

Platin er 30 gange så sjældent som guld og 50% dyrere end guld.

Visse platinholdige kemiske forbindelser er i stand til at dræbe celler. Det udnyttes i kemoterapi.

Messing

Messing består primært af grundmetallerne kobber (Cu) og zink (Zn)

Eksempler på blandingsforhold:

Cu 62% + Zn 38%

Cu 90% + Zn 10%

Blandingsforholdet og indholdet af andre metaller har betydning for legeringens egenskaber som smeltepunkt, hårdhed og modstandsdygtighed overfor kemiske påvirkninger.

Messing med over 65 % kobber er smidigt og formbart ved stuetemperatur.

Messing, der har 50-55 % kobber, er hårdere og må valses og smedes ved høj temperatur.

Bronze

Bronze er en fællesbetegnelse for et meget stort antal kobberlegeringer fortrinsvis med tin, men også med aluminium, bly, nikkel og andre metaller. Valset og støbt bronze anvendes nu, hvor der kræves hårdhed og styrke, korrosionsbestandighed, umagnetiske egenskaber og stor slidstyrke.

Eksempler på blandingsforhold:

Kobber (Cu) 90% +

Tin (Sn) 10%

Tinbronze er den ældste anvendte bronze type. Med et indhold af 5-25% tin bliver metallet meget lettere at støbe end rent kobber og samtidig stærkere og hårdere.

Bronze med 5-8% tin kan forarbejdes og hærdes ved smedning. Tinbronze var umådelig nyttigt til værktøj og våben og har givet navn til bronzealderen.

Bronze bliver også brugt til støbning af statuer, til kirkeklokker og til kanoner.

Aluminiumbronze (10 og 20 kr.)

Vores 10 og 20 krone mønter er eksempel på aluminiumbronze.

Kobber (Cu) 92% +

Aluminium (Al) 6% +

Nikkel (Ni) 2%

Tinbronze (50 øre)

Vores 50 øre mønt er eksempel på tinbronze.

Kobber (Cu) 97% +

Zink (Zn) 2,5% +

Tin (Sn) 0,5%

Plast

Plast, kunststof (eng. plastic anglicisme plastik) er en betegnelse for en række materialer, almindeligvis baseret på mineralolie fra undergrunden (råolie). Råproduktet blandes med forskellige stoffer alt efter hvilke egenskaber materialet skal have, bl.a. hårdhed, elasticitet, resistens mod UV-stråling og farve.

For modsat den olie, der bliver brugt til transport i forbrændingsmotorer, så kan olien, når den er lavet til plastik, gøre gavn mange gange.

Det første plastlignende materiale blev fremstillet ca. 1855 af den britiske kemiker og opfinder A. Parkes. Det dannedes ud fra cellulosenitrat, amerikansk olie og kamfer og fik navnet parkesine. Det blev forløberen for det første egentlige plastmateriale, celluloid, som blev fremstillet i 1869 af den amerikanske opfinder J.W. Hyatt. Celluloid er cellulosenitrat, som er blødgjort med kamfer. Motivationen for at udvikle dette nye materiale var at erstatte elfenben til fremstilling af billardkugler.

Det egentlige gennembrud for plast kom i 1905, da den belgiske kemiker L.H. Baekeland udviklede bakelit, fremstillet af fenol og formaldehyd sammenpresset med træmel. Denne formaldehydplast (fenolharpikser) fik hurtigt stor udbredelse og benyttes stadig i forskellige former. Det er den første repræsentant for hærdeplastene og den første helsyntetiske polymer.

Tiden mellem de to verdenskrige frembragte den første generation af termoplastene, polystyren, polyvinylklorid, celluloseacetatnylon, polymethylmethakrylat, polyethylen samt carbamid- og melaminplast. I årene efter 2. Verdenskrig kom anden generation, de hårde konstruktionspolymerer eller tekniske polymerer som HD-PE (high density polyethylene), polypropylen, polycarbonat (se carbonatplast og polyestere), epoxy og polysulfon.

