Et addendum til gjenger

Jeg har i lengre tid forsøkt å vri hodet mitt rundt gjenger og alle dets iboende finurligheter. Noen anstrengelser har vært til mer nytte enn andre, men heliske profiler rundt sylindere fortsetter å gi meg mareritt. Hvordan kan noe så enkelt være så komplekst?

Jeg har skrevet om gjenger før, et generelt overblikk over hva det er, hvilke standarder som benyttes og hvordan de brukes. Men det har ikke nevneverdig fordypet den grunnleggende og intuitive forståelsen av hva det er som gjør gjenger i stand til å utføre sin oppgave som de gjør.

Med fare for å fornedre leserens intellekt må jeg igjen begynne fra starten:

Gjenger er en fellesbetegnelse på ulike profiler som dreier om en akse i en heliks, altså en lineær stigning, på den utvendige eller innvendige flate av sylindere.

Et innvendig gjenget hull og en utvendig gjenget stang av samme nominell diameter og stigning, er laget slik at de skal passe inn i hverandre ved å rotere slik at profilen på stangen havner inni det rommet som er skapt for den i den tilsvarende like profilen i hullet.

Når jeg sier “lik profil“ så mener jeg egentlig “motsatt profil”, den mottakende profil (hullet) må ha plass til profilen til stangen, standard 60° gjenger bare ser like ut fordi profilen er en likesidet trekant.

Dersom vi hadde brukt et mer ekstremt eksempel, en gjengeprofil som ikke er “symmetrisk“, ville man lettere sett forskjellen:

Her ser vi tydelig hvordan en asymmetrisk profil ville artet seg i en ekstern gjenge. “Toppene” er dobbelt så tykke some “dalene”, og det er i utgangspunktet ikke noe i veien med denne gjengen.

Disse gjengene er egentlig ikke “asymmetriske“, men gjengehøyden er ikke i nærheten av å være lik stigningen, som ellers er vanlig for de fleste normale gjengeprofiler. Her vil gjengehøyden være 1/3 av stigningen, ganske uortodoks, men det er bare et eksempel.

Men vi ser at den interne motparten til disse gjengene må nødvendigvis være “omvendt” for å ha plass til de brede toppene, så i “mutteren” blir “toppene“ veldig tynne, bare 1/3 av stigningen, i motsetning til de utvendige toppene som blir 2/3 av stigningen. Hvorav denne asymmetrien jeg prøver å poengtere.

Problemet her er at skjærverktøyet til utvendige og innvendige gjenger blir veldig forskjellig. Men nok om det, la oss fokusere tilbake på normale gjenger:

Når vi skal lage gjenger, så må vi som sagt påføre en profil rundt en stang eller hull. Denne påføringen kan kun gjøres på én måte, og det er å kutte den.
(Det finnes selvsagt unntak som additive prosesser, men i pragmatismens navn så ignorerer vi det.)

Hvordan de kuttes trenger vi ikke å gå inn på, det har jeg som sagt skrevet om før, her.

Men vi kan ikke legge på profilen slik, så kuttes må de, og det betyr at vi må starte med mer materiale enn vi trenger, det er vanskelig å lage spon av ingenting:

Altså må vi gjøre slik:

Stordiameteren blir navnet på gjengen; en M20 gjengestang krever et startmateriale på 20mm.

Men det samme gjelder ikke hull:

Dersom vi hadde startet med et 20mm hull og dreiet innvendige gjenger i det ville vi endt opp med noe fullstendig ubrukelig:

Stangen ville bare sklidd inn og ut fordi stordiameteren til stangen er nå mindre enn minstediameteren til hullet. Vi har i praksis skapt en klaringspasning med et unyttig mønster på.

Altså må vi gjøre slik:

Vi må som sagt starte med mer materiale enn vi skal ende opp med, og det betyr at hullet må bli mindre enn 20mm.

Men hvor mye mindre?

Man skulle kunne tenke seg at vi da må starte med minstediameteren til de utvendige gjengene, den diameteren som blir avstanden mellom toppene i hullet, men dette blir heller ikke riktig:

Hvis vi hadde tatt en M20 gjenge, som har en stigning på 2,5, ville minstediameteren blitt 15mm (ikke egentlig, men la oss bruke runde tall for enkelhets skyld).

Vi kan se på bildet til høyre at det ikke ville gått, etter at gjengene var dreid ville de vært altfor trange og krasje.

Hvorfor skjer dette?

Vel, det er et resultat av gjengens heliske natur.

Siden profilen består av både et protruderende segment og et intruderende segment; vil den alternere mellom å “stikke inn” og “stikke ut” hver halve omdreining.

Altså er “tykkelsen“ til skruen, sett fra et aksialt tverrsnitt, alltid være minstediameteren + en gjengehøyde (som teknisk sett mer eller mindre tilsvarer en stigning). Eller stordiameteren - en gjengehøyde, avhengig av hvordan du velger å se på det.

Dette tverrsnittet blir altså da en sirkel som “slanger” seg langsetter rundt aksen av skruen i en heliks-formet bane.

Hadde profilen vært påført i en ikke-helisk form, altså at toppene og bunnene havnet på lik linje på hver side av skruen ville det vært korrekt å lage hullet med minstediameteren, men da… vel… da ville det jo ikke gått an å skru den…

Så derfor må vi lage hullet i stordiameteren - en stigning, så for en M20x2,5 innvendig gjenge blir gjengeboret 17,5mm.

Du har kanskje lagt merke til at gjengebor noen ganger oppgis litt større enn dette, for eksempel er gjengeboret til M10x1,25 8,8 og ikke 8,75?

Vel, det kommer jo først å fremst av at 8,75 ikke er et lett bor å oppdrive, men også fordi det er bedre å lage hullet litt større enn litt mindre enn regnestykket vårt tilsier. Dette er hovedsakelig fordi denne forskjellen mellom nominell hulldiameter og gjengebor diameter blir til toppklaringen for de innvendige gjengene.

Dersom det brukes fullprofilskjær er ikke dette kritisk, det blir tatt hånd om av skjæret, men ved bruk av HSS stål eller gjengetapp er det en fordel at hullet er større enn den teoretiske verdien.

Det må jo nemlig være litt slark for at de to delen faktisk skal være mulig å skrus sammen. Hvor mye slark som er lov å ha er definert i noe jeg ikke før har nevnt når det kommer til gjenger; toleranseklasser.

Nå har jeg riktignok skrevet om toleranser før, her, men ikke når det kommer til gjenger.

Det er stort sett mye av det samme, men gjengene er jo ikke en glatt sylinder, så det kan variere hvor på bolten eller hullet denne pasningen måles.

Når det kommer til gjenger, så er ikke stordiameteren eller lillediameteren egentlig det viktigste, men “profildybden”. Siden gjengene består av skrå flanker som møter hverandre, er det her det blir krasj. Dersom profilen ikke er kuttet til riktig dybde blir jo ikke avstanden mellom to flanker på delediameteren (eller midtdiameteren som det også heter) korrekt.

Så hvor dypt man slår gjengene vil påvirke hvor slarkete de blir. Åpenbart nok, men toleranseklassene definerer tillat slark.

I US Customary (imperial) så bruker de en relativt enkel toleransesetting:

A og B, der A refererer til eksterne gjenger og B refererer til interne gjenger.

• 1A / 1B er en løs pasning ment for dagligdagse applikasjoner

• 2A / 2B er en litt trangere klaringspasning ment for mer fin-industrielt bruk

• 3A / 3B er en trang pasning med ganske fine toleranser.

Men når det kommer tilbake til vårt eget bedre og mer logiske system, så bruker metrisk det samme systemet som for pasninger ellers, men som sagt, hvor dette måles kan variere. Dette er oppgitt i ISO 965/1.

Som vi kjenner så brukes stor bokstav for hull, altså innvendige gjenger, og liten bokstav for stag, altså utvendige gjenger. Toleransegrad 6 er ment for generelt bruk, og mindre tall betyr en trangere toleranse.

Som jeg nevnte tidligere så er det midtdiameteren som er viktigst, og dette er en imaginær linje som alltid ligger på midten av flanken, d.v.s. midt mellom topp og bunn av den teoretiske profilen (stigningen/2). For å måle denne nøyaktig kreves det vanligvis gjenge-mikrometer, som er et kapittel for seg selv.

Metriske gjengetoleranser kan oppgis på 2 måter, med én eller to toleransegrader.

Den første graden refererer til midtdiameteren, den andre til stordiameteren. Dersom toleransene er like, sløyfes den ene og begge representeres med en toleranse. Tallene her er ikke de samme som for vanlige stag og hull, se standarden for tall.

Stål: Herding og varmebehandling

Av alle de ting vi kan gjøre med stål, er herding desidert det viktigste og mest nyttige. Men ytterligere varmebehandling er vel så viktig.

Som vi nå har forstått så er en finere kornstruktur, med mye fastlåst karbon, hardere - og dette oppnår vi ved å herde stålet, med andre ord, bråkjøle det. Men det er ikke nødvendigvis sterkere.

På samme måte som glass, hvor det bygges opp sterke spenninger i materialet dersom det ikke kjøles sakte ned, vil et martensittisk stål være svært anspent og ha lyst til å bryte seg fri fra sin smertefullt fastlåste tilstand. Derfor skal det ikke mye til før herdet stål knekker, knuser eller brister. Noen applikasjoner krever slikt knallhardt stål, men i det store og det hele er stål i denne tilstanden på mange måter nesten like ubrukelig som det var før vi herdet det.

I denne moderne informasjonsalderen henter jeg mye av min kunnskap fra engelske kilder, og det hender at det medfører noe forvirring, spesielt når ord som ligner på hverandre - som logisk og statistisk sett kunne bety det samme - ikke gjør det. Det kan være farlig å anta ting, og det er ikke første gangen jeg har forsøkt å finne informasjon om et konsept på engelsk, hvor jeg etter litt hodebry finner ut at det jeg søkte på ikke har noe med det jeg trodde det hadde. Det er derfor jeg pleier å legge ved tingenes engelske navn i innleggene mine slik at det blir enklere for andre å gjøre sin egen “research” selv, videre på det språket det finnes mest informasjon om ting på.

Et godt eksempel er når det kommer til navn på varmebehandlinger på norsk, kontra engelsk.

Herding, anløping, normalisering, utgløding, settherding og flammeherding er navn på ulike varmebehandlingsmetoder.

Herding gjør stålet hardere. Men hva er anløping, normalisering og utgløding?

På engelsk heter herding hardening, eller quenching, som betyr mer selve handlingen å dyppe glødende stål i en kjølevæske. Forvirringen inntraff når man kommer til anløping, der det ikke er for langt å strekke seg til å anta at det vil være annealing på engelsk. Men det betyr ikke det. Her er en liste over korrekte oversettelser:

• Herding -> Hardening/quenching

• Anløping -> Tempering

• Normalisering -> Normalising (dette derimot gir mening, er det rart man blir forvirret i blant)

• Utgløding -> Annealing

• Settherding -> Case hardening

• Flammeherding -> Colour case hardening

Vi skal ta for oss disse i rekkefølge.

Herding

Herding er ikke herding, og materialets egenskaper kan endres dramatisk med ulike herdemetoder.

