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.

Pinnefresens anatomi og hvordan velge riktig verktøy til jobben

Pinnefreser (End Mill) er den vanligste formen for skjæreverktøy til universale freser og valg av riktig pinnefres til jobben som skal gjøres kan utgjøre en stor forskjell. Det er mange dimensjoner å ta hensyn til ved innkjøp og bruk av pinnefreser.

Både materiale som skal freses og applikasjonen er kritiske i valg av fres. 

 

Kuttdiameter og kuttlengde

Fresens diameter og kuttlengde er åpenbart en vesentlig del å ta hensyn til ved valg av fres. Tykkere freser tåler mer og er mer stabile. Rigiditet og motstand mot vibrasjoner og defleksjon er viktig når det kommer til fresing og derfor bør man bruke så tykk fres som det lar seg gjøre. 

Kuttdiameteren er diameteren på den teoretiske sirkelen som dannes når verktøyet spinner rundt. Dersom fresen ikke står sentrert vil kuttdiameteren øke og fresen vil hovedsakelig skjære på én tann, hvilket er langt fra ideelt.

Total lengde (Overall Length), flutelengde (Length Of Flute) og kuttlengde (Length Of Cut) er kritiske ved bruk av lange freser. Dersom en lang fres må benyttes er det bedre å bruke en med lang hals (lang LBS, Length Below Shaft) og kortere kuttlengde siden den har tykkere kjerne/aksel over en større del av den totale lengden enn en tilsvarende lang fres med lengre kuttlengde:

Akseldiameteren har også betydning for hva slags collet eller annen montering og oppspenning som må benyttes. Ofte er akselen tykkere enn kuttdiameteren slik at det kan være problematisk å komme til dersom man skal frese dype spor eller lignende.

 

Fluter

Antall fluter spiller en stor rolle for fresens materialfjerningsevne, matehastigheter, sponevakuering, stabilitet og defleksjon. En fres med flere fluter har en tykkere kjerne som gjør den bedre i stand til å stå i mot radiale krefter og kan derfor f.eks. ta dypere/lengre kutt (stikke lenger ned i arbeidsstykket).

Men med mange fluter blir hver flute liten, altså er det liten plass til sponet som produseres ved fresingen. 

Tradisjonelt kom pinnefreser i utforminger med 2 og 4 fluter, der tommelregelen var å bruke 2 fluter på bløte metaller som aluminium, kobber, etc. og 4 fluter på hardere materialer som stål og andre harde legeringer. Grunnen til dette er at bløte metaller som aluminium er lettere å maskinere, samt at de har en tendens til å pakke seg i flutene og hindre sponevakuering dersom flutene blir for små, mens stål og lignende stor sett krever sterkere freser og lager mindre og mer håndterlig spon som lettere lar seg evakuere selv med grunne fluter.

Med flere fluter kan man også benytte høyere matehastigheter eller oppnå finere overflate med samme matehastighet ved å øke antallet fluter. I moderne produksjon der det settes fokus på hurtig maskinering er flere fluter blitt populært fordi det gir sterkere freser som kan mates fortere og fjerne mer materiale samtidig som det forlenger levetiden til verktøyet grunnet lavere stress på hver tann/flute.

Mer fres gir plass til mindre fluter.

Med nyere materialforskning og produksjon er det blitt vanlig med 3 fluter for aluminium fordi det gir en god balanse mellom god sponevakuering og høye matehastigheter.

 

Endeutforming og profil

Endeutformingen er viktig med tanke på bruken og hvordan fresen skal bevege seg, spesielt med tanke på CNC maskiner.

 

Blant "normale" pinnefreser finnes det hovedsakelig 4 typer:

  • Flat / "vanlig" pinnefres (Square / Flat Nose)
  • Avrundet / Radius (Radius Corner / Bull Nose)
  • Kule (Ball Nose)
  • Fas eller formfres (Chamfer / Formed End)

Avrundede freser, eller radiefreser, er populære der det f.eks. ikke er kritisk med 90° skarpe innvendige hjørner og brukes mye til generell grovforming. Den avrundede kanten på eggen gir en jevnere trykkfordeling på den ellers skarpe tuppen av skjærene som gjør at verktøyet tåler mer og varer lengre. 

Kulefreser er på sett og vis også radiefreser, men de ender ikke opp i en flat del, de lager halvkuler. Disse er mye brukt til forming av kompliserte deler i 3-,4- og 5-akse CNC maskiner der myke overganger mellom passeringer er nødvendig eller rett og slett der det trengs en kanal eller innvendig form med en radius.