Endelig i slutningen af 1960’erne udvikledes tredje generation, fx polyimider, carbon- og aramidfibre samt flydende krystallinske polymerer. De følgende årtier har ikke bidraget med nye polymerer af volumenmæssig betydning. Udviklingen er derimod gået i retning af anvendelse af polymerblandinger, polymerlegeringer og compounder samt ikke mindst fiberforstærket plast ( kompositmaterialer). Fiberforstærket plast kan opnå egenskaber, der på mange måder overgår metallernes.

Vi bruger oftest:

Amidplast (PA) Nylon – polyamid (fx lejer, beholdere, kabler.

Akrylglas (PMMA) – polymethylmethakrylat (fx plexiglas og lygteglas)

Acetalplast (POM) – polyoximethylen (fx tandhjul, engangslightere)

Kompositmaterialer

Forbehandling af hærdeplastbaserede kompositmaterialer til genanvendelse

Vedhæftning mellem plast og glasfiber
Fremstillingsprocesser
Sandwichkonstruktioner
Udtjente produkter af kompositmaterialer

Kompositmaterialer er sammensatte materialer, der normalt består af flere synlige faser. To eller flere materialer kombineres så der dannes et brugbart, tredje materiale med nye egenskaber.

Mennesket har tidligt benyttet sig af sammensatte materialer. Et kendt eksempel er klinet ler, der består af halmstrå og ler. I moderne materialeterminologi kunne man kalde dette materiale for stråforstærket ler eller cellulosefiberforstærket ler. Beton bestående af cement, sand, grus og sten er et andet eksempel. I jernbeton indgår jernarmering som en yderligere fase. Træ er et naturligt forekommende kompositmateriale, som består af cellulosefibre, der er bundet sammen med limstoffet lignin.

Mange forskellige kompositmaterialer er baseret på plast som bindemiddel mellem fibre. Det bedst kendte plastbaserede kompositmateriale er glasfiberforstærket umættet polyester, som anvendes som konstruktionsmateriale til en lang række produkter inden for industri, byggeri, transport, energiproduktion og fritidsudstyr. Lystbåde, vindmøller, småfly og landbrugssiloer er nogle af de produkter af glasfiberforstærket polyester, der er mest synlige i vores omgivelser.

Umættet polyester hører til hærdeplastene. Hærdeplast er karakteristiske ved, at de ikke bliver bløde eller smelter ved opvarmning. Plastdelen i hvert eneste emne af hærdet hærdeplast består faktisk af et eneste kæmpestort molekyle. Andre almindeligt forekommende hærdeplast er epoxyplast, phenolplast, melaminplast og polyurethan.

I langt de fleste tilfælde er det glasfibre, der anvendes som forstærkningsmateriale i plastbaserede kompositter; men i en række avancerede produkter anvendes carbonfibre eller aramidfibre som forstærkning. Carbonfibre benævnes undertiden kulfibre eller grafitfibre. Aramid er nok bedre kendt under et af handelsnavnene, nemlig Kevlar&®. Også fibre af andre materialer anvendes i særlige tilfælde.

Vedhæftning mellem plast og glasfiber

Glas er uorganiske materialer, mens plast er organiske materialer. God vedhæftning mellem plast og glasfiber er en forudsætning for, at kompositmaterialerne kan bruges i lastbærende konstruktioner, idet der skal kunne overføres kræfter mellem glasfibre og plast. For at forøge vedhæftningen bliver glasfibre, der skal bruges til forstærkning af plast, overfladebehandlet med forskellige stoffer, der sikrer god vedhæftning både til glasfibre og til plast.

Til forstærkning af umættet polyester og af epoxyplast består overfladebehandlingen typisk af forskellige silaner (siliciumholdige, organiske forbindelser). Foruden det vedhæftningsforbedrende stof indeholder overfladebehandlingen stoffer, som beskytter de enkelte fibre (monofilamenterne) mod mekanisk overlast under den videre forarbejdning samt stoffer, der binder de enkelte glasfibre sammen til større bundter. Diameteren af enkeltfibrene er nemlig kun i størrelsesordenen 10 m (= 0,01 mm). Den samlede “pakke” af disse hjælpestoffer i overfladebehandlingen betegnes i branchen med det engelske ord sizing eller size.