For det første er det vikitg å la stålet varme seg sakte opp. Et større stykke stål krever mer oppvarmingstid for en jevnere, mer helhetlig oppvarming, der kjernen skal ha samme temperatur som de mer ytterliggende lag til enhver tid og tynnere deler gjennomvarmes raskere enn tykke (duh…), og stålet må gis tid til å gjennomgå faseendringene sine på vei opp, på en samlet måte.

Dersom det brukes en ovn er det tilstrekkelig å legge arbeidsstykket i ovnen etter at den har nådd herdetemperatur, men å legge det inn før ovnen skrus på, og la stålet varmes opp med ovnen er enda bedre. Dersom det benyttes blåselampe eller gassflamme, er det ekstra viktig å ta seg god tid med oppvarmingen. Man kan selvsagt ikke forvente å sitte i en halvtime å varme opp noe for hånd, men å bombardere arbeidsstykket med varme til det gløder er ikke å anbefale. Det er også særlig viktig å påse at arbeidsstykket ikke overopphetes lokalt, særdeles utsatt er tynne deler.

Stålet må også holdes ved herdetemperatur i nødvendig mengde tid før det kjøles for å sikre at alt stålet har fått tid til å gjennomgå faseendringen. Med herdetemperatur menes det den temperaturen stålet bør ha når det bråkjøles.

Hvor lenge stålet bør være ved herdetemperatur og hvilken temperatur som er optimal varierer voldsomt mellom ståltyper og fysiske dimensjoner på stykket; konsulter leverandøren av stålet, de har skjemaer og diagrammer for slikt, men som en tommelfingerregel skal stålet hvile på herdetemperatur én time per tomme. I know, I know, vi avskyr tommer, men det er ihvertfall slik regla går. Å bare varme opp stålet til det gløder for så å bråkjøle det, funker, men der er langt fra optimalt og man kan se ganske store endringer i egenskaper kun på hvor lenge stålet har blitt varmet opp og ligget ved herdetemp.

Når det kommer til å finne riktig temperatur så vet vi at karbon senker smeltepunktet til stål, så et stål med høyere karboninnhold krever lavere herdetemperatur (opp til 0,8% karbon). Man bør som sagt høre med fabrikanten, men dersom dette ikke er tilgjengelig, og vi vet karboninnholdet, kan vi se på fasediagrammet for å finne et høvelig brukbart substitutt:

View fullsize

Vi vil ha austenitt, altså må vi inn i det skraverte området over det nedre kritiske punkt for stålet A1, ca 723°C (for eutektoid stål), men ikke så høyt at det begynner å smelte (som igjen kommer an på karboninnholdet, ca. 1100-1500 °C, se linje Acl). For hypo-eutektoide og hyper-eutektoide ståltyper må vi også over deres respektive øvre kritiske punkt A3 og Acm respektivt, ellers havner vi i et inter-kritisk faseområde der noe av stålet er omgjort til austenitt, men ikke alt. Typiske herdetemperaturer for stål ligger på 800-900 °C, over det øvre kritiske punktet for en gitt ståltype, men det er ikke nødvendig å gå mye over; det er hensiktsmessig å “ri“ på denne linjen A3-Acm. Vi kan også se Curie-punktet ved A2.

Metningsgrensen for karbon i austenitt er som nevnt i tidligere kapittel 0,83% (ved (og under) den nedre kritiske temperaturen - hensikten med oppvarmingen er jo å tillate mer fritt karbon i løsningen enn det normalt er plass til). Over dette forekommer det cementitt, frem til neste metningsgrense (2,06%) der karbonet ikke vil binde seg og ikke lage mer karbid, men binde seg til seg selv og lage granuler av grafitt (ledeburitt).

Selv om karbonet senker nødvendige temperaturer for å endre stålet, så er karbonbindinger (karbider) selv veldig vanskelige å bryte opp, så når det er overflod av karbon i stålet kreves det mer varme å gjøre om alt materiale til en homogen blanding av austenitt.

Det er her viktig å presisere at fasediagrammet kan ansees å ha 2 møtepunkter, El og Es der El er det eutektiske punktet, siden det omhandler smeltepunkt, mens Es er det eutektoide punkt som representerer fase-likevekt i fast form. Når det snakkes om stål i forhold til herding sies det å være hypo-eutektoid til venstre for Es og hyper-eutektoid til høyre.

Men tenk ikke mer på det, for på tross av all teorien bak krystallformasjon og slikt i forrige kapittel, er egentlig alt til høyre for 2,06% karbon på diagrammet uinteressant for oss akkurat nå.

Dersom vi ikke vet karboninnholdet i stålet er det mulig å utføre noe som kalles en “spark test“. Det går ut på å slipe en bit av stålet som skal identifiseres på en slipemaskin og observere gnistene som produseres. Lange gnister som forsvinner ut i ingenting betyr et lavt karboninnhold, mens korte, ujevne gnister som ender i små fyrverkeri-lignende eksplosjoner betyr generelt et høyere karboninnhold, men det er mange andre karakteristikker ved gnisten som kan fortelle noe om materialet, som farge, lengde, størrelse og form. Det er også mange legeringselementer som endrer gnisten. Mer informasjon om dette her.

Som sagt er det martensitt vi ønsker å oppnå når vi herder. Martensitt oppstår av en diffusjonsløs transformering (krystallene rekker ikke å spytte ut overflødig karbon) fra austenitt ved rask nedkjøling til en temperatur på ca 220° (M start) eller lavere (avhengig av ståltypen). En lavere temperatur som nåes raskere sikrer at en større andel av austenitten blir omdannet til martensitt. Transformeringen er nesten umiddelbar. Som en liten påminner har jeg brakt frem vår gamle venn TTT-diagrammet:

View fullsize

Jo mer av stålet som er austenitt (maksimalt opptak av karbon i jernkrystallene, mer enn det som er “lov“ ved lavere temperaturer) når det bråkjøles, jo mer helhetlig martensitt oppnår vi. Dersom stålet er hyper-eutektoid, altså en overflod av karbon, vil stålet i det inter-kritiske sjiktet ha klumper av cementitt. Dersom en slik blanding bråkjøles vil, i tillegg til å fange karbon i austenitten, cementitten heller ikke har tid til å krystallisere seg normalt, og vil danne nål-lignende strukturer som kalles en acikulær formasjon, lignende bainitt. Denne er veldig hard og egner seg godt til knivsegger og lignende. Det er ofte hensiktsmessig å ha litt fri cementitt når man herder også, så som en generell regel bør stål med et karboninnhold over 1% herdes fra under det øvre kritiske punktet (altså mens det er i det inter-kritiske sjiktet, under linje Acm), mens stål under 0,9% karbon bør herdes fra over det øvre kritiske punktet (100% austenitt).

Dersom man ikke har tilgang på en kontrollert oppvarming med temperaturmåling, som en herdeovn, går det an å anslå temperaturen basert på fargen stålet har. Dette er ikke eksakt, men funker til generell bruk:

Herdemedier

Vann er det enkleste og vanligste kjølemediet. Men det er også det mest ‘brutale‘. I motsetning til olje eller saltlake, som er to andre utbredte herdemedier som er litt ‘snillere‘. De gir en litt mer utstrakt nedkjølingskurve.

Det er et uunngåelig faktum at tykkere deler holder lenger på varmen, og er derfor vanskeligere å herde helt gjennom. Man vil oppnå martensitt i det yttere skall, men kjernen, som åpenbart ikke er i direkte kontakt med kjølemediet, kan i tilfellet av svært tykke deler kjøle seg ned såpass sakte at det nødvendigvis må gå gjennom et stadie som danner perlitt eller bainitt. Men detter er ikke alltid en dårlig ting. Martensitt er særdeles hardt, men skjørt. I tilfellet av håndholdte verktøy, som kniver, meisler, hoggjern og annet verktøy som må være skarpt er det bra å ha en mykere, seigere, kjerne som er mer motstandsdyktig overfor slag og støt, mens den skjærende delen er hard og holder en skarp egg lenge. Men det er også noen ganger man vil ha noe med en gjennomgående martensittisk struktur.

Dersom noe skal herdes, får så å slipes til, kan det hende man sliper seg ned til denne mykere kjernen, dersom det ikke er gjennomherdet:

View fullsize

Bråkjøling

Så hvordan bråkjøler man? Er det bare å dyppe en glødende bit stål i vann på måfå? Vel, det er et bedre utgangspunkt enn mye annet, men det er et par ting som må tas hensyn til ved selve prosessen av å dyppe stålet i herdemediet.

For det første vil det å putte glødende stål i vann selvsagt skape vanndamp. Vannet som er i kontakt med stålet, og i umiddelbar nærhet, vil varmes opp raskt og lage en isolerende hinne av damp rundt arbeidsstykket; dette hindrer effektiv kjøling og hemmer prosessen. Luft er en særdeles dårlig termisk leder så vi må flytte stålet rundt i badet for å fjerne det fra det nå oppvarmede vannet og dampen som hindrer god termisk kontakt. Hvordan noe skal flyttes rundt i et herdebad er en kilde til diskusjon, men flyttes må det.

Å føre det rundt i en sirkel er en logisk slutning og enkel metode man kan tenke seg å bruke. Noen sverger til å føre det rundt i et åttetall, men dette er ikke nødvendig. Men det viktige er å ikke føre det rundt for fort. Dersom stålet virvler gjennom badet vil et undertrykk skapes i turbulensen bak det der damp vil bli fanget og hindre god kjøling. Samtidig må det beveges lett opp og ned om mulig, slik at bevegelsen danner en heliks. Trikset er å gjøre det SAKTE. Ikke så sakte at dampen forblir i nærheten av stålet, men ikke så fort at det skapes strømmer rundt det.

Pilene på bildet beskriver vannstrømmen, ikke stålets bevegelse, og vi kan se at det oppstår en sone med dårligere kjøling i punktene A.

Å herde i saltlake gir en litt snillere og jevnere kjøling, men derav også mindre hardhet. Det samme gjelder herdeolje/mineralolje, som er spesielt laget for å ha et høyt selvantenningspunkt. Olje forminsker problemet med damp (men fjerner ikke helt), men stålet må fremdeles føres rundt for å stadig ha det i fersk, kald olje.

Dersom noe langt og tynt, eller snodig formet stål skal herdes, er det enda viktigere å være var på kjølemetoden. Det er å forvente at stålet deformerer seg noe når vi herder det. Det vil nødvendigvis krympe slik at det kan skapes skjevhet i arbeidsstykket, spesielt dersom det ikke er nøyaktig symmetrisk eller ikke kjøles likt på begge sider. Dette er spesielt et problem i filer og sverd og lignende, der kjølemetoden til og med kan brukes for å rette ut skjevheter ved å bruke denne kunnskapen riktig. Men stort sett, ved herding av lange biter er det viktig å senke dem ned i badet hengende rett ned, og kun bevege dem opp og ned, med svært begrenset bevegelse sideveis.

På diagrammet til venstre kan vi se de tre hovedstadiene i nedkjølingsprosessen:

Stadie A: Umiddelbart etter nedsenking vil mediet i kontakt med stålet fordampe og en hinne av gass dannes rundt objektet som hindrer effektiv kjøling. Ingen væske kommer nå i kontakt med stålet og kjøleeffekten senkes drastisk. Dette er en uønsket tilstand.