Fasefreser eller andre formfreser brukes gjerne til avsluttende passeringer for å fase kanter eller påføre spesielle former på deler av arbeidsstykket.

Når det gjelder flate pinnefreser finnes det hovedsakelig 2 typer: senterskjærende og ikke-senterskjærende

Forskjellen sier seg selv; den ene typen skjærer i midten og kan "plunge", altså stikkes rett ned i arbeidsstykket på samme måte som et bor, den andre kan ikke og må beveges i X eller Y for å skjære.

En annen litt interessant egenskap ved moderne pinnefreser er at tennene mot formodning ikke står helt symmetrisk, men er ofte slipt inn med små variasjoner i gradene mellom dem:

I eksempelet over er det avbildet en 4-fluters flat pinnefres som man skulle tro hadde tenner med 90° intervaller, men de er litt forskjøvet frem eller tilbake slik at ingen av tennene har lik vinkel mellom seg, men vinklene blir selvsagt fortsatt 360° totalt. Dette er for å forhindre "chatter" eller vibrering i verktøyet eller arbeidsstykket ved at fresen treffer en frekvens som resonnerer med intervallene på tennene. Så disse er litt forskjøvet for å forhindre dette.

 

Heliksvinkel

Heliksvinkelen er den aksiale vinkelen på flutene som går rundt akselen. Vinkelen måles mellom senterlinjen til fresen og en rett linje som går tangentielt langs kuttsiden.

En høyere heliksvinkel (45° og oppover) øker fresens evne til å skjære istedenfor å rive og vil stort sett gi en bedre overflate, men gjør fresen skjørere og svakere. En lavere heliksvinkel (30° og lavere) gir en sterkere fres med sterkere kuttsider, men fresen lager grovere overflater siden den river mer enn den skjærer og er bedre egnet til grovbearbeiding.

En fres med middels heliksvinkel (mellom 30° - 45°) vil være godt egnet til allround bruk med akseptable resultater.

Også her lekes det med parametre for å motvirke vibrasjoner og hakking. Høy-prestasjonverktøy har ofte variable heliksvinkler på hver flute som forhindrer ytterligere resonans og bryter opp mønsteret.

 

Flere illustrasjoner hentet fra Harvey Performance

Dreieverktøy og skjær

To av oppgavene vi har hatt er å slipe hurtigstål-skjær til dreiebenken. Vi skulle slipe et gjengeskjær og et kronestål. Begge er formverktøy som påfører en profil i arbeidsstykket:

Gjengeskjæret over ble slipt for hånd uten noen form for støtter og sjekket med et slipelære.

Skjæret er 60° slik at hver kuttside er 30° fra senterlinjen.

Klaringsvinklene er like på begge sider og skjæret har ingen innebygd vinkel siden heliksvinkelen for 60° gjenger er så liten at den kan ignoreres.

Dette verktøyet profilerer i X-retningen.

02.jpg

Kronestålet er et formverktøy på den mer tradisjonelle måten i det at den påfører en unormal form på arbeidstykket. Dette verktøyet har flere bruksmåter, men hovedbruken er å krone munningen på løp som jeg har snakket om tidligere. Verktøyet settes slik at spissen er inne i løpet og toppen av buen ligger midt på godset mellom innsiden og utsiden. Verktøyet føres så inn langs Z-aksen og påfører profilen på munningen. Dette vil da resultere i en klassisk jakt-kroning. Verktøyet kan også beveges litt frem å tilbake på X-aksen for å endre kroneprofilen. Dersom en 11° kroning ønskes kan tuppen av skjæret brukes til dette.

Weatherby-Vanguard-308Win-0006-crown.jpg

Jeg tenkte jeg skulle benytte anledningen til å skrive litt om typer skjær og bruksområder, fremstilling og gjenkjenning.

Det finnes hovedsaklig to typer dreieverktøy; hurtigstål og hardmetall.

Hurtigstål-blanks

Hardmetall-inserts

Hurtigstål

Hurtigstål er et høy-legert stål med et høyt karboninnhold som gjør det svært hardt, men sprøtt. Det tåler høyere temperaturer enn vanlig høy-karbon stål uten å miste hardheten sin, vanligvis opp til 500-600 °C. Denne motstandsdyktigheten til temperatur heter "red hardness" på engelsk. Det kalles hurtigstål fordi det er i stand til å bearbeide metall raskere og ved høyere turtall enn annet renere stål. Det er tilført stoffer som lager legeringer som forbedrer egenskapene og levetiden til verktøyet. De vanligste tilføringene er wolfram (W), molybden (Mo), krom (Cr), vanadium (V), kobolt (Co), mangan (Mn) og silikon (Si).