Under termisk forbehandling ved pyrolyse og ved forbrænding som i dette projekt vil hovedparten af hjælpestofferne blive nedbrudt og forsvinde ved fordampning, og man kan defor ikke forvente at opnå samme gode vedhæftning med regenererede glasfibre som med nye fibre. Muligheden for at tilføre ny size til de regenererede fibre er til stede; der er dog tale om forholdsvis komplicerede og dyre processer.

Fremstillingsprocesser

Emner af hærdeplastbaserede fiberkompositter fremstilles ved en lang række forskellige processer og varianter heraf. Emnestørrelse, emnegeometri og stykantal er væsentlige faktorer for valg af fremstillingsproces. Store emner fremstilles traditionelt ud fra flydende plastharpiks ved håndoplægning, sprøjteoplægning og vikling; i de senere år har flere varianter af injektionsmetoder ofte i kombination med vakuum vundet stor udbredelse. Store emner fremstilles i vore dage også ud fra såkaldt prepregs, som er halvfabrikata, hvori forstærkningsfibrene allerede er positioneret og imprægneret med plastharpiksen – sædvanligvis i relativt tynde og brede baner. Forsynet med en diffusionstæt plastfolie på begge sider er sådanne prepregs lette at opbevare på rulle eller i lag samt at håndtere under fremstilling og senere oplægning. Desuden sikrer plastfolien mod, at der ved fordampning mistes materiale, som ellers kan give anledning til arbejdsmiljøproblemer.

Store møllevinger fremstilles i dag både ved vakuumassisteret injektion og ved prepreg-metoden. Små og mindre emner i store seriestørrelser fremstilles traditionelt ved presning enten ud fra flydende plastharpiks eller ud fra et prepreg-produkt. Plane prepregprodukter baseret på glasfibre og umættet polyester benævnes ofte sheet moulding compounds med forkortelsen SMC. Dej-agtige, forimprægnerede produkter benævnes DMC (for dough moulding compound) eller BMC (for bulk moulding compound). Disse forkortelser er kendte i branchen. Med de nævnte metoder kan der kun fremstilles et enkelt emne ad gange, da de bygger på støbning i et formværktøj. Pultrudering, kontinuerlig laminering og kontinuerlig vikling er kontinuerlige metoder til fremstilling af rør, plader og profiler med ensartet tværsnit.

Sandwichkonstruktioner

Ofte anvendes hærdeplastbaserede fiberkompositter til yderskaller i sandwichkonstruktioner. Princippet i sandwichkonstruktioner er, at to forholdsvis tynde yderskaller af stærkt og stift materiale holdes sammen af en forholdsvis tyk, men let kerne med stor forskydningsstyrke. Under forudsætning af, at der er tilstrækkeligt god binding mellem skallerne og kernen, bliver forholdet mellem konstruktionens bøjestivhed og dens vægt meget stor, idet stivheden principielt stiger med tredje potens af tykkelsen. Man får således samme stive virkning, som kendes fra I-bjælker fx af stål.

Sandwichelementer indgår i mange af de almindeligt forekommende kompositprodukter. Det gælder fx i mange vindmøllevinger og i lystbåde.

Udtjente produkter af kompositmaterialer

Anvendelsen af plastbaserede fiberkompositter både med og uden sandwichelementer er i stærk stigning i disse år. Disse produkter vil efter endt levetid skulle bortskaffes og kan på sigt udgøre et affaldsproblem, hvis ikke der udvikles og sikres hensigtsmæssige bortskaffelses metoder. Når produkter af hærdeplast skal genanvendes, må man, i modsætning til termoplast som ganske enkelt kan smeltes, ty til andre principper i form af forbrænding eller mekanisk neddeling for at omdanne sådanne emner til fraktioner, der kan genanvendes.