Stadie B: Etter kort tid vil mediet rundt stålet begynne å koke eller på andre måter oppføre seg turbulent slik at gasshinnen blir tidvis brutt opp og gir mer effektiv kjøling. Herdemediet kommer lettere til, men blir raskt dyttet vekk igjen av fordampningen. Gassboblene blir fraktet vekk fra stålet av konveksjonsstrømmer og slik oppstår en naturlig strøm av nytt herdemedie og en sirkel av mer effektiv kjøling. Den hurtige nedkjølingen i dette stadiet bringer raskt overflaten av stålet ned til, eller under, kokepunktet til mediet. Dette er det viktigste og meste kritiske stadiet i nedkjølingen.

Stadie C: Fordampning og gassdannelse opphører. Overflaten er nå under kokepunktet til mediet, men avhengig av tykkelsen på objektet kan kjernen være betraktelig varmere. Kjøling skjer via konveksjon og termisk ledelse gjennom væsken. Kjølingen er tregere.

Det er viktig å notere at kurven og beskrivelsene over gjelder for et stillestående arbeidsstykke, og kjølingen kan forbedres med bevegelse i mediet som forklart øverst, men prinsippene er de samme og stadiene vil oppstå i én eller annen grad uavhengig av kjølemetode eller kjølemedie.

Det er flere faktorer som bidrar til å endre egenskapene og effektiviteten til herdemediet:

1. Temperaturen til kjølemediet:

I vann og saltlake vil den initielle kjøleevnen synke når temperaturen til mediet øker. Et medium som er nærmere sitt kokepunkt vil raskere fordampe og det forenkler og forlenger stadie A der det oppstår en damphinne.

I olje ser vi det motsatte. En økning i temperatur i olje senker viskositeten og dermed gjør det mer “flytende“ som bidrar til enklere forming av strømmer og raskere fjerning av varme fra stålet. Det oppstår allikevel en raskere formasjon av gasshinnen når oljen er varmere, så det er en balansegang. Optimal temperatur for oljebad ligger på 50-80 C°.

2. Kokepunkt:

Jo lavere kokepunktet til mediet er, jo raskere skapes gasshinnen rundt stålet som forlenger stadie A, som gir tregere kjøling. Medier med høyere kokepunkt gir en mer effektiv kjøling.

3. Varmekapasitet:

Hvor mye energi som kreves for å øke temperaturen i en gitt enhet væske, én enhet temperatur, er varmekapasiteten til væsken. F.eks. kreves det 1 kalori for å øke temperaturen i ett gram vann 1C°. Jo lavere varmekapasitet, (altså jo mindre energi væsken kan holde før temperaturen går opp), jo raskere vil væsken varmes opp og forverre kjølevnen. Dersom det er lite kjølevæske i badet, eller mange ting skal herdes, er det nødvendig å bruke en væske med høy varmekapasitet eller ha god kjøling til kjølevæsken.

4. Fordampningspunkt:

Varmen som kreves for å omgjøre en enhet væske om til gass ved en konstant temperatur. En væske med lavt fordampningspunkt forlenger stadie A, men varmer ikke opp resten av væsken like fort som en væske med høyere fordampningspunkt.

5. Termisk ledeevne til mediet:

En væske med rask termisk ledeevne overfører og fordeler varmen fra stålet til badet raskt, som forbedrer kjøleevnen.

6. Viskositet:

En mer viskos væske fordeler varmen fra stålet tregere rundt i herdebadet og forlenger gasshinne-stadiet.

7. Sirkulasjon i mediet:

Som nevnt tidligere så vil det å bevege delen rundt i herdebadet fjerne gasshinnen ettersom den dannes og drastisk forkorte stadie A, og mer eller mindre direkte gå til stadie B.

Stadie A, B of C, fra venstre til høyre.

Noen viktige momenter ved nedsenkningen:

1. En del som har betraktelig tynnere eller tykkere seksjoner bør nedsenkes med den tykke seksjonen først. Eller det kan monteres en varmebuffer på de tynne seksjonene slik at de oppfører seg noenlunde likt som de tykkere seksjonene.

2. Lange og tynne deler skal nedsenkes vertikalt.

3. Runde deler som ringer skal nedsenkes aksialt, d.v.s. liggende, med aksen vinkelrett på herdebadet.

4. Tynne og flate deler skal nedsenkes “stående“ med kanten først. Begrens sidelengs bevegelse.

5. Deler med konkave former må nedsenkes enten sidelengs eller med den konkave formen opp for å hindre at gasshinnen blir fanget i denne formen.

6. Små hull i deler burde tettes.

7. Dersom noe veldig tynt og flatt skal herdes bør det benyttes en fikstur.

Det er som sagt et uungåelig faktum at overflaten kjøles ned raskere enn kjernen. Ofte er dette uproblematisk, men det er viktig å være obs på dette fenomenet dersom noe skal være gjennomherdet.

I tillegg til å hindre gjennomherding, kan dette også skape spenninger mellom det kalde harde yttre og det varmere indre.

Selv om en rask nedkjøling som oftest er ønskelig så er det også noen ganger hensiktsmessig å nesten dulte borti S-kurven, for å oppnå maksimalt med martensitt uten å utsette arbeidsstykket for dette altfor voldsomme termiske sjokket som kan lede til sprekker o.l., og det finnes et par metoder utviklet for å oppnå dette:

Varmherding:

Varmherding (eng: austempering) er en herdemetode som brukes (hovedsakelig i industri) når eliminering av dimensjonal deformasjon er viktigst. Det er en prosess som benyttes på middels- til høy-karbon stål, og produserer nedre bainitt. En ikke-lammelær, men allikevel blandet, nål-lignende struktur, som minner om en blanding av perlitt og martensitt, men med større korn og bestående av cementitt og ferritt. (Hovedforskjellen på nedre og øvre bainitt er måten cementitten sammenblander seg med ferritten. Nedre bainitt, som oppstår ved lavere temperaturer har mer av karbonet som karbid inneklemt i ferritten, mens i øvre bainitt, som oppstår ved høyere temperaturer, er de to formasjonene renere og separert mer lagvis.) Produktet kalles noen ganger ausferritt.

View fullsize

Metoden går ut på å bråkjøle austenitten til rett over punktet der martensitt starter å oppstå, for så å holde temperaturen over tid slik at bainitten kan oppstå. Dette er hardere enn perlitt, men ikke fullt like hardt som martensitt. Det er seigere og mer stabilt, men fortsatt hardt nok til bruk i mange applikasjoner.

Krever vanligvis ikke ytterligere behandling etter avkjøling.

Stegherding:

Stegherding (eng: martempering) er en herdemetode som benyttes når det er viktig å unngå sprekker og minimerer deformasjon men som allikevel produserer martensitt. Det går ut på, som man kan se på diagrammet, å bråkjøle austenitten til rett over startpunktet for martensitt, men la det hvile der i en liten periode, men ikke så lenge at det begynner å forme bainitt, for så å bråkjøle det videre helt ned gjennom martensitt-sjiktet. Dette senker det termiske stresset på stålet når det går gjennom martensitt-formasjonen og senker som sagt sannsynligheten for sprekker og deformasjon.

Stålet bråkjøles i enten et oppvarmet oljebad, flytende bly eller flytende saltbad og holdes der i en periode, for så å overføres til et konvensjonelt herdebad.

Krever vanligvis anløping etter herding.

Vanlige årsaker til sprekker og brister ved herding:

1. Kjølevæsken brukt er for brutal.

2. Ståltypen brukt egner seg ikke til herding eller herde-metoden brukt.

3. For lang tid mellom bråkjøling og anløping.

4. Uegnet form; skarpe overganger, hull, mangel på radier, usymmetrisk.

5. Dårlig nedsenkning eller tilføring av kjølemediet.

6. Eksisterende sprekker/defekter etter maskinering.

7. Lokal over-karburisering eller oksidasjon ved oppvarming.

8. Overoppheting eller for mye tid ved høy temperatur. Kornene i stålet kan ha reformert seg og grodd til størrelser som skaper større potensielle bruddpunkter.

Anløping

Anløping er en etterbehandling som brukes på herdet stål for å gjøre det “sterkere” - mer motstandsdyktig mot slag og last- på bekostning av litt hardhet.

Herdetemperaturen til stål er mer eller mindre kun avhengig av karboninnholdet, mens anløpingstemperaturen avhenger hovedsakelig av stålets planlagte bruk. En fil, som ikke skal utsettes for mye sjokk trenger nesten ikke anløpes i det hele tatt, mens en fjær må anløpes kraftig.

Som sagt så består herdet stål av martensitt, som er en veldig hard og skjør struktur. Ved å varme opp stålet til over martensittgrensen, ca. 200 C°, og opptil rundt 350 C°, kan vi “mykne“ opp krystallene og frigjøre stress fra strukturen. Jo høyere temperatur, jo sterkere blir stålet, på bekostning av hardheten.

Denne grafen er ikke en fasit, kun representativ for konseptet.

Styrke i denne forstand er nokså vagt, og kan deles inn i mange forskjellige former, men stort sett regnes det som motstandsdyktigheten mot brudd.

I sakens rette forstand så senker vi Young’s modulus ved å anløpe, slik at stålet blir mer tilbøyelig 😉 til å vri, bøye eller strekke seg enn å knekke under en påkjenning/last. Det er jakten etter den gylne middelvei her som er tingen når det kommer til kutteverktøy f.eks.. Vi vil ikke gjøre stålet for bløtt igjen heller, slik at det ikke er i stand til å holde eggen skarp, men vi vil styrke det slik at det ikke knekker tvers av.

Produktet av denne prosessen kalles for anløpt martensitt (eng: tempered martensite).

Hvilken temperatur og tid som er best egnet til hvert enkelt tilfelle er som sagt anhengig av bruken, men også litt av karboninnholdet og størrelsen. Et høy-karbon stål vil naturligvis bli hardere enn et stål med mindre karbon nå de herdes, så en lik anløpingsprosess brukt på begge stålene vil resultere i ulike egenskaper. Hvor lenge stålet skal holdes i varmen er også en faktor. Dette kan variere fra minutter til timer, avhengig av størrelse og bruk.

Før i tiden, da det ikke fantes herdeovner eller termostater, var det vanskelig å vite eksakte temperaturer, og smedene var dermed nødt til å anslå anløpningen basert på fargen stålet fikk.

Disse fargesjiktene kommer av at ettersom stålet varmes opp blir det mer og mer reaktivt med oksygenet i luften, og det dannes et oksidlag på stålet, hvis tykkelse avhenger av temperaturen, og er forøvrig ganske nøyaktig og pålitelig, og vil endre hvilke bølgelengder av lys som reflekteres og hvordan disse oppfører seg.

Dette krever at stålet er rent for herdeskall og relativt blankt. Det må også være fritt for fett og olje.

I dag brukes dette lite i industri, men er fremdeles brukt som rustbeskyttelse eller rett og slett som en kosmetisk finish.

Det er nesten alltid best å anløpe i en ovn over lengre tid enn å “blåanløpe” med flamme. For at anløpningen skal gi så mye effekt som mulig så må stålet igjen ligge og få godgjøre seg. Varmebehandling av stål er ikke en ting som bør gjøres i hast hvis man vil ha best mulig resultat. Regelen for anløping er den samme for herding. Én time per tomme. Eller 25 minutter per centimeter om du vil, men allitterasjonen i den første gjør den enklere å huske.

Når det er sagt så er det mulig å oppnå en tilsvarende anløping med høyere temperatur over en kortere periode som en lavere temperatur holdt over lengre tid.

