3.1 Legeringselementenes innvirkning Ulegert og lavlegert stål Rustfrie stål Varmebehandling... 40

Transkript

1

2 29 Innhold 1. Innledning materiallære Metaller Legeringer Legeringselementenes innvirkning Jern Stål Ulegert og lavlegert stål Rustfrie stål Varmebehandling Materialprøving Hvorfor utfører vi materialprøving? Aktuelle destruktive prøvingsmetoder Aluminium vår tids metall Materialegenskaper Fremstilling av aluminium Legeringer Korrosjon Anvendelsesområder for aluminium Tre Hva tre brukes til Treets viktigste egenskaper Plast Hva er plast Herdeplast Termoplaster Fordeler med plastmaterialer Forbruk av plast Kompositte materialer Elastomerene - gummi Glass... 68

3 30 1. Innledning materiallære Materialer brukes for å fremstille et produkt Kunnskapen om materialenes egenskaper, muligheter for bearbeiding og bruk har gjennom århundrer vært grunnlaget for utvikling og fremstilling av forskjellige konstruksjoner og produkter. Metaller har spilt en viktig rolle for alle høykulturer som vi kjenner gjennom historien. De tidligste funnene av metaller som var klumper av gull, som stort sett ble brukt til smykker. Omkring år 2000 f.kr. lærte folk i Asia å framstille kobber og tinn til en legering som fikk navnet bronse. Derav har vi navnet bronsealderen. Bronsen ble ikke oppdaget i Norden før omkring år 1500 f.kr. År 1500 f.kr. ble det oppdaget at jern kunne smis og bearbeides slik at det ble sterkere enn bronse. Da begynte jernalderen. En stadig utvikling av materialer og ikke minst bearbeidingsprosesser, har hatt en avgjørende betydning for utviklingen i samfunnet. Eksempler på materialtyper er metaller, stål, tre, kompositt, plast, gummi, tekstil, hud, stein og glass. I dagens samfunn har vi lært oss å utnytte mange materialer, og ikke minst i bilproduksjonen har plast og lettmetaller overtatt mye av jernets plass. Men jern er fortsatt det viktigste bruksmaterialet vi har. Materialegenskaper Dette er et godt materiale eller dette var et dårlig materiale kan vi si. Men hva mener vi med det? Hva er godt, eller hvorfor er en ting dårlig? Uten at vi egentlig tenker over det eller sier det, mener vi at det aktuelle materiale har en eller flere egenskaper som passer til et bestemt formål. Et materiale er ikke godt eller dårlig i seg selv. Men det kan oppfylle et funksjonskrav mer eller mindre godt. Hvor godt eller dårlig det fyller funksjonskravene, bestemmes av de forskjellige egenskapene materialet har. Det er mange typer egenskaper vi kan være ute etter. De viktigste egenskapene for et konstruksjonsmateriale er 1. Mekaniske egenskaper, som -Strekkfasthet -Bøyefasthet -Slagfasthet -Trykkfasthet -Forlengelse -Elastisitetsmodul

4 31 -Hardhet 2. Termiske egenskaper, som -Brennbarhet -Temperaturbestandighet -Varmeledningsevne -Varmeutvidelse 3. Elektriske egenskaper 4. Kjemiske egenskaper, som -Løselighet -Permeabilitet Dette er reine materialegenskaper som er vel definerte og forholdsvis lette å måle. Verdiene for disse materialene er knyttet til materialet som sådan, og er (praktisk talt) uavhengig av produktets fasong og størrelse. En material- eller råvareleverandør vil oppgi flere eller færre av disse egenskapene, og kanskje enda andre, i sine datablad. De verdiene som er oppgitt for disse egenskapene, er såkalte korttidsverdier. Som navnet sier, gir prøveformen resultatet i løpet av kort tid. Det kan dreie seg om sekunder eller minutter. Når materialet blir brukt i en konstruksjon, spiller bruksbetingelsene en stor rolle, og da blir det også spørsmål etter en annen type egenskaper: 5. Aldringsegenskaper, som -Indre spenninger -Værbestandighet 6. Temperaturens innvirkning på andre egenskaper 7. Belastningens betydning for egenskapsforandringene

5 32 2. Metaller Fra gammelt av har man delt grunnstoffene i metaller og ikke-metaller. Av ca. 110 grunnstoffer er ca. 80 metaller, men grensen mellom metaller og ikke-metaller er ikke skarp Både i fast og flytende tilstand har alle rene metaller en karakteristisk metallglans. De er grå eller sølvhvite med unntak av kobber som er rødbrunt, og gull som er gult. Karakteristisk for metaller er også at de er ugjennomsiktige. De fleste metallene er seige og lar seg hamre eller valse til tynne plater og trekke ut til tynne tråder. (kilde: Store Norske Leksikon) Metaller leder varme og elektrisitet, både i fast og flytende tilstand. Dette skyldes at atomene holdes sammen av sterke krefter. Årsaken er at de har mistet elektroner som svever fritt i mellom atomene. I en metallisk binding har atomene mistet elektroner og blir positivt elektrisk ladet. Egentlig vil derfor atomene frastøte hverandre som to like magnetpoler. Men de negative elektronene svever omkring og binder det hele sammen som «lim».kreftene som holder atomene sammen er så sterke at tråd på tykkelse med lillefi ngeren din kan holde en last på 15 tonn. Vi kan lage legeringer som klarer både mer og mindre. Det er på grunn av de frie elektronene at metaller leder elektrisk strøm. Setter vi et elektrisk spenningstrykk over en metallstav eller kabel, vil de frie elektronene løpe mot positiv pol. Rene metaller brukes sjelden alene, men blandes ofte med flere typer av metalliske grunnstoffer i såkalte metallblandinger/ legeringer. Årsaken til dette er behovet for å oppnå bestemte egenskaper i sluttmetallet.i grove trekk kan en si at en legering er en blanding av metaller (to eller flere stoffer der ett er et metallisk stoff). Legeringen får andre egenskaper enn de opprinnelige metallene hver for seg.

6 33 3. Legeringer Ved å legere ulike grunnstoffer vil en få frem metaller med ulike strukturer og egenskaper. Ved avkjøling fra smeltet tilstand stivner metaller ved at de danner krystaller eller korn. Kornene er oppbygd av mer eller mindre regelmessige arrangementer av atomer, der den minste strukturen kalles en enhetscelle. Rene metaller har et skarpt smelte / størkningspunkt, mens legeringer vanligvis har et smelteområde. Dette beskrives i såkalte fasediagrammer (tilstandsdiagrammer). Den øverste linjen, likviduslinjen, beskriver temperaturen og sammensetningen der alt er smeltet, den nederste, soliduslinjen, der alt er stivnet. Smelteområdet for en legering er ofte lavere enn smeltepunktet for de rene enkelt-metallene. Ved hjelp av legeringsteknologi, kan de mekaniske egenskapene endres. Styrke og andre mekaniske egenskaper kan være betydelig høyere enn for enkeltmetallene. I noen tilfeller skjer det faseomvandlinger i den stivnede legeringen, altså under soliduslinjen. Dette kalles fasttilstand omvandlinger. Disse egenskapene benytter en til å modifisere egenskapene til den faste legeringen eller gjenstanden etter at fremstillingen er ferdig. Eksempler på slike prosesser er herding, homogenisering, rekrystallisering. Slike omvandlinger skjer fortest ved høyere temperaturer, men uten at metallet smelter.

7 34 Kjente legeringer Ferdige legering Hovedmetall Tilsatte stoffer Bronse Kobber (Cu) Tinn (Sn) 5-20 % Messing Kobber (Cu) Sink (Zn) Stål Jern (Fe) Karbon (C) Rustfritt stål Jern (Fe) Nikkel (Ni)/Krom (Cr) Sølvgjenstander Sølv (Ag) 83 % = 830S Kobber (Cu) Gullgjenstander Gull (Au) 58,5 % = 14K Sølv (Ag)/Kobber (Cu) Kobber og tinn er forholdsvis myke og bøyelige hver for seg, men blandes de, danner de en sterk legering som kalles bronse. Messing er en hard og motstandsdyktig legering av kobber og sink. Aluminiumslegering er både lette og sterke, og benyttes derfor i flyindustrien. Magnesium er det letteste av metallene. Kaldherding og rekrystallisering Ved å forme et metall/legering plastisk, kan de mekaniske egenskapene endres. Produksjon av tråd er et eksempel på dette. Styrken øker og duktiliteten synker. Prosessen medfører at tråden kaldherdes. For å få tilbake opprinnelig struktur i materialet utfører vi en såkalt rekrystallisering eller en såkalt varmebehandling. Den kaldformede strukturen utsettes for varme slik at krystallstrukturen går tilbake til den opprinnelige. Styrken synker og duktiliteten øker. 3.1 Legeringselementenes innvirkning Karbon (C) Er bestemmende for stålets egenskaper for ulegert, lavlegert og slitestål. I rustfrie/syrefaste stål er karbon uønsket på grunn av karbiddannelser som nedsetter korrosjonsmotstanden til stålet. Silisium (Si) Silisium er et desoksidasjonselement og brukes for å fjerne oksygen fra smelta. Dette gjøres for å sikre tett stål ved størkning. Silisium øker flytbarheten og kan være ønskelig opp til 1 % i støpestål. Mangan (Mn) Mangan er et desoksidasjonselement og brukes for å fjerne oksygen fra smelta. I tillegg virker mangan nøytraliserende på svovel ved at det dannes mangansulfider som er mindre skadelig for stålet. Mangan øker også fastheten og herdbarheten, og sammen med krom øker mangan løseligheten av nitrogen i høylegert stål.

