Järn

Nordisk Familjebok - Uggleupplagan, 1904-192

Järnet är den mest använda af metallerna, hvarför dess förbrukning inom ett land plägar anses som en mätare af folkets kultur. Dess ymniga förekomst, lättheten att däraf kunna framställa de mångfaldigaste former samt de olika egenskaperna hos dess särskilda modifikationer göra det också mera än någon annan metall egnadt att tillfredsställa människans behof. Det förekommer i naturen vanligen i oxideradt eller svafvelbundet tillstånd; de jämförelsevis små kvantiteter gediget järn, som påträffats, kunna, vare sig de äro af telluriskt eller kosmiskt ursprung, betraktas endast som mineralogiska märkvärdigheter och ha ingen praktisk betydelse. I oxideradt tillstånd förekommer däremot järnet så allmänt spridt öfver hela naturen, att knappast någon kropp finnes, vare sig organisk eller oorganisk, hvaruti järn ej ingår. Då dess syreför-eningar, eller oxider, förekomma samlade i så stor mängd, att de kunna varda föremål för praktisk bearbetning, kallas de järnmalmer (se d. o.). Fyndigheter innehållande järnet i form af svafvel-föreningar äro ej brytvärda i och för järnframställning, då svafvel inverkar högst menligt på järnets egenskaper och endast med stor svårighet kan i tillräcklig grad aflägsnas därur, om det ingår i afsevärd mängd. Sedan större delen af det i svafveljärnet ingående svaflet blifvit begagnadt för andra industriella ändamål, använder man dock understundom den järnrika oxiderade återstoden (purple öre) till järnframställning.

I den användning järnet har i det praktiska lifvet förekommer det aldrig fullständigt rent, utan städse förenadt med större eller mindre mängder andra ämnen. Denna halt af främmande ämnen är af den största betydelse för järnets egenskaper, då olika ämnen alltefter den mängd, i hvilken de ingå i järnet, bibringa detta olika egenskaper. På samma sätt förändras, afven järnets egenskaper alltefter den värmebehandling eller bearbetning det underkastats. Det är tack vare det inflytande, som dessa tre faktorer - sammansättning, värmebehandling och bearbetning - utöfva, som järnet kan erhållas i en sådan mångfald olika modifikationer, lämpade för olika ändamål och användningar.

Bland de ämnen, som förekomma i järnet, tjänar en del med fördel till ernående af vissa önskvärda egenskaper, hvarför de afsiktligt tillföras järnet, om så erfordras, under det att andra i regel ha ett öfvervägande menligt inflytande och därför äro att räkna till oarterna. Till de ämnen, som kunna ingå som nyttiga beståndsdelar i järn, äro i första rummet att nämna kol, kisel och mangan samt, för vissa järnsorter, nickel, krom, volfram, vanadin, molybden och titan. I de flesta fall skadliga äro fosfor, svafvel och koppar samt alla gaser. Naturligtvis kunna dock de ämnen, som här räknats till de nyttiga, vara till skada, om de förekomma i olämpliga kvantiteter, liksom deras lämplighet ju äfven är beroende på den användning, för hvilken järnet är afsedt. Å andra sidan kan äfven en del af de som skadliga uppräknade ämnena, t. ex. svafveloch fosfor, under vissa omständigheter vara till nytta.

Som allmänna regler för de förändringar järnets egenskaper undergå vid en ökad halt af främmande ämnen kunna anföras: 1. Hållfastheten (se d. o.) och hårdheten (se d. o.) ökas, tills halten af legeringsämnet stigit till en viss gräns, för att sedan åter aftaga. 2. Järnet blir mindre lättsmidt samt mindre tänjbart och segt. 3. Den elektriska ledningsförmågan minskas. 4. Smälttemperaturen sänkes. Från dessa allmänt gällande regler gälla dock vissa undantag.

