Metaller

Klassindelningen av metalliska material följer till stor del den som återfinns i SS-EN- standarden. Denna baseras i princip enbart på materialets kemiska sammansättning men grupperingar av legeringar med vissa gemensamma egenskaper förekommer för t ex lättmetaller och mjukmetaller.

Stål

Stål, som är den största underklassen till metaller, indelas ofta efter legeringsinnehåll. För val av material är emellertid en indelning baserad på användningsområde mera lämplig. Denna indelning återfinns också i SS-EN- standarder. Material utvecklas vanligtvis för att erhålla egenskaper som passar specifika tillämpningar och genom denna indelning får därför materialen i samma klass många egenskaper som är gemensamma. Stål indelas således så här.

Klicka för att få en klickbar förstoring!
stål konstruktionsstål allmänna kolstål kolmanganstål mikrolegerade kallformning seghärdade maskin maskinstål seghärdningsstål olegerade nitrerstål sätthärdningsstål automatstål fjäderstål rosttröga isotropa verktygsstål kallarbetsstål kullagerstål varmarbettstål snabbstål elektriska magnetiska reläjärn elektroplåt nickellegeringar mjukmagnetiska ferriter permanentmagnetiska rostfria stål ferritiska martensitiska austenitiska

Klassindelning av stål.

Konstruktionsstål används främst i bärande konstruktioner och maskindelar. Beroende på användningsområde prioriteras olika egenskaper och ståltyperna klassificeras därefter.

För byggnadskonstruktioner och tryckkärl används de s k allmänna konstruktionsstålen. Dessa levereras som plåt, stång, rör och profil och används normalt i sin ursprungliga form. Många sorter kan varm- och kallformas och även användas för gjutning. Svetsbarhet prioriteras. Vidare grupperas stålen efter de mekaniska egenskaperna, främst sträckgräns.

Stål som används i maskinkonstruktioner ges vanligtvis den slutliga formen genom skärande bearbetning. Utgångsämnen är varmvalsad stång, smides- eller gjutgods. Maskinbearbetbarhet prioriteras. Stålen erhåller speciella mekaniska egenskaper genom kemiska tillsatser samt genom olika härdprocesser (seghärdning, sätthärdning, nitrering m m) antingen före eller efter den skärande bearbetningen.

Automatstål har extremt bra skärbarhet. Detta innebär att man kan tillåta höga skärhastigheter med korta spån och man erhåller en bra ytbeskaffenhet. Automatstål levereras som kalldragen eller varmvalsad stång och lämpar sig inte för varmsmidning. Stål med låg kolhalt kan sätthärdas.

I fjäderstål prioriteras hög sträckgräns. Till fjädrar som utsätts för utmattningslast är därtill kravet på felfri yta hög. Fjäderstål kan seghärdas, anlöpas och kallbearbetas. För grövre dimensioner krävs ett legerat stål för att erhålla genomhärdning. Det finns även rostfria fjäderstål.

Till kategorin övriga konstruktionsstål kan nämnas rosttröga och isotropa stål. Ett rosttrögt stål rostar långsammare än ett vanligt kolstål. I isotropa stål, s k Z-stål, är hållfastheten i tjockleksriktningen efter varmvalsning likvärdig med hållfastheten i de övriga riktningarna.

Verktygsstål har utvecklats för att primärt användas i verktyg där man har krav på hårdhet, seghet, slitstyrka och eggskärpa. Stålen levereras vanligen i glödgat tillstånd som stång, tråd eller smide. Beroende på legeringsämnen och härdprocess kan produktens egenskaper varieras inom ett brett spektrum inklusive varmhållfasthet och rostfrihet. Verktygsstål grupperas efter användningsområde i kallarbetsstål, varmarbetsstål och snabbstål.