Dersom vi bruker flamme og anløper til farge oppstår, og stålet er gjennomherdet, kan vi ende opp med å bare mykne opp skallet, men beholder en hardere kjerne, noe som nesten universalt er en dårlig kombinasjon.

Dersom ujevn anløpning er ønskelig, som i et verktøy som må være særdeles skarpt på tuppen, men trenger et langt skaft som tåler litt juling, kan det være fordelaktig å bruke flamme. Vi kan f.eks. varme opp skaftet og “ri“ varmen så vidt ut til tuppen slik av vi får en jevn behandling og overgang.

Dersom direkte varme ikke kan brukes, enten grunnet veldig delikate deler eller fare for lokal overanløpning, kan delen monteres i en fikstur eller skaft som varmes opp og leder varmen inn i delen.

Anløpning burde utføres så raskt som praktisk mulig etter herdeprosessen for å minimere sjansen for sprekker og brist. Hvis det anløpes med flamme så sørg for å bruke en ren flamme som ikke karburiserer eller dekarburiserer (oksiderer) overflaten unødig, som butan eller godt innstilt oxy-acetylen.

Det finnes andre oppfinnsomme måter å anløpe på også som i et saltbad, oljebad, blybad eller sponbad.

View fullsize

View fullsize

Bilder er fra Clickspring sin YouTube kanal.

Stålet behøver ikke være herdet for å oppnå disse fargene.

Vanlige (veiledende) anløpningstemperaturer for ulike applikasjoner:

View fullsize

Dette avhenger selvsagt at det blir brukt riktig type stål til bruken, resultatet av de ulike temperaturene vil som sagt være avhengig av karboninnholdet og legeringen.

Normalisering og utgløding

Normalisering og utgløding (eng. normalising og annealing, respektivt) er nokså like prosesser i bunn og grunn, men avviker noe i utførelse og gjøres av ulike grunner. Begge behandlingene går ut på å varme opp stålet til 20-50 °C over sitt øvre kritiske punkt for så å la det kjøle seg sakte ned.

I all hovedsak så brukes utgløding for å mykne opp allerede herdet stål, enten det er bråkjølt med vilje eller arbeidsherdet gjennom bearbeiding. Mens normalisering brukes hovedsakelig for å rekrystallisere stålet etter mekanisk bearbeiding som har strukket, vridd eller på andre måter innført spenninger, dislokasjoner og ubalanse i kornstrukturen. Målet med begge prosessene er å få stålet tilbake til en mykere og mer duktil tilstand som lettere kan bearbeides videre.

For at disse prosessene skal lykkes er det avgjørende at det blir gjort i en ovn med temperaturkontroll. Det er spesielt viktig å la disse behandlingene få den temperaturen og tiden som kreves for at korrekt rekrystallisering skal finne sted (selve temperaturen er ikke kritisk innenfor +/- 10°C). Dette er særdeles viktig for utgløding, som bør gjøres med veldig sakte nedkjøling for å tillate at den går gjennom perlitt-stadiet. Samme regelen for tid gjelder her også, men jo høyere karboninnhold , jo viktigere er det med sakte nedkjøling og lengre varmetid. Normalisering kan tas ut og luftkjøles etter nødvendig varmetid i ovnen. Det vil bli noe hardere enn full utgløding, p.g.a. den raskere nedkjølingskurven, men det er vanligvis ikke et problem.

Normalisering kan ha en raskere nedkjøling men må ha høyere øvre temperatur enn utgløding ettersom den skal flytte og endre litt på eksisterende, men forstrukkede korn, mens utgløding endrer bare den interne krystallstrukturen, som krever lengre nedkjøling. Alt vi gjør med normalisering er egentlig å tilbakestille flytegrensen til materialet (grensen mellom elastisk og plastisk deformering) i utsatte områder, mens utgløding tilbakestiller hardheten og øker duktiliteten og formbarheten.

Grunnen til at grafen ser ut som den gjør - at utgløding av hyper-eutektoid stål vanligvis ikke går over den øvre kritiske grensen Acm - er fordi temperaturen som kreves for å produsere homogen austenitt blir fort veldig høy, som drastisk øker sjansen for at krystallene gror (som er uønsket) og dekarburisering av stålet. I det inter-kritiske sjiktet for hyper-eutektoid stål vil det være austenitt som har formet seg fra martensitten og litt mer av karbonet blir sugd opp fra den pre-eksisterende cementitten i løsningen. Denne cementitten vil ikke bli affektert noe ytterligere enn at den vil bli svakt fortært og inklusjonene av den øvrige cementitten er ikke av kritisk skade for resultatet. Å austenittisere stålet er målet, men i motsetning til normalisering - hvor målet er å reorganisere deformerte korn - prøver vi kun å endre krystallstrukturen i kornene som de er ved utgløding.

Over ser vi 0,18% karbon stål (a) og 0,95% karbon stål (b) , begge utglødet ved 900°C. Legg merke til den store mengden ferritt (hvitt) i a, med inklusjoner av perlitt (skraverte felt), mens i b er strukturen en komplett perlittisk struktur med noen små cementitt-inklusjoner. Dette viser hvordan et hyper-eutektoid stål kan reformeres til et lett bearbeidet materiale, samt at det viser en interessant sammenstilling mellom et “umettet“ stål og et “mettet“ stål. Stål b vil være veldig mye mer herdbart enn a.

For å oppsummere: normalisering og utgløding er veldig like prosesser som ofte forveksles. Forvekslingen er ikke veldig farlig, men det er absolutt en forskjell mellom prosessene, både i utførelse og behov. Begge gjøres for å mykne opp og “tilbakestille“ stålet til en tilstand som er enklere å bearbeide, men utgløding brukes hovedsakelig der termisk bearbeiding har endret sammensetningen av krystallene, mens normalisering benyttes når mekanisk bearbeiding har innført forskyvninger og stress i kornstrukturen.

Settherding og flammerherding

Settherding og flammerherding er begge karburiserende prosesser, og like i det at det er hovedsakelig en overflatebehandling, men de varierer noe i utførelse.

I situasjoner der vi kun behøver et veldig hardt ytre, kan vi tilføre karbon til stålet slik at overflaten inneholder mer karbon og derfor blir mye hardere ved herding. Gjennomherding er nødvendig når delen skal brukes i applikasjoner der energien forplantes gjennom hele delen, som f.eks. en hammer, mens settherding er nyttig når vi trenger en slitesterk overflate med en sterk kjerne, som en drivaksling.

Settherding med Kasenit

Idéen er å la stålet ligge oppvarmet i en karbon-rik atmosfære. Varmen tillater stålet å suge til seg karbon fra omgivelsene. Dette kan gjøres i ovn, men en annen mye brukt metode er herdepulver, et kjent merke er “Kasenit”, men dette selges ikke lenger. Det finnes et substitutt kalt “Cherry Red“.

Dette er et pulver som inneholder amorft karbon og andre elementer som gjør at det smelter og pakker seg som en klump rundt en oppvarmet bit med stål når det dyppes i det. Delen dynkes fullstendig i pulveret, tas opp, og varmes en liten stund innkapslet i pulveret. Grunnen til at pulveret smelter og lager en slags kokong rundt stålet er for å hindre tilgangen på oksygen, som vil motvirke prosessen. Delen kan og bør dynkes flere ganger. Delen bråkjøles så i en passende kjølevæske, vanligvis vann. Denne prosessen er ofte brukt på mindre deler. Det er også mulig å legge delen i et bad av pulveret og varme opp hele badet i en lengre periode, dette kan gi bedre resultater.

Stålet kan også karburiseres, kjøles ned, maskineres og så herdes slik at kun noen områder blir harde. Delen kan også slipes etter at den er herdet, men dette krever at stålet for nok tid til å bygge et tykt høy-karbon skall. Settherdede deler behøver vanligvis ikke anløpes til samme grad som gjennomherdet stål, og i noen situasjoner er det nødvendig å ikke anløpe i det hele tatt. Kjernen vil fremdeles være mykere og sterkere etter herding p.g.a. det lavere karboninnholdet.

Vi kan se av grafen over at stålet må ligge i ganske mange timer for å bygge et tykt lag. Høyere temperaturer fremskynder prosessen. For at vi skal ha noe som helst håp om å oppnå slike tider må vi bruke en ovn.

Å hindre oksygentilførsel er the name of the game, og ved bruk av ovn er det nødvendig å pakke inn delen i en lufttett boks eller lignende og forsegle alle åpninger. Delen legges i boksen, omringet av karburiserende materiale, f.eks. kull eller trekull, knust relativt fint. Bruk av kun kull funker, men er en ganske treg prosess, vi kan effektivisere den ved å blande inn natriumkarbonat, eller litt settherdingspulver, ca 1-5% vekt.

Boksen varmes opp med ovnen og blir liggende ved 880-920°C til ønsket tykkelse er oppnådd. Boksen kjøles ned igjen og kan deretter herdes på normalt vis. Delen trenger ikke være på herdetemperatur lenge ved herding av settherdede deler.

Det kan være lurt å legge ved en liten offer-bit for å teste hardheten uten å prøve å file på selve delen.

Flammeherding går ut på mye av det samme, men gjøres hovedsakelig av kosmetiske årsaker:

I flammeherding brukes det organisk karbon, som beinkull, lær og den slags og bitene kan være større. Effekten blir sterkere der stålet har vært i nærmere kontakt med kullbitene, så å ha litt størrelse på dem fremhever forskjellene.

Ved flammeherding må delene bråkjøles rett fra boksen, uten å få tilgang til oksygen i mellomtiden, som kan være en utfordring, men metoden er vanligvis å feste lokket med ståltråd og senke boksen opp ned i en tønne med vann og klippe tråden slik at delene detter ut av boksen og synker direkte ned i vannet.

Settherding i boks gir et tykkere karbonlag, men fordelen med pulver-metoden er at krystallene ikke får samme mulighet til å gro, men dette er vanligvis ikke et problem.

Det var siste kapittel i serien om stål. Jeg håper det har gitt et innblikk i metallurgiens verden og en oversikt og generell forståelse for hvordan stål oppfører seg, og hvorfor vi behandler det som vi gjør. Det var en monumental oppgave å kondensere all denne informasjonen til noe fordøyelig, og det er bare toppen av isfjellet om man virkelig vil dykke dypere ned i dette, men jeg håper det er en god start. Jeg forsøker å begrense omfanget av innleggene mine, så forvent kortere, men til gjengjeld flere, innlegg i 2020.

Godt nyttår!

Alt du trenger å vite om: Borehode

Et borehode, også kalt utboringshode, (eng.: boring head) er en meget nyttig, nesten uunnværlig, innretning og tilleggsutstyr til enhver vertikal fres.

Et borehode med tilhørende verktøysett.

I all hovedsak er det en måte å transformere en fres om til en “omvendt dreiebenk”, i den forstand at det gjør maskinen i stand til å lage sirkulære former, men arbeidsstykket står fortsatt stille mens verktøyet beveger seg. Forskjellen er at verktøyet som benyttes er en ‘single point cutter‘, vanligvis i form av en borestang (eng.: boring bar).

Et verktøy som i utgangspunktet er beregnet til innvendig dreiing er ypperlig for bruk i et borehode siden det vanligvis har to viktige egenskaper; stor endeklaring og høy spissvinkel. Med andre ord er det formet slik at det presenterer kuttpunktet sitt ut og vekk fra kroppen. Når det kommer til borestenger beregnet for bruk i borehoder er det ikke uvanlig at de har null endeklaring, d.v.s. at de er flate i bunnen, som ofte kan være en fordel.

