En bil som ikke er laget av aluminium eller fiberplast er laget av stål. Og den kan inneholde tretten typer av dette jernmetallet – noen er nye. La oss se.
Bildet øverst: I en moderne bil er det 7-8-9 typer legert stål, den ene mer avansert enn den andre; alt for å tåle lang bruk og fæle smeller. Og noen bygger bilen av langt dyrere aluminium, som her … (Foto: BMW)
Av Stein Bekkevold
Stål er et fantastisk materiale som fortsatt fornyes, med nye legeringer – en miks av jern og mye annet. Stål er renset, legert jern. Alt etter hvor mye karbon (kullstoff) og annet det tilsettes i smelten, kan det være mykt, pressbart, fint til dyptrekking i store former, hardt, seigt, sveisbart eller fjærende – og det kan ha fasthet helt fra mykt og pressbart (200 MPa) til enorme 1300 MPa, som er trykk i Newton per mm2.
Det som i tillegg til karbon styrker stålet er en rekke tilsettinger: Silisium, titan, bor, aluminium (!), kobber, krom, kobolt, mangan, vanadium, nikkel, nitrogen og enda litt til. Det finnes glass med samme strekkfasthet som stål, men stål er seigt – glass er sprøtt. Seighet er enda viktigere enn styrke. Straks ser vi på dette, men først: hvor det kom fra; hvem oppdaget bor og kobolt? Og mangan?
Masovn
Om stål lages av malm og ikke stålskrap, knuses malmen, vaskes og foredles i en masovn*, med koks som gir innholdet av karbon; og koks lages av steinkull i ovner der kull varmes opp uten luft, og flyktige saker drives ut.
Vi bruker altså menneske-produsert koks til jern- og stål-produksjon, som reduksjons-middelfor å dytte oksygen ut av malmen. Koks er hardere enn steinkull, og tåler vekten av malmen over seg – så gassen kan strømme gjennom. Og ut renner flytende metall som renses og støpes til blokker, som valses til plater og profiler. I en bil er jo nesten alt laget av stålplater som presses til alle mulige former.
I stålverkets mørke dyp blir jernmalm smeltet, renset og tilsatt en rekke (nye) saker og støpt til digre valse-emner som nå blir til akkurat den bilen vi ønsker oss. (Foto: US Steel)
Legering
Stål lages i to hovedgrupper, lavt eller høyt legert. Hva som er hva, er omstridt. Noen sier at lavlegert har 4,0 prosent av noe annet enn jern i seg, andre sier 8,0. Fagfolk har alltid kranglet om det meste. Oftest betyr «legert stål» at det er lavlegert.
Alle stål består jo av jern og karbon og litt til, men ikke alle er legeringsstål. De enkleste er jern med 0,1 til 1,0 prosent karbon, karbonstål. Andre inneholder litt mangan (Mn), den vanligste, og nikkel (Ni), krom (Cr), molybden (Mo), vanadium (V), silisium (Si) og bor (B). Mindre vanlig er aluminium (Al), kobolt (Co), kobber (Cu), cerium (Ce), niob (Nb), titan (Ti), wolfram (W), tinn (Sn), sink (Zn), bly (Pb) og zirkonium (Zr).
Mulighetene for å lage akkurat det og det stålet er uendelige, og setter stål i en særklasse – ved siden av aluminium, med sitt enorme antall mulige legeringselementer. Mange skarpe hoder har forsket på dette i årevis, og mange tusen driver fortsatt med det.
Høylegert
Tilsettinger gir en rekke plussegenskaper: Vi forbedrer styrke (fasthet), hardhet, seighet, slitestyrke, korrosjonsmotstand, herdbarhet og varm-hardhet. Noen stål krever varmebehandling.
Selv om legert stål er laget i århundrer, ble metallurgien ikke godt kjent før kjemisk vitenskap på sent 1800-tall avslørte den. Tidlig var legerte stål kostbare luksusvarer, laget etter «hemmelige» oppskrifter og smidd til kniver og sverd – vikingene var dyktige.
Moderne legeringer kom først som godt verktøystål – og så kom rustfritt. I dag brukes høylegert stål til så mangt, som kompressor- og turbinblad til jetmotorer, og i atomreaktorer. Og nye stål har gitt oss langt sikrere biler som ikke veier tre tonn, selv med flere hundre kilo krimskrams og moro.
Trodde det var salt
Så hvordan fant lure forskere legeringselementene? Mangan fant visst østerrikeren Kaim i konkurranse med fire andre, han var alt i 1770 på sporet av stoffet, mens nikkel ble funnet i koboltgruver i Hälsingland i 1751 av svensken Cronstedt.
Krom fant franske Vauquelin i 1797 i mineraler fra Sibir. Og molybden skyldes også en svenske, Scheele, da han i 1778 malte et mineral og løste det i syre. Vanadium fant spanske del Rio i Mexico i 1802 da han sjekket skrot fra en gruve, og det viktige stoffet bor fant en nederlandsk kjemiker da han rotet i borsyre, han trodde stoffet var salt.
Titan
Alt dette brukes i dag i bilstål, i økende grad, for å lage stadig smartere legeringer. Og der finner vi også aluminium og kobolt og niob, og litt titan.
Aluminium (Ørsted, 1825) er en egen saga mens kobolt ble funnet i 1735 av svenske Brandt da han gransket vismut, og niob kom fordi alkymist Winthrop d.y. sendte en svart klump til British Museum som sjekket den. Og titan, vidundermetallet? Det fant en prest i Cornwall i gråsvart sand.
Vekt/pris
Aluminium veier ca 1/3 av stål, men vektgevinsten kan ikke tas ut fordi Al er svakere, vi må bruke omtrent 30 prosent mer for å få styrke og stivhet. Og fortsatt er stål billigst: et tonn ren jernmalm kostet 116 US dollar den 5. mars i år, mens et tonn aluminium kostet 2.230 USD. Samme dag kostet et tonn kobber 8.400 USD mens et tonn nikkel gikk for 17.600 dollar og et tonn tinn kostet 26.500.
Det var gruveeier man skulle ha blitt!
*Masovn? Det er en sjaktovn som lager råjern. Den første kjente norske startet i 1622 ved Bærum Jernverk. De kunne være 60-80 meter høye og 10-15 meter brede, og daglig lage 5000 tonn (!) råjern. Ovnen blir konstant fylt fra toppen med jernoksid (malm), koks og kalkstein. Kalkstein renser jernet og gir kalsium- og karbondioksid. Kalsiumoksid reagerer med malmen og gir slagg som tappes. Nederst pumpes varm luft inn og reagerer med koks og blir CO2. Reaksjonen gir varme (er eksoterm) og baker blandingen. Den kan også varmes med elkraft. Da synker karbon-forbruket. Karbondioksid reagerer med koks og gir CO. Karbonmonoksid (CO) er det viktigste stoffet for å endre jernoksid til jern. Flytende jern tappes ut; innhold ca 95 prosent jern, 5 prosent karbon, 2 prosent silisium og litt rusk. Råjern smelter ved 1150 °C, rent jern ved 1540 °C. Karbon i jern gjør det sprøtt. For å få smi-bart jern, må noe av det fjernes i en bessemer-prosess, der de smelter jernet og tilsetter oksygen så karbonet brennes vekk. Og der blir jernet tilsatt andre grunnstoffer for å bli stål.
