Den primitiva smedjans metallurgi

När man smider handlar det till stor del om att forma järn eller stål. En inte oviktig detalj är dock de metallurgiska processerna som är inblandade.

Denna artikel går igenom processer som normalisering, härdning, anlöpning, sätthärdning, vällning och avkolning.

Artikeln ingår i serien om det praktiska vikingatida järnhantverket. Denna serie innefattar även följande artiklar:

• Vikingatida smedjor
  
• Järn- och stålframställning på vikingatiden
• Den primitiva smedjans grundtekniker

Blötjärn och stål

Rent järn är ett metalliskt grundämne. Om det innehåller en kolhalt på 0,4-2,0% kallas det för stål. Har det mindre kol än så kallas det för blötjärn efter det forna ordet blöt som betyder mjuk (och finns kvar i den betydelsen i t.ex. danska språket).

Stål är ett annat material än järn. Stål är härdbart.

I modernt smide finns det mängder av olika stålsorter för olika ändamål, t.ex. rostfritt, syrabeständigt, coromant-stål och många fler.
Även forntiden hade namn på materialet eftersom man märkte att det hade olika egenskaper, men det berodde oftast på varifrån det kom (t.ex. Lancastershire-järn o.s.v.).

Stål är hårdare att smida än järn och har en skarpare klang än blötjärn.

Korn

Inne i järnet samlas molekylerna i kristall-liknande strukturer som kallas för korn. Om man polerar och etsar ytan kan man se dessa korn med ett mikroskop.

I normalfallet är dessa korn ungefär jämnstora i alla riktningar. Vid bearbetning av stålet (allra mest vid kallbearbetning) sträcks dessa korn ut.

Omvandla järn till stål

Vill man få till stål av det rena järnet kan man sätthärda det. Då får man in kol i ytan på materialet så att i vart fall det blir härdbart.

För att sätthärda lindar man in sitt alster i organiskt material (läder, olja, bast eller vad som helst) och packar in det i lera. När leran har torkat kan man bränna denna och sedan hålla paketet varmt en god stund så kommer det organiska materialet att förkolnas och kolet att krypa in i ytan på det alstret det förvaras med.

Sätthärdning bör göras så sent som möjligt innan härdning eftersom det är lätt att materialet avkolas i upprepade uppvärmningar.

Rekristallisation och normalisering

Vid kallbearbetning av stål blir det allt hårdare ju mer man deformerar det. Vill man att kornen ska återfå en avspänd struktur får man rekristallisera det. Det sker genom att man hettar upp det (glödgar det) till 600°C.

När man bearbetar järnet smetas kornen i materialet ut och blir långsträckta och spänningar uppstår i materialet.

Om man hettar upp materialet tillräckligt mycket och tillräckligt länge kan dessa korn ombildas och normalisera om sig. Det är en process som kallas normalisering.

Normalisering börjar med värmning till en temperatur i austenitområdet, 800-920°C. Därefter låter man det svalna relativt långsamt men i jämn takt. Ofta försöker man bädda in det i isolerande aska eller liknande och bli liggande däri i några timmar.

Ibland normaliserar man om flera gånger för att vara säker på att få ur spänningarna ur smidesämnet. Ibland kan man behöva rikta materialet emellan värmningarna.

Tänk på att ett tjockt gods kan ta tid att värma upp. Det kan lysa ljust på ytan, men ändå inte hunnit bli särskilt varmt inne i mitten. Vill man vara säker ska man låta värmen krypa in i materialet ordentligt.

För moderna legeringar används även mjukglödgning och släckglödgning/austenitglödgning. Dessa är dock utanför denna artikel och skiljer sig mest genom syfte och temperatur.

Man kan ibland glödga stålet till lägre temperatur än 600°C. Då kallas det avspänningsglödgning. Det kan t.ex. ske för att minska spänningarna efter svetsning. I en primitiv forntida smedja svetsar vi dock inte. Vi väller istället (se nedan).

Härdning

Vid härdning fryses kristallstrukturen i kornen plötsligt och blir mycket rigid. Processen leder till att stålet får en martensitisk struktur Vill du gå på djupet; kolla upp cementit/järnkarbid, perlitiskt, ferritiskt, autsernitiskt och martensitiskt stål och var beredd på ett kaninhål av spännande kristallstrukturer.
Ferrit/blötjärn Perlit/kolstål med järnkarbid i tunna lager .

