Skriven av Martin Ahner
   
Vill du veta hur metaller egentligen är uppbyggda och vad som är viktigt vid järnframställning?

Här kan du ta reda på vad material egentligen är och varför materialteknik är viktigt. Du får steg för steg lära dig om metallers uppbyggnad, se hur kombinationen av atomer bildar kristallgittret och hur strukturen skapas utifrån detta. Du får också lära dig mer om metallers egenskaper. Slutligen kommer du att gå igenom processen för att utvinna järn och producera stål och se vad som måste tas hänsyn till.

Indelning av material

Material kan delas in i metaller och icke-metaller. Stål och gjutjärn är bland de mest använda materialen i världen.

Materialteknik och dess betydelse

Användningssyftet för ett visst material beror på dess egenskaper. Dessa kan delas in i olika kategorier.

Olika vetenskapliga metoder inom materialteknik används för att överhuvudtaget kategorisera material i olika kategorier och egenskaper.

Materialteknik handlar om utvinning och användning av material och undersöker deras olika egenskaper. Detta gör att material kan användas på rätt sätt, nya material kan utvecklas och befintliga material kan förbättras.

Kunskap om materialens inre struktur är en förutsättning för att kunna analysera deras egenskaper. Det är bara om man vet vilka komponenter som ingår i ett material och hur de fungerar som man kan få nya insikter för vidare utveckling.

Metaller under mikroskop

Metallatomernas positiva laddningar är alltid placerade på fasta avstånd från varandra och bildar kristallgittret. Därmed frigörs de negativa elektronerna som omger kristallgittret som ett så kallat elektronmoln. Elektronerna kan röra sig fritt i molnet, men inte lämna det.

Attraktionen mellan de positiva och negativa laddningarna skapar en stark metallbindning. Detta säkerställer en extremt stark sammanhållning av metallatomerna i kristallgittret och därmed metallens styrka.

Sammanfattning av material

Du vet nu att material alltid har spelat en viktig roll och har präglat många epoker och kulturer. Du vet att material generellt kan indelas i metaller och icke-metaller och att de kan ha olika egenskaper.

Du vet också att materialteknik används för att undersöka materialens egenskaper så att nya material kan utvecklas och befintliga förbättras. Slutligen har du sett att metaller är uppbyggda av en mikrostruktur, kristallgitter och slutligen metallatomer, vars sammansättning påverkar metallens egenskaper.

Metallernas struktur

Låt oss ta en titt på metallernas exakta struktur och deras egenskaper. Du får först veta hur metaller leder och kan formas. Du upptäcker olika typer av kristallgitter och se vilka defekter som kan uppstå i gitterstrukturen. Därefter tar vi en närmare titt på metallernas uppbyggnad och tar reda på vad som egentligen händer i en legering. Slutligen får du veta vilka typer av legeringar som finns och hur du läser motsvarande fasdiagram.  

Metallers ledningsförmåga

Metaller är ledande och används därför för olika ändamål i vardagen. Kristallgittrets struktur gör det lättare att förstå den elektriska ledningsförmågan.

Formbarhet av metaller

Förutom sin elektriska ledningsförmåga är metaller också formbara. I processen formas de elastiskt eller plastiskt.

Låt oss ta en titt på atomnivån i kristallgittret igen. När en kraft appliceras på plåten förskjuts metallatomerna något från gitterpositionen, men fjädrar sedan tillbaka igen. I fallet med en blystav kvarstår dock den förskjutna positionen i kristallgittret efter kraftpåverkan och bildar därmed en permanent form.

De tre viktigaste typerna av kristallgitter

KROPPSCENTRERAD KUBISK (BCC)

Kuben har en omsluten metallatom. Det finns ingen staplingseffekt eftersom den endast är löst packad.

En relativt stor mängd utrymme mellan atomerna gör att ytterligare främmande atomer kan integreras.

YTCENTRERAD KUBISK (FCC)

Kuben består av totalt 8 atomer i kubens hörn och en atom i mitten av varje sida.

Atomerna är ordnade i tre staplar (ABC) och bildar därmed den tätaste sfäriska packningen.

En störd staplingsföljd leder till staplingsfel i vilka legeringselement kan integreras. Detta resulterar i andra egenskaper. 

HEXAGONAL TÄTPACKAD (HCP)

Metallatomerna är ordnade i ett hexagonalt prisma med en atom i mitten av varje bas. 3 atomer finns inuti prismat.

Staplingsföljden är ABA och bildar därmed den tätaste sfärpackningen.

