Toplinska obrada noža (5160 opružni čelik) 25 LISTOPADA, 2011MLADEN PULJIĆ Ovaj post za forum preživljavanja je nastao 2011. godine, kada sam se intenzivno bavio kovanjem i izradom noževa. Već neko vrijeme čitam nekoliko knjiga na temu topliske obrade, ono što time želim postići je barem malo detaljnije i jasnije razumijevanje tog procesa koji su naši preci koristili stotinama godina. Što sam više proučavao tu temu to mi se samo od sebe nametalo sve više novih pitanja, te se kraj nije nazirao-što je sasvim normalno, kao i sa svakom drugom temom..Ali negdje sam morao stati jer sam shvatio da sam se počeo gubiti u silnim informacijama i pojmovima koje je jako teško shvatiti nekome kao meni čija struka nema nikakvih dodirnih točaka sa metalurgijom. Pri mom površnom razumijevanju pomogli su mi i mnogi forumi i članci, koje ću navesti na kraju posta. Ovaj post predstavlja moju interpretaciju toplinske obrade, znači onako kako sam ja to shvatio, čime dajem do znanja da je vrlo moguće da ću nešto možda potpuno krivo i pogrešno rastumačiti, ali zato u tu priču upadate svi vi koji ćete me nadopuniti i ispraviti. Želja mi je da u ovoj temi budu obuhvaćene sve bitne informacije koje će ljudima koji se tek počinju baviti toplinskom obradom omogućiti razumijevanje tog procesa te provođenje informacija u djelo. Pa počnimo… Željezno doba započelo u različitim vremenskim točkama u različitim goegrafskim područjima, negdje se spominje da je na Bliskom istoku započelo čak prije 6000 godina pr.kr. Prvotno su ljudi hladnim kovanjem obrađivali čisto željezo te izrađivali razno oruđe i oružje, da bi se kasnije počelo grijati na visoke temperature te obrađivati kovanjem kakvo i danas poznajemo. Kako se za gorivo kojima su ložili peći primarno koristio drveni ugljen, to je omogućilo jednu veliku prekretnicu u povijesti, dobivanje čelika. Kako drveni ugljen sadrži velike količine ugljika, pri visokim temperaturama te kroz nekoliko sati dio ugljika će procesom difuzije prijeći u čisto željezo te ćemo dobiti čelik sa daleko boljim svojstvima i iskoristivošću nego obično željezo. Kasnije je proces proizvodnje čelika podrazumijevao stavljanje komada željeza u glinenu posudu sa drvenim ugljenom, te se posuda zagrijavala na visoke temperature (oko 1000 C) kroz određeni period.. Čelike ugrubo možemo podijeliti u 2 kategorije: 1. Obični/jednostavni ugljični čelici – Prema oznakama American Iron and Steel Institute (AISI) njih ćemo prepoznati kao npr. 1060 čelik, gdje nam zadnje dvije znamenke govore o postotku ugljika – u ovom slučaju 0,6%. Čelik maksimalno može sadržavati oko 2 % ugljika, preko toga govorimo o lijevanom željezu. 2. Legirani čelici osim ugljika sadrže još najmanje jedan legirajući element, zavisno o udjelu legirajućih elemenata možemo ih podijeliti na nisko i visoko legirane čelike gdje postotak legirajućih elemenata može dosegnuti oko 40 % udjela. Primjer jednog nisko legiranog čelika je svima nam poznati 5160 opružni čelik. Da bi se neki čelik okarakterizirao kao nehrđajući, mora imati barem oko 11-12% kroma. Zbog lakšeg razumijevanja započnimo ovu priču sa opružnim čelikom (5160). Dakle u rukama držimo komad federplate od koje planiramo izraditi nož, pošto dominatno koristim kovanje kao metodu izrade tako ću i opisivati postupak. Pošto smo upalili našu kovačku vatru te malo pričekali da se stvori sloj žara stavljamo naš komad opruge u peć te pažljivo promatramo što se događa. Kada bismo mikroskopom promatrali