De to vanligste typene hurtigstål kategoriseres i to grupper: T-type og M-type, for hovedsakelig Tungsten(wolfram)-tilføringer og Molybden-tilføringer respektivt. T1 er et hovedsakelig wolfram-legert stål mens M2 er et hovedsakelig molybden-legert stål. Tallet bak bokstaven relaterer ikke nødvendigvis til noe spesielt med den ståltypen, det er først og fremst for å skille dem fra hverandre.

Det finnes uendelig mange varianter og typer hurtigstål, men de vanligste er oppført i tabellen under:

high_speed_chart.jpg

Som vi kan se på tabellen har M serien mye molybden og T serien mye wolfram, men wolfram er den klassiske og tidligere vanligste tilføringen, så M serien har mer wolfram enn T serien har molybden. Kobolt kan også tilføres for å øke levetiden og temperaturmotstanden, dette er da ofte opplyst på stålet. Vanlige benevnelser for dette er HSSE, HSS-E eller HSS-Co.

Wolfram er et tungt og sterkt, sjeldent metall, og har det høyeste smeltepunktet av alle elementer som er oppdaget, ved 3422 °C. Bedre kjent som Tungsten i engelsktalende land etter svensk tung sten, hvem skulle trodd... Wolfram brukes til mye rart, men mesteparten av verdens wolfram-utvinning går til produksjon av wolfram-karbid som brukes i hardmetall.

Molybden er et annet sterkt metall med et veldig høyt smeltepunkt ved 2623 °C. Det binder seg lett og lager harde og sterke bindinger i legeringer. Molybden opplever veldig liten termisk ekspansjon ved høye temperaturer.

Hurtigstål har stort sett en hardhet på over 60 HRC opp til ~67 HRC.

 

Sliping av hurtigstål

Hurtigstål brukes i veldig mange sponfraskillende verktøy, som bor, gjengetapper, freser, rømmere, brotsjer, etc. Men hurtigstål beregnet for bruk i dreiebenker leveres som blanke, uformede biter i mange ulike størrelser og former.

Fordelen med å bruke slike hurtigstål-blanks er at det kan slipes og formes til det formålet man behøver og kan skjærpes når det blir sløvt. 

Et typisk hurtigstål-skjær kan se slik ut:

Disse kalles hovedsakelig "single point cutters" på engelsk, ettersom det bare er ett punkt eller side som kutter, i motsetning til f.eks. et bor der det er to sider som kutter samtidig.

Det finnes mange ulike former etter hvilken operasjon som skal utføres:

Hvilket verktøy som er beregnet for hvilken retning og hva det eventuelt heter kan være litt forvirrende, men som en regel kan vi si at dersom man står mot dreiebenken er høyre-verktøy ikke verktøy som peker mot høyre eller har kuttsiden på høyre, men verktøy som er beregnet på å bevege seg fra høyre mot venstre, altså har de den kuttende siden på venstre.

 

Når det kommer til å faktisk slipe dem er det en del ting som er viktig å forstå:

Skjæret må selvsagt ha klaring fra alle sider bortsett fra kuttsiden slik at skjæret faktisk kan føres inn i materialet uten at noe annet enn kuttsiden treffer arbeidsstykket. Disse formene kan være komplisert å slipe siden man må til tider holde styr på 3 vinkler samtidig.

Det er egentlig ingen fasit på hvilken rekkefølge disse flatene bør slipes i, men som hovedregel kan vi si at:

  • Endeklaringen slipes først. Dette er første del av spissvinkelen: endeklaringen og endeklaringsvinkelen, som slipes samtidig:

Disse to vinklene holdes samtidig. Stålet føres rundt i sirkel mens det holdes stødig til hele den slipte flaten er uniform. Stålet kan også presses inn i steinen og holdes der, men vær obs på at endeklaringen da vil få en slak kurve som er lik radien til slipesteinen og vil ikke bli like sterk.

PROTIP: Det er en fordel at slipemerkene går langs med dreieretningen og ikke lager "fartsdumper" for sponet eller arbeidstykket.

Resultat:

  • Deretter slipes andre del av spissvinkelen og første del av eggvinkelen; klaringsvinkelen og innstillingsvinkelen.