Spændingsrækken

Spændingsrækken er en række af grundstoffer samt et antal metaller, sorteret efter deres reaktionsvillighed.

Metallerne i den venstre ende af rækken går let i kemiske forbindelse med andre stoffer, end metaller der står længere mod højre.

Man taler undertiden om de nævnte metallers ædelhed, hvor de lidt reaktionsvillige stoffer sidst i rækken omtales som “ædle”; fordi de ikke gerne går i forbindelse med andre stoffer, kan man finde disse såkaldt ædle stoffer i ren, metallisk form i naturen. Problemer kan også være sammensætning i en bestem rækkefølge.

På grund af deres reaktionsvillighed iltes eller “ruster” metaller i den venstre ende af spændingsrækken generelt meget let.

Kalium (K),           Calcium (Ca),             Natrium (Na),            Magnesium (Mg),

Aluminium (Al),     Zink (Zn),                  Jern (Fe),                  Bly (Pb),

Brint (H),              Kobber (Cu),              Sølv (Ag),                  Kviksølv (Hg), og

Guld (Au)

Fra jernmalm til Stål

Sintring

Før jernmalmen kan bruges skal den have en forbehandling, en sintring.

Jernmalmen knuses til små stykker på 2 – 3 mm i diameter og blandes med koks og brændt kalk.

Blandingen fyldes i jernkasser og opvarmes.

Blandingen smelter delvis sammen til store flager som efterfølgende knuses til en diameter på 15-30 mm.

Højovnen

Via et transportbånd føres jernmalm, koks og tilslag (slaggeregulerende stoffer) til toppen af højovnen.

Forvarmet luft indblæses i ovnen.

Ved 1500°C smelter malmen.

Ved 2300°C optager råjernet kulstof, silicium, mangan, svovl og fosfor.

Råjern udtappes helt i bunden af ovnen og slagge og urenheder udtappes fra overfladen af råjernsbadet.

Råjern er ubrugeligt, meget hårdt og skørt.

Højovn princip illustration

Sverige havde 300 højovne i drift omkring år 1750 og indtog en ledende stilling på Europas jernmarked. I Danmark har vi ingen højovne.

Højovn princip illustration

Engang omkring år 1100 skete der en epokegørende metodeforbedring, der førte til højovnen og friskningsherden. Meget tyder på, at de afgørende skridt blev taget i Västmanland-Dalarna på steder, hvor der var rigeligt med vandkraft.

Forudsætningen for at drive en højovn er en kontinuerlig kraftkilde, f.eks. et møllehjul, der kan drive blæsebælgene uden stop i flere måneder.

Den bedst undersøgte tidlige højovn er Lapphyttan øst for Norberg i Västmanland. Den var i drift ca. 1200-1350 og var omgivet af otte små friskningsherder, hvori højovnens råjern omdannedes til smedejern.

Råjern og støbejern havde i begyndelsen en ringe interesse, det var smedejernet, der var efterspørgsel på. Men med krudtets opfindelse blev der også brug for kugler og kanoner af støbejern (ca. 1400), og noget senere, fra ca. 1500, fandt støbejernet tillige almindelig anvendelse til bilæggerovne og gryder.

Jern og kulstof

Raffinering af råjern og skrot i oxygenovn (Kaldokonverter)

Ved raffinering omdannes flydende råjern og skrot til stål.

Når der tilføres ilt til det smeltede stål udvikles der varme, som giver en temperaturstigning fra 1350°C der er råjernets smeltetemperatur til ca. 1650°C, som er det udtappede ståls temperatur.

Raffinering af råjern og skrot i lysbueovn

Lysbueovne findes i forskellige størrelser der kan smelte fra ½ ton til 200 ton af gangen.

Smeltningen af stålet sker ved varmen fra lysbuen mellem grafitelektroderne og metalbadet.

Stålets legeringsstoffer og sammensætning

Helt rent jern er hvidt, blødt, uanvendeligt og stort set umuligt at fremstille.

Legeringsstoffer tilsættes stålet for at opnå bestemte egenskaber.

