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.

krystallisk.png

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.

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.

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.

slip_plane.gif

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:

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:

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

bolt.jpg

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:

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.

ferrite.png

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 nedre 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.

austenite.png

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.

ledeburite.png

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.

cementite.png

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.

pearlite.png

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.

martensite.png

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

Øvre bainitt

Nedre 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 kornstruktur. Men viktigst av alt i varmebehandlingen er nedkjølingstiden. Eller, karbonet er vel det viktigste, siden rent jern 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).

“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. Dette punktet avhenger av karboninnholdet.

Vi kan se at det eutektoide punktet til austenitt, altså metningsgrensen for karbon i austenitt er 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 dette punktet man ikke kan oppnå ren austenitt uten å få biter av jernkarbid.

Dannelsen av perlitt.

Dannelsen av perlitt.

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

“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. Hvis vi trekker en strek fra den eutektiske 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 eller 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.

media_25d_25d75d87-d74a-46a0-8c4d-45ecf3f27ff5_phpmrgMyj.png
grain_small.png

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…

urenhet.png

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.

karbon_effekt.png

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

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.

Kuledreier? Kule greier!

Denne uken, blandt mye annet, har jeg endelig blitt ferdig med et prosjekt jeg har holdt på med lengre enn jeg tør å innrømme. Ikke nødvendigvis fordi jeg jobber tregt, men jeg har ventet på nødvendige deler. Men nå er dingsebomsen endelig ferdig og jeg kan fortelle litt om den.

Jeg har laget en kuledreier! Det er et verktøy for å dreie sfærer i dreiebenken.

Jeg startet opprinnelig med å lage den for å lage en hevarmskule:

Bolt-n.jpg

Med tanke på hvor lang tid jeg har brukt på den hadde det definitivt vært mer effektivt å bare lage hevarmen på den gamle måten med frihånds-dreing og fil, men jeg har lært utrolig mye i løpet av produksjonen og verktøyet ble ypperlig som vi får se senere.

Verktøyet består av to store sirkulære deler som roterer på hverandre, sammenknyttet med en M12 bolt med forsenkningshode. Bolten har en sikringsmutter under, inni basen, for å sørge for at den ikke løsner under bruk.

På den øvre delen av basen sitter dreieskjæret i verktøytårnet. Skjærene er festet til en settherdet ståldel som sørger for stabilitet og mothold for skjæret når det møter arbeidsstykket. Denne er så skrudd i verktøytårnet. Skjærene er TCMT 110204 festet med M2,5 torx insert-skruer. Disse spesifikke skruene var hovedsaklig det jeg måtte vente en stund på før jeg kunne få tatt i bruk verktøyet.

Mer om skjær i et fremtidig innlegg.

Verktøytårnet er festet til svalehale-sleiden med to forsenkede M8 bolter.

Sleiden kan beveges frem og tilbake i dette sporet og kan låses fast i ønsket posisjon ved å stramme de fire set-skruene som dytter på den ene sleidekanten.

Hele verktøyet festes i T-sporet i tverrsleiden på dreiebenken med disse to T-spor mutterne her:

Disse blir så strammet av to M8 bolter som er forsenket inn i basen og den øvre delen må vris til riktig posisjon for å få tilgang til boltene.

Den er altså festet slik:

Spaken bak brukes for å vri den rundt arbeidsstykket og dette skaper kuleformen.

Det eneste som nå manglet var et godt grep på denne spaken, så kronen på verket var å lage en messingkule til enden av spaken med verktøyet. På den måten har verktøyet fullført seg selv!

Her er noen videoer av den i aksjon:

Det ferdige resultatet:

 

Hevarmen

Så var den virkelige testen kommet. Å dreie stål; å lage den hevarmen som jeg i utgangspunktet lagde dette verktøyet for.

Jeg fikk en tegning på hvordan hevarmen skulle være. En klassisk hevarm har en litt dråpeformet kule, men siden jeg benyttet kuledreiern min fikk jeg lage en litt mer sfærisk hevarmskule.

Det viktigste å tenke på med dette verktøyet når man skal lage sfærer er at senter av basen, altså det punktet verktøyet roterer om, er rett under og i senter av den kulen som skal dreies. Ved å sette senter utenfor eller forbi midten av kulen kan man lage ovale former og lignende.

Verktøyet har også skjær utvendig for å lage konkave former.