Elektriskt ledande och magnetiska stål. Stål har generellt god elektrisk ledningsförmåga (konduktivitet). Denna ökar med minskade halter av främmande ämnen, men inga stålsorter utvecklas i egentlig mening för denna egenskap. Däremot kan de magnetiska egenskaper anpassas för olika tillämpningar med hjälp av legeringar och genom olika tillverknings- och värmebehandlingsprocesser.

Rostfria stål bildar en egen klass i enlighet med SS-EN-standarden, men ingår egentligen i gruppen för legerade konstruktionsstål. Inom klassen för rostfria stål finner man stål som är rostfria, syrahärdiga, eldhärdiga och varmhållfasta. De delas emellertid in efter mikrostruktur och kemisk sammansättning.

  • Ferritiska och ferrit-martensitiska stål är formbara, men inte härdbara och har förhållandevis god svetsbarhet
  • Martensitiska stål kan seghärdas för ökad hållfasthet, men måste anlöpas före användning för att undvika sprödhet
  • Värmebehandling av utskiljningshärdande stål ger högre hållfasthet med bibehållen god korrosionshärdighet
  • Austenitiska stål kan inte härdas genom värmebehandling. Hållfastheten kan höjas genom legeringar och kallformning. Svetsbarheten är god. Seghetsegenskaperna är goda även vid låga temperaturer och säkerheten mot sprödbrott är hög.

De flesta rostfria stål levereras som plåt, band, stång, tråd, rör, smide eller gjutgods. På bekostnad av korrosionshärdigheten kan ferritiska, martensitiska och austenitiska stål erhålla förhöjd skärbarhet och levereras som automatstål.

Gjutjärn

Gjutjärn borde egentligen ingå i gruppen legerade kolstål, men järnlegeringar med hög kolhalt (> 2 %) erhåller mycket bra gjutegenskaper och kallas därför för gjutjärn. Produkter i gjutjärn kan tillverkas antingen direkt till sin slutliga form i gjutprocessen eller vanligare som halvfabrikat som erhåller sin slutliga form genom skärande bearbetning. Gjutjärn delas in i följande materialgrupperna:

  • Gråjärn
  • Kompaktgrafitjärn
  • Segjärn
  • Vitjärn
Gråjärn Kompaktgrafitjärn Segjärn Aducerjärn Vitjärn
gjutjärn gråjärn kompaktgrafitjärn segjärn aducerjärn vitjärn

Denna indelning är främst bunden till processen och materialets kemiska sammansättning, men material inom samma grupp erhåller även många egenskaper som är gemensamma. Dessa är sammanfattade i denna tabell.

Gråjärns mekaniska egenskaper kan förbättras genom olika legeringsämnen och genom ympning. Det finns gråjärnssorter som har god korrosionshärdighet och värmebeständighet. Värmebehandling är ovanlig.

Kompaktgrafitjärn ligger egenskapsmässigt mellan gråjärn och segjärn när det gäller hållfasthet, seghet och hårdhet.

Segjärnets olika hållfasthetsklasser uppnås direkt i gjuttillståndet genom styrning av den kemiska sammansättningen. Genom olika värmebehandlingsprocesser kan kombinationer av hög hårdhet, seghet, utmattningshållfasthet och slitstyrka erhållas.

Aducerjärn framställs genom värmebehandling av en viss sort vitjärn. Därmed erhålls ett gjutgods med relativt bra seghet. Genom styrning av värmebehandlingsprocessen kan materialets hållfasthet och hårdhet varieras.

Högkromhaltiga vitjärn har god värmebeständighet.

Krav på hög svalningshastighet begränsar i viss mån godstjocklek och storlek på produkter i vitjärn och aducerjärn.

Gjutjärns egenskaper.
Materialgrupp

Egenskaper

Gråjärn Utmärkta gjutegenskaper. God skärbarhet. Goda glidegenskaper. Mycket god tryck- och relativt god draghållfasthet. Låg seghet.
Kompaktgrafitjärn God skärbarhet. God värmeledningsförmåga.
Segjärn Goda gjutegenskaper. God skärbarhet. Hög hållfasthet och seghet. Goda glidegenskaper.
Aducerjärn Goda gjutegenskaper. God skärbarhet. Hög hållfasthet och seghet. Goda utmattningsegenskaper och god slagseghet vid låga temperaturer. Goda glidegenskaper.
Vitjärn Hög hårdhet. Mycket svårbearbetbart. Mycket god nötningsbeständighet.