Stål, handelsstål, bygningsstål, varmevalset stål, koldvalset stål, ulegeret stål, smedejern er jern med legeringsstoffer inden for følgende grænser:

Jern             (Fe)

Kulstof        (C)              0,10 – 0,25%

Silicium       (Si)              Maks. 0,5%

Mangan       (Mn)            Maks. 1,4%

Svovl           (S)              Maks. 0,05%

Fosfor          (P)               Maks. 0,06%

Silicium

Silicium findes stort set i alt slags stål, dog normalt i små mængder. Ved et silicium indhold på 12% bliver stålet skørt og kan kun forgives ved støbning.

I jernkerner til transformatorer anvendes 2% til 4% silicium for at øge den elektriske modstand og for at nedsætte hvirvelstrømtabet.

Mangan

Mangan findes stort set i alt slags stål, dog normalt i små mængder. Stål med højt manganindhold 12% til 16% anvendes til slidbestandigt stål f.eks. stenknuserkæber og hammermøller i cementindustrien.

Svovl

Svovl er et skadeligt stof i stål; og derfor holdes svovl procenten altid så lav som muligt.

I stål med højt svovl indhold vil der ved opvarmning til smedetemperatur udskilles flydende jern-svovl (FeS) i stålets korngrænser. Og det opleves som om stålet smuldrer. Med andre ord: Stålet kan ikke smedes; man siger at det er rødskørt

Fosfor

Fosfor betragtes normalt som et skadeligt stof i stålet; derfor holdes fosfor procenten så lavt som muligt. Fosfor gør stålet skørt ved lave temperaturer.

Blødt stål

Blødt stål, er stål, der indeholder mindre end ca. 0,3% kulstof og kun små mængder silicium og mangan. Sådan stål er svejsbart, men ikke hærdbart.

Hærdning af stål

Hærdning er en ændring af materialers egenskaber, så de bliver hårdere.

For at stål kan hærdes, skal indholdet af kulstof være over 0,3%.

Stål hærdes for at opnå større hårdhed, større trækstyrke, mindre sejhed og sommetider større slidstyrke.

Hærdning af stål kan ske ved en øgning i antallet af krystalgitterfejl efterfulgt af en fastlåsning af disse, hvilket hæmmer plastisk deformation og dermed gør metallet hårdere.

Den bedst kendte og ældste hærdemetode er martensithærdningen af stål, der i sin simpleste form består i opvarmning af det færdigsmedede emne til rødglødhede efterfulgt af bratkøling i vand.

Stålet omdannes ved den høje temperatur, 750-1000 °C, til austenit, hvor kulstofatomerne i stålet sidder jævnt fordelt i krystalgitteret.

Ved bratkølingen forsøger austenitten at omdanne sig til ferrit, men kulstofatomerne forhindrer denne omdannelse, og i stedet dannes den metastabile uligevægtsstruktur martensit.

Hærdet stål har stor hårdhed, men er også ganske skør. Normalt må man derfor umiddelbart efter bratkølingen udføre en anløbning, dvs. en varmebehandling, der gør stålet sejere og mere stabilt og dermed anvendeligt til praktiske formål.

Hårdheden afhænger af stålets kulstofindhold.

Denne store hårdhed når dog kun 1-2 mm ind under overfladen. Hvis der kræves fuld hårdhed på større tværsnit, må der anvendes legeret stål.

Hærdning af stål har været kendt i 3000 år, lige så længe som man har arbejdet med stål.

I gummiindustrien udfører man også hærdning; processen kender vi som vulkanisering.

Også inden for glasindustrien kendes hærdeprocessen, her er det hærdning af glas.

Hærdning af 0,8% kulstofstål

  1. Stålet opvarmes til temperaturområdet vist herunder, ca. 810 °C.
  2. Stålet nedsænke under vand i en omrørende bevægelse.

Anløbning efter hærdning af 0,8% kulstofstål

Ved den hurtige afkøling er der opstået store indre spændinger i emnet Emnet er blevet meget hårdt og skørt og vil sandsynligvis revne ved brug. Før emnet kan anvendes må en stor del af spændingerne fjernes.