For å bruke verktøyet setter man først skjæret til senter av basen. På bildet under kan man så vidt se to rissede punkter som representerer at tuppen av det innerste skjæret er i senter av basen. Dette er en av de få pirketingene jeg gjerne skulle funnet en finere løsning for, kanskje lodde fast en bit av en linjal, eller på en eller annen måte gravere inn en millimeter-skala, men det er ikke nødvendig og funker helt fint uten.

Deretter kjøres verktøyet inntil arbeidsstykket til det så vidt møtes, og den digitale avleseren på dreiebenken nulles. Det er her viktig at vektøyet står mer eller mindre 90° på arbeidsstykket. Når avleseren er nullet kan tverrsleiden kjøres inn radien av arbeidsstykket (eller diameteren om avleseren er satt til diameter-modus, som de vanligvis er) mens vektøyet blir presset mot arbeidsstykket og da blir dyttet bakover i sleiden og vil innta den nøyaktige radius som arbeidsstykket har. Det er her selvsagt viktig at arbeidsstykket er dreiet ned til ønsket radius på kulen på forhånd.

Verktøyet føres tilbake ut fra arbeidsstykket og låses fast. Det vil da være kalibrert til korrekt radius.

For å begynne å dreie kulen settes en av aksene, X (radial / diameter) eller Z (aksial / lengde) til null, det spiller liten rolle hvilken.

Deretter avanseres kuttet med den andre aksen mens man roterer verktøyet. Etterhvert som man nærmer seg nullpunket for begge akser vil en kule eller halvkule fremarte seg. 

Deretter gjenstod det litt dreiing for å tynne ned selve armen og litt lett filing og pussing.

Den skulle også varmbøyes ca. 30°. Her brukte jeg nok litt for direkte og hard varme og litt mye oksygen i blandingen med acetylenen for det ble brent opp litt stål i bøyepunktet.

Det var ganske mye gods å varme opp, men det gikk nå til slutt og skadene er ikke noe litt smergel ikke kan fikse.

All done! Denne oppgaven tok både et halvt år og én time. Snodig det. Men verktøyet fungerte nydelig og jeg har lært mye av å lage det og hevarmen i seg selv ble ypperlig.

Tilvirkning av toarmet bladfjær

Etter all den fysikken jeg nettopp kjempet meg gjennom kan vi ta alt det og kaste det til siden fordi denne obligatoriske oppgaven ikke krever noe av det. Jeg skulle lage en kopi av en fjær vi hadde og så lenge materialet er det samme og bearbeidingen nogenlunde lik burde resultatet bli korrekt.

En toarmet bladfjær er som navnet tilsier et stykke fjærstål som bøyer seg, sammensatt av to armer. Fordelen med bladfjærer er at de kan ha former som egner seg godt i våpen og andre steder hvor man trenger retningsbestemte krefter og det ikke er plass til en kompresjonsfjær. 

I disse spesifikke bladfjærene som har seksjoner som fjærer mot hverandre mellom et felles punkt er det lengden på armene og tykkelsen på materialet som bestemmer fjæringkraften. De er ikke laget av sylindrisk tråd og kan ha et relativt stort tverrsnitt i forhold til tradisjonelle fjærer og kan derfor bære mye last, men de kan i likhet med heliksfjærer ikke sprike alt for mye ettersom det vil føre til at fjærens solide posisjon (full kompresjon) vil overstige materialets plastiske grense.

Fjæren jeg skulle lage var en slagfjær (fjæren som driver slagsystemet) til en Sauer mod. 8 sideligger.

Jeg begynte med å kappe et passende stykke fjærstål, langt nok til begge armene, og bøyde det. I dette tilfellet tror jeg det ble brukt Nablo 1248 Fjærstål. Ståltyper og destigneringer er et kapittel for seg selv, men dette tallet kalles Engineering Number (EN) og det første tallet indikerer legeringstypen: 1XXX betyr at det er vanlig, rent karbonstål. X2XX betyr at stålet er tilført svovel og fosfor for å gjøre det lettere å maskinere. De to siste XX48 betyr at stålet inneholder 0,48% karbon, typisk for et mildt fjærstål.

Jeg bøyde det ved å varme opp midten med oxy-acetylen brenneren og hamre den flatt sammen. Det er her viktig å passe på at man brenner med en ren flamme, for mye acetylen kan tilføre karbon i stålet og gjøre bøyepunktet sprøere, for mye oksygen kan oksidere stålet slik at det blir spist opp. Men det er et tema for en annen gang.