8 35 Svovel (S) Svovel er generelt uønsket fordi det samles på korngrensene og gjør stålet sprøtt. For spesielle ståltyper tilsettes små mengder svovel sammen med mangan for å bedre maskinerbarheten. Mangansulfidene som dannes har en sponbrytende effekt. Fosfor (P) Fosfor gjør stålet sprøtt og er alltid uønsket. Krom (Cr) Krom øker fastheten, varmfastheten og glødeskallbestandigheten. Krom øker motstanden mot korrosjon ved at det dannes et kraftig kromoksidsjikt, som er selvreparerende ved tilgang på oksygen. Nikkel (Ni) Nikkel øker herdedybden, slagseigheten ved lave temperaturer, sigefastheten, glødeskallbestandigheten og korrosjonsmotstanden. Nikkel øker i liten grad fastheten. Molybden (Mo) Molybden øker varmebestandigheten og i mindre grad fastheten. Molybden er viktig i syrefaste stål siden det øker korrosjonsmotstanden kraftig, - spesielt mot såkalt pitting og spenningskorrosjon. Aluminium (Al) Aluminium er et kraftig desoksidasjonselement, som sikrer tett stål ved størkning. I motsetning til silisium nedsetter aluminium flytbarheten til stålet (vanskeligere å støpe). Aluminium reduserer seigheten, spesielt sammen med nitrogen i lavlegerte seigherdingsstål. Magnesium (MA) Magnesium er et hvitt materiale, og er det letteste av alle metallene. Legert med aluminium, mangan og sink gir det et materiale med bra fasthetsegenskaper. Brukes i forbindelse med bygging av fly og andre produkter som har behov for å være lette. Oksygen (O) og Hydrogen (H) Begge elementene er alltid uønsket fordi de danner slagger og fri gass, som fører til sprekker og porer. Sveisbarheten reduseres også. Nitrogen (N) Nitrogen er uønsket i ulegerte og lavlegerte stål siden det sammen med aluminium kan føre til sprøbrudd. I tillegg gjør det også stålet utsatt for deformasjonselding. I høylegerte austenittiske og dupleksstål er nitrogen ønsket fordi det øker fastheten og korrosjonsmotstanden. Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning. Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt.

9 36 Støpestål er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Det anvendes til formål hvor styrke og duktilitet hos støpejernet ikke er tilstrekkelig. Samtidig kan det sveises og maskineres. Støpejern er ikke smibare støpelegeringer av jern med et karboninnhold på 2,0-5,0 %, og med et vekslende Si-innhold. Ved å regulere innholdet av karbon i støpejernet oppnår en ulike struktur med tilhørende egenskaper. Omtrent 90 % av verdens stålprodukter går til de ulegerte stålene. 4. Jern Rent jern er sølvhvitt, relativt mykt og lar seg lett både smi og trekke ved vanlige temperaturer. Densiteten (tettheten) er 7,85 g/cm3. Det er forholdsvis korrosjonsbestandig i tørr luft og i karbondioksydfritt vann. I fuktig luft og vann ruster jernet. Bare en liten del av jernet som blir produsert, er rent metall i den forstand at det inneholder mer enn 99,9 % Fe. Resten av produksjonen gir såkalt råjern. Dette er jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer, og er utgangsmaterialet for videreforedling til stål og støpejern. Omtrent 4,7 % av jordskorpen består av jern. Jern foreligger ikke i ren form, men i form av oksider, som må behandles for å få rent jern. I de påfølgende leksjoner er målet å gi en kort forklaring på hvordan jern fremstilles. Det alt vesentligste av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Fremstilling av jern foregår bl.a. i store masovner, hvor jern produseres etter det såkalt motstrømsprinsippet. En fyller da malm, koks samt slaggdannede oksider inn på toppen av masovnen. I bunnen av ovnen blåses det inn luft (oksygen) som beveger seg i motsatt retning oppover i ovnen. Temperaturen øker fra 250 o C til 1500 o C jo lenger ned en kommer i ovnen. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover, hvor det gradvis foregår en kjemisk reduksjon (reduksjonsmiddelet er CO-gassen), hvor sluttproduktet er råjern som tappes ut flytende. I masovn utvikles varmen ved forbrenning av karbon. Ovnen kan alternativt varmes elektrisk (f.eks ved lysbuemetoder), og i slike ovner er karbonets funksjon begrenset til å være et reduksjonsmiddel. Jern som tappes fra en råjernsovn har et karboninnhold fra 3 til 4%. I denne formen er jernet hardt og sprøtt. For å kunne omdanne dette til stål og et materiale som kan bearbeides, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2%.

10 37 Stål har fra 0 til 2 % C (karbon) mens jern normalt inneholder fra 2 til 5 % C. Den kjemiske prosessen i en masovn blir da: Fe2 O3 + 3CO omdannes til 2Fe + 3CO2, dvs. at karbonet i koksen forbruker oksygenet i jernmalmen, og frigjør dermed rent jern. Det jernet man får fra masovnen kalles råjern, og inneholder fra 3 til 4 % karbon og større mengder av uønskede stoffer. Dette gjør at råjern er uegnet til direkte bruk og må derfor videreforedles. For å kunne omdanne dette til stål og et materiale som kan bearbeides, må karboninnholdet reduseres til mindre enn 2 %. Dette gjøres i konvertere hvor oksygen blåses ned mot det smeltede råjernet, derved stiger temperaturen i ovnen og karbonet og andre fremmedbestanddeler oksideres og blir forslagget. Ved å tilsette aktuelle legeringselementer får en frem forskjellige kvaliteter av stål/stållegeringer. Bare en liten del av jernet som blir produsert, er rent metall. Storparten fremstilles i form av såkalt råjern. Dette er jern med varierende innhold av karbon og andre grunnstoffer, og er utgangsmaterialet for videreforedling til stål og støpejern. 5. Stål Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning. Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt. Støpestål er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Det anvendes til formål hvor styrke og duktilitet hos støpejernet ikke er tilstrekkelig. Samtidig kan det sveises og maskineres. Støpejern er ikke smibare støpelegeringer av jern med et karboninnhold på 2,0-5,0 %, og med et vekslende Si-innhold. Ved å regulere innholdet av karbon i støpejernet oppnår en ulike struktur med tilhørende egenskaper. Omtrent 90 % av verdens stålprodukter går til de ulegerte stålene.

11 Ulegert og lavlegert stål Hovedgrupper Ulegert stål har et karboninnhold på 0,01-2,0 %. Egenskapene bestemmes av karboninnholdet, selv om det også er fosfor, svovel, nitrogen og andre bestanddeler tilstede. Legert stål er tilsatt større mengder legeringselementer for å oppnå ønskede kvaliteter. Legeringselementene kan være nikkel, krom, mangan, molybden, kobolt, vadium og silisium. Både ulegert og legert stål kan være valset eller støpt. Støpestål: er stål som egner seg for en endelig forming ved støping. Lavlegert stål inneholder mer mangan eller silisium en det som går med til deoksydasjonsprosessen. Utenom jern inneholder stålet 2-4 % andre legeringselementer. Dette stålet vil inneholde hovedlegeringselementer som nikkel, krom eller molybden og små mengder med vanadium, kobber og bor. Materialet har større seighet, bedre motstandsevne mot atmosfærisk korrosjon, tåler større utmatting og slitasje og er lettere å sveise i forhold til ulegert støpestål. Lavlegert støpestål brukes typisk i offshorekonstruksjoner, stempeltopper, sylinderdeksel, slitedeler, beltesko og gravemaskintenner. I karbonstål er det kun karboninnholdet som bevisst er avpasset og kontrollert for å oppnå den økende fasthet. Imidlertid er både mangan og silisium tilstede da disse brukes bl.a. til å fjerne oksygenet i stålet under fremstillingsprosessen. I tillegg er det vanligvis små mengder med forurensninger av svovel og fosfor. Resirkulert skrap kan gi ulike mengder av kobber, krom og nikkel. Poenget med å ha karbon tilstede i jernet er at styrken og hardheten øker. Dette på bekostning av duktilitet og slagseighet. Mye karbonstål er brukt i konstruksjoner hvor sveising er påkrevet. Sveisbare kvaliteter kan maksimalt inneholde 0,25 % karbon. Mest vanlig er at karboninnholdet er under 0,18 %. I karbonmanganstål er styrken økt ved å øke manganinnholdet. Mangan øker ikke styrken så effektivt som karbon, men det har ikke så stor negativ innvirkning på sveisbarheten. Ved å øke manganinnholdet fra 0,8 % til 1,6 % forbedres flytegrensen fra 250 Mpa til 350 Mpa. Dette viser at det er mulig å få sveisbart stål med høyere fasthet enn karbonstål. De fleste anvendelser av stål er basert på en gunstig kombinasjon av dets styrke, formbarhet, sveisbarhet og pris. Ved vurdering av anvendelsesområder er det naturlig å skille mellom tre forskjellige grader av deoksidering (tetting). Ved tetting tilsetter man elementer for å binde oksygenet og dermed bedre materialkvaliteten. Noen typiske anvendelsesområder for ulegerte støpestål med middels C-innhold er til maskiner, redskaper og utstyr for møller, valser og bygningskonstruksjoner. Materialer med høyt C-innhold brukes mye i metallindustrien i verktøy hvor metall skal formes. Maskinverktøy av forskjellige støpeprodukter som skal ha høy hardhet, høy stivhet og motstand mot avvirkning produseres av denne type materialer.