Det ämne, som praktiskt spelar den ojämförligt viktigaste rollen för järnets egenskaper, är kolet. För nästan allt järn, som användes, betingas egenskaperna och användningen i första hand af kolhalten. Kolhalten är af så mycket större betydelse, som äfven värmebehandlingen af järnet till sin verkan är beroende af det ifrågavarande järnets kolhalt. Såväl glödgningen af järnet som härdningen, hvarrned menas metallens hastiga afkylning i en härdningsvätska (undantagsvis en luftström) från en temperatur, som öfverstiger rödvärme, och

anlöpningen, d. v. s. återupphettningen efter härdningen till en temperatur, som understiger rödvärme, äro processer, som i första hand innebära en förändring af kolets förekomstsätt i järnet. Värmebehandlingens inflytande på järnet bör af denna anledning ses i samband med kolhalten. Järn i smält tillstånd förmår upplösa en viss del kol, och de olika slagen af järn, som användas, hålla varierande mängder däraf, upp till omkr. 4 proc. i vissa fall. Så länge järnet är smält, utgöres det af en homogen lösning af kol i järn. Vid stelnandet och under den fortsatta afkylningen förhåller sig däremot kolet på olika sätt, beroende såväl på den totala kolhalten i järnet som på mängden andra ingående ämnen samt afkylningshastigheten. Håller det smälta järnet i lösning mer än omkr. 2,5 proc. kol, utfaller i regel vid stelnandet en del af kolet som grafit. Grafiten, som afskiljes i form af små kristalliniska fjäll, erhålles sålunda mekaniskt innesluten i järnet. Särskildt gäller detta, om järnet samtidigt håller kisel. Om järnet däremot är manganhaltigt eller om afkylningen sker hastigt, kan allt kolet kvarhållas i lösning. Detta gäller äfven för allt järn med mindre än 2,5 proc. kol. Denna fasta lösning af kol i järn kallas austenit, och kolet kallas härdningskol. Om ett kolrikt järn, som sålunda håller kolet i lösning, underkastas en längre upphettning, afskiljes en del kol i järnet som ett fint amorft pulver, benämndt temperkol. Ehuru järnet sålunda är stelnadt, försiggå vid ytterligare afsvalning från stelningspunkten förändringar i fråga om kolets förekomstsätt. Af särskild betydelse äro dessa förändringar för järn af mindre än 2,5 proc. kolhalt. En rubbning af den hittills jämna fördelningen af härdningskolet i järnet inträder vid omkr. 800°, den s. k. öfre kritiska temperaturen, i det att kring vissa centra bildas mikroskopiska ansamlingar af 0,89 proc. kolhalt motsvarande den eutektiska lösningen (se Eutektisk) af kol i järn. Var järnets kolhalt mindre än 0,89 proc., komma dessa ansamlingar att omgifvas af järn, från hvilket nästan allt kolet aflägsnats, s. k. ferrit, hvilket utmärkes för stor mjukhet och

tänjbarhet. Höll däremot järnet mer än 0,89 proc. kol, kommer den återstående massan att utgöras af en hård järnkarbid, cementit (se d. o.). Den sålunda bildade eutektiska lösningen består dock endast inom ett helt begränsadt temperaturområde; vid ytterligare afsvalning till omkr. 700° C., den undre kritiska temperaturen, upplöser den sig till en ytterst fin lamellartad blandning af ferrit och cementit, s. k. perlit. Dessa perlitkorn ha dock samma begränsning som de förutvarande ansamlingarna af eutektisk legering. Vid återupphettning af järnet ske förändringarna i motsatt riktning, d. v. s. vid undre kritiska temperaturen omvandlas perlitkornen till homogena korn med 0,89 proc. kol, och vid upphettning till öfre kritiska temperaturen utjämnas kolet genom hela massan, så att en likformig lösning af kol i järnet erhålles. Fig. 1 återger en mikroskopisk förstoring af järn hållande 0,20 proc. kol, hvarvid genom lämplig etsning perlitkornen framträda mörka mot den ljusa ferritiska grundmassan. Fig. 2 visar i ännu starkare förstoring ett perlitkorn med den lamellartade anordningen af ferriten och cementiten. Förutsättningen för att dessa förändringar skola fullföljas är, att afsvalningen sker långsamt. Sker denna hastigt, fixeras de förhållanden, som förefinnas vid de högre temperaturerna, så att de kvarstå trots afsvalningen. Afkyles därför järnet hastigt, innan temperaturen sjunkit till 700° C., erhålles således kolet i lösning i en modifikation, som kallas martensit, i järnet, och särskildt gäller detta, om temperaturen ej nedgått till öfre kritiska temperaturen. Då martensiten utmärkes för stor hårdhet, blir järnet på detta sätt härdadt (se Härdning). Resultatet af härdningen är beroende äfven af kolhalten i järnet. Om kolhalten understiger cirka 0,45 proc., förändras hårdheten genom härdningen i så ringa grad, att man för dylika järnsorter ej brukar använda härdning. Järn af mindre än omkr. 0,45 proc. kolhalt kallas mjukt järn. Öfverstiger kolhalten 0,45 proc., låter järnet efter härdning använda sig till skärande verktyg, och vid omkr. 0,90 proc. uppnår järnet maximum af härdbarhet. Järn, som sålunda låter härda sig, kallas stål. Stål har med det mjuka järnet den egenskapen gemensam, att det i värme låter smida sig, hvarför dessa järnsorter sammanfattas med det gemensamma namnet smidbart järn. Stiger kolhalten öfver 2 proc., är järnet ej smidbart. Det benämnes då tackjärn. Gränserna mellan tackjärn och stål och särskildt mellan stål och mjukt järn äro rätt sväfvande. Mer och mer vanlig blir äfven en annan indelningsgrund i fråga om benämningarna järn och stål, i det allt smidbart material, som vid tillverkningen erhållits i smält tillstånd (se nedan), kallas stål, under det att sådant material, som erhålles i degigt tillstånd, i motsats därtill kallas järn.