atome unutar opruge primjetili bismo da su oni posloženi u kristalne rešetke koju čini mnoštvo „kockica“ sačinjenih od precizno posloženih i međusobno zbijenih atoma željeza. Na sobnoj temperaturi ove kockice imaju po jedan atom željeza na svakom vrhu kocke, te jedan u sredini kocke, dakle 9 atoma željeza ukupno. Ovakva kristalna struktura naziva se BCC(body centered cubic)tj. prostorno centrirana kubična rešetka. Ako bismo malo smanjili zoom na mikroskopu tada bismo mogli uočiti mnoštvo nasumično poredanih „granula“ koje su zapravo kristali sačinjeni od mnoštva gore spomenutih kockica. Pošto su kristali različito orijentirani u prostoru, između njih nastaju granice koje mi vidimo kao linije između granula. Ovakvo stanje željeza na sobnoj temperaturi naziva se ALFA stanje. Kako se naš komad čelika zagrijava, na oko 770 stupnjeva primjetit ćemo jednu zanimljivu stvar, naša opruga više neće privlačiti magnet, a to nam je dobar znak da se bližavamo kritičnoj točki (oko 830 stupnjeva C) u kojoj će doći do potpune trasformacije u kristalnoj strukturi čelika. Promatrajući čelik pod mikroskopom nakon prelaska linije nemagnetičnosti moći ćemo primjetiti kako stare kristalne rešetke počinju mijenjati svoj raspored atoma, tako da sada atomi leže u svakom kutu kocke te na sredini svake plohe čime se broj atoma povećao na 14. Takvom preraspodjelom dobivamo i veću gustoću čelika za oko 2% , ovaj raspored atoma naziva se plošno centrirana kubična rešetka FCC (face centred cubic) Ako ponovno smanjimo zoom na našem mikroskopu primjetit ćemo stvaranje novih, najprije malih austenitnih (gama) granula na mjestima granica prijašnjih alfa (feritnih) granula. Postupno će austenitne granule sve više rasti, sve dok granice starih feritnih granula potpuno ne nestanu. Kada se to dogodi naš je čelik tada u austenitnoj fazi. BCC i FCC rešetke Mala napomena ovdje. Ovisno o količini ugljika u željezu, ovisit će i temperatura kritične točke, za čisto željezo točka transformacije događa se na 912 stupnjeva C, povećavajući postotak ugljika ta temperatura pada, ali samo do jedne točke-tzv. EUTEKTOIDNE točke, u toj točki je kritična točka najniža (723 stupnja C) a odnosi se na čelike s postotkom ugljika sa oko 0,77%. –to bi konkretno značilo da bi kod takvog čelika na 723 stupnja došlo do transformacije ferita u austenit. Čelicima iznad 0,77% ugljika postupno raste kritična temperatura, ameri ih nazivaju Hypereutectoid-ni čelici. Upravo zbog ovoga važno je znati s kakvim čelikom imate posla. Boje pri promjeni temperature čelika Nastavljamo dalje s našom oprugom, dakle želimo zagrijati naš komad na povoljnu temperaturu na kojoj ga možemo kovati, ta temperatura je negdje između 1000 i 1200 stupnjeva a boja čelika na tim temperaturama je tamno do svijetlo žute boje. Ako bismo promatrali granule čelika od kritične temperature pa do temperature kovanja, primjetili bismo kako one postupno rastu što je temperatura veća. Kako smo već dobrim dijelom iskovali željeni oblik našeg budućeg noža, tijekom kovanja unutar čelika su se dogodile razne promjene. Naše granule su sada različitih veličina, neke su izrazito velike, dok su neke dosta manje, jer smo određene kristalne rešetke doslovno „razbucali“ čekićem . Također struktura čelika nije jedinstvena, jer se naša opruga na nekim mjestima izrazito brzo hladila kada smo je stavili na nakovanj, te smo tako stvorili nepravilnosti u strukturi. Da bismo smanjili veličinu granula te da bismo