12 39 Lavlegert stål Stål og støpestål under denne gruppen inneholder mindre mengder med legeringstilsetninger. Tilsetningene varierer etter hvilke egenskaper som en ønsker å fremheve i produktene. Begrepet seigherdingsstål dekker stål med til sammen 2-4 % legeringstilsetning, der fastheten blir oppnådd etter herding og anløpning ved høy temperatur. Nedenfor listes opp noen typer lavlegert stål: Kromstål har høy herdbarhet og styrke. De er lettere å bearbeide enn nikkelstål av tilsvarende styrke. Kromstål brukes når det er behov for høy hardhet, for eksempel i senker, kulelager, sikkerhetsskap, valseruller, filer og verktøy. Kromstål har for øvrig bedre høytemperaturstyrke sammenlignet med ulegert stål. Nikkelstål Nikkel øker fastheten og reduserer duktiliteten og seigheten forholdsvis lite. Herdbarheten forbedres slik at lengre avkjølingshastighet kan brukes, med tilhørende bedre kontroll av herdingen og av stabile dimensjoner. Skråslagheten, især ved lave temperaturer, forbedres. Ulempen er at nikkel er kostbart og at legeringer basert på krom og mangan ofte er like konkurransedyktig. Legeringer med opptil 6 % nikkel (0,1-0,5 % karbon <0,8 % mangan) brukes bl.a. til veivakslinger, veivstenger, akslinger m.v. Med % nikkel blir legeringene umagnetiske og seige, med lav termisk utvidelseskoeffisient, slik at disse kan brukes i motorer og turbinblader. Nikkelkrom stål kombinerer fordelene både med krom og nikkel i legeringen. De er karakterisert ved høy styrke, god herdbarhet og de har god slipebestandighet. De brukes bl.a. til verktøy og kulelager. Dybden på herdingen økes i forhold til nikkel - eller kromstål. Luftherding er mulig, i enkelte tilfeller ved bestemte legeringer. Krommolybden stål gir til sammen både god duktilitet og seighet, og tillater sponskjærende bearbeiding. Molybden utvider arbeidstemperaturen i forhold til krom, både mht. styrke og seigbestandighet. Typiske sammensetninger er av størrelsesorden 1 % krom, 0,5 % molybden. Kromvanadium stål har bedre seigbestandighet og bedre utmattingsegenskaper enn rene kromstål. Typiske anvendelser ellers er til akslinger, smigods til lokomotiver m.v. Hurtigstål / verktøystål med rundt 0,6-0,8 % C, % W, 3-4 % Cr og mindre mengder andre legeringselementer, som vanadium og molybden. Noen typer har også et forholdsvis høyt innhold av kobolt (10 % og mer). Hurtigstålene beholder sin fasthet og hardhet til forholdsvis høye temperaturer på grunn av en utskilling av stabile karbider. Verktøystål har vanligvis høyt karboninnhold. De kan være både ulegert, legert og noen også meget høyt legerte. Sammensetningen av verktøystål varierer for å dekke ulike bruksområder. Karboninnhold opptil ca. 0,7-0,9 % gir grunnlag for dannelse av martensittisk struktur. Men når mer karbon brukes, blir overskytende mengde tilgjengelig til å danne karbider av krom, wolfram, molybden og vanadium. Slike karbider er meget harde. Wolfram- og molybdenkarbider er også meget temperaturbestandige og benyttes i hurtigstål, som kan operere selv når de er rødglødende.

13 40 Høylegerte støpestål Det er naturlig å dele høylegert støpestål inn i tre grupper: Varmefaste, rustfrie og slitestål. Varmefaste støpestål har god seighet, høy strekkfasthet, god motstand mot skalling og dannelse av grafittflak. Noen typiske anvendelsesområder er varmebehandlingsovner, røsteovner og digler. Stålene anvendes også i miljøer hvor det settes krav til god motstand mot oksidasjon, temperaturpåvirkning og svovelholdige gasser. 8.9 Rustfrie støpestål har stor fasthet og seighet, samt gode korrosjonsegenskaper. Støpte slitestål: Dette materialet er svært slitesterkt, har god seighet, utmattingsegenskaper og herdbarhet. 5.2 Rustfrie stål En begrensning for de ulegerte og lavlegerte stålene er at de reagerer med omgivelsene. De korroderer i vann og fuktig miljø, og det dannes glødeskall ved påvirkning av høy temperatur. Ved innlegering av større mengder krom blir det imidlertid dannet en film av kromoksid på stålet, som senker korrosjons- og oksidasjonsreaksjonene. De enkle rustfrie stålene inneholder ca. 12 % krom. Kvaliteter med bedre korrosjonsbestandighet har nærmere 20 % krom og er legert med nikkel, molybden o.l. Definisjonen på et rustfritt stål er at det inneholder minimum 12 % krom (Cr). Ingen stål er i realiteten rustfrie, men motstanden mot korrosjon og rustangrep er bedre for de høylegerte enn for lavlegerte stål. 5.3 Varmebehandling Innledning Stål er et materiale der materialegenskapene i veldig stor grad kan påvirkes og endres ved hjelp av varmebehandling. Alt etter arbeidsstykkets form og bruksområde kan det benyttes flere herdemetoder. En varmebehandling kan være en herdeprosess der materialet får økt hardhet og styrke, eller det kan være en glødeprosess for å forbedre formbarheten og oppnå lavere hardhet. Dersom et karbonstål blir kjølt ned raskt, for eksempel ved nedkjøling i vann, rekker ikke karbonatomene å diffundere. Det vil si at stålet blir fryst i en grovstrukturert form, og vil være blitt svært hardt. Det har oppstått en herding. Det vil oppstå store indre spenninger. Herdeprosessen Et stål herdes for at det skal få bedre hardhets-, styrke- og slitasjeegenskaper. Når et stål herdes, varmes det først opp til en viss temperatur, som først og fremst er avhengig av karboninnholdet, men også andre legeringselementer spiller inn.

14 41 Deretter bråkjøles stålet. Det blir da dannet en herdestruktur som kalles martensitt. Denne er ofte veldig sprø, slik at det etter bråkjølingen er nødvendig å varme stålet opp på nytt til en temperatur som er en del lavere enn herdetemperaturen. Stålet vil da oppnå den nødvendige seigheten. Dette kalles anløping. Viktig informasjon ved herding For å kunne foreta en riktig herding av et stål, må en vite følgende: 1. Herdetemperatur? 2. Hvor lang tid vil oppvarmingen ta? 3. Hvor lang tid skal delen holdes på temperatur? 4. Hva skal delen kjøles i? 5. Anløpingstemperatur? Det er denne som er avgjørende for de materialegenskapene du oppnår etter herdeprosessen. 6. Hvor lang tid tar oppvarmingen til anløping? 7. Hvor lang tid skal delen anløpes? 8. Hvordan skal delen kjøles ned etter anløping? Hvordan får vi tak i disse opplysningene? Finne det rette databladet for det aktuelle stålet. Her kan det stå ganske mye, men selvfølgelig ikke alt. Det skal selvfølgelig også en del kunnskaper og erfaringer til for å kunne foreta en riktig herding av et stål. Glødeprosessen Stål glødes for å gjøre det mykt, og for å gi det en god struktur etter støping, sveising eller bearbeiding. Det finnes mange ulike glødeprosesser. Vi skal nevne de tre viktigste: Mykgløding Etter at stål er herdet er de ofte for harde for bearbeiding med skjærende verktøy dersom de blir avkjølt i luft etter smiing eller valsing. For å redusere hardheten foretar man en mykgløding. De fleste stål varmer man til en temperatur over A1 og holder stålet ved denne temperatur. Deretter kjøles stålet meget langsomt, vanligvis o C i timen ned til o C, hvorpå kjølingen kan gå raskere. Noen stål mykglødes ved temperaturer like under omvandlingslinjen. Stålet må da holdes på denne temperaturen i lang tid og avkjøles langsomt til o C. Temperaturforløpet for mykgløding over omvandlingen ser man av figuren som vises på skissen. Ved mykgløding er det viktig av holdetiden ved glødetemperaturen blir tilstrekkelig lang. Normalisering Normalisering foretas for å gjøre stålets struktur normal Dersom et material etter smiing eller sveising har blitt grovkornet, og vi ønsker en finkornet struktur, kan dette oppnås ved å foreta en normalisering. Dette innebærer at stålet varmes opp til herdetemperatur, men i stedet for å bråkjøle i vann eller olje, kjøles det av sakte i luft.