Deretter satte jeg opp den bøyde biten med fjærstål i fresen og med et hardmetallskjær freste jeg ned tykkelsen på fjæren ned til ca 0,5mm over den eksakte tykkelsen. Resten kunne jeg ta med fil senere, bedre å ha litt ekstra å jobbe med enn litt for lite, spesielt siden jeg måtte rense opp den andre siden også, som jeg også gjorde i fresen, men kun et veldig lett kutt.

Jeg renset opp alle de tilgjengelige sidene etter varmebehandlingen som også hadde etterlatt glødeskall i bøyepunktet. Jeg begynte nå å file fjæren til formen etter modellen vi skulle kopiere. Men før jeg gjorde det glødet jeg ut biten slik at filingen skulle gå lettere.

Når vi varmer opp stålet til det gløder og det kjøler seg ned igjen relativt raskt (ligge i romtemperatur) så herder det littegrann og dette førte til at stålet i bøyepunktet er litt mer motstandsdyktig ovenfor filen enn resten av fjæren. Dette gjør det problematisk å file siden filen ikke tar like mye over det hele og vil innføre bølger og ujevnheter i fjæren. Ved å 'gløde ut' stålet avslapper vi det tilbake til sin mykere tilstand som gjør det mye lettere å bearbeide. Å gløde ut, som på sett og vis er en lokal normalisering, gjøres ved å legge stålet i en ovn og varme det opp til ca 700°C, men dette varierer litt fra kilde til kilde og stål til stål, men ihvertfall ikke langt unna herdetemperatur (ca 800°C). Det skal i hvertfall gløde som navnet tilsier.

Vi har en ovn som er programmerbar med flere stadier dersom noe skulle trenge en spesiell varmebehandling. På kontrollpanelet tilsvarer T1-T4 de fire stadiene. Man trenger ikke bruke alle hvis det ikke er nødvendig. Knappene langs X-aksen er tidsinnstillinger for hvert stadie. Den første knappen styrer start-tidspunktet slik at ovnen kan settes til å vente så å så lenge før den varmer seg opp, for eksempel slik at den er varm når man kommer på skolen dagen etterpå. De etterfølgende knappene styrer hvor lang tid ovnen bruker på å varme seg opp til neste stadie og hvor lenge den skal holde seg på det stadiet. Dette kan sees på grafen som de stigende og de horisontale delene respektivt.

For å gløde ut fjæren trenges det kun å bruke ett stadie der ovnen varmer seg opp til rett temperatur og deretter slår seg av. Den håpefulle fjæren blir liggende i ovnen og ri den saktegående nedkjølingen sammen med ovnen. Den kan tas ut litt før om ønskelig, ved ca 400°C ettersom den viktigste delen av avslappingen nå er over. Hele fjæren er nå tilbake til samme mykhet over det hele.

 

Etter at grovformingen var utført var det på tide å bøye den litt igjen; få den nærmere sitt endelige utseende og gjøre det enklere å fullføre formingen.

Disse bladfjærene er formet med en lett bøy i seg for å bøye seg finere/rettere og utnytte mer av fjæringspotensialet. De har også en gradvis avtagning mot tuppene, dette for å bøye seg sammen rett og fint uten av noen del av de to armene berører hverandre før fjæren er helt komprimert.

I illustrasjonen over vil den øverste fjæren ha en bule på midten i punkt A fordi armene er rette. I forhold til påkjenningen der armene møtes er kreftene relativt små ytterst på armene, men de er lenger fra senter og har dermed lettere for å bøye seg. Siden dette ikke er kompensert for med en bøy i armene vil de bule ut.

I den midterste illustrasjonen er dette kompensert for, men dersom armene er like tykke hele veien vil de innerste delen av armene, som nå er mye nærmere hverandre i forhold til tuppene, treffe hverandre i punkt B før hele kompresjonen er fullført som vil flytte vippepunktet og føre til ujevn fjæring.

I den nederste illustrasjonen er dette også kompensert for ved å tynne tuppene av armene med en gradvis overgang mot møtepunktet. Denne formen vil gi jevn fjæring og en rett og fin lukking av fjæren; mye gods innerst som sørger for god og høy belastningsevne og graderte armer som sikrer en tilnærmet lineær sammenlukking og jevn fordeling av kreftene gjennom fjæringen.

 

Trikset for å få en fin bøy er å dytte eller dra tuppen av armen utover og varme opp hele armen for deretter å bruke brenneren ytterligere til å bøye mer spesifikt, varme opp litt mer der det trengs litt mer bøy.