Jeg pleier å holde hele stålet litt på skrå sett forfra mot slipesteinen, vanligvis i samme vinkel som endeklaringen. Ikke egentlig nødvendig, men det gjør slipingen på klaringsvinkelen parallell med endeklaringen, som jeg liker.

PROTIP: Spissere tupp (spissvinkel) vil tåle mindre og gi grovere overflate, spesielt uten neseradius, men kan være nødvendig for å bl.a. lage skarpe innvendige hjørner.

Resultat:

  • Så slipes andre del av eggvinkelen; sponvinkelen og hellingsvinkelen. Denne slipes ofte også på skrå på samme måte som over slik at slipingen blir parallell med endeklaringsvinkelen.

PROTIP: Skarpere sponvinkel og hellingsvinkel vil stort sett føre til en mer 'skjærende' operasjon i stedet for en 'rivende' bevegelse, som vil gi finere overflate. (Kjølevæske vil også drastisk øke overflatefinheten fordi det bl. a. skyller vekk mikro-spon som riper opp overflaten.)

Resultat:

  • Etter dette gjenstår kun å slipe eller hone inn neseradien:

Et grunnleggende og enkelt dreieskjær.

PROTIP: En enkel sponbryter er også å anbefale: En liten grop på tvers av sponvinkelen eller hellingsvinkelen vil øke den effektive eggvinkelen og bidra til at sponet krøller seg og bryter av uten å bli for langt, men denne kan også begrense bruken til skjæret. Sponbryteren burde bli trangere jo lenger vekk fra skjærpunktet den går.

Det kan også lønne seg (for den siste prikken over i'en) å hone eggen med en slipesten eller lignende for en knivskarp egg. Hvis DU skjærer deg på den kan du vedde på at den vil skjære stålet som smør. 

 

 

Hardmetall

Hardmetall er egentlig ikke et metall, det er keramisk bundet wolfram-karbid. Karbider er stoffer der karbon binder seg med andre elementer i veldig strukturerte og solide former. Hardmetall blir ofte omtalt kun som "karbid", men det er teknisk sett en forenkling av "cemented tungsten carbide" ettersom "karbid" som sagt er et fellesbegrep for flere andre materialer som f.eks. titankarbid og tantalkarbid som også brukes til å lage dreieskjær.

Wolfram-karbid (WC) er et veldig hardt materiale, nesten like hardt som diamant, men det er vanskelig å forme. Hardmetall-verktøy er derfor wolfram-karbid blandet med et bindemiddel som sammen sintres, som er en prosess der materialet presses sammen og varmes ved høy temperatur, men uten at det blir flytende. Det lages derfor mange små granuler som pakkes tett sammen og binder seg sammen med hverandre ved hjelp av et middel, vanligvis kobolt.

Denne prosessen smelter det delvis og gjør at det binder seg godt i veldig sterke formasjoner. Derav "cemented".

De tre hovedstadiene ved sintering.

Andre materialer som brukes i produksjon av dreieskjær er bl.a. syntetisk diamant og bornitrid, men sementerte karbider er vanligst.

 

Når vi snakker om hardmetall tenker nok de fleste på utbyttbare karbidskjær (indexable carbide inserts) (høyre), men de finnes også som fastmonterbare hele karbid-biter som varm-loddes fast til en bit med hurtigstål (under.)

Z1x5uupcpEx--n.jpg

Disse verktøyholderne (brazed carbide tooling) kan være tricky å lage så de fåes kjøpt i ISO standarder:

Noen av disse fåes også i venstre og høyre konfigurasjon. Karbid-bitene brukt her har ganske enkel geometri og er relativt billige, men mer komplisert å skifte ut og er derfor ikke så veldig vanlig, spesielt ikke hos store industrielle fabrikanter.

Mer utbredt, blant både industri og hobbyister, er vendeskjær:

Disse har mange fordeler som at de:

  • Arbeider ved høyere skjærehastigheter som gjør at de kan kjøre på økt matehastighet og gjør dem godt egnet til "high speed machining" (HSM) / "high velocity machining" (HVM).
  • Har relativt lang levetid, kombinert med at de kan løsnes raskt og vendes eller vris til en ny kuttside på samme skjær.
  • Kan raskt byttes ut når hele skjæret er brukt opp som bidrar til mindre 'downtime' for maskinen eller firmaet.
  • Gir stort sett finere overflate rett fra maskinen enn HSS.