15 42 Mykgløding foretas for å gjøre stålet ekstra mykt og lett å bearbeide. Operasjonen er tidkrevende. Stålet varmes opp til en temperatur som er noe lavere enn herdetemperaturen, og holdes på denne temperaturen lengere tid (avhengig av kjemisk sammensetning). Avkjøling fra mykglødingstemperaturen må foregå sakte. Spenningsgløding foretas for å redusere de indre spenningene i stålet. Slike spenninger kan opp stå på grunn av kaldbearbeiding eller sveising. Spenningsgløding går ut på å varme stålet opp til C, og kjøle det sakte av i ovnen til under 500 C. Deretter kan avkjølingen foregå i luft. Normalisering er en varmebehandling som spesielt anvendes ved ulegert og lavlegert konstruksjonsstål for å gi materialet en finkornet og homogen struktur. Ved denne varmebehandlingen får stålet en omvandling så vel ved oppvarming som avkjøling. Derved oppnås en finkornet struktur med gode mekaniske egenskaper og bra bearbeidbarhet. Spenningsgløding Spenningsgløding foretas i enkelte tilfelle på kompliserte verktøy og konstruksjonsdeler hvor det tillates lite kast. Stålet varmes opp til ca o C og holdes ved denne temperaturen til det er gjennomvarmt. Kjølingen ned til 500 o C må foregå meget langsomt, hvoretter avkjølingen kan skje raskere. Ved denne varmebehandling inntrer ingen strukturomvandling, men det utløser og fjerner mekaniske spenninger som kan stå igjen i materialet fra tidligere bearbeidingsprosesser. Risikoen for deformasjoner i forbindelse med videre bearbeidinger eller herdinger vil da minske.

16 43 6. Materialprøving 6.1 Hvorfor utfører vi materialprøving? Som vi alle kjenner til er dagens konstruksjoner utsatt for belastninger. Tar vi eksempler fra offshoresektoren vet vi at kravene til styrke og sikkerhet er enorme. For å være sikker på at aktuelle konstruksjoner tåler de påkjenninger de blir utsatt for, må konstruksjonen eller deler av denne testes/prøves i så realistiske situasjoner som mulig. Før vi setter i gang å produsere en plattform må alle sveiseforbindelser prosedyrebeskrives, dvs. en må klarlegge hvilket materiale, elektroder, osv. en skal bruke i de ulike deler. Det samme gjelder for de støperier som leverer gods til offshoresektoren. En utfører en såkalt siteteste av de ulike sveiseforbindelser. Dette for å se om de rammer som er bestemt tilfredsstiller aktuelle krav. Til dette brukes ulike former for materialprøving. Materialprøving blir foretatt for at en skal kunne beskrive stålets egenskaper slik at en kan vite hvordan det egner seg til ulike formål. Styrke, hardhet og seighet vil i de fleste tilfellene være avgjørende for hva materialet egner seg til. En skiller mellom destruktive og ikke destruktive prøvemetoder.

17 Aktuelle destruktive prøvingsmetoder Vi skal se på følgende prøvingsmetoder: 1. Strekkprøving 2. Hardhetsprøving (Brinell, Rockwell C og Vickers) 3. Skårslagprøving 4. Bøyeprøving Strekkprøving Portabelt apparat for måling av hardhet. Strekkprøving er en av de viktigste og mest brukte materialprøvingsmetodene. Den gir oss opplysninger om materialets strekkfasthet, flytegrense, forlengelse og innsnevring. Strekkprøvemaskin. Oppspenning av prøvestaven mellom bakker. Strekkprøver klare til bruk Hardhetsprøving Hardhetsmåling er basert på inntrenging av et objekt (kule, pyramide eller kjegle) i prøvematerialets overflate. De mest vanlige hardhetsprøvemetodene er: Brinell, Rockwell og Vickers. Vi kan si at prinsippet er å trykke et legeme mot et materiale, og avlese avtrykket i forhold til tabellmål. Det finnes også prøvemetoder hvor en måler refleksen av et objekt som faller ned mot prøveflaten. Denne metoden etterlater ingen merker på Maskin for måling av hardhet.

18 45 prøveobjektet. Hardheten av et materiale kan defineres som motstand mot plastisk deformasjon. Brinell hardhetsprøving En kule av herdet stål eller hardmetall med diameter D presses inn i metallet under belastning F. Etter at belastningen er fjernet, måles diameteren d av inntrykket i prøvestykkets overflate. Stålkulen benyttes for materialer med brinellhardhet mindre enn eller lik 350. Hardmetallkulen benyttes for materialer med brinellhardhet mindre enn eller lik 650. Brinellhardheten er proporsjonal med forholdet mellom belastningen og arealet av inntrykket. Enkelt kan en si at brinellmetoden egner seg best for myke materialer, og er utvilsomt den metoden som er sikrest og gir minst mulighet for feil. Ved hardheter over 550 HB begynner metoden å bli noe usikker. Prinsippet for brinellprøving. Vickersmetoden (HV) Ved Vickersprøving er det en diamantpyramide med kvadratisk grunnplan og en toppvinkel på 136º som presses inn i prøvestykket med en kraft som kan variere fra noen få gram til 30 Kp (294,3 N). Metoden brukes for prøving på harde metaller. Dersom en hadde brukt brinellmetoden på et hardt materiale og med høyt kuletrykk, ville selve prøvekulen som skal trenge ned i metallet gå i stykker. Et materialers hardhet er deres evne til å motstå inntrykk av et annet hardere Bildet viser prinsippet med vickersmetoden for hardhetsmåling.

19 46 materiale. Er et materiale mykt, blir inntrykket stort, mens på et hardt materiale blir inntrykte lite. Charpy - skårslagsprøving Prøvingen består i å slå av en prøvestav med ett enkelt slag av en pendel, ved betingelser som er spesifisert i aktuell standard. Prøvestaven har et skår på midten, og skal være opplagret i begge ender. Den absorberte energien som bestemmes i joule, er et mål for materialets slagseighet. Prøvestykket på anlegg slagprøving Bøyeprøving Prøvemetoden brukes, bl.a. i forbindelse med godkjenning av prosedyrer for skip- og offshorebransjen. Bøyeprøving benyttes for å kartlegge et materiale, en sveiseforbindelse eller et varmepåvirket områdes formbarhet. Bøyeprøvingen utføres i prøvemaskiner eller presser med følgende innretninger: bøyeutstyr med to opplagre og en dor bøyeutstyr med en V-blokk og en dor bøyeutstyr med spennbakker og dor bøyeutstyr med mothold, medbringer og dor. Bildet viser at prøvestaven bøyes. Dette gjøres for å prøve om aktuelle materialer tåler før det ryker av. Det er ingen oppvarmingsmuligheter i konverteren. Når oksidasjonsmidlet, som er rent oksygen, blåses ned mot det smeltede materialet gjennom en lanse, oppstår det en kraftig reaksjon som frigjør store mengder varme. Det som skjer er at oksygenet forbinder seg med forurensningene (brenner dem opp). Disse blir omdannet til gass som unnviker, dels til slagg som flyter opp. Prosessen kaller fersking.

20 47 Under ferskingen tas det kontinuerlige analyser av materialet som nå har blitt til stål. For å få frem bestemte kvaliteter tilsettes legeringselementer. 7. Aluminium vår tids metall Tenk hvor godt det kan være med en leskedrikk i blant! For å kunne transportere og selge en leskedrikk, må den puttes i en eller annen emballasje. Emballasjen må kunne ta vare på innholdet så det ikke ødelegges eller renner ut. Den skal ikke være for tung, så den er lett å håndtere og transportere. Andre krav vi setter, er at den skal være lett å åpne, og at den er tiltalende av utseende. Vi er også opptatt av at emballasjen skal kunne resirkuleres. En aluminiumboks oppfyller alle disse krav! Leskedrikkbokser i aluminium er både lette og delikate Leskedrikkboksen formes i flere steg før den lakkeres Har du lurt på hvordan en slik aluminiumboks tilvirkes? Bedriften får metallet i lange band på store ruller. Godstykkelsen er bare 0,33 mm. Først stanses ut en sirkelrund plate. I en maskin trekkes den ut til boksform, men mangler fremdeles lokk. Etter at kantene er skåret rett, blir boksen rengjort og lakkert både innvendig og utvendig. Lakken innvendig skal beskytte metallet mot korrosjonsangrep fra innholdet. Utvendig skal lakken gjøre boksen tiltalende, og fortelle oss hva som er inni. På bryggeriet fylles boksene med leskedrikk, lokket settes på ved hjelp av en falsemaskin. Lokket leveres fra fabrikken med ferdig ring for åpning. Hvorfor er aluminium blitt så populært? Visste du at aluminium omgir deg på alle kanter? Ikke bare i form av lette produkter og konstruksjoner som leskedrikkbokser, raske biler og katamaranferjer. Faktisk er aluminium det metallet det finns mest av på jorden. I jorden noen steder finnes det så store mengder aluminium at det er lønnsomt å utvinne. Det trengs mye energi. Men det passer det godt å gjøre i Norge, der vi har vannkraften som gir oss billig strøm.

