0.1 Systemet järn – kol

Kol intar en särställning bland järnets legeringsämnen. Att känna till vilka strukturer, som uppstår vid olika kolhalter och temperaturer är nödvändigt för att förstå ståls egenskaper. Detta samband kan man få fram ur järn-koldiagrammet. Diagrammet gäller för olegerade kolstål, som fått svalna långsamt. Vid snabb kylning inträffar andra fenomen, som vi tar upp senare. Legeringsämnen ändrar linjernas läge något, men diagrammet kan användas för låglegerade stål upp till  cirka 5 % legeringsämnen, om inte kravet på noggrannhet är stort.

Figur 3 visar järn-koldiagrammet. De olika linjerna och ytorna mellan dessa ger en hel del information om systemet vid olika temperaturer. Stålets kolhalt är avsatt på den horisontella axeln. Vid höga temperaturer, över 1150-1538°C (den övre linjen), är metallen i flytande tillstånd. Ju högre C-halt upp till 4,3 % desto lägre smältpunkt.

Om flytande stål med 1 % C långsamt får svalna kan man följa förloppet i diagrammet. Vid cirka 1460°C når man den övre linjen, som anger begynnande stelning. De först bildade kristallerna har en från smältan avvikande kolhalt, nämligen den som visas, när man drar en horisontell linje åt vänster tills man träffar den grå linjen.

Kolhalten blir i början cirka 0,35 %. Det betyder att smältan blir mer och mer kolrik under det fortsatta stelnandet och när nästan allt har stelnat vid 1350°C har restsmältan en kolhalt på cirka 2,5 %.

Detta fenomen förklarar varför man får analysskillnader under stelnandet och det kallas segring.

Kristallerna, som bildas i detta exempel, har det ytcentrerade gittret och strukturen kallas austenit eller γ-järn (gamma-järn). Mer om ståls stelnande hittar du i ”Järn och stålframställning, del 4, Skänkmetallurgi och gjutning”.

I fortsättningen ska vi studera det nedre vänstra hörnet av diagrammet, det vill säga temperaturer under cirka 1000°C.

Vid mycket låga kolhalter, under 0,05 %, består stål vid rumstemperatur nästan enbart av strukturen ferrit eller α-järn (alfa-järn).

Den är uppbyggd av det rymdcentrerade gittret, som tidigare beskrivits. Ferriten är mjuk, seg och mycket formbar.

När kolhalten ökar uppträder en ny strukturbeståndsdel i stålet. Denna består av ferrit och cementit (Fe₃C) och kallas perlit. Den börjar uppträda vid cirka 0,05 % C och ökar sedan i mängd ju högre kolhalten blir.

Stål med kolhalt cirka 0,8 % består enbart av perlit. Den har god draghållfasthet, men är inte lika formbar som ferriten. Stål med kolhalter över 0,8 % består också av perlitkorn, men dessutom av cementit (Fe₃C), som har bildats som ett skal runt de tidigare austenitkornen och sedan omger perlitkornen.

Det är viktigt att komma ihåg att järn-koldiagrammet gäller, om temperaturförändringarna vid omvandlingarna är långsamma. Vi ska ofta återkomma till diagrammet i fortsättningen så det är bra att försöka förstå det.