Materiallære



Stål/ jern (Fe)

Stål
Jern (Fe):
Jern er det metallet som blir brukt mest samfunnet og også det billigste. Jern benyttes imidlertid sjelden i ren form fordi det lett ruster. Korrosjonsproblemet reduseres betraktelig ved å blande inn andre grunnstoffer/metaller i jernet. Ved riktig valg av metall gir dette legeringer med en tynn og bestandig overflate av oksid. Helt rent jern er veldig dyrt.
Forekomst:
Jern utvinnes fra malm. Dette er spesielt fordi dette er en billig.
-Fremstilling:

Jernets store betydning som det viktigste metalliske konstruksjons-materialet for mennesket helt siden jernalderen, skyldes delvis at det finnes i store konsentrasjoner i jordskorpa, og at det er relativt enkelt å redusere med karbon. En annen grunn er jernets spesielt gode egenskaper (valsbarhet, smibarhet, hardhet, styrke o.a.). Egenskapene kan modifieres og nærmest skreddersys spesielle behov og anvendelser ved å justere innholdet av karbon og legeringsmetaller. I tillegg er egenskapene i stor gard avhengig av temperaturbehandlingen materialet har blitt gitt.
Det alt vesentlige av jernet som produseres i verden, fremstilles ved reduksjon av jernoksider med karbon og karbonmonoksid. Prosessen utføres i store masovner. Malmen, koks og slaggdannende oksider som CaO eller SiO2 tilføres ovenfra. Under prosessen beveger denne massen seg langsomt nedover i ovnen. Det blåses luft i motsatt retning fra bunnen og oppover i ovnen. Temperaturen i masovnen er lavest i toppen og øker nedover fra ca. 250 °C til ca. 1500 °C nederst hvor slagg og jern tappes av.
Jernet reduseres av CO-gass som dannes ved reaksjon mellom luften som blåses inn og karbonet i de nedre deler av ovnen. Karbonmonoksidgassen beveger seg så motstrøms mot malmen.Under denne prosessen reduseres også oksidene til andre grunnstoffer som enten inngår i malmen eller som er satt til. Dette er i hovedsak oksider av fosfor, mangan og silisium.
Oppover i masovnen reagerer CO2 gassen dannet ved reduksjonen av jernoksidene med karbon og danner CO. Denne likevekten forskyves mot høyre med økende temperatur.
Under malmens gang nedover i ovnen blir jernoksidene gradvis redusert. Reduksjonen begynner ved ca. 400 °C. Med økende temperatur dannes jern. Jernet som dannes inneholder karbon. Ved ca. 1200 °C begynner dette jernet å smelte. Jernet som tappes av fra bunnen av ovnen, råjernet, har en temperatur på 1400-1500 °C. Reduksjonen av oksidene til de andre grunnstoffene (Mn, Si, P osv.) starter over ca. 900 °C. Disse grunnstoffene løses også i jernet.
I tillegg til jernet dannes det slagg som smelter ved 1300-1400 °C. CaO reagerer med malmens bergarter. Slaggen har lavere massetetthet enn jernet og flyter oppå. Slaggen kan derfor tappes av.
Anvendelser: Jern benyttes i all hovedsak i stål. Stål er legeringer med jern og karbon som de primære legeringsgrunnstoffene og defineres ofte som jern-karbon-legeringer med opp til 2,1 % karbon. Karbonet gjør stålet sterkere ved å gå inn mellom jernatomene i krystallgitteret. Jernatomene glir dermed ikke så lett over hverandre, og legeringen blir hardere enn rent jern. Karbonatomene vil også påvirke effekten av temperaturbehandlingen slik at stålet blir mer herdbart. Andre vanlige legeringsgrunnstoffer er mangan, krom eller nikkel. Jern med karboninnhold over 2,1 % kalles støpejern. Det finnes flere typer stål. Noen vanlige er:


Stål:

Stål er en smibar legering av jern og karbon, og kan ha et vidt variasjonsområde i egenskaper avhengig av produksjonsprosess, varmebehandling og sammensetning.