Men det er også ulemper:

  • De er ikke like egnet til å gjøre avbrutte kutt, som hvis man dreier over borrede hull eller lignende, karbid liker et konstant og jevnt trykk, men de tåler til gjengjeld veldig mye av det.
  • De er ikke like skarpe som HSS kan bli, som kan gjøre det utfordrende å ta kutt med svært liten kuttdybde med god overflatefinhet. Hardmetall foretrekker ofte å ta litt mer materiale av gangen.

En viktig ting med hardmetall er at man trenger en spesifikk holder til et spesifikt skjær, man kan ikke, i motsetning til HSS, bruke en hvilken som helst holder til alle skjær. Bruker man WNMG skjær må man bruke WNMG holder (f.eks. en MWLNR).

Typer skjær og hvordan de defineres er selvfølgelig en ISO standard ♥ ISO 1832:

Den første bokstaven definerer fasongen på skjæret.

Det er feil å si at en av disse definerende bokstavene er viktigst siden alle er like viktige, men... dette er den viktigste. Du får ikke bestilt noe med bare denne, men det er en start.

Disse er relativt logisk organisert der bokstaver ofte er basert på den første bokstaven i formen, sånn som H, O, P, S, T, R.

Når det kommer til alle de forskjellige variantene av grader på rombe og parallellogram er man bare nødt til å slå det opp.

I eksempelet over er formen W et såkalt 'trigon' som i bunn og grunn er tre 80° trekanter satt sammen til en likesidet trekant-form.

Den andre bokstaven representerer endeklaringen på skjæret.

Akkurat som med hurtigstål så blir skjæret svakere jo mer endeklaring det har, men det kommer ofte til på flere steder og kan jobbe på ting med større diameter (eller kutte høyere over senter).

Den største klaringen er G på 30° og den minste er N som er helt rett / flat med 0°. Disse N-skjærene har ofte endeklaringen bygget inn i holderen:

 

Bokstav nummer tre definerer toleransene til skjæret. Finere toleranser koster selvsagt mer.

Vi er enda ikke kommet til størrelsen på skjæret, det er dekket av posisjon 5 og 6, men det er viktig å oppgi toleranseklassen til skjæret. Dette er da standardisert i følge tabellen over.

Toleransene er mye av det samme, men varierer på hvilket punkt av skjæret som er mest nøyaktig (tykkelse, total størrelse, lengde til egg).

Med toleranse M ser vi at toleransene er relativt store, der total størrelse og lengde til egg er viktigst for denne toleranseklassen. Disse toleransene kan være spesielt viktig i CNC-maskiner der skjæret byttes ut og foventes å produsere like deler som det gamle skjæret uten rekaliberering.

I ANSI standarden er dette mye det samme, men oppgitt i tusendels tommer.

 

Den fjerde bokstaven representerer flere ting; festemåte og sponbryter.

Herunder er alle variasjoner av følgende muligheter: sylindrisk hull, forsenket hull (1 eller 2 sider, samt flere typer forsenkning), sponbryter (1 eller 2 sider), ikke hull, ikke sponbryter.

Skjær med endeklaring noe annet enn 0° kan vanligvis ikke vendes og har derfor ikke noen sponbryter eller forsenkning på andre siden. Skjær uten forsenket hull (kun sylindrisk) er ofte festet til holderen med en låsepinne og/eller klemme.

Nå over til det som virkelig kan frustrere og forvirre: De første to tallene i posisjon 5 bestemmer størrelsen til skjæret ved Inscribed Circle (IC) som er den største sirkelen som får plass i skjæret rundt senter uten at noen del av sirkelen stikker utenfor OG/ELLER lengden av kuttesiden (L).

Alt dette er som sagt egentlig en ANSI standard som er blitt slurpet opp av ISO, og det har jeg ikke noe problem med, det er en grei standard, men da ISO tok den i bruk var produkter allerede etablert i... ikke tusendels tommer, NEIDA, antall 1/16 tommer som går i sirkelen... og ISO valgte derfor å definere noen nye størrelser i millimeter, men også beholde disse tallene i tabellene som standard. Så selv om disse tallene egentlig burde være en metrisk verdi i millimeter, så er de ikke alltid det og det er derfor spesielt viktig at denne verdien slås opp.

Så i eksempelet over, der den innskrevne sirkelen i skjæret skal være en 06 så vil det si 6/16", som er 9,525 mm.

Kan vi aldri få ha en logisk og uniform standard? Man mister litt motet...