Ett härdat stål är så hårt att det är skört som glas. Ofta vill man inte ha det riktigt så hårt och då får man anlöpa materialet efter härdningen.

Det finns stål som lufthärdar, stål som oljehärdar och stål som härdar i vattenbad. Det vanligaste är vattenhärdning. Det går till så att man hettar upp materialet till körsbärsröd glöd (austenitisering/icke-magnetiskt Vill du gå på djupet; kolla upp cementit/järnkarbid, perlitiskt, ferritiskt, autsernitiskt och martensitiskt stål och var beredd på ett kaninhål av spännande kristallstrukturer.
Ferrit/blötjärn Perlit/kolstål med järnkarbid i tunna lager ). Det sker vid 769°C. Vill man vara säker på temperaturen kan man kontrollera att magnetismen släppt ur materialet med hjälp av en magnet.

När materialet är varmt nog kyls det så fort som möjligt. Oftast sker det genom att man snabbt doppar det i vatten och vispar runt det i vattenspannen en aning så att det ska kunna kylas så fort som möjligt.

Varmt stål är mjukt så vispar man för vilt med det i oljan/vattnet finns risken att det missformas. Är kylningen från för hög temperatur finns också en ökad risk att det slår sig i nerkylningen, men om temperaturen är för låg blir stålet inte härdat alls.

Det kan vara lämpligt att hetta upp stålet lite extra och vänta med det i några sekunder över vattenspannen tills det är i rätt temperatur och sedan snabbt stoppa ner det och vispa runt.

Efter härdningen vill man ofta testa så att härdningen tagit. Det görs med en fil. Om filen avverkar material som vanligt (jämför eventuellt med en ohärdad bit stål) så har härdningen inte tagit och behöver göras om.

Avhärdning

Om man hettar upp materialet igen så försvinner tidigare härdning. Det sker gradvis beroende på temperatur i form av anlöpning innan materialet blir helt avhärdat igen.

Ett avhärdat material går utmärkt att härda om igen.

Anlöpning

Anlöpning sker primärt på två olika sätt:

• Antingen lägger man hela det härdade objektet i en ugn och härdar kontrollerat till känd temperatur
• Eller så värmer man ett annat objekt och håller det härdade objektet mot detta och låter temperaturen krypa in i materialet där man vill ha det till önskad anlöpningstemperatur

För att se vilken anlöpningstemperatur man uppnått tittar man på de färger som framträder på ytan av ämnet. För att kunna se detta behöver man få fram en metallren yta vilket görs med fil/smärgelduk (=sandpapper för stål).

Det finns många sätt att få in anlöpningsvärme kontrollerat i materialet. Man kan t.ex. värma upp en stor bit järn i härden och hålla sitt ämne i en tång och hålla ämnet mot det varma blocket.

Ett annat sätt är att värma upp en rejäl tång i elden och sedan klämma denna om det man vill anlöpa.

Anlöpning är tålamodsprövande. Ibland känns det som att det tar en evighet innan anlöpningsfärgerna kommer krypande.

Vällning

Även om man värmer upp järn/stål mycket är det svårt att banka ihop två stycken så att de fastnar i varandra.

Processen att få ihop två bitar till en kallas för att välla.

Vid vällning hettar man upp materialet så att det nästan brinner och ser samtidigt till att det inte oxiderar. Oxidationen förhindras i en modern smedja av Borax som man har på under uppvärmning och innan sammanbankning.

När materialet är upphettat så att det nästan brinner (jag har hört sägas att materialet är redo för vällning vid första gnistan) har man på mer Borax och knackar därefter med relativt lätta och försiktiga slag ihop materialen tills de fastnat i varandra.

Eventuellt kan man upprepa proceduren några gånger tills man har en bra vällfog.

Historiskt har ju inte Borax funnits med, men vi hade hört att det går att välla i kiselrik sand och provade med lokal sand på Öland. Det gick utmärkt. Vikingarna var förtjusta i mönstervällda ämnen och var mycket duktiga på att välla.

Avkolning

Varje gång man hettar upp stål försvinner lite kol ur det. Det är något att vara medveten om eftersom det ibland kan spela roll för hanteringen.