Rustfritt stål:
Vanlig rustfritt stål inneholder minst 13 % krom og brukes der hvor materialet blir utsatt for moderate kjemiske forhold som ferskvann eller gjentatt vaskes (bestikk, barberblader og kniver). Rustfritt stål som inneholder mellom 13-18 % krom og ikke noe nikkel kalles også kromstål.



Syrefast stål:
Syrefast eller syrebestandig stål inneholder foruten jern og krom også en del nikkel og/eller mangan og også litt molybden, niob og titan. Dette er den vanligste typen rustfritt stål. Syrefast stål brukes der hvor materialet blir utsatt for et tøffere kjemiske miljø (kaseroller, rørdeler, rustfrie skruer og mutre). Til knivblader ønsker man å unngå stål med nikkel. Kniven blir så vanskelig å slipe. Stållegeringer som inneholder både krom og nikkel kalles også for kromnikkelstål.

http://www.youtube.com/watch?v=cvXtUKYs3tw&feature=related
Varmebestandig stål.
Stål med høyere krominnhold, omkring 25 % krom, kan utsettes for høye temperaturer uten at det brenner eller misfarges, og kalles derfor varmebestandig eller oksidasjonsbestandig stål. Det brukes gjerne i ovner og motorer.
Kilder:

Vanadium

Vanadium
Forekomst:
Forekomsten av vanadium i jordskorpen er 170 ppm. Det er noe mer vanadium i jorskorpen enn nikkel, men konsentrasjonen er vanligvis lav. Den største forekomsten av et vanadiummineral var patronitt (VS4) i Peru. Vanadinitt, Pb5(VO4)3Cl, er et annet vanadiumholdig mineral som vi finner i jordskorpa. Vanadium finnes også i råolje. Det skyldes at vanadium var et essensielt grunnstoff i de organismene som råoljen kommer fra.
Anvendelser:
Det produseres omtrent 7000 tonn vanadium i året hovedsakelig som ferrovanadium med en sammensetning på ca 50 % V. Vanadium anvendes først og fremst som legeringsmetall for jern og stål. Selv små mengder av metallet (0,1-0,2 %) øker i vesentlig grad stålets seighet og fasthet samtidig som det virker deoksiderende. Gjenstander laget av vanadiumstål kan derfor lages lettere enn av annet stål og allikevel beholde styrken.
V(V)oksid brukes som katalysator for å katalysere oksidasjonen av svoveldioksid til svoveltrioksid for fremstilling av svovelsyre. V(V)oksid brukes også i keramer for å gi en gylden farge. Det tilsettes også glass for å gi en grønn eller blå tone.
Kilder:


Nitrogen

Nitrogen
Innledning:
Grunnstoffet nitrogen er helt sentralt i den levende natur. Hverken proteiner eller nukleinsyrer ville eksistert uten nitrogen. Heller ikke en rekke forbindelser med avgjørende betydning for energiomsetningen og for funksjonen av vårt nervesystem kan unnvære dette grunnstoffet.
Forekomst:
Ingen andre grunnstoffer forekommer i så store mengder i fri tilstand som nitrogen. Vår atmosfære inneholder 4.1015 tonn N2, og dette nitrogenet antas å stamme fra den gang jorden ble dannet. Nitrogen utgjør ca 78,1 volum% (75,5 vekt%) av atmosfæren mens oksygen utgjør ca 22 volum%. Selv om nitrogen er dominerende i atmosfæren, finnes det imidlertid relativt lite av det i jordskorpen; bare 19 ppm i stein, opp til 0,1 % i råolje og ca 5–10 % i naturgass.
Nitrogenforbindelser har en lang historie. Fra begynnelsen av ble uorganiske nitrogenforbindelser sannsynligvis dannet ved vulkanske prosesser og ved elektriske utladninger i atmosfæren. Slike elektriske utladninger kan spalte N2 og O2 slik at disse kan reagere og danne nitrogenoksider som så eventuelt kan reduseres til NH3, som igjen kan danne ammoniumsalter som NH4Cl.
Fremstilling:
I dag fremstilles dinitrogen kommersielt ved fraksjonert destillasjon av flytende luft. Dette er mulig fordi kokepunktet for N2 ligger ca. 13 grader under kokepunktet for oksygen. I laboratoriet kan man fremstille nitrogen fra ammoniakk og kobberoksid, eller fra ammoniumdikromat.
Anvendelser:
Siden dinitrogen er så lite reaktivt egner det seg godt til inert atmosfære, eller til å fortynne reaktive gasser slik at kjemiske reaksjoner lettere kan kontrolleres. Epler kan for eksempel langtidslagres i nitrogenatmosfære.
Større anvendelse har N2 likevel i forbindelse med kjøle-/fryseteknikk. I naturvitenskapelig og medisinsk forskning er flytende nitrogen uunnværlig både for å kunne gjøre eksperimenter ved lave temperaturer og for oppbevaring av biologisk materiale. Rent kirurgisk anvendes også flytende nitrogen til å fryse ned vev som skal fjernes.
Det største forbruket er likevel i industrien i forbindelse med fremstilling av nitrogenholdige forbindelser i en rekke sammenhenger. Eksempelvis kan en fremstille stål som er sterkere og mer smibart enn stål som er tilsatt karbon ved å erstatte karbonet med dinitrogen (ca 0,25–0,45 %).
Nitrogen er dessuten svært viktig ved produksjon av gjødselstoff.
Kilder:

Nitrogen


Molybden

Molybden
Innledning:
Molybden er et sølvhvitt og, i ren form, relativt bløtt metall. Det likner på naboen under i periodesystemet, wolfram, og har en del overlappende egenskaper. I forholdt til wolfram har molybden imidlertid den fordelen at det er lettere, bløtere og enklere å bearbeide.
Molybden har flere anvendelser av stor betydning. Blandt annet benyttes metallet i katalysatorer som fjerner svovel fra råolje.
Forekomst:
Det viktigste kommersielle molybdenmineralet er molybdenitt (molybdenglans), MoS2. Dette er typisk knyttet til granittiske bergarter, og forekommer fordelt i granitter og på kvartsganger. Mineralet wulfenitt, PbMoO4, har også en viss betydning. I tillegg produseres Mo som et biprodukt ved utvinning av wolfram og kobber.
Fremstilling:
Molybdensulfidet røstes (varmes i luft) og omdannes med det til molybdentrioksid. Dette oksidet kan så reduseres til metall med ulike metoder. Rh er et biprodukt ved fremstilling av Mo og dette er den eneste kommersielle kilden til det metallet.
Som for wolfram, lages molybden sjelden som bulk metall. Til det er smeltepunktet for høyt. Istedet produseres molybdenpulvere som eventuelt sintres til blokker ved høye temperatur og under store trykk.
Anvendelser:
Det meste av molybdenet som produseres benyttes i legeringer og det meste tilsettes stål. Tilsetning av 0,25 til 8 % Mo øker hardheten og styrken til stålet. Disse ståltypene benyttes f.eks. i biler, til verktøy og i jetmotorer. Plater av dette stålet benyttes dessuten i pansrede kjøretøyer.
I tillegg spiller molybden en viktig rolle ved fjerning av svovel fra råolje. En molybden-basert katalysator har bidratt stort til å redusere utslippene av sur nedbør. Svovelet bindes på overflaten av Mo-katalysatoren hvor de deretter reagerer med hydrogen og danner hydrogensulfid gass. Denne gassen omdannes siden lett til rent svovel.
MoS2 har, som vi har nevnt tildligere, mange av de samme egenskapene som grafitt. Stoffet er lagdelt og plan av atomer sklir derfor lett over hverandre. Dette gjør at stoffet kan benyttes som smøremiddel. Forbindelsen benyttes for eksempel i gode smøremidler for sykkelkjeder og i lagre hvor deler beveger seg fort og dermed gir mye friksjonsenergi og dermed varme. Stoffet tåler nemlig høye temperaturer.
Kilder:

Mangan

Mangan
Innledning:
Grunnstoffet mangan er et gråhvitt metall som ligner jern og som oksideres fort. Det er derimot hardere og sprøere enn jern. Mn er reaktivt som rent metall, og fint pulver vil antennes i oksygen. Det reagerer med vann ved å danne rust på samme måte som jern, og løses i fortynnede syrer.
Metallisk mangan skiller seg fra de fleste andre metaller i det periodiske system ved metallet ikke krystalliserer i en av de tettpakkede formene, men tar heller en mer åpen og udefinert struktur.
Naturlig mangan finnes i form av én enkel isotop, mangan-55, og er ikke radioaktivt.
Forekomst:
De viktigste forekomstene for mangan er mineralene pyrolusitt (MnO2) og rhodochrositt (MnCO3). I tillegg kommer mineraler som psilomelane (bariumholdig MnO2), cryptomelane (kaliumholdig MnO2), og manganitt (MnO(OH)).
I tillegg til de landbaserte ressursene finnes mangan i gigantiske mengder på bunnen av Atlanterhavet i form av små knoller (noduler) på størrelsen av poteter. Knollene vokser ved at mangan og jernmineraler siver ut med varmt vann fra sprekker i jorden og avsettes på overflaten av små steiner eller lignende.
Anvendelse:
Mangan er uunnværlig for jern og stålproduksjonen på grunn av sine egenskaper som legeringsmateriale. Jern og stålproduksjon står for 85 – 90 % av etterspørselen på verdensmarkedet. Blant annet er mangan en viktig komponent i lav- kostnads rustfritt stål og også brukt i aluminiumlegeringer. Metallet brukes også sporadisk i mynter, blant annet i 1 og 2 Euro- myntene i EU.
Fremstilling:
Metallet blir gjerne fremstilt ved termisk reduksjon av oksidet ved å bruke andre metaller som natrium, magnesium eller aluminium som reduksjonsmidler. Alternativt blir rent mangan fremstilt gjennom elektrolyse av mangansulfat.
Kilder:

Krom

Krom
Forekomst:
Krom forekommer ikke i elementær form i naturen, men det finnes en rekke kromholdige mineraler som alle kjennetegnes for sine sterke farger. Krom er det 20. hyppigste grunnstoffet i den øvre faste delen av jordskorpen og er hovedkomponent i ca 30 mineraler. I tillegg foreligger krom ofte som ”forurensning” i Al(III)- eller Fe(III)-baserte mineraler, hvor Cr(III) er substituert for Al(III) eller Fe(III).Jern-krom-spinell (FeCr2O4), kromitt, er det viktigste (og eneste) mineralet for industriell framstilling av krom.
Fremstilling:
Krom fremstilles i dag industrielt i hovedsak fra kromitt (FeCr2O4) i en prosess som foregår over flere trinn: Først oksideres krom fra tre- (Cr3+) til fireverdig (Cr4+) i luft under nærvær av Na2CO3 eller K2CO3 hvor det dannes natrium eller kaliumkromat. Fe2O3 skilles fra kromatet ved å lute i syre etterfulgt av inndampning. Kromatet reduseres så med karbon til Cr2O3, som deretter reduseres videre til metallisk krom med Al(l) (aluminotermisk reduksjon). Det er også vanlig å fremstille krom elektrolyttisk fra enten Cr(VI) eller Cr(III) baserte løsninger.
Anvendelser:
Den kanskje viktigste anvendelsen av krom i dagens samfunn er som tilsats til industrielle legeringer, og da særlig i stål. Stål er en legering som består hovedsaklig av jern, noe karbon (opp til 2,1 %, over 2,1 % kalles det støpejern) i tillegg til andre metalliske grunnstoffer. Hvis stål ilegeres 12-13 % krom kaller vi gjerne stålet ”rustfritt” eller ”syrefast”. Det finnes et utall typer av stål, der sammensetningen er tilpasset bruksområdet. Krom har særlig to viktige funksjoner i stål; det øker den mekaniske styrken og det forbedrer materialets korrosjonsbestandighet. I forbindelse med høye temperaturer snakker man gjerne om kromoksiddannere, dvs legeringer som baserer sin bestandighet mot korrosjon på tette krom(III)oksidfilmer. Selv ved temperaturer opp mot 900–1000 °C er kromoksidfilmen relativt bestandig og hindrer oksidasjon/korrosjon og dermed en degradering av de mekaniske egenskapene til legeringen. Ved så høye temperaturer kan ikke jernbasert stål brukes (opp til 700-800 °C), men her er det såkalte superlegeringer som tar over. Superlegeringer har i tillegg til jern og krom et høyt innhold av nikkel, samt noe aluminium.
Kilder:

Karbon

Carbon (C)
Innledning:
Grunnstoff for liv på jorda. Karbon dannes i stjerner ved fusjon av lettere grunnstoffer, og finnes overalt i universet. Omlag 4,6 ‰ av den samlete grunnstoffmassen i universet er karbon, og karbon er dermed det fjerde hyppigst forekommende grunnstoffet. I jordas atmosfære er andelen i underkant av 0,4 ‰, mens den i jordskorpa er ca. 200 ppm.
Karbon er det sentrale grunnstoffet i de molekylene (DNA, proteiner, fett, sukkerarter) som inngår i alle levende organismer, og den menneskelige organisme består av 18 % karbon.
Anvendelse:
Karbon kan bli i fremstilt noen få mikrometer tynne tråder som så veves sammen. Ved å benytte dette stoffet som armering i plaststoffer får man et sterkt og mekanisk sterkt komposittmateriale (ofte kalt karbonfiber), som benyttes i en rekke produkter (klær, sykkelrammer, skistaver, fiskestenger m.m.)
Grafitt:
Grafitt er et meget bøyelig og bløtt mineral med svart farge og strek. Grafitt er den alminnelige modifikasjon av krystallisert karbon.Grafitt består av karbonlag der karbonatomene er sterkt bundet til hverandre, mens det er kun svake bindinger mellom lagene. Disse lagene kan dermed gli over og fra hverandre og fester seg på papiret når du skriver. Karbon er også bestanddelen i aktivt kull. Karbon kan også framstilles i noen få mikrometer tynne tråder som så veves sammen. Ved å benytte dette stoffet som armering i plaststoffer får man et sterkt og mekanisk sterkt komposittmateriale (ofte kalt karbonfiber), som benyttes i en rekke produkter (klær, sykkelrammer, skistaver, fiskestenger m.m.)
Anvendelse:
Grafitt brukes i smelteverk og metallindustri til ildfaste digler, støpeformer o.l. da den tåler nesten 4000 °C.
Diamant:
Diamant er en form av karbon som oppstår ved stort trykk. Det er det hardeste av alle naturlige mineraler. Store og relativt rene diamanter er ettertraktede edelstener. Ved å presse grafitt sammen under høyt trykk (6 GPa) og temperatur (1500 oC) er det mulig å framstille diamantpulver industrielt. Denne formen for diamant har kommersiell betydning i samband med framstilling av industrielt utstyr for saging, sliping og boring.
Anvendelse:
80 til 90 % av de diamantene som blir funnet i verden går ikke til smykkeproduksjon, men til industrien i form av verktøy og slipemiddel. Diamanter blir også brukt til borrekroner og kjernebor som i Nordsjøen
Antrasitt:
Antrasitt, den mest omvandlede typen av fossilt kull, inneholder 92—98 % karbon og har en høyere glans enn kull som ikke har vært utsatt for så høy temperatur. Brenner med liten, blå flamme, har meget høy brennverdi.
Amorft Karbon:
Amorft karbon er den forma en kan finne i trekol og sot og aktivt kol, og har til vanlig form som et svart pulver. I denne forma er karbonatomene bundet sammen på en irregulær måte, og mangler en makroskopisk struktur slik som grafitt. Amorf karbon danner seg ofte når mer komplekse karbonsbindinger blir brutt ned ved høg temperatur uten tilgang til eller nok tilgang på oksygen