Stora gitterluckor ger utrymme för främmande atomer.

Sämre kallt formbara än metaller med KFZ-gitter. 

Defekter i gitterstrukturen

Metaller är inte idealiska kristaller, utan har gitterdefekter. Beroende på typ och storlek kan gitterdefekter indelas i tre dimensioner. Den första dimensionen är nolldimensionella defekter. Dessa motsvarar en gitterpunkt och kan delas in ytterligare.

Nolldimensionella defekter har i allmänhet ingen negativ inverkan på metalliska materials egenskaper, utan möjliggör till och med viktiga värmebehandlingar.

Endimensionella defekter

Det finns också endimensionella defekter, även kallade linjefel. Om ett halvplan förs in i det regelbundna kristallgittret störs linjen och en stegvis förskjutning bildas. Förskjutningar är rörliga och är därför orsaken till metallers plastiska formbarhet.

Tvådimensionella defekter 

Tvådimensionella defekter leder till staplingsfel i den reguljära skiktföljden. Stapelfel orsakas av kristallisering eller kollaps av ett tomrumskluster. Tvådimensionella gitterdefekter påverkar draghållfastheten hos en metall. 

Struktur

Du har redan fått veta att metaller består av många regelbundet formade korn, som tillsammans bildar mikrostrukturen. Strukturen kan inte identifieras med blotta ögat. Mikrostrukturen kan dock visualiseras under ett metallmikroskop med hjälp av en metallografisk mikrograf.

Mikrografen visar kornstorleken och korngränserna i en metall. Kornstorleken sträcker sig från finkornig till grovkornig och kan justeras genom riktad behandling. Korngränser representerar avbrott i kornens atomarrangemang och hör till ovannämnda tvådimensionella gitterdefekter. Dessa bildas till exempel vid kristallisering. 

Finkorniga metaller har bättre mekaniska egenskaper än grovkorniga metaller, eftersom det finns fler korngränser. Ökad korngräns förbättrar segheten.  Ökad temperatur medför dock oönskade krypfenomen.

Kornformar

Förutom att kornstorlek och korngränser är gemensamma finns det olika kornformer beroende på metall och kristallgittertyp.

KLOTFORMIGA KORN Runda korn, t.ex. rent järn	POLYGONA KORN  Korn med polygon form, t.ex. järn med austenit-struktur
DENDRITISKA KORN Nålliknande korn, t.ex. härdat stål	LAMELLÄR STRUKTUR Lamellära kristaller, t.ex. lamellär grafit från grått gjutjärn

Status diagrams of°alloys

To research and further develop the properties of alloys, their state diagrams are analysed. In general, status diagrams show the aggregate status of pure metals. For this purpose the inflexion point in the cooling or heating curve is used. 

By alloys, the temperature of the second metal and the mixing ratio within the alloy is also taken into account. When all inflection points are transferred and the temperature points connected, the status diagram for the alloy is given.°

Solid solutions and crystal mixtures have different status diagrams. Solid solutions such as copper and nickel are characterised by complete solubility in the liquid and solid state.

The status diagram for crystal mixtures such as lead and tin looks different. This is characterised by the complete solubility in the liquid state and insolubility in the solid state.

Winning of pig iron

In this last section, we first look at how pig iron is actually won and which steps are important in the production process. You will also learn more about the various processes used to produce steel from pig iron. Finally, you will see the different ways of post-treatment and casting of steel.°

As you have learnt, steel is one of the most widely used materials in the world. Its main component is iron. Iron occurs naturally as iron ore, a compound of iron and oxygen. To produce steel, the iron must first be extracted using a reduction process.°

Two reduction processes are used in the production of pig iron. Here you can see an overview of both processes. 

Production of steel

Once the pig iron, or solid sponge iron, has been won, so-called 'refining processes' are used to produce the steel. Can you imagine what happens in the refining process?°

In the oxygen blast process , the liquid pig iron is filled into a converter together with scrap steel and additives. A water-cooled pipe blows oxygen into the vessel, causing a chemical reaction with the iron compounds. The carbon in the pig iron burns away and lime binds the iron compounds. Steel and slag are then poured off.

The electric arc furnace process is used to produce high-alloy steel grades. A smelting vessel is filled with pig iron and other components. Carbon electrodes are lowered onto the filling and an electric arc is ignited. During the smelting period, any remaining carbon and accompanying substances are burnt off. Steel and slag are then poured off.

After the production of steel, undesirable components often remain. To produce quality steels, these are removed by further treatments. Here you can see the key processes and their descriptions. Check the procedures for more details.