Borehoder er ypperlig for å lage store hull som må ha en eksakt dimensjon (innvendig boring), forstørre eksisterende hull, forbedre overflatefinheten på hull og lignende. Når man bruker et borehode er det vanlig å finne senter av operasjonen som skal utføres, for så å låse X og Y aksene og mate i Z. Avhengig av operasjonen er det mulig å bruke spindelmating, men det er anbefalt å flytte Z-aksen i steden, for økt stivhet og resultat.

Det kan også brukes til det motsatte, å lage sirkulære protruderende aksler (utvendig boring), som ellers ikke ville vært mulig å lage uten et rundmatingsbord eller sirkulær interpolering på en CNC-maskin.

Her stilles verktøyet til riktig diameter og mates nedover, på samme måte som innvendig boring, men - avhenging av verktøyet - må spindelrotasjonen snus, som om vi dreier på “baksiden“ av kjoksen i en dreiebenk.

Typiske operasjoner for borehoder:

Et borehode har et par deler hvis funksjon ikke nødvendigvis er videre opplagt. Kunnskap om disse er nødvendig for flere av operasjonene over. Borehoder kommer i ulike grader av kompleksitet.

De er essensielt delt opp i to deler: snekkehuset (kroppen) og sleiden (eng.: body & slide). De er festet sammen med et svalehalespor (eng.: dovetail) og en justeringsskrue som endrer diameteren på kuttet.

Hovedskruen (eng.: quick setting spindle) er hovedsakelig en grovinnstilling og brukes til å endre diameter raskt. En omdreining her flytter vanligvis sleiden flere millimeter av gangen. Finjustering gjøres med snekkeskruen på siden som er delt opp i hundredels millimetere. Normalt sett er denne oppgitt for diameteren på arbeidsstykket, ikke bevegelsen av sleiden, slik at hvis man flytter skruen én gradering øker man diameteren med 0,01mm, med andre ord flytter sleiden seg 0,005mm. Dette er oppgitt på hodet. Pilene indikerer hvilken retning som flytter sleiden en spesifikk vei.

Bildet over er av et mer avansert borehode, ofte kalt et automatisk borehode eller universalt borehode (eng.: universal boring head, facing & boring head). Det har den funksjonen at det kan mates radialt mens verktøyet roterer, slik at man kan plane eller lage radiale spor i bunnen eller andre steder langsmed hullet eller akselen.

Her ser vi snekkeskruen for finjustering (eng.: fine setting spindle, worm with scale), låseskruen som låser sleiden (eng.: clamping screw, arrest screw), strammeskruer for gib’en (en bit som ligger mellom de to delene i svalehalesporet for å justere slarken, jeg vet ikke om den har noe godt norsk navn) (eng.: slide tension, gib adjust screw), og strammeskruene for å feste verktøyet. Verktøyhullene er vanligvis Ø16 H7.

Det er viktig at verktøyet peker i den retningen man planlegger å mate sleiden, med kuttepunktet/kuttesiden så parallell som mulig med sleiden. Et par grader fra eller til spiller liten rolle, men et stort avvik vil endre både kutteferdighetene, og overenstemmelsen mellom justeringsskrue og faktisk mål.

Hovedskruen og gib’en, samt verktøyhullet i siden som gjør det mulig å montere verktøy stikkende rett ut for maksimal rekkevidde.

Over ser vi baksiden der vi finner de to endestoppene (eng.: feed dogs, stops), som avbryter automatisk radiell mating, og kan stilles etter ønsket diameter. En for hver vei. I midten finner vi utløseren (eng.: fixed pin) som endestoppene treffer slik at motstanden blir så stor at clutchen løser ut. Det er en oljenippel på hver side for å smøre sleiden.

Nå kommer vi til hjertet av det universale borehodet:

For å aktivere radiell mating må clutchpinnen presses ned i clutchsporet, slik at den aktiveres. Dette kan gjøres med en flat skrutrekker eller lignende. Ringen som pinnen sitter i (eng.: holding ring) roterer fritt. Under sitter materingen (eng.: scale ring) med et spor som clutchpinnen rir i når matingen er aktivert. Denne er koblet til finjusteringsskruen.

Materingen har vanligvis et par ulike valg for matehastigheter, under ser vi 0, 2, 4 og 6, som representerer hundredels millimetere økning i diamater per revolusjon. Her er borehodet stilt inn til 0,06mm/rev mating. 0 betyr at borehodet ikke vil mate, selv om clutchen er lagt inn. Matehastigehten stilles inn ved å vri på matejustering-ringen med det røde indikasjonmerket.

I clutchringen er det en settskrue som justerer clutchstyrken, altså hvor mye last som skal til før clutchen utløser og stopper matingen. Den har også et hull for håndtak som man er nødt til enten å holde selv eller hvile inntil en stasjonær del av maskinen. Når spindelen igangsettes og håndtaket holdes igjen vil de tre ringene stå stille mens resten av hodet roterer og mater utover til man slipper håndtaket, eller; til endestoppen treffes eller verktøyet overbelastes, begge ting som vil belaste clutchen slik at den løser ut.

Enda mer feinschmecker borehoder som også kan mate aksialt, og begge to samtidig (slik at man kan bore koner!) eksisterer fra produsenter som f.eks. Wohlhaupter.

Ingen borehoder kommer med skala, så vidt jeg vet. Det eksisterer digitale borehoder som gir deg enkel avlesning av diameter, men disse er ikke til bruk i manuelle maskiner, stort sett.

Så, hvordan setter man borehodet til å kutte riktig diameter?

Det er hovedsakelig to måter å finne dimensjonene sine:

Den første og enkleste er rett og slett å ta et kutt og måle, for så å justere videre derfra.

Den andre er som følger:

1. Finn en kant på arbeidstykket, eller på et stykke offermateriale

2. Sett spindel-senter på denne kanten

3. Null avlesningen på fresen

4. Flytt kanten bort fra senter lik radien til ønsket kutt

5. Juster borehodet til verktøyet berører kanten

6. Et voilá!

På bildet helt øverst i innlegget er det avbildet et borehode med litt tilleggsutstyr. Dette kan kombineres for å utføre en rekke oppgaver:

Og hvis man føler seg riktig freidig kan man kombinere verktøy som f.eks slik:

Borehoder bør ikke kjøres over 1000 RPM, spesielt ikke hvis sleiden er skrudd langt til en side. Dette kan skape vibrasjoner som gir dårligere nøyaktighet og finish. Større hoder bør ikke kjøres over 600. Når det er sagt, her er noen anbefalte skjæredata:

Men ta dette som EKSTREMT veiledende, og ikke som en fasit! Utover det gjelder skjærehastigheter som ellers for materiale og verktøygrad.

Kuttdybde bør ikke overstige 4mm med en mating på 0,06mm/rev (hverken aksialt eller radialt). Men dette avhenger voldsomt av utstikk, materiale, oppspenning, applikasjon, o.s.v. Som en tommelfingerregel kan kuttdybde økes når mating senkes. Det viktige er at lasten blir lik.

Dersom verktøyet vibrerer (sperrer) anbefales det å senke skjærehastigheten eller øke matingen.

Det er hensiktsmessig å ikke ta for tynne kutt hvis det kan unngås (med mindre det er et finkutt selvsagt). Dersom det benyttes skjær med høy spissvinkel kan en kuttdybde som er større enn neseradien bidra til å stabilisere verktøyet.

Stål: Krystaller og mikrostrukturer

Så og si alle metaller og ikkemetaller er krystalliske i natur, som vil si at de har en meget organisert og stabil måte å arrangere atomene sine og deres bindinger på. Krystaller er geometrisk ordnede atomer i ulike varianter.

Når stål går fra varmt til kaldt og stivner forekommer det nukleasjon av jernet rundt urenheter i blandingen. Disse urenhetene fungerer som katalysatorer og atomene vil aggregere sammen i klynger. Disse gror til korn av homogene krystaller og fortsetter å gro i en geometrisk ordnet struktur til de treffer en annen krystall, som mest sannsynlig ikke har den samme orienteringen som seg selv, og en grense vil skapes mellom disse kornene.

Med mikrostruktur menes en struktur som kun kan observeres med mikroskop.

Disse korngrensene er i utgangspunktet en generell plan-defekt i materialet som skiller regioner av krystaller med ulik orientering innen et polykrystallinsk materiale.

View fullsize

Disse defektene begrenser termisk og elektrisk ledeevne i materialet. Man skulle altså tro at optimalt sett ville vi gjerne hatt en homogen blokk med materiale bestående av ett korn med én gjennomgående krystallstruktur, men det er ikke tilfellet. For det første er det så godt som uoppnåelig, og problemet med at atomene ordner seg i slike geometriske strukturer er at krystallene blir spesielt svake mot skjærbelastning som går parallelt med krystallstrukturen. Dette er kjent som “slip planes“, skliplan eller skjærflater, og avhengig av krystallstrukturen har et antall belastningsretninger som krystallene er spesielt svake mot.

Skjærbelastninger som forekommer parallelt med krystallets skjærplan har mye lettere for å deformere krystallet enn belastninger som ikke går langs ett av disse planene. Det finnes flere varianter av disse planene avhengig av krystallstrukturen:

View fullsize

Over er eksempel på skjærplan for strukturene enkel kubisk (SC), kropps-sentrert kubisk (BCC) og flatesentrert kubisk (FCC), fra venstre til høyre. Det finnes mange av disse planene avhengig av struktur, og det er et tema innen metallurgien vi ikke behøver å bevege oss inn på nå, men så vidt jeg forstår så refererer tallene til hvilken akse atomene som faller innen skjærplanet befinner seg på og retningen, binært fra 0 til 1 i XYZ.
Forskjellen på disse er hvordan atomene pakker seg i krystallene og kan visualiseres slik:

View fullsize

Disse skjærplanene går alltid gjennom der atomene er tettest pakket sammen, siden de der har lettere for å dytte på hverandre uten “slark“ og oppstår som regel gjennom det største av disse planene som koinsiderer med belastningen på krystallet siden disse planene blir “truffet” først.

Forskyvninger har lettere for å oppstå langs de grønne pilene enn de rød.

En slik forskyvning (eng.: dislocation) stanser når den møter en korngrense. Krystallet kan ikke deformeres ytterligere siden belastningen nå har gått gjennom det første krystallet, truffet en grense til et annet krystall med en struktur som ikke lar seg forskyve like lett langs denne vektoren.

Jern og karbon er aldri i en fullstendig løsning med hverandre i avkjølt tilstand, men blander seg i form av “granuler“ eller “korn“. Disse kornene er krystaller i ulike størrelser og former som sammen utgjør det hele materialet. Disse krystalliske klyngene kan inneholde ulike blandinger av jern og karbon, men binder seg normalt ikke som molekyler i et nytt materiale, med unntak.

Karbonmengden i stålet er av betydning fordi den bidrar til å lage sterkere korngrenser i form av jernkarbid, og siden karbonatomene er mindre enn jernatomene kan de også oppta plasser inni krystallene. Dette kalles en punkt-defekt og gjør at atomene i krystallet har mindre rom og/eller forskyver den interne strukturen i krystallet, som gjør den mer motstandsdyktig for deformasjon.