I bildet under er jeg nesten ferdig med bøyingen, jeg måtte bare bøye litt ekstra inne ved roten av armen.

Jeg bøyde fjæren til litt over slik modellen var, for jeg ble fortalt at den ville 'sette seg' ca 10%, som jeg antar er at full kompresjon overstiger den elastiske grensen til materialet og etter dekompresjon vil legge seg til ro ytterst på denne grensen. Om dette er noe som hadde skjedd uavhengig av avstanden mellom armene eller et annet aspekt av designet til fjæren, eller om det gjelder kun disse fjærene fordi de er designet til å overstige den elastiske grensen er jeg ikke sikker på, men jeg la ihvertfall inn 10% overmål mellom armene. På modellen var det rundt 20mm fra tupp til tupp og jeg bøyde min dermed til å bli ca 22mm.

Dermed var det finformingen igjen. Fjæren var igjen blitt relativt hard, så nålfiler og smergel kom til god nytte her.

Deretter var det tilbake i ovnen for å herde ved 850°C i 5 min for så å bråkjøle i olje. Olje gir en litt snillere og mindre brutal herding enn vann.

Etterfulgt av en anløping ved 360°C i 20 min.

Så ble den pusset fin og blank igjen og var klar for testing og inspeksjon:

En grunnleggende belastningstest for å påse at den tålte det den skulle tåle. Dette viste også om den lukket seg rett og fint. Det gjorde den, men graderingen av armene kunne vært litt bedre.

Deretter den virkelige testen. Fjæren ble plassert i våpenet den var designet for:

Her ser vi baskylen som den sitter i. Test av slagsystem i en hagle kan gjøres ved å plassere en ti-kroning der patronen skulle hvilt og avfyrt. Dersom mynten flyr i taket er testen bestått. Som vi kan se har Kong Harald fått seg en fin liten øredobb, så fjæren bestod testen med glans.

Dette var første gangen jeg arbeidet med fjærstål på en slik måte og jeg må si det var en veldig interessant og innsiktsrik oppgave. Jeg lærte mye om både varmebehandling og ståltyper i prosessen og det å ha lagd noe som faktisk kan selges føles veldig godt.

Tilvirkning av utvendig hane

Dette er ikke den hanen vi skulle lage, bare et eksempel på en typisk utvendig hane.

Utforming av deler som skal være både funksjonelle og fine å se på er en viktig del av en børsemakers kunnskap og evne. Denne obligatoriske oppgaven som er ment til å trene formsans, 3D-tenkning og verktøymestring, deriblant ikke minst filing, var en oppgave jeg hadde gruet med litt til å gjøre. Ikke fordi jeg trodde jeg ikke kom til å klare det, men jeg visste at det var en oppgave som ville innebære mye monotont og langsomt arbeid. Prosesser der man arbeider lenge for å få et lite resultat er farlig, for man kan bli fristet til å finne raskere løsninger som etter min erfaring ender opp med å skade mer enn det hjelper. Men vi mennesker liker raske resultater så det er en viktig egenskap å vite at ting skjer selv om du kanskje ikke ser det så tydelig, og at man bare må ta tiden til hjelp noen ganger.

En ting som hjalp meg veldig var å ha riktig verktøy. Det er helt uvurderlig å ha godt verktøy som er riktig for jobben. Jeg ventet med å gjøre denne oppgaven en stund delvis fordi jeg ikke hadde det verktøyet jeg følte jeg trengte.

Jeg gikk til innkjøp av noen enkle filsett fra Clas Ohlson før jeg begynte. Ingen veldig gode filer, men grove og helt kurante. Jeg hadde fra før et sett med nokså dyre nålefiler (venstre) fra Vallorbe, et sveitsisk firma som lager gode metallbearbeidings-produkter, men disse er ganske fine og tar veldig lite av gangen. Det er veldig kjekt å ha slike, men hvis jeg skulle filet hele hanen ut fra et stykke stål med bare disse filene kunne jeg holdt på en stund. Så jeg kjøpte som sagt noen billige og grovere filer. Disse viste seg å være en veldig god investering og var en fryd å jobbe med siden resultater viste seg tilfredsstillende raskt.

Jeg startet med et stykke stål som jeg boret noen hull i og sagde ut grovformen:

Deretter er trikset å forme ett plan av gangen. Først få sideprofilen til å se nogenlunde korrekt ut, for så å snu den 90° og forme front-profilen før man begynner å koble sammen disse to profilene med å runde kantene og forme den ferdige fasongen.

