Stål: Historie og produksjon

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

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

Dette blir delt opp i 3 innlegg:

  • Historie og produksjon

  • Krystaller, mikrostrukturer og legeringer

  • Varmebehandling; typer og metoder

Hva er stål?

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

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

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

Ulike utgaver av metallisk jern

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

Grafitt (venstre) og diamant (høyre)

Produksjon av stål

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

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

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

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

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

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

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

Hematitt (jernmalm)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Bloom

Bloomery

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


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

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

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

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

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

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

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.