Smidbart järn smälter vid lägre temperatur, ju högre kolhalten är; vid 0,1 proc. kol är smältpunkten omkr. 1,475° C. och vid 1,5 proc. kol omkr. 1,360° C. Järnstycken med lägre kolhalt än omkr. 1,2 proc. kol kunna genom vällning sammanfogas vid hög temperatur, s. k. vällvärme, hvarvid dock en nödvändig förutsättning är, att beröringsytorna äro fullt metalliskt rena och fria från oxider. Smidbarheten är större, ju lägre kolhalten är. Järnets hållfasthetsegenskaper (se Hållfasthet) äro olika vid olika kolhalter. Hårdheten ökas med stigande kolhalt. Hållfastheten är större, ju högre kolhalten är upp till en gräns af omkr. 0,90 proc. kol, hvarefter den med stigande kolhalt åter minskas. Tänjbarheten är störst hos kolfattigt material och sjunker med stigande kolhalt. Såväl genom härdning som genom bearbetning af järnet i kallt tillstånd, t. ex. genom kallsmidning eller dragning, höjes hållfastheten, men samtidigt minskas tänjbarheten. Hög hållfasthet och hög tänjbarhet, hvilka hvar för sig i regel äro mycket önskvärda egenskaper, låta därför ej gärna förena sig hos ett och samma material. Till förmån för hållfasthetsegenskaperna är det, om järnet är finkornigt i stället för grofkornigt; i så fall är hållfastheten jämförelsevis hög, samtidigt som tänjbarheten minskats, om än ej i samma grad (se Härdning). Följande siffror angifva hållfasthetsegenskaperna hos en del svenska järnsorter (martingötjärn, se nedan) med olika kolhalter.

Kolhalt i Draghållfasthet Töjning i proc. på 10
proc. kg. pr kvcm. cm. längd
0,10 3,476 41,6
0,20 3,970 35,5
0,30 4,323 32,6
0,40 4,971 30,4
0,50 5,677 26,3
0,60 6,693 20,6
0,70 7,388 15,6
0,80 7,874 13,4
0,90 8,777 10,7
1,00 8,742 11,9
1,10 8,368 7,9
1,20 7,833 7,3

Jämte kol förekomma i det smidbara järnet mangan, kisel, svafvel och fosfor, hvilka upptagits af järnet under framställningen. Mangan och kisel inverka på järnets egenskaper på likartadt sätt som kolet. Fosfor utöfvar ett menligt inflytande, i det att järnet blir kallbräckt, d. v. s. det brister lätt för slag och stötar, särskildt vid låg temperatur. Sedan gammalt har det räknats till en af det svenska järnets största förtjänster, att dess fosforhalt är låg till följd af våra fosforfattiga råmaterial. Ett godt svenskt järn håller blott 0,020 till 0,030 proc. fosfor, under det utländskt handelsjärn ofta håller upp till 0,060 à 0,1 proc. Svaflets menliga inverkan gör sig hufvudsakligen gällande vid sniidning eller valsning af järnet vid rödvärme, i det att järnet då blir skört och spricker i kanterna och vid högre svafvelhalt faller sönder. Järnet kallas då rödbräckt. “Rödbräckan” motverkas af en manganhalt hos järnet. Genom tillsats af vissa metaller, såsom nickel, krom, volfram m. fl., har man kunnat framställa järn med afsevärdt bättre egenskaper än det vanliga järnets. På så sätt framställdt specialstål (se d. o.) användes särskildt för skärande verktyg samt för krigsmaterial.