Lättmetaller

Konstruktionsmaterial som innefattas i klassen lättmetaller framgår av denna bild.

 
Klicka för att få en klickbar bild!
lättmetaller aluminium renaluminium ej härdbara legeringar gjutlegeringar titan rentitan korrosionshärdig legering höghållfast magnesium bearbetning gjutning

Översikt över lättmetaller.

Aluminium karaktäriseras av låg densitet, stor korrosionshärdighet, god bearbetbarhet och hög ledningsförmåga för elektricitet och värme. Aluminium visar ingen sprödhet vid låg temperatur men har begränsad varmhållfasthet.

Renaluminium är lätt att bearbeta, men på grund av låg hållfasthet används det sällan som konstruktionsmaterial.

Ej härdbara legeringar. Hållfastheten ökas i olika grad genom tillsats av legeringsämnen och genom kallbearbetning.

Renaluminium och de icke härdbara legeringarna får en markant sänkning av brottförlängningen vid kallbearbetning. Materialen kan mjukglödgas och anlöpas för att sänka hårdheten respektive förbättra segheten.

Härdbara legeringar erhåller sin slutliga hållfasthet genom en kall- eller varmåldringsprocess.

Standardiserade sorter levereras i form av varm- och kallvalsad plåt och band. Profil, stång och rör tillverkas genom strängpressning. God formbarhet gör att aluminium med fördel kallformas, men även varmsmidning är vanlig.

Beroende på gjutmetod och användningsområde finns olika sorters gjutlegeringar.

Skärbarheten hos aluminiumlegeringar är i allmänhet god. Härdade legeringar har bättre skärbarhet än icke härdade. Kallbearbetning ökar skärbarheten. Så kallade svarvlegeringar har förbättrad skärbarhet.

Aluminiumlegeringar kan mjuk- och hårdlödas och flertalet legeringar kan svetsas. Vissa sorter kan vara benägna för sprickbildning.

Titan är ett relativt dyrt material, har förhållandevis låg densitet och är redan som olegerat rentitan synnerligen korrosionshärdigt med goda hållfasthetsegenskaper vid såväl låga som relativt höga temperaturer. Med legeringar förbättras korrosionshärdighet och hållfasthet.

Titan och titanlegeringar är kommersiellt tillgängliga i form av kall- och varmbearbetad plåt, band, stång, rör och tråd. Gjutgods förekommer, men är ovanligt. Rentitan är lättare att smida än titanlegeringar. Detta gäller även skärbarhet och svetsbarhet som båda är förhållandevis goda.

Bearbetning vid förhöjd temperatur måste göras i kontrollerad atmosfär för att undvika försprödning av materialet.

Hållfasthetslegeringarna kan värmebehandlas för förbättrad hållfasthet.

Magnesium har den lägsta densiteten av konstruktionsmetallerna. Renmagnesium är mjukt, har låg hållfasthet och är inte lämpligt som konstruktionsmaterial. Med legeringar kan hållfasthet och korrosionshärdighet ökas.

Magnesiumlegeringar är tillgängliga i form av plåt, band, tråd, stång och rör eller som extruderade profiler. Skärbarheten är mycket god för de flesta legeringar medan kallbearbetbarheten är begränsad. Särskilda legeringar för smidning och gjutning finns. Svetsning kan utföras för ett flertal legeringar.

Vid processer med förhöjd temperatur såsom gjutning och skärande bearbetning mm måste man iaktta viss försiktighet eftersom metallen i smält tillstånd brinner i luft.