View fullsize

Siden de geometriske planene i kornene er de svake punktene i materialet er det bedre å ha mange små grenser som går i alle mulige retninger enn å ha et par store krystaller. Små korn har en større grenseoverflate i forhold til volumet slik at det eksisterer flere grenser og bindinger med ulik orientering enn i et liknende volum med større krystaller, slik at en potensiell forskyvning har mindre effekt siden færre forskyvninger kan finne sted i et mindre korn. Mange små korn er generelt sett betraktet som et bedre materiale siden rettede belastninger blir jevnet ut mellom alle de ulikt orienterte krystallene.

View fullsize

Styrken til materialet kan forbedres ved å endre på kornstørrelsene og korngrensene.

Ved korngrenseforsterkning fungerer korngrensene som låsepunkter som hindrer ytterligere forskyvningsforplantning. Siden strukturen til tilstøtende korn varierer i orientering, krever det mer energi for en forskyvning å endre retning og bevege seg inn i neste korn. Korngrensen er også mye mer kaotisk enn kornet, som forhindrer at forskyvningene beveger seg i et kontinuerlig plan. Forminskelse av denne forskyvningen vil hindre at plastisk deformasjon oppstår, og dermed øke bruddstyrken til materialet.

Under en påført belastning vil eksisterende forskyvninger bevege seg gjennom krystallstrukturen inntil det støter på en korngrense, hvor den store ulikheten mellom forskjellige korn skaper et frastøtende stressfelt for å motvirke ytterligere forskyvning. Ettersom flere forskyvninger forplanter seg til denne grensen, oppstår en opphopning av stress i en klynge som ikke er i stand til å bevege seg forbi grensen. Når nok stress er blitt hopet opp på et punkt vil det til slutt overkomme motstanden i korngrensen og forplante seg videre i neste korn og ytterligere deformasjon oppstår.

View fullsize

Ved å redusere kornstørrelsen reduserer man mengden mulig stress-samling ved grensen, og øker mengden av påført belastning som er nødvendig for å bevege en forskyvning over en korngrense.

Jo høyere den nødvendige belastningen for å flytte forskyvningen, desto høyere bruddstyrke. Dermed er det da et omvendt forhold mellom kornstørrelse og bruddstyrke, som demonstrert av Hall-Petch-ligningen.

Imidlertid, når det er en stor retningsendring i orienteringen til to tilstøtende korn, kan forskyvningen ikke nødvendigvis bevege seg fra ett korn til det andre, men i stedet skape en ny fordelingskilde i tilstøtende korn. Teorien forblir den samme at flere korngrenser skaper mer motstand til dislokasjonsbevegelse, og igjen styrker materialet.

Det er av denne grunn det er ønskelig med små og godt sammenblandede korn i stålet og ikke store korn. Når det er sagt, er det naturligvis av denne grunn også vanskeligere å bearbeide et slikt materiale, og rent jern skaper vanligvis ganske store krystaller, som vi nå forstår gjør det enklere å deformere og forme. Dette gjelder selvsagt innenfor et område av størrelser, og dersom krystallene blir veldig store blir det igjen vanskelig å forme materialet på en meningsfylt måte. Dersom en teoretisk stang hadde hatt to store krystaller som på ett punkt langs lengden var den eneste bindingen i stangen, ville den ikke være veldig enkel å forme, men brekke ganske lett.

Pyritt (jernsulfid), ikke et godt eksempel på jernkrystaller, men et kult bilde for å illustrere hvor store krystaller kan gro under rette forhold.

Hall-Petch forholdet gjelder stort sett for korn fra 1mm til 10 nm. Det var trodd at dette forholdet mellom kornstørrelse og bruddstyrke var uendelig videreførbart, men under 10 nanometer vil bruddstyrken holde seg lik eller synke igjen, og over 1mm gjelder det samme.

Det er flere andre variabler som bestemmer duktiliteten og styrken i stålet mer enn kornstørrelsen (slik som karbonmengde), men disse fungerer ikke som de skal uten en passende kornstørrelse å jobbe med.

Varmebehandling av stål, hvis metoder vi skal se nærmere på i neste innlegg, hovedsakelig herding, er rett og slett metoder for å endre typene, sammensetningene og ikke minst størrelsene på kornene i materialet.

Så, hvilke typer mikrostrukturer finnes i stål og hvordan oppstår de?

Faser, mikrostrukturerer og karbonets effekt

Når rent jern begynner å stivne fra flytende form (over 1539 °C ) og atomene binder seg og nukleasjon forekommer, vil krystallene forme seg i en kropps-sentrert (BCC) struktur.

Kropps-sentrert kubisk krystall (BCC). Så kalt fordi enheten blir definert med et atom i hvert hjørne og ett i midten av kuben. En mindre tettpakket struktur enn FCC. Har plass til å inneholde mer karbon enn FCC.

Etter en stund med krystallisering og temperaturen synker til 1392 °C forekommer en merkelig ting. Temperaturen slutter å synke i en liten periode som om den blir varmet opp innenfra. Dette er også det som skjer ved at krystallstrukturen reorganiserer seg til en flate-sentrert (FCC) struktur. Dette er en eksotermisk reaksjon slik at den produserer litt varme selv og vil derfor virke som temperaturen står stille i et øyeblikk.

Flate-sentrert kubisk krystall (FCC). Så kalt fordi enheten blir definert med et atom i hvert hjørne og ett i senter av hver flate. En tettpakket struktur som har plass til å inneholde mindre karbon enn BCC.

Dette kalles et kritisk punkt (eng.: arrest point) og forekommer flere ganger i nedkjølingen. Det kan virke rart at det skjer, for selv om materialet er varmt er det allikevel solid.

Men dersom vi kunne se ting fra atomets perspektiv ville det ikke vært så overraskende. Materialer er stort sett tomrom og avstanden mellom atomene er relativt stor. La oss ikke begi oss ut på atomteori og hvorfor ting i det hele tatt velger å henge sammen, men de har ihvertfall plass til å bevege seg. De kan ikke skyte rundt som de er i stand til i en væske eller gass, men ved å tilføre energi i form av varme kan vi motivere krystallene til å reorganisere seg.

View fullsize

Solidifiseringsprosessen; nukleasjon rundt urenheter (a), ekspandering av de enkelte krystallene (b), danning av kornene (c), korngrenser dannes og et polykrystallinsk materiale oppstår (d).

Herdetemperaturer og andre behandlingstemperaturer er ofte oppgitt rundet av til nærmeste 10°C. Hopp på 10 grader er det mest praktiske temperatursteget å bruke for å endre resultatet av varmebehandling. Det virker kanskje ikke som en stor endring når vi snakker om hundrevis av grader, men det merkes like godt for stålet som du kjenner forskjell på 10 plussgrader og 20 plussgrader.

Ved 910 °C skjer det samme igjen, men denne gangen i revers. Krystallstrukturen går tilbake til BCC. Jernet er ved dette stadiet lyst rødt og er en vanlig temperatur for å smi. Ved 770 °C når vi enda et kritisk punkt, men her skjer det ingen endring i krystallstrukturen. Dette er temperaturen der metallet kan bli magnetisk og dersom atomene i materialet alle vrir seg til å “peke“ samme vei vil jernet bli ferro-magnetisk. Dette punktet kalles Curie-punktet. Over denne temperaturen er atomene i for stor bevegelse til å kunne holde en retning.

Alle disse punktene forekommer i omvendt rekkefølge ved oppvarming og er grunnen til at det kan virke som materialet “holder igjen” litt til tider når det varmes opp. Temperaturene er litt annerledes for oppvarming som for nedkjøling, men stort sett likt.

Mengden karbon i stålet har en tydelig endring på egenskapene og oppførselen til metallet. I flytende form er karbonet i fullstendig løsning i blandingen, og i første omgang ser man at smeltetemperaturen synker.

Når et materiale blir løst opp i et annet kalles det diffusjon. Dette blir i mange tilfeller en homogen blanding, der stoffene er likt fordelt gjennom det hele. En heterogen blanding vil si noe som ikke er fullstendig løst opp og vil ha klumper av ett stoff fordelt i det andre. Også kjent som emulsjon.

På samme måte som det er en metningsgrense for hvor mye sukker du kan ha i kaffen (ikke din metningsgrense kanskje, men for løsningen😉), er det en metningsgrense for mye karbon som lar seg løse opp i jern. Som i eksempelet med kaffe kommer det et punkt der mer sukker ikke lar seg fordele i kaffen og vil samle seg på bunnen. Blandingen har nådd sitt ekvilibrium, det er likevekt. Hva som er metningsgrensen mellom to stoffer avhenger av stoffene. I tilfellet med jern og karbon er det ca 6,67 vektprosent karbon. Disse stoffene er i ekvilibrium ved 4,3 vektprosent.

Hvilke faser og strukturer som eksisterer i stål med ulike mengder karbon ved ulike temperaturer kan leses av i noe som kalles et fasedigram eller ekvilibriums-diagram:

View fullsize

Dette diagrammet har temperatur på Y-aksen og karboninnhold på X-aksen. Det går fra rent jern på venstre side og stopper ved jernkarbid på høyre side. Diagrammet viser ikke noe mer enn det siden det ikke lar seg gjøre å løse opp mer karbon i jernet enn 6,67%. Ytterligere karbon samler seg som klumper av grafitt i blandingen.

Når det er sagt så er mengden karbon som lar seg løse opp i jern avhengig av temperatur og krystallstruktur. Når jern og karbon er i en flytende løsning er det en homogen blanding. Dersom jern og karbon er i ekvilibrium sies det at det er eutektisk.

eu-tekt-isk, (fra gresk eutēktos (smelter lett); eu (bra, godt), tēktos (smelte); punktet der en blanding har et metningsforhold slik at begge substansene smelter og stivner sammen ved en fast temperatur.

Som vi kan se av diagrammet er alt over den øverste streken (ABCD) flytende, denne streken kalles liquidus og siden tilføring av karbon senker smeltetemperaturen til stålet så er streken kurvet nedover mot midten. Dette kommer av at det kreves mer energi å bryte opp større og renere krystaller. Når vi tilfører “urenheter” (i dette tilfellet karbon) så blir det lettere for varmen og “trenge inn“ i jernet og bryte det opp. På andre siden av punktet C der den øverste streken treffer den under, går temperaturen opp igjen til vi når jernkarbid. Streken under dette (AHJEF) kalles solidus, og alt under denne streken er solid.

Punkt C, der de to øverste kurvene møtes, er det eutektiske punktet der blandingen vil stivne sammen og ikke gå gjennom et slush-stadie der en komponent har er annen smeltetemperatur enn den andre, som vises i områdene til høyre og venstre for dette punktet. Alt til venstre for dette punktet sies å være hypo-eutektisk, eller under-smeltende, mens alt til høyre sies å være hyper-eutektisk, altså over-smeltende. Som diagrammet viser regnes alt over 2,06% karbon for å ikke være stål, men støpejern. Mens alt under 0,02% regnes som ferritt og altså mer eller mindre rent jern, med andre ord, ikke stål.

Så hva betyr alle disse ordene?

Ferritt, austenitt, cementitt, martensitt, perlitt, bainitt, ledeburitt og grafitt er navn på ulike faser og mikrostrukturer av kornene i stålet. Disse strukturene brukes for å identifisere og definere ståltyper og egenskaper. Forekomsten av disse avhenger hovedsakelig av tre ting: karboninnhold, varme og nedkjølingstid.

Dette er metallurgiske termer; de relaterer til krystallformer og typer, og atomsammensetningene i disse.