Tackjärn uppvisar afsevärdt olika egenskaper, antingen kolet har utfallit som grafit eller vid stelnandet förblifvit löst i järnet. Har grafit bildats, blir järnet grått i brottet och benämnes då grått tackjärn, under det att tackjärn, som hållit kolet i lösning, får ett ljust brott och kallas hvitt tackjärn. Öfvergångsformer mellan dessa slag finnas, som t. ex. visa såväl mörka som hvita partier jämnt fördelade i brottet, s. k. hagelsatt tackjärn, eller som uppvisa en skarp gräns mellan en mörk och en ljus del. Grått tackjärn smälter vid 1,150°–1,200° C., hvitt tackjärn vid 1,050°–1,100° C. Tackjärnet låter icke välla sig. Det har icke så goda hållfasthetsegenskaper som smidbart järn. Särskildt har det hvita tackjärnet mycket underlägsna egenskaper, hvarför endast det gråa tackjärnet användes vid framställning af föremål af tackjärn (se Gjutning). Det hvita tackjärnet däremot förekommer endast som ett mellanstadium vid framställning af andra järnsorter. Det gråa tackjärnets hållfasthet vid dragning varierar mellan 1,000 och 2,500 kg. per kvcm. och är sålunda betydligt underlägsen det smidbara järnets. Tryckhållfastheten är däremot större och uppgår i medeltal till 7,000 à 7,500 kg. per kvcm. Tackjärnet utmärkes särskildt för stor sprödhet, hvarför det är känsligt för stötar eller slag. Hårdheten hos det gråa tackjärnet är ungefär densamma som hos det kolfattiga järnet. Det låter med lätthet bearbeta sig med fil eller skärande verktyg. Det hvita tackjärnet har sämre hållfasthet än det gråa, är ännu sprödare och så hårdt, att det endast med svårighet låter bearbeta sig. Det gråa tackjärnet är i smält tillstånd mycket tunnflytande, hvilket är till fördel vid gjutning. Kolhalten hos vanligen förekommande tackjärn varierar mellan 2,75 och 4 proc. Jämte kol förekommer ständigt kisel i tackjärnet i större eller mindre mängder, och tackjärnets egenskaper kunna till stor del uppfattas som resultat af en samverkan mellan dessa ämnen. Huruvida tackjärnet blir grått eller hvitt, beror i första hand på kiselhalten, i det kiseln har den egenskapen att minska kolets löslighet i det stelnade järnet, så att grafitbildningen i stället främjas. Gjuttackjärn håller vanligen 2 till 3 proc. kisel och 3 till 3,5 proc. kol, hvarvid omkr. 0,40 proc. kol förblifvit löst i järnet, under det resten utfällts som grafit. Järnet erhåller då ett jämförelsevis fint mörkt brott och är starkt och segt. Ökas kisel- eller kolhalten, blir grafitbildningen stegrad och kornstorleken större, och grafitfjällen täcka då hela brottytan. Samtidigt minskas hållfastheten. Om å andra sidan ett tackjärn håller mindre kol eller kisel, blir grafitbildningen mindre, brottet blir ljusare och samtidigt mera finkornigt. Järnet är då sprödare. Som ofvan nämnts, utöfvar äfven afkylningshastigheten stort inflytande på kolets förekomstsätt. Om mangan ingår i tackjärnet, ökas kolets löslighet och grafitbildningen försvåras. Vid hög manganhalt och särskildt om kiselhalten samtidigt är låg, blir tackjärnet hvitt, äfven om det håller mycket kol. Fosfor minskar hållfastheten, och för sådana tackjärnspjäser, där hög hållfasthet är af stor betydelse, bör därför fosforhalten vara låg, 0,1 till 0,4 proc. Å andra sidan gör fosforn järnet mera lättsmält och tunnflutet, hvarför en fosforhalt af upptill omkr. 1,5 proc. är till fördel i sådant gjutgods, där hållfastheten är af mindre betydelse. Svafvel gör tackjärnet tjockflytande och minskar grafitbildningen. Å andra sidan ökar en måttlig svafvelhalt tackjärnets styrka.