Det er en morsom historie angående hvordan Amerika nesten gikk over til metrisk da det enda var en ung nasjon. I 1793 fant regjeringen av de nylig forente stater ut at de trengte et nytt standardisert målestystem ettersom statene fremdeles var relativt fragmentert og brukte forskjellige systemer som gjorde mellomstatlig handel og samarbeid vanskelig. Så på oppfordring av Thomas Jefferson, som også likte 10-tallssystemet, ble en fransk vitenskapsmann ved navn Joseph Dombey sendt over Atlanteren med en kobberstang som var ca. 3 fot lang og en kobbervekt som veide ca. 2 pund. Dette var selvsagt fysiske representasjoner og standarder av det, på den tiden under utvikling, metriske system som var 1 meter og 1 kilo respektivt. Han skulle hjelpe Jefferson å overtale kongressen til å adoptere det metriske system. Men på vei over havet møtte de på en storm som sendte skipet deres lengre sør, nærmere Karibien. Der ble han og skipet tatt til fange av britiske pirater som prøvde å kreve løsepenger for Dombey, men dessverre døde han i fangenskap. Tingene han hadde med seg var ikke av interesse for piratene så de ble auksjonert bort og etterhvert fant kiloet veien til en amerikansk landmåler ved navn Andrew Ellicott. Det gikk i arv til 1952 da etterkommere av Ellicott donerte det til det som kom til å bli NIST (National Institute of Standards and Technology). 

Det er riktignok ikke det eneste forsøket på å importere rasjonalitet til Amerika, men det kunne gjort en forskjell. We will never know.

 

Tallene i posisjon 6 representerer tykkelsen på skjæret. Mye av det samme gjelder her som i posisjon 5, men vi har mer frustrasjon i vente.

I eksempelet over er skjæret definert som 04 som MAN SKULLE TRO vil tilsi 4/16" men det blir 6,35mm som ikke stemmer med denne fabrikantens tabeller, så hva er det som skjer? Det var noens glupe idè at når det kommer til tykkelse så skal det brukes tomme-verdier, men tallet skal representere den nærmeste 1/16 tomme-verdien der det første tallet i millimeter-konverteringen blir 4.

3/16" blir 4,76mm så der har vi svaret. Kjempelogisk.

Avvik fra denne regelen desgineres med en bokstav i stedet for 0, vanligvis T.

Det er viktig å notere seg at tykkelsen måles fra bunnen av skjæret og opp til skjærepunktet/eggen.

Den siste pålagte informasjonen, posisjon 7, representerer neseradien til skjæret. Her er det heldigvis litt mer logikk inne i bildet og de to tallene i denne posisjonen er direkte overførbare til en radius i millimeter. 

I eksempelet over er tallene 08 som betyr at neseradien er 0,8mm.

Man tenke seg at det mangler et komma mellom dem; f.eks. så er 24 2,4mm radius.

For sirkulære skjær der IC = neseradius, designeres dette med 00 hvis størrelsen er konvertert fra tommer og M0 dersom verdien på størrelsen er metrisk.

Den første valgfrie bokstaven, posisjon 8, definerer hvordan eggen er formet og hvordan den er behandlet. Om den er slipt, honet, lakkert, sintret, eller på annen måte bearbeidet.

Men det representerer først og fremst formen på eggen.

Bokstaven i posisjon 9 representerer hvilken hånd eller retning skjæret er ment til å bevege seg i.

 

Posisjon 10 definerer ytterligere formen på eggen dersom skjæret ikke har en enkel tupp med neseradius:

Dette oppgis hovedsakelig dersom posisjon 7 er bokstaver, og slike skjær har vanligvis skrå og skarpe kanter (ingen hjørneradier).

Tabeller hentet fra Mitsubishi Carbide. すみません

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.

Korrosjon

Korrosjon er en fellesbetegnelse for reaksjonen (oksidasjon) som oppstår mellom metaller og luft og/eller vann eller en elektrolytt, som f.eks. saltvann.

Når man snakker om korrosjon er det vanligvis negativt; laget som danner seg på metaller og spiser det opp er ofte uønsket og er et stort problem generelt sett, men begrepet kan også brukes for å beskrive en ønsket reaksjon eller kontrollert korrosjon.

 

Kjemisk korrosjon

Når metaller kommer i kontakt med oksygen og hydrogen reagerer det ved å danne oksider, hydroksider eller sulfider. De fleste metaller ligger nogen lunde midt i det periodiske system og reagerer enkelt med andre stoffer. De "edle" metallene, bl.a. kobber, palladium, gull, sølv og platina, reagerer svært lite og meget sakte med omgivelsene og er de eneste metallene som finnes i ren form i naturen.