Ferritt (ferrite): Fase og struktur. BCC-struktur. Rent jern. De hvite områdene på bildet er ferritt-korn. Her kan man også tydelig se korngrensene mellom krystallene.

Austenitt (austenite): Fase. FCC-struktur. Oppkalt etter Sir William Austen. En solid løsning av karbon i jern som kun oppstår ved høye temperaturer (en solid løsning vil si et fast materiale med en mindre komponent av et annet stoff spredt uniformt igjennom krystallstrukturen; husk at jernet ved bearbeidstemperaturer regnes fremdeles som solid, bare særdeles mye mykere). Austenitt eksisterer ikke i stål ved romtemperatur. Brukes for å beskrive at jernet har nådd det punktet i oppvarmingen som er nødvendig for at det skal re-krystallisere seg fullstendig, altså det øvre kritiske punktet. Dette punktet avhenger som nevnt av karboninnholdet. Stål sies å være austenittisk hvis det har blitt avkjølt over lang tid og ikke er herdet, selv om strukturene som finnes i dette resulterende stålet ikke direkte heter austenitt. Det er intet kritisk punkt ved 1392 °C i austenitt.

Ledeburitt (ledeburite): Fase og mikrostruktur. En blanding av karbon i jern på 4,3%; en eutektisk miks av austenitt og cementitt. Dette er ikke et stål i seg selv og oppstår vanligvis i høy-karbon stål. Finnes vanligvis sammen med cementitt og perlitt. De svarte feltene i bildet er grafitt omgitt av ledeburitt.

Cementitt (cementite): Fase og mikrostruktur. Jernkarbid (Fe3C), en meget hard mikrostruktur som får sitt navn fra cementeringsprosessen hvor det først ble identifisert. Også noen ganger kalt «keram». Cementitt er en mettet legering som inneholder 6,67% karbon. Jernkrystaller i BCC-struktur kan ikke holde mer karbon enn dette.

Perlitt (pearlite): Mikrostruktur. Perlitt, som får sitt navn fra perlemor, er en blanding av ferritt og cementitt, arrangert i en lamellær (lagvis) struktur. Oppstår ved sakte nedkjøling av austenitt som inneholder over metningsgrensen sin med karbon ved en høyere temperatur.

Martensitt (martensite): Mikrostruktur. Kald og solid austenitt. Selvmotsigende siden jeg nettopp sa at austenitt ikke eksisterer i «fast» form, spesielt ikke avkjølt, men dersom oppvarmet stål bråkjøles (altså herdes) vil det ikke rekke å gå gjennom transformeringen til andre strukturer som cementitt og ferritt og bli fryst fast slik det var, dette kalles da martensitt og er svært skjørt og veldig hardt. Martensitt er det vi prøver å oppnå når vi herder noe.

Bainitt (bainite): Mikrostruktur. Bainitt er en mellomting mellom perlitt og martensitt som oppstår når austenitt blir kjølt ned ved en slik rate at krystallstrukturen rekker å omforme seg, men ikke så raskt at full adskillelse av ferritt og cementitt oppstår. En nålete plate-lignende struktur.

Øvre bainitt

Nedre bainitt

Så, først å fremst er karboninnholdet viktig. Mer karbon gir en sterkere legering. Deretter er varmen viktig, materialet må tilføres nok energi til å løsne på krystallene og la dem omforme seg slik at vi kan oppnå en annen krystallstruktur. Men viktigst av alt i varmebehandlingen er nedkjølingstiden. Eller, karbonet er vel det viktigste, siden jern alene KAN IKKE HERDES, men hvis ikke karbonet behandles riktig er vi jo like langt.

Forholdet mellom temperatur og nedkjølingstid - og resulterende strukturer - finnes i noe som kalles et S-kurve diagram, eller rettere et TTT-diagram (Time-Temperature-Transformation).

View fullsize

“Eutektoid temperature” refererer til det nedre kritiske punktet. Hvis noe er -oid så betyr det av det ligner noe eller er lik, men ikke det samme som noe. Akkurat som primater er humanoider. I dette tilfellet betyr eutektoid at noe omformer seg likt eller samtidig, det er sammstemmelse i materialet, på samme måte som det eutektiske punktet i et smeltebad betyr at fasene er i likevekt og vil stivne sammen. Den eutektoide temperaturen er altså den minste temperaturen vi må oppnå for at krystallstrukturen skal kunne forvandle seg (den nederste rød stiplede linjen på ekvilibriumsdiagrammet), derfor kalles det det nedre kritiske punkt.

Vi kan se at det eutektoide punktet til austenitt, altså metningsgrensen for karbon i austenitt er ca. 0,8% ved den nedre kritiske temperaturen, ca. 723°C. Over denne mengden karbon eller under denne temperaturen, begynner det å fortrenge overflødig karbon ut av blandingen under nedkjølingen som blir til jernkarbid og dermed danner perlitt. Det er over denne mengden karbon man ikke kan oppnå ren perlitt uten å få separate biter av jernkarbid.

Dannelsen av perlitt.

“Austenittisk“ stål. Man kan se at kornene er store og homogene med klare, skarpe og tynne korngrenser.

Denne prosessen tar tid, og det er viktig å la stålet få kjøle ned sakte og la fysikken gjøre jobben sin dersom man prøver å oppnå en slik struktur. Dette kommer klart frem av diagrammet, der A er austenitt, P er perlitt, B er bainitt og M er martensitt. Som vi også kan se så begynner ikke omformingen av austenitt til martensitt før ved ca 220°C og slutter når blandingen når litt over 100 grader (Den avslutter egentlig aldri, men for praktiske årsaker sier vi at den gjør det). Hvis vi trekker en strek fra den eutektoide temperaturen ved 0 sekunder, ned til herdebadets temperatur ved f.eks. 10 s, ser vi at den hadde gått forbi de andre fasene og gått rett fra austenitt til martensitt. Dersom stålet hadde brukt litt lenger tid, hadde vi sett spor av perlitt og til slutt bainitt når det når grensen for martensitt siden det har rukket å gå inn i “S-kurven“, og bruker det enda lenger tid ender vi opp med et mykt austenittisk stål av eventuelt perlitt eller lederburitt, avhenging av karboninnholdet.

Så lenge stålet er austenittisk når det når grensen for martensitt vil det omforme seg til dette. Det er stort sett kun avhenging av tid, gitt at den nødvendige fasen er tilstede. Martensitt er stort sett det som menes om når det snakkes om herdet stål. Austenitten er som sagt i en FCC -struktur, men ved høyere temperatur (over det øvre kritiske punktet, ca 910°C) vil ferritten være BCC og ha plass til en god del karbon.

Så, når vi har en en varm bit med stål med veldig spredte atomer som har mye plass mellom seg, er det plass til karbonatomer, som er mindre enn jernatomer, til å trenge seg inn i selve krystallstrukturene i kornene. Når vi samtidig har en rask nedkjøling som skaper små korn, og nok karbon til å lage sterke korngrenser, kombinert med de nevnte sprekkferdige krystallene som blir låst fast med karbonet fordi det ikke har tid til å bli fortrengt…

Da får vi et martensittisk stål. Det er knallhardt, men ekstremt skjørt.

I neste innlegg om stålets fantastiske egenskaper skal vi ta for oss mer praktiske eksempler og metoder, og betydningen av herding (som du nå forhåpentligvis har en bedre teoretisk forståelse av), anløping, normalisering, utgløding, settherding, flammeherding og annet spennende stoff som faktisk har en praktisk verdi.

For å oppsummere: Karboninnholdet i jernet har innflytelse på hovedsakelig 3 egenskaper: hardhet, formbarhet og bruddstyrke.

Og: Disse egenskapene kan vi endre med 2 variabler: temperatur og tid.

View fullsize

Dette innlegget var tungt å skrive og krevde mye research. Dersom du kan mer om dette enn meg og oppdager noe som er feil, skriv en kommentar eller kontakt meg på mail så jeg kan få rettet det opp. Det er mulig jeg tar en pause fra å skrive om stål og skriver om noe litt lettere stoff fremover, men det siste innlegget kommer (og kanskje et bonusinnlegg, det er hemmelig inntil videre). Takk for at du leste, og håper det kommer til nytte.

Stål: Historie og produksjon

Stål er et enestående materiale og absolutt uforlignelig når det kommer til dets utallige bruksområder og egenskaper. Intet annet materiale har bidratt mer til menneskehetens utvikling og ekspansjon enn stål. Hele vår moderne sivilisasjon hviler på det.

View fullsize

Dette er et bredt og komplisert tema som jeg har til hensikt å gå i dypet av, og gi en oversikt over et emne som kan virke uoversiktlig og overveldende, men som i bunn og grunn er ganske simpelt i de store trekk.

Dette blir delt opp i 3 innlegg:

• Historie og produksjon

• Krystaller, mikrostrukturer og legeringer

• Varmebehandling; typer og metoder

Hva er stål?

Stål er en blanding av jern og karbon. Forskjellige ståltyper har ulike blandingsforhold av disse to stoffene og kan inneholde små mengder av andre grunnstoffer som endrer egenskapene til legeringen ytterligere.

Jern er et metall med atomnummer 26 og forkortelse Fe for Ferritt, fra latinske ferrum. Det er det fjerde mest vanlige grunnstoffet i jordskorpen på 5% etter aluminium (8%), silikon (28%) og oksygen (46%). Ettersom du kommer dypere ned blir det mer og mer vanlig, til du når jordens kjerne som er hovedsakelig flytende jern; alt jern på jorden er antatt og utgjøre ca 35% av planetens masse. Metallisk jern oppstår vanligvis ikke på overflaten, men er naturlig dypere i jordskorpen. Det finnes hovedsakelig som brun malm, eller jernoksid, bedre kjent som rust. Det meste av jernet som utvinnes slik kommer fra en type jernmalm som kalles hematitt (Fe2O3), som kommer fra “blodig” på gresk. Friske kuttede biter med jern fremstår med en skimrende grå overflate, men vil etterhvert omdanne seg til jernoksid igjen i en oksygenrik og fuktig atmosfære. Jern er et ganske “aktivt“ metall og binder seg lett med andre stoffer.

Det er et relativt mykt og duktilt materiale og har et smeltepunkt på 1538°C og koker ved 2862°C.

View fullsize

Ulike utgaver av metallisk jern

Karbon er et ikkemetall med atomnummer 6 og forkortelse C fra latinske carbo (kull). Det har 4 elektroner i ytre skall slik at det binder seg veldig enkelt til andre stoffer. I blanding med solide materialer lager høyt karboninnhold i mange tilfeller karbider. Disse er gjerne veldig harde. Rent karbon oppstår i ulike former kalt allotroper og egenskapene til disse er svært ulike. De vanligste formene for karbon er amorft karbon (løst karbon og andre ikke-krystalliske forekomster slik som kull), grafitt og diamant. Grafitt er bløtt og brukes i blyanter, mens diamant er det hardeste materialet vi kjenner til, så man kan se at strukturen til karbonet har stor innvirkning på egenskapene.