For at formindske den skørhed, som er karakteristisk for stål, som er hærdet, opvarmes stålet til en temperatur, der ligger under den kritiske omdannelsestemperatur ca. 230°C. Herved mister stålet en ringe del af sin hårdhed, men får en afspænding og en strukturændring, der gør det mere sejt og mindre skørt.

  1. Stålet slibes/poleres med smergellærred.
  2. Stålet opvarme til ca. 230°C.
  3. Stålet nedsænkes i vand i en omrørende bevægelse.

Varmvalset stål

Alle former for stål, fremstillet hvor udgangsmaterialet er varme stålblokke (1100-1300°C). Under valsningen får stålet den ønskede tværsnitform ved passage gennem en række valsestole. Overfladen bliver stærkt påvirket, og den såkaldte valsehud opstår. Almindelig handelsstål som f.eks. stangstål, stålprofiler og sorte plader er typiske eksempler på varmvalset stål.

Koldvalset stål

Er stål, der valses i kold tilstand. Ved valsning sker en forædlingsproces. Ved koldvalsningen sker der en deformation af kornstrukturen, derfor skal de koldvalsede produkter glødes. Ved koldvalsningen og den efterfølgende glødning får man et produkt der er bedre end de varmvalsede produkter hvad angår:

  • Bedre overflade.
  • Tyndere materialer.
  • Snævrere tolerancer.
  • Bedre bearbejdningsegenskaber.

Almindelige tynde stålplader på 0,5 til 2,99 mm er eksempler på koldvalset stål.

Kulstofstål

Betegnelsen dækker stål, hvis egenskaber i overvejende grad er bestemt af et relativt højt kulstofindhold på mere end 0,3%.

Kulstofstål kan hærdes.

Kulstofstål er ikke svejsbart.

Ved svejsning i kulstofstål sker der en væsentlig ændring af indholdet af kulstof i de områder tæt på svejsningerne.

Rustfast stål

Betegnelsen omfatter stål der er legeret med krom og nikkel, der er meget korrosionsbestandige. Findes i forskellige kvaliteter, med forskellige anvendelsesformål. Det almindeligste rustfaste stål indeholder 18% krom og 8% nikkel. Rustfast stål med mere end 10% nikkel er også modstandsdygtig over for syrer. Det kaldes derfor også syrefast stål.

Værktøjsstål

Værktøjsstål er legeret eller ulegeret stål med et højt kulstofindhold på mellem 0,5 – 1,5%. Værktøjsstål har stor slidstyrke og modstandsevne over for temperaturstigninger, som opstår under værktøjets arbejde.

Legeret stål

Legeret stål, hvor legeringsstofferne findes i større mængde, end det er tilladt i ulegeret stål, og som tilsættes for at give stålet særlige egenskaber.

Lavtlegeret er stål legeret med mindre end 5% samlet legeringsmængde.

Højtlegeret stål indeholder samlet over 5% legeringsmængde.

Automatstål

Automatstål egnet til spåntagende bearbejdning i automatbænke. Den gode bearbejdelighed er opnået ved et større svovl- og manganindhold, eventuelt også mere fosfor end der findes i andre stålkvaliteter. Svovl 0,18 – 0,30%, fosfor ca. 0,10%.

Desuden fremstilles automatstål også legeret med bly og svovl.

Automatstål egner sig ikke til svejsning.

Fremstilling af støbejern

Råmaterialerne til støbejern er råjern, støbejernsskrot og legeringsstoffer som smeltes sammen med koks og andre slaggeregulerende stoffer.

Det smeltede støbejern optager kulstof fra koksene og støbejernet får et højt kulstofindhold.

