Herding av stål
Bakgrunn og historie
Det er kanskje ikke noe vi tenker over i hverdagen, men få kunnskaper har hatt større betydning for menneskeheten enn forståelsen av hvordan stål kan herdes. Fra jernalderen og frem til i dag har evnen til å kontrollere stålets egenskaper vært avgjørende for utviklingen av samfunn, teknologi og industri.
Når stål varmes opp til en bestemt temperatur og deretter kjøles raskt ned, endres den indre strukturen i materialet. Det dannes martensitt, og stålet blir langt hardere og mer slitesterkt. Med riktig etterbehandling kan man samtidig bevare nødvendig seighet, slik at materialet ikke blir sprøtt. Denne innsikten gjorde det mulig å gå fra relativt mykt jern til sterke og pålitelige konstruksjonsmaterialer.
Etter gjennombruddet med Bessemer-prosessen i 1855 (https://www.youtube.com/watch?v=wyxSNLGWvKY) ble produksjonen av stål mer effektiv og forutsigbar. Denne oppdagelsen var en vesentlig faktor for den industrielle revolusjon.
Det la grunnlaget for broer, jernbaner, skip og høyhus, og var en forutsetning for urbanisering, sikker transport og global handel. Det som tidligere bygget på erfaring og tradisjon (og en del mystikk) blant smeder, ble gradvis erstattet av vitenskapelig kontroll over temperaturer, holdetider og legeringer.
Resultatet er dagens avanserte materialteknologi.
Kort sagt har herding gjort det mulig å forvandle jern fra et forholdsvis mykt metall til selve ryggraden i det moderne samfunnet.
Krystallstrukturer i jern og stål
Det grunnleggende prinsippet er at når smeltet jern kjøles ned og stivner, begynner atomene å organisere seg i faste og regelmessige mønstre. Disse mønstrene kalles krystallstrukturer, og de får ulike navn avhengig av hvordan atomene er ordnet.
I flytende tilstand beveger jernatomene seg fritt. Når temperaturen synker, beveger atomene seg langsommere og begynner å binde seg sammen i bestemte mønstre.
Dette kan visuelt sammenlignes med hvordan vann fryser til is på en kald frontrute en vinterkveld.
Det er også mulig å se hvilken krystallstruktur jern og stål har. Hvis en metallflate poleres speilblank, etses med en svak syre og deretter studeres i et mikroskop, vil de ulike strukturene bli synlige.
Jern har en spesiell egenskap: krystallstrukturen kan endres selv om metallet allerede er fast. Hvilken struktur jernet har, avhenger av temperaturen.
Ved romtemperatur har jern en struktur som kalles ferritt (α‑jern). I denne fasen er jernet magnetisk.
Når jernet varmes opp til rundt 770 °C, mister det magnetismen. Denne temperaturen kalles Curie-temperaturen.
Hvis temperaturen øker videre, vil jernet etter hvert endre krystallstruktur. Atomene reorganiserer seg og danner en ny struktur som kalles austenitt (γ‑jern). Austenitt dannes først når temperaturen passerer den såkalte omslagstemperaturen (ca. 912 °C for rent jern). Det tar litt tid før atomene rekker å reorganisere seg fullstendig til den nye strukturen.
Karbonets betydning
Vanlig bløtjern eller konstruksjonsstål inneholder svært lite karbon. Når slikt jern varmes opp og deretter avkjøles, går strukturen alltid tilbake til sin naturlige tilstand – ferritt – uavhengig av om avkjølingen skjer raskt eller langsomt.
Hvis jernet derimot inneholder mer enn omtrent 0,2–0,3 % karbon, skjer noe helt annet.
Når stålet varmes opp til austenitt og deretter kjøles raskt ned, rekker ikke karbonatomene å flytte seg ut av gitteret. Karbonet låser derfor strukturen i en forvrengt form, og det dannes martensitt.
Martensitt er svært hardt, men også sprøtt. Den inneholder store indre spenninger, noe som gjør stålet mye hardere enn før.
Dette er selve herdingsprosessen, og forklarer hvorfor stål med tilstrekkelig karboninnhold kan bli svært hardt – for eksempel i produksjon av kniver og verktøy.
Oppsummering
Ved å kontrollere temperatur, avkjølingshastighet og karboninnhold kan vi styre hvilke krystallstrukturer som dannes i stålet. Med ulike legeringselementer kan man også påvirke strukturen ytterligere og oppnå mange forskjellige egenskaper.