View fullsize

Grafitt (venstre) og diamant (høyre)

Produksjon av stål

Jern har vært kjent siden de gamle egypterne, mens kjennskap til stål har eksistert siden ihvertfall 200 år f.Kr. Det oppstod stort sett - som alt annet - i Kina og om de visste hva de drev med eller ikke er usikkert, men de var ihvertfall i stand til å lage en høvelig grei form for stål. Japanerne hadde også stål relativt tidlig, men siden Japan er en vulkansk øy var jernet deres fullt av urenheter og det resulterende stålet var ikke av den beste kvalitet. Dette er grunnen til at de istedenfor å lite på gode materialer måtte smi det de hadde slik at urenhetene ble hamret ut og at det resulterende jernet hadde en intern struktur som var solid. Ved å brette stålet og hamre det sammen banket de ut urenhetene så godt det lot seg gjøre; derfor er det kjente japanske sverdet, katana, brettet så mange ganger og lages med en karbonrik ståltype til eggen og en bløtere legering til kroppen som på ulike måter kombineres for å lage et solid blad. Den kurvede formen til sverdet oppstår ved herdingen pga. sammensetningen av ulike ståltyper.

Vikingene hadde forsåvidt også stål, men ikke fordi de utvinnet det på en effektiv måte. Hvis de hadde godt stål så var det enten plyndret eller handlet fra midt-/sør-europa eller sentral-asia. De hadde stort sett ikke mulighet til å oppnå nok varme for å smelte det ordentlig og i et forsøk på å lage bedre sverd og andre våpen brant de dyreknokler og horn sammen med smijernet, som hadde den utilsiktede effekt å tilføre en kilde til karbon. Dette karbonet sev inn i jernet og lagde stål og dermed bedre sverd, så det er ikke vanskelig å forstå at de trodde dyrets sjel var fanget i sverdet og ga det styrke.

View fullsize

Moderne stålproduksjon oppstod hovedsakelig på 1800 tallet med bl.a. Bessemer-metoden. Stålproduksjon av stor skala var den største pådriveren til den industrielle revolusjon. Moderne metoder for å produsere godt stål ble oppdaget allerede på tidlig til midten av 1700-tallet av Benjamin Huntsman, men prosessen var langsom og ga ikke store kvanta i slengen. Mer om disse senere.

Produksjon av stål som du får “kjøpt i butikken“ er en flerstegsprosess. Jernmalmen er som sagt jernoksid, så det første steget er å fjerne oksygenet for å ende opp med rent jern. Dette gjøres via en reduksjonprosess og den krever at malmen varmes opp til flytende og vel så det. Reduksjonprosessen går ut på å tilføre masse fritt karbon for å binde seg med oksygenet i jernet og lage karbonmonoksid og karbondioksid.

For å oppnå både høy nok temperatur og en god kilde til fritt karbon ble det brukt koks* (eng: coke), som var mye av nøkkelen til moderne stålproduksjon.

Dette ble gjort i store smelteovner enkelt kalt storovner, eller masovner, (eng: blast furnace (“blast“ kommer av at luften skytes inn nedenifra over atmosfærisk trykk)) der en blanding av koks, malm og fluksmiddel (eng: flux), ble helt i fra toppen og for-oppvarmet luft, gjerne 750°C eller varmere, ble blåst inn fra undersiden.

View fullsize

Fluksmiddelet, gjerne kalkstein og andre bergarter med lavere smeltepunkt, ble benyttet for å bidra til at urenhetene i malmen skiller seg ut og “samle opp“ disse urenhetene og lage en sammenhengende masse av dem som ligger og flyter som et lag oppå jernet slik at det lar seg tappe av og fjerne regelmessig. Det flytende jernet som samles på bunnen tappes ut i støpeformer, derav støpejern (eng: pig iron/cast iron/crude iron).

View fullsize

View fullsize

Hematitt (jernmalm)

View fullsize

Antrasitt, eller rent steinkull (venstre) og koks (høyre)

* Koks er et brensel laget av kull. Det produseres i koksovner der steinkull varmes opp uten tilgang til oksygen slik at andre urenheter i kullet drives ut, men ikke forbrenner karbonet. Dette raffinerer det til et veldig rent brensel (tørrdestillasjon).

Trekull og beinkull lages på samme måten, ved å varme opp organisk materiale og benekte tilgangen på luft.

View fullsize

Navnet “pig iron” kommer av at støperennen og de tilkoblede formene (pigs) ligner en purke som mater ungene sine.

Forbrenningen av koksen skaper ekstrem temperatur og produserer karbonmonoksid. Denne karbonmonoksiden reagerer igjen med jernoksidet som igjen lager karbondioksid og fjerner oksygenet i malmen.

I sluttfasen av smelteprosessen er jernet i kontakt med kullet eller koksen det ble smeltet med som riktignok har fjernet oksygenet i malmen og omgjort det til rent jern, men karbonet har også bundet seg til jernet og resultatet vil ha et karboninnhold på rundt 4% av totalvekten. Det er mye.

Etter et deigaktig stadie stivner jernet ved ca 1130°C. Vi har nå en solid jevn blanding i form av støpejern. Som vi kan forstå fra dette har karbonet innvirkning på smeltepunktet til jern. Mer karbon vil gi et lavere smeltepunkt.

Støpejernet i denne tilstanden anses som et mellomstadie i produksjonen av stål, men brukes også til produksjon i støpeformer og det finnes ulike typer støpejern avhengig av bruksområdet. Støpejern er hardt og sterkt og har gode termisk ledende egenskaper, men det er skjørt og ikke veldig elastisk. Det lar seg bearbeide og blir brukt i motorblokker, stekepanner, slitedeler og store installasjoner som må tåle mye vekt. Jeg vil lenger ned forklare nærmere forskjellene på de ulike formene for støpejern, men vi har hovedsakelig grått støpejern og hvitt støpejern. Disse defineres av utseendet på en bruddflate. Hvitt støpejern er hardt og sprøtt, mens grått støpejern er mykere og sterkere.

Neste steg i prosessen for å lage stål er å fjerne alt karbonet som på godt og vondt blandet seg inn i det forrige steget. Hvis omgjøringen av malmen til jern var en deoksidering så må vi nå utføre en dekarbonisering. Dette ble tradisjonelt gjort med en prosess der man varmer opp støpejernet sammen med mer jernmalm, som inneholder oksygen som igjen løsner og binder seg med karbonet i jernet. På noen måter en paradoksal prosess, og i dag er det vanlig å varme opp råjernet elektrisk og blåse inn oksygen som forbrenner karbonet i smeltebadet for en veldig ren prosess som lager veldig rent jern.

Som vi nå vet så vil et høyere innhold av karbon gi et lavere smeltepunkt, så en smart prosess ble oppfunnet av Henry Cort rundt 1783.

Puddelprosessen (eng: puddling) gikk ut på å varme opp jernet adskilt fra selve brennselet slik at man ikke tilførte mer karbon når man prøvde å bli kvitt det.

View fullsize

View fullsize

Jernbadet som bestod av hvitt støpejern med høyt karboninnhold ble varmet opp med indirekte varme og en gjennomstrømning av luft. Veggene i ovnen ble dekket med jernmalm for å tilføre ekstra oksygen. En luke i siden ble åpnet og en arbeider med en lang stang/åre rørte rundt i pytten for å hjelpe oksideringsprosessen. Etterhvert som karbonet i blandingen forbrenner som karbondioksid stiger smeltepunktet til det nå rene jernet og dette blir igjen en deigete substans som fester seg til arbeiderens stang og kan deretter tas ut litt etter litt og hamres ut til en blokk av smijern. Hamringen drev ut det meste av slagget som ble med ut fra pytten. Det engelske navnet for dette produktet er wrought iron, hvilket er en gammel måte å skrive worked på, som rett å slett betyr at det er bearbeidet med slag og andre formgivende prosesser.

Først nå ender man opp med rent jern med ikke mer enn 0,08% karbon.

Før den moderne storovnen ble tatt i bruk var det mindre masovner som produserte stål (eng: bloomery). De var ofte ikke i stand til å oppnå temperaturer som gjorde at jernet ble flytende, men varmt nok til at det smeltet delvis og konsolidere i bunnen som en klump med jern (eng: bloom). De hadde heller ikke mestret bruken av fluks, så klumpen inneholdt også slagg. Det var derfor nødvendig å raffinere jernet på en mer “hands-on“ måte og klumpen ble hamret sammen slik at urenhetene ble fortrengt.

View fullsize

Bloom

View fullsize

Bloomery

Dette jernet er ikke støpejern, for det har ikke blitt støpt, og det inneholder heller ikke like mye karbon, men det har fremdeles et relativt høyt karboninnhold. Dette er en av de tidligste formene for brukbart stål. Det kan betraktes som høy-karboninnholdig smijern.

Etter at jernet er redusert til et mykere, så godt som, karbonløst materiale kan det kan nå tilsettes mer karbon og andre stoffer for å produsere stål med ønskede egenskaper.

Som nevnt tidligere så akkrediteres Benjamin Huntsman med å ha oppfunnet den første effektive måten å lage godt stål på rundt 1740, som mye av nøkkelen bak var at han oppnådde høy nok temperatur til å gjøre stålet godt flytende slik at det blandet seg godt og jevnt, hvilket han som førstemann benyttet koks til. Prosessen hans gikk ut på å smelte “blister steel “, solide jernbarrer som har sugd opp karbon uten å smelte, mye på samme måte som vikingene gjorde; den største forskjellen værende at jernet ble lagt lagvis med kull i lufttette bokser. Navnet blister steel kommer av at det dannet seg “blemmer“ på overflaten av det resulterende stålet. Dette kalles cementeringsprosessen. Dette produktet hadde ikke et helt jevnt karboninnhold og ble kappet i biter, bundet med jerntråd og varmhamret (eng: forged) for å slå ut ytterligere slagg, blande karbonet bedre og produsere et mer homogent materiale. Denne prosessen kaltes faggoting og resultatet ble kalt shear steel.

Benjamin Huntsman tok altså dette stålet, kappet det i biter og puttet det i smeltedigler og puttet disse i en ovn med koks. Dette produserte smeltedigelstål (eng: crucible steel), rett og slett stål som er laget i potter (smeltedigler) slik at det er adskilt fra brennselet. Resultatet var bra for datidens standarder, men prosessen langsom med tanke på kvanta.

Over 100 år senere kom Henry Bessemer til unnsetning med en ny oppfinnelse. Bessemer så behovet for en raskere, billigere og mer effektiv måte å produsere stål på fra råjern og oppnådde dette i 1855 med sin Bessermer-konverter.

View fullsize

Ideen var å ta flytende støpejern rett fra masovnen og helle det i denne maskinen. Den har ingen innebygd oppvarming og blir heller ikke oppvarmet eksternt, men prosessen fungerer på prinsippet at den varme luften som blir skutt inn underifra gjennom blestdysene tilfører oksygen rett inn i blandingen slik at alle urenhetene, spesielt karbonet, silikon og mangan, blir oksidert og forsvinner som gasser ut fra toppen eller legger seg som slagg oppå badet. Oksidasjon av disse stoffene er en eksotermisk reaksjon, som vil si at de avgir varme, og er nok til å holde badet flytende i den opp til 30 min lange prosessen. Ytterligere karbon og andre legeringstoffer kunne også tilsettes i slutten av prosessen for å oppnå en ønsket type stål. Maskinen blir så tippet til den ene siden for å helle av slagget mens den holder på stålet og så til den andre siden for å helle av produktet.

View fullsize

Det var del 1, del 2 er på vei. Hold øynene åpne for den, der vi går i dypet av krystallografi, mikrostrukturer, effekten av ulike karboninnhold og varme og hvordan alt dette henger sammen! Stay tuned!