Gjutstålen tillhör gruppen järn-kollegeringar där även gjutjärn och de så kallade superlegeringarna ingår. Gjutstålen kan sedan själva delas in i olika undergrupper beroende på legeringsinnehåll.

Gjutstål som omfattas av järn-kol kan schematiskt visas enligt Figur 1 där gjutstålen finns inom ett avgränsat område mellan kolhalten 0,02 - 2 procent och kiselhalten 0,01 -  2 procent . För värmebeständiga rostfria stål är dock kiselhalten avsevärt högre för några legeringar. Kolhalten (C) är runt 0,2 procent för konstruktionsstål och < 0,08 procent för rostfria stål.

Några järn-kollegeringar med avseende på kol- och kiselhalt.

Det finns dock några undantag från regeln då vissa icke normgivna gjutstålslegeringar innehåller upp mot fem procent kisel (Si). Dessa har ökat motstånd mot glödskalbildning och används därför i oxiderande atmosfär vid höga temperaturer.

Gjutstålens egenskaper hänger starkt samman med hur materialet är legerat. Stålen delas in i två grupper; olegerat och legerat stål som av praktiska skäl i sin tur delas i låglegerat och höglegerat gjutstål. Rostfria stål och superlegeringar (legeringar som per definition innehåller mindre än 50 procent järn) ingår i gruppen höglegerat.

  • Olegerat stål (>98procent järn).

  • Låglegerat eller mikrolegerat stål (2 – 5 procent legeringsämnen, resten järn).

  • Höglegerat stål (> 5 procent av minst ett eller flera ämnen tillsammans, resten järn).

    • Rostfritt stål (> 12 procent krom och < 0,2 procent kol, plus andra legeringselement).

    • Superlegerat material (nickel- och kobaltbaserat men även järn baserat).

     

Olegerat gjutstål

Mer än 98 procent av materialet är järn (Fe).Kolhalten (C) är den viktigaste faktorn i olegerat stål och varierar oftast mellan 0,1 till 0,7 procent och påverkar den gjutna strukturen och de mekaniska egenskaperna som framgår av nedanstående figur.

Därutöver tillkommer några få tiondelar av kisel (Si) och mangan (Mn). Ibland förekommer även aluminium (Al) på bekostnad av kisel (Si). Aluminium har då använts som desoxidationsmedel för att ta bort syre (O) ur smältan innan avgjutning.

För de olegerade stålen är det kolhalten som styr beteendet vid stelningen och påverkar vid vilken temperatur som stelningen påbörjas, likvidustemperaturen.  Det gradantal där allt stelnar, solidustemperaturen, påverkas även kraftigt av svalningshastigheten [°C/s].

Inverkan av kolhalten på likvidus- och solidustemperaturer.

Kolhalten påverkar även de mekaniska egenskaperna som framgår av följande figur, där de vanligaste egenskaper är listade på var sin axel.

Inverkan av kolhalten på de mekaniska egenskaperna hos olegerat gjutstål.

Hållfasthetsegenskaperna bestäms främst av kolhalten. För att förbättra segheten och jämna ut kolhalten glödgas materialen vid 950 till 1 000°C, varefter de vanligen normaliseras vid temperaturer mellan 850 och 950°C beroende på kolhalten. Avspänningsglödgning utförs när så krävs. I övrigt är inte någon annan typ av värmebehandling aktuell vid denna typ av stålgjutgods.

Det förekommer att de olegerade gjutstålen delas in efter sin kolhalt där lågkolstål har max 0,25 procent koloch max 1,5 procent mangan. Medium kolstål har 0,25 procent till 0,60 procent kol och högkolstål har från 0,60 procent till 1,25 procent kol med 0,30 till 0,90 procent Mn. Sedan finns ultra högkolstål med en kolhalt som ligger mellan 1,25 procent och 2,0 procent.

 

Legerat gjutstål

Gjutstål med mer än 2 procent legeringsämnen, kol undantaget. Legerade stål omnämns nästan uteslutande som mikrolegerade stål med max mängd av legeringselement. Av praktiska skäl delas materialen in i låglegerat och höglegerat.

 

Låglegerat gjutstål

Innehåller ofta samma mängder av kol, kisel och mangan som olegerat gjutstål men har tillsatser av krom (Cr), nickel (Ni), molybden (Mo), volfram (W), niob (Nb) och ibland även bor (B). Dessa element håller sig vanligen under sammanlagt fem procent av materialets sammansättning. Resten är järn. Vid gjutning av dessa stål har även svalningshastigheten inverkan på hur stor underkylningen kan bli för solidustemperaturen.

Likvidus och solidus för några låglegerade stållegeringar.

Höglegerat gjutstål

När de mekaniska egenskaperna skall ökas är det inte ändamålsenligt att öka kolhalten ytterligare då det får katastrofala inverkningar på främst förlängning och slagseghet, se Figur 3. Istället legerar man upp med ett varierande antal tillsatser för att förbättra olika egenskaper. Höglegerat gjutstål har minst ett legeringselement som överstiger 5 procent.

Specialvarianter är exempelvis manganstål med minst 10 procent mangan och de rostfria stålen där kromhalten överstiger 12 procent. Sammansättningen hos de höglegerade gjutstålen är anpassade till de användningsområden som de skall arbeta i och klassas enligt;

  • varmhållfasta

  • korrosionsbeständiga

  • syrabeständiga

Detta är egenskaperna hos de rostfria stålen som får egenskaperna genom att variera halterna av olika huvudlegeringsämnen som krom, nickel och molybden tillsammans med en rad ämnen i lägre halter. De rostfria stål delas även in i fem grupper efter vilken struktur materialet har och klassas då enligt;

  • Austenitiskt

    • 12-30 procent krom och 7-30 procent nickel, ibland 2-3 procent molybden, max 0,05 procentkrom.
  • Ferritiskt och ferritiskt-martensitiskt

    • 12-30 procentkrom med lite molybden, niob, titan och max 0,1 procentkol, inget nickel
  • Martensitiskt och urskiljningshärdat

    • 12-18 procentkrom, mindre mängder av andra ämnen, 0,1-0,3 procentkol
  • Austenitiskt-ferritiskt (Duplex)

    • < 29 procentkrom, 5-8 procent nickel, 1-4 procent molybden, 0,4 procent kväve, < 0,03 procentkol

Utöver dessa gjutstål förekommer superlegeringar som ofta har mindre än 50 procent järn i sin sammansättning. Typiska material innehåller höga halter av nickel, krom, volfram och kobolt och går under olika handelsnamn.

Temperaturkurvorna för likvidus och solidus är inte lika enkla att beskriva i diagramform för de rostfria stålen om de relateras till kemisk sammansättning då de påverkas av vilka legeringselement som ingår. I stället används ekvivalenterna för krom (Cr) och nickel (Ni):

Creq = Cr + 1,37Mo + 1,5Si + 2Nb + 3Ti

Nieq = Ni +0,31Mn + 22C + 14,2N + 1Cu

3047