Man får også kjøpt halv-ferdige haner som er støpt til en grov form og som files og tilpasses våpenet:

Det er mye materiale å fjerne og fremstillingsprosessen er en reise gjennom stadig finere bearbeidingsmetoder, men til å begynne med kan man være nokså grov. På verkstedet har vi et beist av en båndsliper ved navn Kim Robert, gitt dette navnet siden det høres ut som en person som er veldig stor i kjeften og kanskje litt vanskelig å ha med å gjøre. Beklager hvis det er noen Kim Roberter der ute som føler seg truffet, vit at du blir satt pris på som en båndsliper.

DSC_0911-n.jpg

Etter litt kosing med Kim og litt filing med de groveste form-filene jeg hadde kjøpt var jeg kommer så langt:

Det er på dette tidspunkt at de litt mindre nålfiler kommer inn i rampelyset. Nålfiler er små, tynne og lange filer med ulike former og profiler som gjør det lett å arbeide med rare former og kommer til på vanskelige steder. Det er et utall forskjellige typer nålfiler, men de mest vanlige er:

Disse kommer i forskjellig 'hugning' som er grovheten til filen og jeg TROR at lavere tall er finere, men det virker ikke som det er noe standard på dette dessverre. Det de fleste nålfiler stort sett har til felles er at de har en spiss tupp, derav navnet nålfil, som gjør det enklere å file inne i steder som er vanskelig å komme til eller file veldig små områder, sprekker eller hull.

Etter en stund med grove nålfiler og deretter finere varianter nærmer vi oss noe som ligner på den modellen vi ble utdelt som vi skulle kopiere.

Her begynte jeg å pusse den med smergel, relativt grovt, for å koble sammen de organiske formene og fjerne spor fra filene. Jeg måtte mange ganger tilbake til filene for å endre på noe her å der, men det er fort gjort og lettere å se med en god finish.

Etter litt ytterligere pussing med finere smergel kan man polere den litt på et poleringshjul eller lignende, dette vil virkelig få frem filmerker og andre styggedommer som burde pusses bort.

Deretter måtte jeg file til det firkantede hullet som kobler hanen til spennstykket. Det må jo selvsagt være ikke-rundt for at hanen ikke skal rotere fritt. Her ser vi hanen min med modellen vi skulle kopiere bak, og i front er en mandrel som skal forestille den biten som hanen festes til. Det firkantede hullet skulle ha en størrelse på 6mm fra side til side.

Hanen skulle til slutt settherdes (eng: hardening, spot-hardening, case-hardening), d.v.s. at den varmes opp til den er glødende og dyppes i et pulver som smelter og tilfører karbon til overflaten av stålet slik at når det bråkjøles (eng: quenching) i vann eller olje blir overflaten knallhard mens det interne stålet blir litt mykere. Dette brukes når små områder av en del må være harde for å tåle slag eller støt og lignende, og ettersom hanens eneste funksjon er å slå på andre stålbiter er det en fordel at den ikke deformeres. Jeg ble fortalt at hullet trolig kom til å ekspandere litt etter herding så jeg lagde det litt underdimensjonert, ca. 5,9mm.

Som kylling på grillspyd:

Etter at dette var gjort herdet jeg den og vasket den:

Det er godt å være ferdig med denne oppgaven, både fordi den var til tider svært kjedelig, men også fordi jeg har lært mye jeg nå kan benytte på senere prosjekter. Jeg vegret meg for å starte, men det viste seg at det var verken så ille eller vanskelig som jeg hadde trodd, det tok bare litt tid. Jeg er svært fornøyd med produktet og føler meg en god del tryggere på å takle slike prosjekter i fremtiden, hvilket er hele poenget med skolen og disse oppgavene, men å få til et fint resultat på en slik oppgave er en fin liten motivasjonsboost.

Produksjon av nytt tennstempel

De to siste ukene har jeg fått muligheten til å prøve å lage et nytt tennstempel til en Browning Buck Mark .22 pistol, helt fra bunnen av.

Maskinering og fabrikering av nye deler er noe jeg synes er svært interessant og det å kunne bruke disse ferdighetene til å reparere ting og få de til å fungere igjen er magisk.

Her ser vi den ødelagte tennålen.

Jeg tok mål av delen og skisset opp planen min.

Noen overflødige mål her og der muligens, men det er bedre å ha for mye informasjon enn for lite. En robust kartlegging i starten sparte meg for en del tid senere.