smanjili napetosti unutar čelika nakon kovanja obavezno moramo napraviti NORMALIZACIJU. Neki kovači normaliziraju čelik i tijekom kovanja, u određenim vremenskim razmacima. Napomena: Sada se možda pitate zašto je uopće bitna veličina granula tj. kristala? Zamislite plastičnu prozirnu bocu u koju ste kapnuli malo čarlija za suđe i malo vode te začepili i promućkali. Dobili biste puno balončića unutar boce, a struktura koju vidite je vrlo slična čeliku pa je analogija jako dobra. Zamislite krajnost gdje ćete u boci imati samo 5-6 velikih balona te drugu krajnost gdje će ih biti na tisuće ali će biti puno manji. Ukupna površina između balona/granula je naravno veća što su baloni/granule manje, a to znači veća površina kontakta između granula čime čelik znatno dobiva na žilavosti. Zato je veličina bitna. Također ako biste išli kaliti oštricu koja nije normalizirana, oštrica bi se zbog unutarnjih napetost vjerojatno deformirala! NORMALIZACIJA Dakle, želimo normalizirati našu oštricu, prije svega pripremimo magnet da nam je pri ruci, najbolje ga nekako nasadite na neku cijev tako da možete provjeravati magnetičnost dok je oštrica u peći. Stavili smo oštricu u vatru, treba obratiti pažnju da se tanji dijelovi oštrice puno brže zagrijavaju te je moguće da nam se grind pregrije a leđa još i ne dostignu kritičnu temperaturu. To sprječavamo tako da najdeblji dio okrenemo prema najvećem izvoru topline, znači polegnemo nož na leđa. Također svako malo kliještima malo podignemo nož iz peći da se iz vrućih leđa temperatura širi u tanje dijelove. Cilj nam je dobiti ujednačeno zagrijanu oštricu. Svako malo provjeravamo magnetom jesmo li blizu kritičnoj temperaturi, kada nož više nije magnetičan tada ga pustite neka se grije na toj temperaturi možda 1-2 minute, na stranici http://tidewaterblacksmiths.net/2.htmlpiše da da držimo jednu minutu po inču debljine čelika, da bi došlo to potpune transformacije u austenit. Na ovoj temperaturi čelik je crvenkast poput trešnje (kako ameri kažu cherry red). Sada izvadite oštricu iz peći te je ostavite da se ohladi na zraku. Opet par napomena: Negdje ćete pročitati da je dovoljno ostaviti oštricu da se ohladi dok ne dobije opet boju kao i na sobnoj temp., dok je češća metoda pustiti da se ohladi do sobne temp. Također bilo bi idealno da se oštrica hladi ravnomjernom brzinom, a ne da je stavite na nekakvu metalnu plohu ili u škripac jer će se mjesta kontakta sa hladnim plohama puno brže hladiti te nećete dobiti dobre rezultate. Na jednom forumu je neki čovjek stavljao oštricu na neku posebnu termo-otpornu vunu-što je odlično rješenje. Ja većinom objesim oštricu na žicu oko tanga, barem je mala površina žice pa nije veliki problem. Enlarge this image Click to see fullsize Oštrica koja nakon kovanja nije normalizirana, obratite pažnju na veličinu granula Enlarge this image Click to see fullsize Donji komadić čelika je normaliziran. Struktura čelika koju ćemo dobiti normalizacijom, ovisit će prije svega o postotku ugljika, ako je taj postotak ispod eutektoidne točke (ispod 0,77%) tada ćemo imati mješavinu PERLITA (ferit+cementit) te čistog ferita. Cementit je karbid tj. spoj jednog atoma ugljika te tri atoma željeza (Fe3C), izrazito je tvrd. Perlit ima lamelarnu strukturu, tj. pod povećalom bismo mogli vidjeti debele“ploče“ ferita te puno tanje „ploče“ cementita (odnos u debljini je oko 9:1) U slučaju da bismo imali čelik sa točno 0,77% ugljika, jedino tada bismo nakon normalizacije