Støbejerns smeltepunkt er mellem 1150 – 1250ºC

Legeringsstoffer i %:

Kulstof        2.9 – 4.0

Silicium       0.5 – 3.0

Mangan       0.3 – 1.5

Fosfor          0.02 – 1.5

Svovl           0.03 – 0.2

Jernets historiske Udvikling

Beviserne på jernets historie findes i det østlige Middelhavsområde i lande som Syrien Cypern og Grækenland. Man kan skelne mellem en indledende periode, 2200-1200 før Kristus, hvor jern havde en meget høj statusværdi, og en periode efter år 1000 f.Kr., hvor jern blev funktionelt og kom i almindelig brug.

I den indledende periode dukkede jern op hist og her i form af smykker og rituelle genstande. Blandt disse kan nævnes en daggert med guldhæfte fra i Anatolien, år 2200 f.Kr., og en pragtøkse fra Syrien, år 1400 f.Kr., hvor et blad af smedejern er faststøbt i en bronzefatning, der er dekoreret med guld.

I en overgangsperiode, år 1200-1000 f.Kr., begyndte brugsgenstande af smedejern, især enæggede knive, at dukke op som gravgaver på Cypern.

Jernteknologien er vanskelig, og det tog flere hundrede år, før anvendelsen af det nye metal slog fuldt igennem.

Jern havde i forhold til bronze nogle væsentlige fordele. Jernet kunne, selvom det ikke var hårdere end bronze, bedre holde en skarp æg og en spids. Desuden var jern stivere end bronze. Tillige var jernmalme mere udbredt end kobbermalme.

Datidens smede skulle imidlertid lære en ny teknologi: Mens bronzen fik sin form ved støbning, måtte jernet formes ved smedning, og dét ved temperaturer, der var betydelig højere end bronzes smeltepunkt.

Jern i Vesteuropa

I Vesteuropa fremstillede man smedejern direkte fra jernmalm, og der findes beviser på, at man lærte at fremstille og hærde knive, mejsler og lignende værktøj år 800-700 f.Kr.

For at kunne hærde jern måtte man finde smedejern med forhøjet kulstofindhold. Men den langt overvejende del af alt jern anvendtes i form af smedejern; det var det jern, der blev brugt til søm, hestesko, økser og beslag og til de fleste våben.

Fra Grækenland bredte kendskabet til jernteknologien sig op gennem Balkan, og fra Etrurien over Alperne til de keltiske områder. Omkring 600 f.Kr. var jernet velkendt i Østrig, Ungarn, Bøhmen og Bayern. Herfra spredtes kendskabet til Schweiz, Frankrig, Nordtyskland, England og Skandinavien, hvor jern med sikkerhed er blevet fremstillet, i hvert fald sporadisk, allerede 400-300 f.Kr.

Jern i Skandinavien

De tidligste spor af jernudvinding i Skandinavien er fundet ved Bruneborg (Østbirk sogn, Midtjylland, 200 f.Kr.). Omkring år 200-300. kan man konstatere en stor produktion i Vestjylland, hvor man systematisk begyndte at grave myremalm og behandle den i en ny type blæsterovn, der også er kendt fra samtidige anlæg i Nordtyskland og Polen.

Mellem år 1100 og 1600 fremstilledes hovedparten af det jern, der anvendtes i Danmark, i de østdanske landsdele Skåne og Halland og i de norsk-danske landsdele Jämtland og Härjedalen. Jernet kan være blevet sendt fra udvindingsstederne som halvfabrikata i form af 10-16 kg tunge klodser, der færdigbearbejdedes andre steder, i byer, på borge og i klostre. I sognene nord og vest for Silkeborg var der år 1300-1600 også en beskeden jernproduktion. Klodser af jern fra Simmelkær sendtes så sent som i 1599 til kongens ankersmedje på Bremerholm.

Omkring 1550 var jernhåndteringen blevet så mekaniseret, at man med vanddrevne hamre kunne smede jernet ud i lange stænger. Hermed kunne smedejernet sælges som stangjern, 3-4 m lange stænger med en vægt på 18-22 kg. Stangjern var udgangspunkt for alt smedearbejde, fra hestesko, søm, låse og nøgler til gitre, jernringe til vognhjul, værktøj og våben.