21 48 Det er spesielt i produkter og konstruksjoner der vektreduksjon er viktig, at aluminium foretrekkes. Boligmoduler offshore er et godt eksempel på hvordan vektreduksjon på konstruksjonsdeler kan gi plass til mer nyttelast. I Norge har vi framstående bedrifter som lager både bildeler, katamaranferjer, broer og boligmoduler i aluminium. Aluminium kan gjenvinnes. Ved smelting av resirkulert aluminium trengs det bare 5 % av den energi som skal til for å framstille aluminium fra råvaren. Aluminium har en spesifikk vekt som er mindre enn en tredel av både jern og kobber.

22 49 Aluminium leder elektrisitet og varme. Den erstatter ofte kobber i elektriske kabler, og er betydelig billigere. Går du en tur i heia eller fjellet, ser du ofte kraftlinjer som bølger over landskapet. Visste du at aluminium i forhold til egenvekta leder elektrisk strøm bedre enn kobber? Kablene som henger fra mast til mast, er spunnet av aluminiumtråder. Innerst har de en

23 Materialegenskaper På kjøkkenet har du kanskje kasseroller av aluminium. De leder godt varmen fra kokeplaten og oppover veggene i kasserollen, slik at innholdet får varmen fra flere sider. Men pass på at saltvann ikke blir stående lenge. Det samme gjelder ved meget sure eller meget basiske væsker (sitron eller sterke vaskemidler). Da tæres aluminium. Ved riktig anvendelse har aluminium store fordeler der vanlig stål korroderer. Sist, men ikke minst, kan nevnes alle mulighetene med forming av profiler, forming og sammenføyning av aluminiumlegeringer. Aluminium er fremtidens og mulighetenes materiale. Ved design av nye produkter og konstruksjoner, settes vår kreativitet på prøve. Ved fabrikasjon settes våre faglige ferdigheter på prøve. La oss ta utfordringen! I Norge har vi lykkes med mange utfordringer. Denne boligmodulen på en produksjonsplattform i Nordsjøen ga 50% vektreduksjon, og sparte dermed sin egen vekt for annen nyttelast. Bildet er fra boligkvarteret til Oseberg Sør plattformen, som har plass til 100 personer. Flere gamle veibruer er erstattet med prefabrikerte bruer i aluminium. Fordelen er at brua lages ferdig på bedriften før den transporteres på skip til stedet, og heises på plass av kraner. Vi trenger derforikke å stenge en viktig ferdelsåre for å b ygge ny bru. Bildet viser ei teleskop-gangbru mellom oljerinnstallasjoner i Nordsjøen

24 Fremstilling av aluminium Råvaren I Mellom- og Sør-Amerika finnes en rød jordart som kalles bauxitt. Navnet kommer fra byen Le Baux i Frankrike der jordarten først ble oppdaget. Jorda inneholder ca. 25 % aluminium. Etter foredling til aluminiumoksid, er innholdet 50 % aluminium. I denne form fraktes råvaren til blant annet Norge, der den foredles videre til aluminiummetall. Elektrolyseovn

25 52 Smelteelektrolyse Aluminiumoksidet er som strøsukker som suges opp fra båtens lasterom til siloer ved elektrolyseverkene. Det kan ta to uker å tømme et skip. De eldste verkene i Norge ligger innerst i fjordene der transporten av elektrisk energi ble kortest. I de senere år kan en med aluminiumkabler (mindre energitap) transportere strømmen dit en ønsker, til kysten slik at det blir kortere seiling for skipene. Ferdigstøpte emner for varmvalsing. Hvert emne veie fire tonn. Smeltet aluminium i bunnen av ovnene tømmes av truck med sugerør og beholder I støperiet tømmes smelta i en ovn. Det tilsettes også andre metaller, (legeringselementer) for å kunne støpe ut forskjellige legeringer. De utstøpte emnene brukes til videreforedling eller selges videre som råvarer for ekstrudering, valsing eller støping av forskjellige produkter. Prinsippet for ekstrudering: Pressbolten er et sylindrisk stykke aluminium som er forvarmet. Matrisen er verktøyet som aluminiumpressbolten presses gjennom.

26 53 Her ser vi et utvalg av profiler som er blitt ekstrudert. Noen er laget ved sammensetning av flere profiler. Varmvalsing: Kaldvalsing: Valsing Valsing er en prosess der flate valseblokker kjøres gjennom store valsepar. Godstykkelsen minker for hver gang, siden åpningen mellom valsene blir mindre og mindre. På denne måten kan en lage tynne band som brukes til å lage leskedrikkbokser, eller til husholdningsfolie. Valsingen skjer først ved ca. 400 o C, fordi materialet har mindre fasthet ved denne temperaturen. Det er altså mer formbart, og lar seg lettere valses ut til mindre tykkelser. Vi kaller dette varmvalsing.

27 54 Senere valses det videre ved romtemperatur. Dette kalles kaldvalsing. Hensikten kan være enten at en vil øke fastheten i materialet. Du har sikkert lagt merke til at når du har bøyd en metalltråd (for eksempel en binders), blir den vanskeligere å rette ut der den tidligere var bøyd. Fastheten (styrken) har økt i materialet. Ved kaldvalsing kan en også valse materialet ned til tynne folier på bare 0,007 mm. Mange mønster kan valses på platene. Platene kan dessuten lakkeres i flere farger. Valsingen gjøres for å få mindre godstykkelse, og profilmønster ved sluttvalsing. For framstilling av kjølevannsradiator på biler, benyttes tynne kaldvalsede band, bare 0,1-0,5 mm tykke.

28 55 Formstøping Vi starter med å smelte metall og eventuelt legeringselementer i en ovn. Smelta tømmes i ei form som har et hulrom lik den delen som en ønsker. Når metallet er størknet, fjernes formen og den støpte delen tas ut. Til slutt blir den renset og slipt glatt på hjørner og kanter. Støpeformene kan lages av forskjellige materialer som sand (herdet med bindemiddel), stålform eller gipsform. En støpeform for sandstøping består av to halvdeler som settes sammen. Først ble en modell av gjenstanden dekket av sand med bindemiddel og formsanden ble deretter pakket hardt sammen. Skal det være hulrom i gjenstanden, legges det inn sandkjerner. Støpeformen er laget med et system av innløp og kanaler for at smelta skal komme til i alle hulrom. Disse kanaler og nedløp må fjernes etterpå. Blå farge: aluminium. Brun farge: Sandkjerner. Svartprikket: Herdet formsand. Smeltet aluminium helles fra en øse direkte i støpeforma. Smeltas temperatur er ca. 700 C Det ferdige støpegodset kan nå leveres fra støperiet til kunden.

29 Legeringer Det finnes mange ulike produkter laget i aluminium som har sine spesielle egenskaper. Vi bygger ikke fly av samme materiale som folien lages av. Gjennom å tilsette små mengder av magnesium, silisium, sink eller kobber til aluminiumsmelta, vil egenskapene til det utstøpte produktet endres. Type og mengde av legeringselement er avgjørende. Vi kan på denne måten lage flere forskjellige legeringer med sine spesielle egenskaper. Aluminium er et sterkt og seigt materiale som tåler lave temperaturer uten å miste seigheten. Til fly benyttes aluminiumlegeringer med største fasthet, dvs. legert med Cu, Mg og Zn, og deretter varme-behandlet på en spesiell måte. 7.4 Korrosjon Aluminium anvendes i mange miljøer. I båter er metallet i kontakt med saltholdig havvann. Hustak utsettes for røyk, gass og sur nedbør. Transporttanker skal kanskje inneholde kjemikalier. I bensintanker oppstår kontakt mellom bensin og aluminium. Som for alle andre metaller og metallegeringer, er det viktig at det brukes riktig materiale til formålet. Ellers oppstår tæring, også kalt korrosjon. Aluminiumlegeringer har forskjellig korrosjonsmotstand. Noen kalles sjøvannsbestandige. Andre må beskyttes med et forsterket oksidsjikt (anodisering) eller lakkering, enten fordi miljøet er krevende eller fordi vi velger å benytte en legering med stor fasthet og gir avkall på korrosjonsmotstanden. Aluminium har lang levetid. År 1897 fikk San Gioacchino-kirken i Roma sitt tak av plater av behandlet aluminium. I dag, over hundre år senere, er taket nesten upåvirket av tidens tann.