dobili 100% perlitnu strukturu. Kod čelika iznad 0,77% ugljika uz perlitnu strukturu, nalazit će se i zasebni karbidi (cementit) nasumično razbacani u obliku granula. Postupak normalizacije se preporuča ponoviti 3 puta, da biste bili sigurni da ste ujednačili veličinu granula. Ako vam se oštrica slučajno pregrije, tada vam sve pada u vodu jer su granule narasle više nego to želite. Ponovnom normalizacijom ćete to ispraviti. Lamelarni perlit, ove crne trakice su karbidi MEKO ŽARENJE Nakon normalizacije trebalo bi obaviti meko žarenje (annealing) čime ćete dobiti vrlo mekan čelik pogodan za dotjerivanje turpijama i brisnim papirima. Također ovim postupkom ćete pripremiti oštricu za kaljenje, jer ćete ukloniti sva eventualna „naprezanja“ unutar čelika. Oštricu trebate zagrijati kao i kod normalizacije, s tim da je ne hladite na zraku nego isključite dovod zraka u kovačkoj peći te ostavite oštricu unutar žari da se polako ohladi, najbolje ostaviti preko noći. Najbolji medij za polagano hlađenje je vermikulit –to je mineral koji ima odlična izolacijska svojstva a koristi se u hortikulturi kao medij za proklijavanje bilja, tako da ga se povoljno da nabaviti u vrtnim centrima. Ed Caffrey navodi kako nije najbolje rješenje obavljati meko žarenje u pepelu jer lako povlači vlagu (to baš ne znam objasniti). Također savjetuje da se proces može ponoviti 3 puta za najbolje rezultate, osobno radim samo jedanput. Kada se vaša oštrica potpuno ohladila, tada možete obaviti nekakve korekcije turpijama, izvlačenje grinda i sl. Nakon toga oštrica je spremna za kaljenje. Ono što se zapravo događa tijekom vrlo sporog hlađenja je to da dobijemo perlit koji nije više lamlarne nego globularne strukture, tj. dolazi do sferoidizacije karbida unutar feritne matrice, a razlog zašto je čelik tako mekan je da te minijaturne „kuglice“ cementita „izmiču“pod turpijom, tj. ne stvaraju toliki otpor kao u lamelarnom obliku. Globularni perlit Našu oštricu smo dotjerali u željeni oblik, napravili smo željeni grind te ga ostavili na oko 0,5-1mm. Ovo je vrlo važno jer tijekom grijanja oštrice slobodni kisik u peći i visoka temperatura može uzrokovati DEKARBURIZACIJU odnosno gubljenje određene količine ugljika sa površine čelika, iako je taj proces izražen pri većim temperaturama te pri dugotrajnom izlaganju toplini, ovo je samo mjera opraza.. KALJENJE Slijedeći korak je kaljenje koje osobno radim u motornom ulju zagrijanom na temperaturu između 55-70 stupnjeva C. Ovo je vrlo bitno! Kada biste kalili u hladnom ulju tada je ulje puno viskoznije/gušće te će prvih par desetinki sekunde koje su zapravo najbitnije ogromna količina pare koja se stvara oko oštrice onemogućiti kontakt između ulja i čelika, čime nećemo dobiti željeni rezultat. Povećanjem temperature ulja, ono postaje rijeđe te se ovaj efekt znatno umanjuje. Ja ulje ugrijem tako da užareni komad željeza stavim u ulje nakratko te nakon toga promiješam ulje, a temperaturu odoka određujem tako da moram moći staviti prste u ulje, ali ne baš da mi je ugudno držati ih unutra. Najbolje je koristiti termometar. Temperatura ulja NIKAKO NE SMIJE prijeći 82 stupnja C, jer takvo ulje neće omogućiti dovoljno brzo hlađenje čelika. Sam postupak zagrijavanja je kao i kod normalizacije i mekog žarenja, trebate paziti da ne pregrijete oštricu, ali s druge strane i da oštricu držite neko vrijeme na oko 830 stupnjeva da biste dobili potpunu transformaciju u austenit. Spremnik s uljem mora