nikkelstål

Herdbare stål er stål med middels til høyt karboninnhold, og som oppnår høy hardhet og styrke gjennom martensittherding. Stålene omfatter seigherdingsstål, verktøystål og settherdingsstål.

Settherdingsstålene inneholder i utgangspunktet relativt lite karbon, men overflaten oppkulles før herding. Nikkel er blant stoffene som blir tilsatt for å øke herdbarheten til disse stålene. For eksempel vil en tilsetning på 2 vektprosent nikkel i et karbonstål øke herdedybden anslagsvis tre ganger. Nikkel påvirker imidlertid herdbarheten vesentlig mindre enn elementer som mangan, krom og molybden. Likevel er nikkel et attraktivt legeringselement i herdbare stål fordi det etter herding også øker stålets duktilitet og seighet, spesielt ved lave temperaturer.

Både seigherdingsstålene og verktøystålene kan inneholde nikkel i konsentrasjoner på omtrent 0,5–4 vektprosent, ofte sammen med mangan, krom og/eller molybden og av og til andre elementer. Mens verktøystålene nyttes til å produsere verktøy, både til varm- og kaldbearbeiding, har seigherdingsstålene anvendelse som komponenter i maskiner for industri, transport og landbruk hvor styrke, seighet og slitasjemotstand er viktige kvaliteter. Eksempler på slike komponenter er aksler, tannhjul, veivstenger, stempelstenger og ventiler.

Settherdingsstål blir ofte legert med nikkel i mengder på 0,4–1,7 vektprosent sammen med krom og eventuelt molybden. Dette øker dybden på det herdede overflatesjiktet og øker styrken og seigheten i midten av komponenter som hardt belastede tannhjul, pinjonger og mellomaksler.

• Les mer om herdbarhet
• Les mer om seigherding
• Les mer om settherding

Seigheten til stål øker med minkende karboninnhold. Stål med under 0,2 vektprosent karbon og 2–9 vektprosent nikkel benyttes ved moderate til ekstremt lave (kryogene) temperaturer, for eksempel i kryogene trykktanker og i tanker for flytende etan (-95 °C) og naturgass (-196 °C). Jernnikkelstål er spesielt attraktive for slike anvendelser fordi de er relativt billige å produsere og har en utmerket kombinasjon av styrke, seighet og korrosjonsmotstand ved lave temperaturer. Laveste anvendelsestemperatur avtar med minkende karboninnhold og økende nikkelinnhold. 9 % Ni-stål med 0,02–0,1 %C har vært brukt i LNG-tanker siden 1970-tallet.

Legeringene produseres stort sett ved herding og anløping, men enkelte produkter (plater, flenser, ventiler, rørdeler av lavnikkelstål) blir også levert i normalisert tilstand. Den høye seigheten som oppnås ved nikkeltilsetning, spesielt ved lave temperaturer, blir forklart slik:

1. Ved temperaturer under -23 °C senker fast løst nikkel flytespenningen til jern og øker dermed mobiliteten til dislokasjoner. Ved belastning vil derfor plastisk deformasjon av stålet være mulig, noe som kan hindre sprøbrudd.
2. Martensittherding resulterer i en finkornet mikrostruktur. Spesielt gjelder dette for høynikkelstål der martensittdannelsen skjer ved meget lave temperaturer hvor nye martensittkorn dannes med stor hyppighet og tetthet.
3. Noe av austenitten omvandles ikke til martensitt under herdingen og forblir i mikrostrukturen som små øyer av restaustenitt. Under den etterfølgende anløpingen anrikes og stabiliseres restaustenitten av nikkel som er et austenittstabiliserende element. Restaustenitten splitter opp martensittstrukturen, og dette bidrar til seighet.

Rustfrie stål inneholder minimum 12 vektprosent krom. Hvis de i tillegg legeres med en betydelig mengde nikkel, kan stålets austenittstruktur under avkjøling fra høy temperatur bevares ned til romtemperatur (og lavere). Dette skyldes at nikkel stabiliserer høytemperaturfasen austenitt. Avhengig av mengden tilsatt nikkel blir mikrostrukturen ved brukstemperatur enten (tilnærmet) rent austenittisk som i austenittisk rustfrie stål, eller en blanding av ferritt og austenitt som i ferrittisk-austenittisk rustfrie stål, også kalt dupleks-stål. Begge disse stålkvalitetene har meget høy korrosjonsmotstand og har en rekke anvendelser innen blant annet kjemisk industri og offshore-industri. Austenittstålene har også høy motstand mot oksidasjon og siging ved høy temperatur, og de har en god kombinasjon av styrke og seighet helt ned til -273 °C. De har derfor lenge blitt anvendt som lavtemperaturstål, før jernnikkelstålene ble utviklet, men til denne bruken er de mer kostbare enn jernnikkelstålene.

Kromnikkelstål er en mer presis betegnelse på de austenittholdige rustfrie stålene.

Navnet til disse stålene er avledet av ordene martensitt og elding. De inneholder 18–25 % nikkel og tilsatser av titan, molybden og kobolt. Under avkjøling fra høy temperatur «herdes» disse stålene til en martensittstruktur som er bløt og seig fordi stålene inneholder svært lite karbon. Under etterfølgende elding (gløding) dannes det finfordelte presipitater (utfellinger) av Ni₃Mo og Ni₃Ti som har en kraftig herdeeffekt. Mareldingsstålene er både sterke og formbare. Maksimalverdier for flytespenning og bruddforlengelse er henholdsvis 2400 MPa og 12 %. Mareldingsstål blir blant annet brukt i flyunderstell, som utsettes for store belastninger under landing. Det fins også rustbestandige mareldingsstål, basert på krom-nikkel.

Nikkeltilsetninger blir benyttet i HSLA-stål for å gi styrke og seighet til rørledninger, skipsskrog, broer og andre konstruksjoner. Her bidrar nikkel til økt styrke fra fast løsningsherding, høy seighet ved lave temperaturer, høy varmduktilitet, økt herdbarhet og økt styrke/seighet i midten av store godstykkelser. En undergruppe av HSLA-stål er stål som inneholder svært lite karbon for å sikre høy sveisbarhet, og som anvendes i eksplosjonssikre skipsskrog. For å kompensere for styrketapet knyttet til det lave karboninnholdet tilsettes kobber som gir høy styrke gjennom utfelling av Cu-rike presipitater. Ved å tilsette nikkel i tillegg til kobber forsterkes denne partikkelherdingen betydelig, slik at flytespenninger på godt over 950 MPa er oppnåelige.