Dette er den grunnleggende forklaringen på hvorfor stål kan herdes, og hvorfor det er mulig å lage en kniv som både er hard og slitesterk.
Herding for deg som smed
For deg som smed er kunnskap om herding like viktig som evnen til å forme metallet.
Å smi gir form – herdingen gir egenskaper. Heldigvis er dette noe du kan lære og beherske selv.
Med enkle karbonstål, jevne tverrsnitt og riktig fremgangsmåte er det fullt mulig å oppnå gode resultater i egen smie. Samtidig er det viktig å forstå at det finnes et spenn mellom «godt» og «optimalt». Skal stålets fulle potensial utnyttes, må temperaturer, holdetider og kjøleforhold kontrolleres nøye.
I dag kan man kjøpe masseproduserte komponenter, som for eksempel kulelager, med dokumentert levetid og minimale variasjoner fra produkt til produkt.
Bak slike produkter ligger omfattende utvikling innen materialteknologi og varmebehandling.
Som smed eller hobbysmed trenger du ikke dette presisjonsnivået, men du bør vite hvilken metode du velger – og at ulike metoder gir ulike grader av kvalitet og forutsigbarhet.
Forskjellen mellom «god» og «optimal» herding ligger i detaljene. Dette handler ikke om at alle må ha industrielt utstyr, men om å forstå forskjellen mellom å lage en god kjøkkenkniv og å produsere komponenter som skal fungere i kritiske systemer.
Praktisk gjennomføring
Når du har valgt materiale og bestemt bruksområde, bør du sette deg inn i herdingskravene for det aktuelle stålet.
De fleste stål krever at herdemediet, ofte olje, er forvarmet til riktig temperatur før bruk. Når stålet tas ut av varmen, må det senkes raskt ned i kjølemediet og beveges med en rørende bevegelse.
Denne bevegelsen hindrer at det dannes damp rundt stålet, noe som ellers kan føre til ujevn kjøling og varierende hardhet.
Beholderen bør være stor nok til at emnet kan beveges til det er avkjølt, og oljevolumet må være tilstrekkelig til å holde temperaturen stabil. Ved herding av større deler eller flere deler etter hverandre vil oljen bli varmere, og da kan det være nødvendig å ta pauser eller kjøle ned beholderen for å sikre jevnt resultat.
Etter herdingen må stålet anløpes i henhold til anbefalingene for å oppnå riktig balanse mellom hardhet og seighet.
Sikkerhet
Herdeoljer basert på mineralolje er brennbare og kan antenne når varmt stål senkes ned i dem. Det er derfor fornuftig å herde utendørs, spesielt til du har blitt kjent med hvordan oljen oppfører seg. Bruk alltid en metallbeholder, ha et tett lokk tilgjengelig for å kunne kvele eventuelle flammer, sørg for god avstand til brennbare materialer og ha egnet slukkemiddel i nærheten. Vannbaserte herdeoljer har betydelig lavere risiko for antennelse.
Valg av kjølemedie
Det herdes stål i mange ulike medier, og rundt om i landet brukes alt fra spillolje og matolje til vann og ulike improviserte løsninger. Selv om det kan være fristende å bruke det man har tilgjengelig, er det få faktorer som påvirker sluttresultatet mer enn riktig kjølemedie.
Spilloljer inneholder ofte tilsetningsstoffer beregnet for motorbruk. Når glødende stål bråkjøles i slik olje, kan det utvikles røyk og avgasser som ikke er gunstige å puste inn. I tillegg er kjøleegenskapene uforutsigbare, noe som kan gi varierende kvalitet på herdingen. Skal man redusere kostnader, er kjølemediet et dårlig sted å spare.
Herdeoljene Smiutstyr selger er utviklet spesielt for varmebehandling av stål og gir kontrollert kjølehastighet, jevnere og mer stabilt resultat, redusert risiko for sprekker og deformasjon samt betydelig mindre røykutvikling. Samtidig har de lang holdbarhet ved normal bruk. Riktig olje er en relativt liten investering, men en stor forbedring når det gjelder kvalitet, sikkerhet og arbeidsmiljø.
Normalisering før herding
Når du er ferdig med å smi kniven, inneholder stålet mye indre spenninger som har oppstått under smiprosessen. Hvis disse ikke reduseres før herding, øker risikoen for kast, deformasjon eller i verste fall sprekker og brudd.
