Användning av bainitiska stål

Det finns en stor marknad för stål med hållfasthet under 1000 MPa, där den totala mängden legeringselement sällan överstiger 2 viktsprocent. Bainitiska stål är väl avpassade för tillämpningar inom detta område. Dock måste legeringen anpassas noggrant för att erhålla korrekt mikrostruktur. Stål med otillräcklig härdbarhet omvandlas lätt till en blandning av allotriomorf ferrit och bainit. Om man försöker öka härdbarheten leder detta vanligen till en delvis martensitisk mikrostruktur. Lösningen ligger därför i ett låglegerat, lågkolhaltigt stål som innehåller små halter av bor och molybden för att undertrycka bildandet av allotriomorf ferrit. Bor ökar bainithärdbarheten. Andra lösta element kan, vid närvaro av bor, hållas på tillräckligt låga halter för att undvika martensitbildning. En typisk sammansättning kan vara Fe-0.1C-0.25Si-0.5Mn-0.55Mo-0.003B (i viktsprocent). Sådana stål kan omvandlas till i stort sett en helt bainitisk mikrostruktur med mycket lite martensit, under användande av en normaliserande värmebehandling.

De flesta moderna bainitiska stål är utvecklade med både mycket lägre kolhalter och lägre halter av andra legeringselement. De framställs genom att använda accelererad kylning för att erhålla den nödvändiga bainitiska mikrostrukturen. Det lägre legeringsinnehållet ger inte bara en bättre svetsbarhet utan också högre hållfasthet genom förfiningen av den bainitiska mikrostrukturen.

De bainitiska legeringar som finns kommersiellt innefattar:

• ultralågkolhaltiga bainitiska stål för god svetsbarhet,
• mycket höghållfasta stål som konkurrerar med seghärdade martensitiska stål,
• kryphållfasta stål som nu har använts åtskilliga årtionden inom den kraftproducerande industrin,
• smidesstål som är bättre än martensitiska stål då de kräver mycket mindre värmebehandling,
• "ympade" stål i vilket bainiten fås att kärnbilda intragranulärt på partiklar, vilket skapar en "kaotisk" mikrostruktur som motstår sprickutbredning.

De ultra-höghållfasta stålen består av en blandning av bainitisk ferrit, martensit och restaustenit. De har en förhöjd härdbarhet genom tillsats av mangan, krom och nickel samt innehåller vanligen mycket kisel (omkring 2 viktsprocent) för att förhindra cementitbildning. ( Figur).Höghållfasta stål görs med mycket låga halter av föroreningselement och inneslutningar. Stålen blir då känsliga för bildandet av cementitpartiklar, vilka därför måste undvikas eller fås i finfördelad form.

Legering	C	Si	Mn	Ni	Mo	Cr	V	B	Nb	Annat	
Tidiga bainitiska stål	0.10	0.25	0.5	-	0.55	-	-	0.003	-		
Ultralågkolhaltiga	0.02	0.20	2.0	0.3	0.30	-	-	0.010	0.05		
Ultrahöghållfasta	0.20	2.00	3.00	-	-	-	-	-	-		
Kryphållfasta	0.15	0.25	0.50	-	1.00	2.3	-	-	-		
Smidesstål	0.10	0.25	1.00	0.5	1.00	-	-	-	-		
Partikeldopade stål	0.08	0.20	1.40	-	-	-	-	-	0.10	Ti	

Kemisk sammansättning i viktsprocent för typiska bainitiska stål

Stål med en mediumhög hållfasthet, med samma mikrostruktur men med något lägre legeringsinnehåll, har fått tillämpning inom bilindustrin som krockbalkar för att skydda mot sidokrockar. Ett ytterligare stort framsteg i bilindustrin har varit att använda bainitiska smidesstål för att tillverka komponenter som kamaxlar. Dessa gjordes tidigare av martensitiska stål, genom smidning, härdning, anlöpning, riktning och slutligen avspänningsglödgning. Alla dessa moment har nu ersatts av kontrollerad svalning från smidestemperaturen för att erhålla en bainitisk mikrostruktur. Detta har inneburit kostnadsbesparingar som har utgjort skillnaden mellan vinst och förlust för den tillverkande enheten.

Kryphållfasta bainitiska stål har använts med framgång inom kraftproducerande industri sedan tidigt 1940-tal. Deras härdbarhet måste vara sådan att komponenter så stora som en meter i diameter kan svalna kontinuerligt och ge en bainitisk mikrostruktur genom hela tvärsnittet. Legeringarna utnyttjar krom och molybden som dels ökar härdbarheten men också, vid efterföljande värmebehandling, ger utskiljning av karbider som ökar kryphållfastheten kraftigt.

Genom att ympa smält stål med bestämda mängder av icke-metalliska partiklar kan man få bainit att kärnbildas intragranulärt på inneslutningarna snarare än på austenitkornens ytor. Denna intragranulärt kärnbildade bainit kallas "acikulär ferrit". Det är en mycket mer oorganiserad mikrostruktur med en stor kapacitet att få sprickor att avvika. Ympade stål finns nu kommersiellt och används i krävande tillämpningar som vid byggnation av oljeriggar för svåra miljöer.

Framsteg inom valsningsteknologin har lett till möjligheten att kyla stålplåt snabbt under valsningsprocessen, utan att orsaka för stora deformationer. Detta har lett till utvecklingen av "accelererat kylda stål" som har en bainitisk mikrostruktur. Dessa kan var mycket formbara och konkurrerar med konventionella kontrollervalsade stål.