Ordet oksidasjon kommer fra oksygen og er reaksjonen som forekommer når oksygen kommer i kontakt med metaller.

Siden reaksjonen tar atomer fra metallet og luften/vannet og danner nye stoffer "spiser" dette opp metallet, og det nye stoffet, f.eks jernoksid, legger seg som et lag utenpå det opprinnelige metallet. Dette laget kalles gjerne rust, men det gjelder da kun i tilfellet til jern. Jern ruster og kobber irrer, alle andre metaller korroderer.

Når vi sier at noe ruster er det oftest snakk om overflatekorrosjon.  Dette er alminnelig korrosjon som legger seg jevnt over hele materialet (uniform korrosjon).

Punktkorrosjon eller "pitting" er korrosjon av enkelte deler og mindre områder på et materiale og kan være vanskelig å oppdage. Oppstår gjerne i hull eller sprekker i lakk og annen beskyttende etterbehandling.

Erosjonskorrosjon er korrosjon som kommer av bevegelse mellom metall og korroderende materiale, som foreksempel vann i rør eller metall som gnisser inntil andre ting som bidrar til at oksidlaget blir slipt bort som akselererer korrosjon av nytt metall under.

Stagneringskorrosjon er korrosjon som oppstår av akkumulering av fukt eller andre korroderende stoffer i områder hvor det har en tendens til å bli liggende lenge uten renne bort eller fordampe, som under skruehoder, pakninger eller i groper.

Andre faktorer som pH-verdi i miljøet rundt kan også påvirke korrosjonen.

 

Elektrokjemisk (galvanisk) korrosjon

Galvanisk korrosjon er korrosjon som oppstår mellom to ulike metaller som er i direkte kontakt eller elektrisk sammenkoblet med hverandre. Alle metaller har ulikt elektrisk potensiale, eller spenning, og reagerer kraftigere avhenging av hva slags metall det er i kontakt med.

Det beskriver i bunn og grunn hvilke metaller som er mest reaktive, eller gir fra seg elektroner lettest.

Som man kan se er sink og magnesium veldig reaktive, dvs. de slipper lett taket på elektronene sine hvis de blir bedt om det av et mer positivt metall, som f.eks. stål og fungerer som en anode og skaper positivt ladede ioner. Hadde man parret sink med et enda mer reaktivt metall ville sink blitt katoden.

Det er 3 betingelser for at galvanisk korrosjon skal finne sted:

  1. Metallene må være elektrokjemisk ulike
  2. De må ha en elektrisk forbindelse
  3. En elektrolytt, som f.eks. vann, må være tilstede mellom metallene

 

Enkelt om kjemien bak det

Som vi kan se på det periodiske system over er f.eks. helium helt til høyre og hydrogen helt til venstre. Atomnummeret beskriver antallet protoner og nøytroner atomet har, og i en normal nøytral form har atomet like mange mange elektroner som protoner.

Atomer har flere "skall" med elektroner, noe som kategoriseres med elektron-konfigurasjonen. Atomer kan ha maksimalt 2 elektroner i det innerste skallet, deretter 8, så 18 i det tredje, deretter 32, 50, 72. Et lag må ikke nødvendigvis være fullt før elektroner kan samle seg i det neste. Gull har for eksempel elektronkonfigurasjon 2-8-18-32-18-1.

Atomer med fulle skall reagerer ikke med andre stoffer, f.eks. edelgassene helt til høyre. Alkaliske metaller helt til venstre har et elektron "for mye" så de binder seg gjerne med andre stoffer eller kvitter seg gladelig med elektronet sitt.

Dette skulle tilsi at gull er svært reaktivt, og det er reaktivt, men på en langt langt mindre skala enn man skulle tro. Årsaken til dette er komplisert, men elektronene er pakket så godt sammen at de ikke vil gi slipp på hverandre, inkludert det ytterste, og beveger seg så fort at andre elementer har vanskeligheter med å binde seg til gull. Men nok om det.

Dersom et atom har ulikt antall elektroner som protoner bærer det en ladning og kalles et ion. Atomer med flere elektroner enn protoner er negativt ladet og kalles et anion. Atomer med flere protoner enn elektroner er positivt ladet og kalles et kation. Derav navnene "anode" og "katode". Dette er litt forvirrende ettersom elektrodenes ladning endres når vi tilfører strøm eller trekker ut strøm, som er forskjellen på en galvanisk celle og en elektrolytisk celle. Dette er litt utenfor behovet av kunnskap om galvanisk korrosjon, men en galvanisk celle er i bunn og grunn et batteri og en elektrolytisk celle er mye brukt i forkromming (electroplating) og andre industriprosesser hvor man legger et lag av et metall utenpå et annet.