Koppar och kopparlegeringar

kopparlegeringar plastisk bearbetad mässing gjutmässing brons tennbrons nickelbrons blytennbrons blybrons rödmetall aluminiumbrons

Översikt över koppar med legeringar.

Trots ett relativt högt pris används koppar och kopparlegeringar i stor utsträckning som konstruktionsmaterial. Detta beror dels på att koppar, mässing och brons har mycket goda egenskaper ur tillverkningssynpunkt (bearbetbarhet, skärbarhet m m), dels på att man med dessa legeringar kan kombinera viktiga egenskaper såsom elektriskt ledande med fjädrande, formbarhet med nötningsbeständighet, korrosionshärdighet och termisk konduktivitet.

En översikt över koppar och kopparlegeringar ges här.

Koppar som är kommersiellt ren eller låglegerad finns tillgänglig som plåt, band, stång, tråd, rör och extruderad profil. Koppar går lätt att kallbearbeta och varmsmidas, men är inte lämplig för gjutning. Utan föregående kallbearbetning kan bearbetning med skärande verktyg vara svår.

Koppar kan lödas och svetsas utan svårighet.

Hållfasthetsegenskaper och hårdhet beror på kallbearbetningsgrad. Termisk och elektrisk konduktivitet är mycket hög och korrosionshärdigheten är hög.

Mässing är benämningen på koppar-zink-legeringar. Genom att variera kopparhalten kan man erhålla mässingssorter där olika egenskaper prioriteras. Det kan vara korrosionshärdighet, kall- och varmformbarhet, lödbarhet, skärbarhet och hållfasthet.

Många mässingssorter levereras som plåt, band, stång, tråd och rör. Vissa legeringar är lämpliga för strängpressning, gjutning eller smidning. Mässing kan inte härdas, men mjukglödgning efter kallbearbetning förekommer t ex för att öka beständigheten mot spänningskorrosion.

Bronser är den sammanfattande benämningen på kopparlegeringar som inte har zink som huvudlegeringsämne.

Tennbronser för plastisk bearbetning har hög korrosionshärdighet och hållfasthet. Hållfastheten är starkt beroende av graden av kallbearbetning. Även skärbarheten förbättras. Materialet finns som plåt, band, stång och tråd. Tennbronser för gjutning erhåller betydligt sämre hållfasthet, men karaktäriseras av hög slitstyrka.

Blytennbronser och blybronser är gjutlegeringar som utmärker sig för goda lageregenskaper och korrosionshärdighet.

Rödmetaller är gjutlegeringar med hög korrosionshärdighet, hög hållfasthet och hårdhet och förhållandevis bra lageregenskaper och slitstyrka.

Aluminiumbronser har goda hållfasthetsegenskaper, god slitstyrka, korrosionshärdighet och värmehärdighet. Aluminiumbronser har god kall- och varmbearbetbarhet och förhållandevis god gjutbarhet. Materialet kan inte lödas, men med fördel svetsas.

Nickelbronsers främsta egenskap är mycket god korrosionshärdighet. Det finns som standardiserat material i form av plåt och rör.

Mjukmetaller

Zink Tenn
mjukmetaller zink zinklegeringar tenn tennlegeringar vitmetall bly renbly blylegeringar hårdbly vitmetall

Översikt över mjukmetaller.

Till materialklassen mjukmetaller hör zink, tenn och bly med legeringar enligt denna bild.

Zink används som konstruktionsmaterial endast efter legering med andra ämnen som förhöjer hållfastheten. Legeringarna är förhållandevis korrosionshärdiga, men är spröda vid temperaturer under 0 °C och har låg krypgräns. Zinklegeringar kan smidas, men lämpar sig bäst för gjutning. Pressgjuten zinklegering kan måttstabiliseras för att undvika åldringsförändringar.

Tenn är en mjukmetall som med tillsats av olika legeringsämnen brukar benämnas vitmetall. Detta konstruktionsmaterial har god korrosionshärdighet och mycket goda lageregenskaper. Bärigheten är dock begränsad.