Jeg startet med et ukjent stykke stål, som mest sannsynlig var normalt konstruksjonstål, men vil fungere helt fint til formålet.

Jeg freste ut rette referansesider og gjorde stykket klart til videre presisjonsarbeid.

Deretter freste jeg begge sider med en solid pinnefres til riktig tykkelse, 1,6mm.

Etter å ha frest den ene siden flyttet jeg fresebordet hele fresens tykkelse + 1,6mm utover og freste vekk den andre siden, som etterlot meg med en fin bit med korrekt tykkelse.

Jeg brukte så den samme pinnefresen til å skjære ut grovkonturen til biten mens den stod oppreist og festet til den solide stålbiten i stikken.

Etter det var gjort spente jeg opp stykket på nytt, nå snudd 90 grader for å frese ut hullet i midten. Dette hullet var ikke sirkulært. Det var 2,4 x 3mm så jeg kunne ikke bare bore det ut. Jeg benyttet en liten 2mm pinnefres og sørget for å kun flytte den i Y aksen (opp/ned) slik at den ikke ble utsatt for sideveis stress som kunne ført til at den knakk. Jeg senket den ned gjennom stykket flere ganger til formen til hullet så riktig ut. Hullet er avlangt for å tillate tennålen å bevege seg fritt på tross av rullesplinten som holder tennålen på plass, men må ikke hindre tennålen i å overføre slaget fra hammeren til patronen.

Da det var gjort spente jeg stykket opp tilbake i oppreist posisjon og kuttet av biten med et kutteblad.

Under ser vi delen og den gamle ødelagte biten som den skal erstatte.

Herfra og utover var det stort sett håndarbeid med filing, sliping og pussing før det siste steget kunne utføres.

Nå begynner det å ligne på noe.

Etter grovfilingen fulgte pussing med fint smergel (600) for å gi delen en bedre og finere overflate og fjerne de siste merkene etter maskineringen og filingen.

Etter litt finpussing ble den siste polishen gjort med fin pussemaskin.

Dette bildet ser jo nesten profesjonelt ut!

Etter mye inn og ut av pistolen for å gjøre siste tilpassinger og sørge for at delen opererer som den skal, var jeg tilfreds med formen og alle klaringene og toleransene.

Nå følger det siste steget, herding og anløping som jeg fikk hjelp med av en av mine mentorer.

Her varmes biten opp til den er rødglødende og dyppes i et pulver som inneholder karbon og smelter det slik at stålet trekker til seg mer karbon.

Herding gjøres for å endre mange ulike egenskaper med metaller som strekkfasthet, hardhet, osv.

Hardheten til metallet kan måles med Rockwell-skalaen og viser hvor motstandsdyktig metaller er mot plastisk deformasjon.

Når metallet herdes skal det raskt avkjøles ved å dyppe det i vann eller olje for å "låse fast" molekylene i materialet i en sterk strukturering som gjør det anspent og knallhardt når det er nedkjølt.

Når man tilsetter mer karbon blir stålet mye hardere, men også sprøere og kan lett knekke. Derfor må man etter herde-prosessen anløpe metaller, dvs. varme det opp til ca 200-400 grader, avhenging av ønskede egenskaper og metallet / legeringen.

Etter delen var herdet slipte jeg vekk det ru skallet for å kunne anløpe den. Det er viktig å se på delen når den anløpes siden det er ofte fargen som oppstår man bruker til å anløpe ting og da må biten være ren og blank med en fin overflate.

Anløping gjøres for å slippe opp litt av stresset i metallet som oppstår ved herding. Dette gjør det mer bøyelig og mindre utsatt for å knekke eller sprekke, samtidig som det opprettholder store deler hardheten fra herdingen. Pluss at det får helt nydelige farger.

Vakkert!

Sannhetens øyeblikk. Fungerer den?

Jada! Avfyrte trygt og pålitelig.

Dette var et fint prosjekt for meg siden det hadde mye rom for feil. Dersom jeg gjorde noe galt var det kun en liten bit stål som ble tapt og ikke en enestående våpendel som var ødelagt for alltid. Det vil så klart ikke være sånn i fremtiden, men for øyeblikket setter jeg pris på bare å få kunne lære tips, triks og teknikker med rom for å feile. Erfaring er den beste lærer, men jeg vil helst ikke mestre noe ved å øve meg på andres eiendeler, for øyeblikket.