Det anbefales derfor å normalisere bladet før herding. Normalisering reduserer spenningene i stålet og gir en mer stabil og forutsigbar varmebehandling. For best resultat bør prosessen gjentas tre til fire ganger.
Du normaliserer ved å varme opp bladet til oransje farge og deretter la det kjøle seg ned i rolig luft.
Når bladet er helt avkjølt, gjentar du prosessen.
Etter normalisering kan du grovslippe bladet.
Unngå å slipe eggen tynnere enn cirka 2 mm før herding. En for tynn egg kan lettere slå seg eller sprekke under varmebehandlingen.
Eksempel på enkel herding av 15N20
https://www.smiutstyr.no/produktside/15n20
Dette er en forenklet metode som passer godt for hobbybruk.
Varm opp stålet til en jevn, klar oransje farge. Du kan bruke en magnet for å kontrollere temperaturen. Når stålet slutter å være magnetisk, har det nådd omtrent riktig område for herding. Husk at det finnes små variasjoner mellom ulike ståltyper, så sørg for at hele bladet holder jevn temperatur før du kjøler det ned.
Senk bladet raskt ned i en mellomrask herdeolje som er forvarmet til cirka 70 °C. Beveg bladet rolig i oljen i 15–20 sekunder. Denne bevegelsen hindrer at det dannes en dampsone rundt stålet og gir jevnere herding.
Anløping
Etter herding må bladet anløpes for å redusere sprøhet og gjøre stålet mer seigt.
Anløping kan gjøres i en vanlig stekeovn. En temperatur mellom 200 og 250 °C i én time er et vanlig utgangspunkt for knivblad i 15N20. La bladet kjøle seg ned til det så vidt kan holdes i hånden, og gjenta prosessen én gang til.
For å kontrollere temperaturen kan du bruke et IR-termometer. Du kan også slipe et lite område blankt på bladet og følge med på fargeendringen. Stålet begynner å få anløpsfarger fra rundt 180 °C, men nøyaktig temperatur og farge varierer med ståltype.
Å anløpe mye lenger enn én time gir liten ekstra effekt. Det er bedre å anløpe flere ganger eller justere temperaturen ved behov. Det meste av indre spenninger reduseres i løpet av de første minuttene ved riktig temperatur.
For lav anløpingstemperatur kan gi et sprøtt blad som lettere sprekker. For høy temperatur gjør stålet for mykt, og eggen vil ikke holde skarpheten like godt. Avhengig av bruksområde ligger hardheten på knivblad ofte mellom cirka 55 og 63 HRC.
Hardheten kan kontrolleres med Smiutstyrs hardhetstester filsett.
https://www.smiutstyr.no/produktside/hardhetstester-filsett
Sliping av egg
Når bladet er ferdig anløpt, kan du slipe eggen til ønsket skarphet. Vær forsiktig så eggen ikke blir for varm under sliping, da kan herdingen lokalt bli ødelagt. Sliper du med vannkjøling eller tar hyppige pauser, unngår du dette problemet.
Profesjonell herding
Noen knivsmeder arbeider primært med «stock removal» og har begrenset varmebehandlingsutstyr, mens andre ønsker å fokusere på smiingen og overlate herdingen til spesialister. I slike tilfeller kan det være fornuftig å bruke fagpersoner med riktig kompetanse og utstyr.
Smiutstyr formidler kontakt med erfarne fagfolk som tilbyr profesjonell herding.
Fredrik Haakonsen har doktorgrad i metallurgi fra NTNU og arbeider profesjonelt med varmebehandling av stål.
Han leverer presis og dokumenterbar herding på høyt faglig nivå.
Ønsker du å benytte hans tjenester, tar du direkte kontakt via http://www.haakonsen-consulting.no/ eller hans Facebook-sider. Smiutstyr har ingen avanse på denne tjenesten og fungerer kun som formidler.
MHkniv drives av Morten Håkonsen, en profesjonell knivmaker med over 20 års erfaring. Han lager kniver og knivblad, restaurerer gamle kniver og holder kurs i knivmakeri, lærarbeid og smiing. Mer informasjon om hans herdetjenester finner du på https://mhkniv.no/herding/.
Enten du velger å lære og gjøre herdingen selv, eller å bruke profesjonell hjelp, er forståelsen av varmebehandling nøkkelen til et godt og varig resultat.