30 Anvendelsesområder for aluminium Aluminium anvendes i mange produkter og konstruksjoner. I Norge brukes flest tonn aluminium til konstruksjoner som katamaranferjer, boligmoduler for offshore, flycontainere og bildeler. Noen eksempler på aluminiumanvendelse Bygningsbransjen: Tak og vegger: En valset bandrull blir først lakkert i riktig farge og deretter valset i profileringsvalseverk. Profilmønsteret øker stivheten til platen. Vinduer og dører: Karmer og lister kappes ut av ekstruderte profiler. Ved design av en profil passer en på å utnytte mulighetene til å legge inn praktiske løsninger for spor for glass, lister, drenering, sammenkoblinger, og får i tillegg god stivhet i konstruksjonen. Båndlakkering: Valseforming: Trebro Forbehandling Farge- Tørkeovn Profilvalsing pålegging Fremstilling av lakkerte bygningsplater Bilindustrien: Ferdige bygningsplate Siden aluminium er et lett og sterkt materiale, passer det bra til bildetaljer. På personbiler, lastebiler og busser finner du følgende deler i aluminium: Laget av plater: Kjølere, bakluke, deksler, drivstofftank, trykklufttank, busskarosseri. Laget av profiler: Støtfangere, drivstoffledning, bagasjehyller og rammer. Laget av støpegods: Motorblokk, girkasse, vannpumpe, felger. Laget av smigods: Rattaksel. Mange bilkomponenter er laget av aluminium. Bildet viser støtfangere for Volvo, Rolls Royce og Jaguar, drivstoffrør, innsugningsrør for turbo og trykklufttanker.

31 58 På lastebiler anvendes aluminium til lasteplan eventuelt andre former for transportcontainere. Ved å bruke et lettmetall, reduseres vekten av selve konstruksjonen. Følgen blir at bilen kan frakte mer gods. Dermed synker transportkostnadene. Hurtigbåter og katamaranferjer bygges i aluminium på grunn av vektbesparelse, slik at en kan holde høy fart og lave drivstoffutgifter. Mange setter også en overbygning i aluminium på et stålskrog. Aluminium boltes til stålet med isolerende mellomlegg, eller sveises til stål ved hjelp av plater med eksplosjonssveist aluminium. Det er ikke bare leskedrikkbokser som lages i aluminium. Andre eksempler er kaviar- og tannkremtuber, sardinesker, folier for sjokolade og sigaretter, etiketter, flaskekapsler og poser for vakuumpakket kaffe.

32 59 8. Tre Tre er blant de eldste konstruksjonsmaterialene vi kjenner til. I mange tidligere kulturer ble trevirke mye bruk, men etter hvert som trevirke ble vanskeligere å få tak i ble det erstattet av andre materialer. Dette ser vi spor av i antikkens byggeskikk, der de fortsatte å lage steinsøyler runde å som om de var laget av store tømmerstokker. I vår del av verden har vi hatt rikelig tilgang på trevirke, og bruken av tre til mange formål har derfor holdt seg oppe. Vår tradisjon og våre kunnskaper dreier seg om å bruke tre til formål som våre treslag egner seg til. Vi har ikke på samme måte tradisjon for og kunnskap om bruk av treslag fra andre himmelstrøk som kan ha andre egenskaper. Når trevirke fortsatt er et mye brukt materiale, til tross for den store konkurransen fra andre materialtyper, er det pågrunn av trevirkets mange positive sider. Tre er lett å skaffe, lett å frakte, lett å bearbeide og sammenføye. Trevirket har dessuten stor styrke og stivhet i forhold til vekten sammenliknet med andrematerialer. Tre har liten varmeledningsevne og lav elektrisk ledningsevne og fungerer derfor delvis som en god isolator. Derfor er tre et varmt materiale å ta på. Ikke uvesentlig når vi skal i nærkontakt med produktet, enten det er en bordplate eller gelender i trappen. Tre er rett og slett godt og behagelig å ta på. Brukt riktig har trevirke også lang levetid. Trevirke utsettes ikke i noen særlig grad for utmatting. I våre dager er et stadig viktigere moment til treets fordel at det er en fornybar ressurs. Noe som ikke har vært så mye inne i diskusjonen så langt, er at det å bruke tre i mer permanente konstruksjoner er en effektiv og enkel måte å binde opp karbon på. Trevirke har også negative sider som en må ta med i betraktningen. Tre er brennbart og forholdsvis lett å antenne. Under visse forhold kan det også bli angrepet av mikroorganismer og insekter. Fordi tre er et naturmateriale, er det stor spredning i materialegenskapene også innenfor samme treslag og mellom trebiter som stammer fra forskjellige steder i samme trestamme. 8.1 Hva tre brukes til Den absolutt største delen av trematerialene blir brukt i forbindelse med bygg, enten direkte til de bærende og avstivende delene av bygget, eller som kledning. Også i forbindelse med bygging i andre materialer går det med mye trevirke. Mye trevirke blir brukt av andre industrier som bruker tre som ett materiale eller kanskje bare som en liten del avmaterialforbruket i sin egen produksjon. I Norge utgjorde for noen få år siden ca. 40 % av treforbruket virke som gikk direkte til industrier. Mye av trevirket går til emballasjesektoren, dvs. til kasser og tønner, men kanskje først og fremst paller. De såkalte europallene, som er standardisert, og som brukes over hele Europa, betales det pant for, og de kan ofte brukes om og om igjen i mange år. Produkter som vinduer, dører og trapper er fortsatt overveiende treprodukter, men det blir stadig utviklet nye kombinasjonsprodukter som er satt sammen av

33 60 flere materialer, og som kombinerer de beste egenskapene i hvert enkelt materiale. Et typisk eksempel er moderne vinduer, som har trekarm og treramme, men der tetningen utgjøres av kunststoffer og den ytre bekledningen (værbeskyttelsen) er i aluminium. Møbler av mange typer er også vanlige treprodukter. I mange av de møblene som består overveiende av plater, er det oftest trebaserte plater som sponog MDF-plater som blir brukt. Skal det være synlige treflater på slike møbler, er det pålimt finér som gir utseendet. I tillegg til de rent konstruktive aspektene ved trevirke blir tre også brukt som råstoff for en rekke prosesser. Best kjent er sannsynligvis cellulose- og papirproduksjonen på basis av trevirke. Tre består av hydrokarboner i omtrent samme blanding som i jordolje og i steinkull, men med vesentlig mindre innhold av svovel og liknende forurensninger. Dette betyr at en kan lage svært mange stoffer og substanser på basis av trevirke. Alkohol (tresprit) er et av disse stoffene, og det danner igjen utgangspunkt foren lang rekke industriprodukter. Cellulosen danner basis for en rekke kunststoffer og var i sin tid forløperen for nåtidens plastindustri. En rekke treslag inneholder også forskjellige ekstraktivstoffer som er interessante i mange sammenhenger. Gummi er et slikt stoff. Harpikser som kan brukes som basis for malinger, lakker og plaster, er andre. Noen treslag inneholder også luktemner som er interessante. 8.2 Treets viktigste egenskaper Vi kan ikke her gå inn på alle treets forskjellige egenskaper, men skal bare trekke frem de viktigste og særlig slike som kan han betydning ved vurderingen av trevirke under sortering. Disse egenskaper er: densitet (volumvekt) fuktighet krymping styrke Trevirket består av flere grunnstoffer. De viktigste er: ca. 50 % karbon (C) ca. 43 % oksygen (O) ca. 6 % hydrogen (H) ca. 0,1 % nitrogen (N)

34 61 9. Plast Plast er en fellebetegnelse på en stor materialgruppe somhar en rekke fellestrekk. Plast som materialgruppe har ingen lang historie bak seg, sammenliknet med materialgruppene metall og tre. Det første materialet som ble tatt i bruk kommersielt, kom på markedet i Utviklingen av enkelte halvsyntetiske plasttyper startet midt på 1900-tallet. I dag fremstilles omtrent alle plaster ved kjemiske prosesser med utgangspunkt i jordolje, gass, vann, luft og salter. Samtidig som etterspørselen av plast har økt enormt gjennom det siste hundre året, har også utviklingen av nye plasttyper økt. Det finnes nesten plaster til alle bruksområder en kan tenke seg. Bilde: Plastbilen Think Vi regner med at plastforbruket vil fortsette å øke betraktelig de neste årene. Økt fremstilling av plast betyr at det vil bli økt forbruk av fossilt brensel (olje og gass). Fremstillingen for plast er likevel lite energikrevende i forhold til andre materialer som stål og aluminium. Det blir benyttet to hovedmetoder for fremstilling av plast, nemlig halvsyntetisk og helsyntetisk fremstilling. Begge metodene benytter seg av kunstig fremstilling. I tillegg kommer naturgummi basert på naturgummi fra tre. 9.1 Hva er plast Definisjonen på hva plast er: Plast er en gruppe materialer som har det til felles at de er oppbygd av store (lange) molekyler, og at de er organiske. Det siste vil si at materialene har karbonatomet som hovedbyggestein. (Det siste er det unntak fra, som si skal komme tilbake til) Men elles er plastene svært forskjellige både når det gjelder bruksegenskaper og bearbeidingsegenskaper. Plast er et materiale som består av, eller inneholder som karakteristisk bestanddel, et naturlig, eller syntetisk høymolekylært organisk materia-le, som på ett eller annet trinn i framstillingsprosessen er, eller kan gjø-res plastisk eller flytende, slik at det kan formes. Plastmolekylene er lange kjeder, det er det som menes med høymolekylært. Et plastmolekyl kan inneholde fra 1000 til atomer, i enkelte tilfeller enda mye mer. At materialet er organisk vil si at det er grunnstoffet karbon som er hovedbyggesteinen i molekylet. Men det kan være andre atomer som hjelper karbon, for eksempel oksygen, nitrogen og svovel.