Bly har ringa hårdhet, stor formbarhet, hög densitet, god korrosionshärdighet och låg hållfasthet. Blybaserad vitmetall har mycket goda lageregenskaper.

Diverse metaller med legeringar

I denna klass insorteras övriga metaller som har egenskaper som gör dem intressanta som konstruktionsmaterial.

Nickel är i många avseenden likt järn: hög hållfasthet, relativt segt och magnetiskt. Genom tillsatser av legeringsämnen kan man erhålla nickellegeringar med mycket specifika egenskaper såsom korrosionshärdighet i besvärliga miljöer, god kryphållfasthet vid höga temperaturer, hög resistivitet, speciella magnetiska egenskaper och god beständighet mot spänningskorrosion.

Nickellegeringar finns som plåt, band, stång, tråd, rör och smide. Dessa lämpar sig för kallbearbetning och skärande bearbetning liksom svetsning. För gjutning finns speciella legeringar. Vanliga kommersiella benämningar är Incoloy, Inconel, Monel etc.

Molybden är segt, hårt och korrosionshärdigt. Hållfastheten är speciellt god vid höga temperaturer. På grund av starkt deformationshårdnande måste plastisk formning ske vid förhöjd temperatur. Svetsning kräver kontrollerad atmosfär.

Kommersiella molybdenlegeringar finns som plåt, stång, rör och tacka.

Volfram är en metall med hög densitet, hårdhet, duktilitet och hållfasthet och mycket god korrosionshärdighet vid höga temperaturer. Metallen bearbetas vid höga temperaturer.

Volfram finns som plåt, stång, tråd och rör.

Koboltbaserade legeringar har mycket goda mekaniska egenskaper vid höga temperaturer inklusive hållfasthet, krypning, slitstyrka och korrosion. Legeringarna har utvecklats för speciellt krävande applikationer. De har benämningar som stellit, invar, alnico m m. Koboltlegeringar kan svetsas men är mycket svåra att bearbeta både genom formning och med skärande verktyg. Vanlig tillverkningsmetod är gjutning till mycket nära slutlig form.

Kommersiella sorter är plåt, stång, tråd, smide och gjutgods.

Ädelmetaller Mycket hög korrosionhärdighet (t o m icke-korroderande) och hög termisk och elektrisk konduktivitet är viktiga egenskaper som gör att guld, silver och platina används i tekniska sammanhang trots ett högt pris.

Dessa ädelmetaller finns som plåt, stång, tråd, rör, folie och pulver.

Pulvermetaller

Genom pulvermetallurgisk teknik kan man tillverka produkter med egenskaper som bestäms av pulvrets sammansättning, men de styrs dessutom i mycket hög grad av parametrar i tillverkningsprocessen. Standardiserade sintermetallers mekaniska egenskaper anges därför vid ett par densiteter. För andra densiteter tillämpas vanligtvis linjär interpolation. Sintrade komponenter är ofta självsmörjande och kan tillverkas av ovanliga legeringar om så erfordras. Vanliga sintermetaller är:

  • järn
  • stål
  • koppar
  • brons
  • rostfritt stål
  • hårdmetall

Det finns stål med varierande krav på hållfasthet, seghet, hårdhet och slitstyrka. Olika sorter lämpar sig för värmebehandling och för svetsning.

Korrosionshärdigheten hos sintrat rostfritt stål är något sämre än hos motsvarande valsat material.

Hårdmetall tillverkas genom sintring av metallkarbider, där volframkarbid är den viktigaste beståndsdelen. Hårdmetaller har mycket hög hårdhet, slitstyrka, tryckhållfasthet och god härdighet mot korrosion. Styvheten är hög, medan längdutvidgningskoefficienten och segheten är låg.

Pulvermetallurgiska komponenter kan tillverkas direkt till slutlig form och kräver normalt ingen formändrande efterbearbetning. Sintrade ämnen kan också erhålla sin slutliga form genom efterföljande smidning.