I en galvanisk celle er det to reaksjoner som finner sted samtidig, reduksjon og oksidasjon. Sammen skaper de en redoks-reaksjon som er en sammenslåing av de to ordene. Stoffer som blir redusert MOTTAR elektroner (katoden) og stoffer som blir oksidert MISTER elektroner (anoden). Det er litt omvendt av det man skulle tro, og det henger igjen fra gammelt av før vi visste bedre, slik mye gjør, men det er nå engang slik.

I eksempelet om elektrolytisk behandling til venstre tilfører man positiv spenning og "drar" elektroner ut av sølvet(+) som da har mer lyst til å binde seg til oksygenet i elektrolytten og skaper positive ioner (siden de nå mangler elektroner) og flyter bort til skjeen av stål (-) hvor de gjenforenes med sine tapte elektroner som har tatt veien gjennom batteriet og legger seg som sølv på utsiden av stålskjeen. Vi tvinger dette til å skje ved å tilføre spenningen. Hadde det ikke vært noen ekstern spenningskilde ville skjeen rustet siden sølv er mindre reaktivt enn stål og hele prosessen ville forekommet i revers.

Det er relativt enkle kjemiske formler og kalkuleringer inne i bildet her for å beskrive redoks-reaksjoner, halv-reaksjoner, ionisering, oksidasjonstall og slikt, men det er ikke noe jeg sikter på å ta for meg for øyeblikket.

 

Beskyttelse mot korrosjon

Korrosjon og hindringen av det er et eget fagfelt og det er mange måter å utsette eller stanse korrosjon helt.

For eksempel er det vanlig å "skape" galvanisk korrosjon i maritime miljøer for å beskytte stål og andre lett normalt kjemisk korrosive materialer ved å skru fast biter med mer reaktive metaller for at disse skal korrodere før stålet. Vi ofrer et metall for å redde et annet, derav navnet "offeranode". Offeranoder er svært utbredt i skips- og offshoreindustrien for å beskytte skrog og platformbein og lignende.

Offeranoder er vanligvis laget av sink siden det er et av de aller mest reaktive metallene og er kost-effektivt. Disse må byttes ut jevnlig for å opprettholde den galvaniske beskyttelsen.

Galvanisk beskyttelse brukes ikke bare offshore og er svært utbredt i all industri. Galvanisering, som forresten har sitt navn fra den italienske vitenskapsmannen Luigi Galvani, men det var Alessandro Volta som gav det navnet.

Galvanisering brukes til å beskytte det meste. Spiker, skruer, plater, bjelker og mye annet innen bygg og industri.

Varmbads-galvanisering er mest utbredt hvor man rett og slett dypper ting i flytende sink som gir det et beskyttende lag. Først og fremst beskytter det stålet under som om det skulle være malt, men dersom galvaniseringen skulle bli skadet vil sinken fortsette å beskytte stålet via planlagt galvanisk korrosjon.

Metoder for å forhindre uønsket galvanisk korrosjon er blant annet å elektrisk isolere metallene hvis ulike metaller benyttes, ved f.eks. bruk av plastikk/gummi skiver rundt bolter og lignende. Det er anbefalt å ikke overstige en spenningsforskjell på 0,2V når materialer som skal være i elektrisk kontakt skal brukes.

Andre måter å beskytte mot rust innebærer å lage spesielle legeringer (blandinger av forskjellige metaller) som kan gjøre materialet mer beskyttet mot korrosjon.

Utover det er det veldig vanlig å dekke metallet med en eller annen form for tett lag som hindrer luft og fukt fra å komme i kontakt med metallet under. Maling, lakk, blånering, parkerisering, innsmøring med olje eller fett er alle måter å forhindre korrosjon.

Som man kan se på spenningsrekken er aluminium et svært reaktivt metall, men det er kjent for å ikke korrodere...? Dette kommer av at aluminium reagerer raskt med oksygenet og danner aluminiumoksid, som binder seg tett og dypt med aluminiumet under og danner et naturlig beskyttende lag. Av denne grunnen er aluminium også populært i maritime miljøer. Denne egenskapen er for øvrig mye brukt i industrien til ikke bare å beskytte aluminium-produkter mot korrosjon, men også bruke elektrokjemiens vidunderlige verden til å anodisere metaller for å gi dem spreke farger.