35 62 Plastmaterialene deles inn i to hovedgrupper, termoplast og herdeplast. Termoplastene har både det største mangfoldet og det desidert største forbruket. Plastmekanikeren bearbeider både termoplast og herdeplast, og må derfor ha kunnskap om begge gruppene. 9.2 Herdeplast Det er mange typer herdeplast og mange varianter innen hver type. Vi skal bare ta for oss de som er viktige for plastmekanikeren. De tre viktigste herdeplastene er polyester, vinylester og epoksy. Men også polyuretan, fenolformaldehyd og silikon er aktuelle typer for plastmekani-keren. Polyester Den desidert mest brukte herdeplasten er polyester. Polyester er bygd opp av syrer og alkoho-ler. Som råstoff harpiks er polyester halvlange kjedemolekyler sammensatt av en mettet syre, en umettet syre og en alkohol. Umettet polyester ble tatt i bruk som materiale i båtbygging her i landet i begynnelsen av 1959 årene. Materialet ble snart et populært materiale på grunn av det enkel produksjonsutstyret som var nødvendig. Vinylester Vinylester er en type polyester fordi den inneholder estergrupper i molekylet. Samtidig minner den om epoksy fordi reaksjonspunktene sitter på enden av molekylet. Dette siste gjør at det er lengre avstand mellom tverrbindingene. Større deler av molekylet kan bevege seg ved belastning og herdet vinylester er derfor mer slagfast enn vanlig polyester. Vinylester tåler derfor bedre slag og støt, og også termiske sjokk. For å oppnå de beste egenskapene må mate-rialet etterherdes ved forhøyet temperatur. Epoksy Epoksy er en herdeplast som kom i handelen etter andre verdenskrig. Den ble først tatt i bruk som lim, senere også som maling og støpemasse. Epoksy har mye den samme molekylkonstruksjonen som vinylester, men den reaktive gruppen i enden av harpiksmolekylet er en såkalt epoksyring (epoksidring). Herdingen for epoksy er forskjellig fra polyester. Fordeler og ulemper ved bruk: Fordelene med epoksy er at den - kan støpes uten varme og trykk - er dimensjonsstabil - har liten herdekrymp - har svært lite varmeutvidelse

36 63 - har svært god evne til å feste seg til andre materialer - her en god kombinasjon av mekaniske, elektriske og termiske egenskaper - er normalt et hardt og stivt materiale. Noen ulemper er det knyttet til materialet: - det har dårlig motstand mot alkohol og en del løsemidler - vi må bruke varmherdende system for å få fram de beste mekaniske og kjemiske egenskapene. Epoksy er mye brukt som støpemasse når det skal lages dimensjonsstabile støpeformer. Epoksy blir brukt som matrise (bindemiddel) i høyverdige fiberkomposittmaterialer. Fiberen er da vanligvis karbonfiber eller aramidfiber, og denne kombinasjonen blir brukt når stor styrke i forhold til vekt betyr mer enn prisen. Eksempel på bruksområde er sportsutstyr (ski og skistaver, båter, bilkarosseri og lignende) og luft- og romfartsutstyr. Epoksy blir brukt i maling og industrilakk for å beskytte stål og metall som er utsatte for svært korrosive atmosfærer. Folk flest kjenner nok epoksy best som lim. Epoksylimet har en overlegen styrke sammenlignet med de fleste andre lim. Særlig der to ulike materialer skal limes sammen, passer epoksy utmerket. Den elektrotekniske industrien bruker epoksy til å støpe inn komponenter som skal beskyttes mot støv og fuktighet. Herder og herding Herderbegrepet brukes litt forskjellig, og litt upresist. Dermed kan det være duket for misfor-ståelser. Herdeplast bygges opp av(minst) to forskjellige komponenter. Når komponentene blandes skjer det en kjemisk reaksjon som resulterer i store molekyler med tredimensjonalt nettverk. I noen tilfeller blir den eine komponenten kalt herder. Men herderen blir her en del av plastmaterialet, og et bedre navn hadde kanskje vært tverrbinder.

37 Termoplaster Polyvinylklorid - PVC Polyvinylklorid er det nest mest brukte av alle plastmaterialene.pvc inneholder det repeterende leddet klor, og det virker som et innebygget brannslukkingsmiddel. Noen av fordelene for PVC er: - Materialet er uten lukt og smak - Materialet er ikke giftig, men som bruksferdig plast kommer det an på hvilke tilsatsmaterialer som er brukt - PVC er selvslukkende (oksygenindeks 47) - Materialet har relativt god kjemikaliemotstand, men blir angrepet av keto-ner, klor og aromatiske hydrokarboner og estere - Stiv PVC har god dimensjonsstabilitet - Det har lav pris PVC har sine grenser. Den største ulempen er nok det smale brukstemperaturområdet. PVC er mellom de materialene som har minst å gå på her. Stiv PVC kan brukes mellom 10 og +70 grader noen pola-re organiske forbindelser. Andre ulemper er at PVC har en tendens til å bli nedbrutt ved høyere temperaturer. Materialet er også tungt i forhold til de fleste andre plaster. Og som nevn blir den angrepet av Når PVC brenner, blir det utviklet saltsyregass, og den er irriterende for lungene og korrode-rende på maskiner. Som nevnt må det brukes flere forskjellige tilsatsstoffer ( noen kaller det hjelpestoffer ) når PVC skal bearbeides. Det er i praksis umulig å bearbeide rein PVC. Tabellen nedenfor viser hva en PVC resept kan inneholde. Polyeten - PE Polyeten (også nevnt polyetylen) er det mest brukte av alle plastmaterialer, både i Norge og på verdensbasis. I Norge dekker PE over 40 % av plastforbruket. Polyeten har den enkleste strukturformelen av alle plastmaterialer. Polyeten finnes i mange varianter, men vi kan dele de inn i to hovedgrupper, etter måten de framstilles på. De to framstillingsmetodene gir materiale med litt forskjellige egenskaper. Alle materialer har sine fordeler og ulempe. Av polyetens gode egenskaper kan nevnes : - Har svært god slagfasthet over et bredt temperaturområde - Har lav vannabsorpsjon

38 65 - Kan brukes i kontakt med næringsmidler - Finnes i mange varianter med forskjellig smelteindeks og molekykvekt - Har gode elektriske egenskaper - Har generelt gode kjemiske egenskaper, og under 60 grader er PE ulø selig i alle organiske løsemidler. (men det kan svelle) - Har lav pris Polyeten har også sine ulemper eller grenser - Stor lengdeutvidelseskoeffisient - Lav sigemotstand - Brenner kraftig - Reagerer lett på spenningskorrosjon - Nesten umulig å lime med vanlige teknikker - Høy formkrymp - Har dårlig værbestandighet - Ved brann vil PE smelte og dryppe med brennende dråper 9.4 Fordeler med plastmaterialer Plast er svært lette materialer, sammenlignet med metaller. I praksis veier plasten 1/5 av stål. Metall er ca. 100 ganger så stiv som plast, med en del varianter. Med lav temperatur vil plasten bli stiv og sprø, og ved varme vil mykheten øke. Dette må tas hensyn til i forhold til bruksområder. Plasten leder ikke strøm, og er godt egnet til elektrisk isolasjon. Den leder ikke varme heller, noe som ofte kan være en fordel. I blant kan dette også være negativt fordi plasten ikke er lett å kjøle ned hvis noe er i ferd med å gå varmt. Vi kjenner til at metall utvider seg ved varme. Plasten utvider seg 10 ganger så mye som metaller. Plast har etter hvert tatt mye over i forhold til båtutstyr, da vi vet at metall korrigerer. Også plast reagerer med væsker, og vi kan oppleve at plasten mister sin fasthet etter en tid.