biti vrlo blizu, tako da u što manje vremena oštricu možete prenijeti iz peći u ulje. Postoji nekoliko vrsta kaljenja, dakle možete kaliti cijeli nož pa ga popuštati cijelog ili možete kaliti samo oštricu. Ako ćete kaliti samo oštricu trebali biste imati spremnik s uljem tako da nož možete horizontalno u njega postaviti, Ed Caffrey savjetuje izradu graničnika koji će točno određivati do koje dubine možete poleći nož u ulje. Također savjetuje da prvo kalite vrh noža, nakon toga ostatak oštrice. Pomičite nož naprijed-nazad (nikako ne lijevo desno!) sve dok se plamen ne ugasi, kada se ugasi stavite cijeli nož u ulje sve dok se potpuno ne ohladi. Ovo je vrlo bitno, jer ako biste leđa držali van ulja, tada bi ogromna količina topline koja je ostala u leđima jednostavno popustila netom zakaljenu oštricu. Struktura koju dobivate nakon kaljenja je MARTENZIT. Slijedi malo objašnjenje: Kada smo oštricu doveli u austenitno stanje, tada se BCC kristalna struktura mijenja u FCC rešetku za koju smo rekli da se atomi željeza nalaze na vrhovima i sredini ploha, pošto se između atoma željeza nalazi određeni prostor, točnije te male šupljine su točno 41.4 % promjera atoma željeza. Pošto je veličina atoma ugljika 56 % promjera atoma željeza oni zapravo ne bi trebali stati u te šupljine, ali atomi ugljika unatoč tome što su veći nego prostor između atoma uguraju se između njih te doslovno malo izguraju van atome željeza. Pošto FCC rešetka može primiti znatno više atoma ugljika nego BCC rešetka prilikom kaljenja atomi ugljika ostanu „zaključani“ unutar BCC rešetke jer se transormacija iz FCC u BCC dogodi tako brzo da se atomi ne uspiju istisnuti van rešetke. Zbog toga BCC rešetka se deformira točnije izdužuje pa umjesto kockastog dobivamo TETRAGONALNI oblik BCC kristalne rešetke, što se očituje kao igličasta struktura čelika. Ova struktura je vrlo nestabilna, te nakon kaljenja ne bismo smjeli duže vrijeme odgađati popuštanje. Ed Caffrey preporuča kaljenje ponoviti 3 puta, za dobivanje maksimalnih performansi. Ja najčešće kalim 1 do 2 puta. Martenzit, popušteni martenzit te jako popušteni. POPUŠTANJE Zakaljenu oštricu valja što prije popustiti, mnogi su načini kako to učiniti. Mislim da je za početnike najbolje zagrijati pećnicu na 200 stupnjeva (čime dobivate tvrdoću oko 58-59 HRc) te napraviti 2 ciklusa od 1 sat, između ciklusa izvaditi oštricu da se ohladi na sobnu temperaturu. Moguće su razne kombinacije, recimo popustite cijeli nož na 180 stupnjeva (60-61HRc) , zatim kad se ohladi oštricu stavite u plitku posudu s hladnom vodom, tako da leđa vire iz vode, zatim brenerom dodatno popustite leđa, recimo do plavičaste boje, oštrica će ostati netaknuta i vrlo tvrda. Ovakav postupak je možda najbolji kod dužih oštrica gdje je potrebna veća fleksibilnost oštrice. Ima raznih metoda već će se javiti ljudi sa svojim iskustvima… Još malo objašnjenje: ono što se događa kod popuštanja je to da zagrijavanjem jednostavno omogućavate dijelu atoma ugljika da „iskliznu“ van rešetke te se tako smanjuje napetost, ali i gubi tvrdoća. Izvori: John D. Verhoeven – Metallurgy of Steel for Bladesmiths & Others who Heat Treat and Forge Steel Tubal Cain – Hardening, Tempering and Heat Treatment Jim Hrisoulas – The Complete Bladesmith: Forging Your Way To Perfection http://www.caffreyknives.net/journeymanarticle.html http://pozadzides.com/bladesmithing/intro/index.html http://knifenetwork.com/workshop/index.shtml http://www.iforgeiron.com/