39 Forbruk av plast. Plastforbruk i prosent er ca. 25 % byggsektor, 20 % embalasje, 20 % tekniske artikler, 10 % maling,lakk og lim, 10 % andre artikler, 5 % hushold, 5 % innredning og møbel, 5 % sport og 5 % fritid. I tillegg til de metalliske materialene benyttes det også mye plastmaterialer (kunststoffer) i moderne kjøretøyer. Det er flere grunner til at kunststoffene overtar stadig flere bruksområder der det tidligere ble brukt metall. En vesentlig grunn er at materialene er blitt teknisk mye bedre, samtidig med at økte produksjonshastigheter har redusert enhetskostnadene vesentlig. Bilindustrien nyter også godt av de materialene romfartsforskningen har utviklet til bruk i sine prosjekter, prosjekter hvor det er kvaliteten og ikke kostnadene som er viktigst. Plastmaterialene er dessuten blitt mer reparasjonsvennlige i takt med den økende bruken av disse materialene. Kjøretøybransjen har solide tradisjoner med hensyn til å være kreative når det gjelder å utvikle reparasjonsmetoder for de aktuelle konstruksjonsmaterialene, som for eksempel et karosseri består av. 10. Kompositte materialer Hva er kompositter Materialer som benyttes på en del industriprodukter er ofte laget av kompositte materialer. Kompositter er en blanding av ulike materialer. Blandingen gjør at produktet får bedre egenskaper. Komposittmaterialet vil både være sterkere og lettere enn de materialene vi ellers har i dag, avhengig av materialsammensetningen. Ofte inngår spesiell varmebehandling for plastkompositter, som herder produktet. Typer kompositter Armert betong er det mest brukte komposittet. Blanding av glassfiber og herdeplast, der man utnytter plastens formbarhet og glassets stivhet og styrke. Karbonfiber.

40 67 Naturfiber er en spesiell fibergruppe som er tatt i bruk igjen industrielt. Disse er etter hvert mye brukt i f.eks. paneler i bilindustrien. Hva er plastkompositter Komposittmaterialer eller kompositter er en samlebetegnelse for blandingsmaterialer der man utnytter de gode egenskapene til hver av bestanddelene. En kompositt bestående av en eller flere kontinuerlige eller diskontinuerlige fibre (armering) innbakt i en fase (plast) kalt matrise. Glassfiber er et materiale som smeltes og formes til ekstremt fine fibre (glasstråder eller smeltet sand) med en tykkelse på mellom 0,001 og 0,1 mm. Før sammensetting (veving) blir de primet med en primer som legger seg rundt fibrene slik at de ikke brekker. Glassfiber er mye brukt å produsere tekstiler, f.eks. matter. Det benyttes også i plastprodukter hvor man oppnår et sammensatt og ikke minst avstivet materiale, kjent som GAP Glassfiber-armert plast eller også kjent som GRP av det engelske glass-reinforced plastic. En har i de siste årene gått over til å kalle materialet GUP (glassfiberarmert umettet polyester). På midten av 60-tallet ble det vanlig å produsere båter i glassfiber. Det ble brukt epoxy herdeplast som ble strøket inn i glassfibervev. En støpeform som bestemte formen på utsiden av båten ble brukt til et stort antall båter. Det ble mulig å lage båter med former som var ukjent fra de tidligere trebåtene. Hvorfor bruke kompositter? Lav vekt Høy styrke/ vekt forhold Høy stivhet/ vekt forhold Utmerket korrosjonsbestandighet Gode utmattingsegenskaper Kan skreddersys til riktige materialegenskaper Anvendelse av kompositter Fly- og romfartsindustrien: space shuttle, vinger, høyde- og sideror, gulv i fly og helikopter og luftinnta.k Bilindustrien: drivakslinger, karosserier, støtfangere og innvendige detaljer. Marine anvendelser: båtskrog, propellakslinger, propellblader, overbygg. Sport- og fritid: tennisracketer, golfkøller, sykkelrammer og hjul, ski og skistaver. Offshore: rør, tanker og beskyttelsestrukturer. Deksler på ulike verktøy og maskiner er også ofte laget av kompositte materialer. 11. Elastomerene - gummi Elastomerene finnes både som termoplast og herdeplast, men er som type som bedre kjent som gummi. En fellesegenskap for elastomerene er at de «kan strekkes til minst det dobble av sin lengde for så å gå tilbake til samme form etter belastningen». Gummi er en elastomer, som gjennom vulkaniseringen har fått molekylkjedene bundet sammen med tverrbindinger.

41 68 Gummiprodukt fremstilles enten fra naturgummi eller kunstig som syntetisk gummi. Naturgummi blir fremstilt av saft fra gummitreet (lateks), som bearbeides videre med syrer til en får rågummi. Deretter går materialet gjennom en vulkaniseringsprosess der det tilsettes svovel. Naturgummi benyttes i bildekk. Styrengummi (forkortet SBR), er et vanlig syntetisk gummimateriale, og benyttes i blant annet i slanger, dekk, elektriske ledninger, bufferter og fjærelementer. Fluorgummi har stor motstand mot olje og benyttes i oljebestandige slanger og pakninger. Nitrilgummi har bra motstand mot organiske løsemidler, og benyttes derfor bl.a. i hansker. Vulkanisering er en bearbeidings- prosess (varmforming ºC), som former gummien til et sluttprodukt. Gummi benyttes på mange deler i chassis og karosseripåbygg (slanger, dekk, luftbelger, gummibufferter, foringer, pakninger osv.). Gummiens elastiske og vibrasjonsdempende egenskaper er bakgrunnen for at materialet benyttes så mye i kjøretøy. 12. Glass ganger. Glass er et materiale som er gjennomsiktig, sterkt og ikke spesielt reaktivt, og på grunn av dette har mange bruksområder. Glass brukes for eksempel i vinduer, til å drikke av, til oppbevaring av væsker og matvarer,innen kjemi og i karosserikonstruksjoner og kjøretøyer. Glass blir fremstilt av kalk, sand og soda, og dette smeltes og herdes ved pressing. Herdespenningene øker glassets styrke flere Bruk av glass i kjøretøy Vi skal her se på bruk av glass i karosserikonstruksjoner og kjøretøyer. I moderne karosserier er det flere krav som stilles til glassene - ikke bare at det skal være god sikt gjennom dem. Egenskapene og kravene kan punktvis opplistes slik; Alle ruter skal være «sikkerhetsglass» jfr. bestemmelser om kjøretøy Glassene er bærende element i karosseriet Glassene skal ha varmeisolerende effekt Glassene skal filtrere UV stråler (sollys) Glassene skal være en integrert del av formen på karosseriet Noen glassruter i kjøretøyet må kombineres med varmetråder for avising/ kondensfjerning Glassene skal kunne monteres og demonteres uten større vanskeligheter

42 69 Glasstyper i kjøretøy I kjøretøyforeskriftene, 31-2, beskrives hvilke glassrutetyper som er godkjent i kjøretøy. Her står blant annet; «Frontvindu skal være av laminert glass. Andre vinduer skal være av laminert eller herdet glass. Vindu, unntatt frontvindu, som skal brukes som nødutgang skal ikke være av laminert glass. Innvendige vindu og takvindu kan være av plast». Videre vises det til EU-direktiver vedrørende godkjenningsnormer for vinduer i kjøretøy. Vi skal nå se på ulike aktuelle glassbenevnelser og det karakteristiske for disse. (PMMA/pleksiglass) Under definisjonen «sikkerhetsglass» hører herdet glass, laminert glass og akrylplast Herdet glass Dette glasset fremstilles ved at det under herdeprosessen benyttes varierende luftavkjøling. Man oppnår da at overflaten i en bilrute står under trykkspenning mens kjernen blir seigere. Dette er grunnen til at det ikke oppstår farlige splinter om en rute knuses av en ytre påvirkning. I tillegg opererer man med en annen glasstrukturen i spesialherdede frontruter, ved at det fremfor føreren tilvirkes et område med grovere bruddstruktur. Dette gjør at sikten opprettholdes noe bedre i dette viktige området. Laminert glass Dette glasset består av et glassmateriale som er mye likt herdet glass, men i tillegg er ruten delt i minst to lag med et mellomlegg av PVB plastfolie imellom. Store ruter i busser har gjerne to lag med PVB-folie mellom glasslagene (Se figuren på neste side). Ved skader vil glasset bli knust i små deler, men blir likevel holdt sammen til en enhet av den fleksible plastfolien, slik at føreren ikke får bitene slengt over seg. I tillegg vil det være en viss sikt gjennom ruten selv om den er skadet. En laminert frontrute vil med sin fleksibilitet kunne tåle en god del ytre påvirkning, og beskytter de som er i kjøretøyet mot skade fra eksempelvis en uforutsett stein. Glass laminert med ett og tre PVB-folie