Framställning av damaskusstål, även kallat wootz, och bladsmide. Av Torsten Almén, Gustafsbergs Smide och Göran Svensson, Mälardalens Högskola.

Transkript

1 Framställning av damaskusstål, även kallat wootz, och bladsmide. Av Torsten Almén, Gustafsbergs Smide och Göran Svensson, Mälardalens Högskola. Kort historik. Det finns i litteraturen uppgifter om att dessa stål framställdes redan före år 0. På en vägg i ett material-forskningscentrum i Indien hänger en väv där Kung Puru överlämnar sitt svärd till Alexander den Store efter att ha besegrats av denne år 330 f.kr ( bild 1). Det påstås att ett stycke stål var förpackat i ett guldskrin som på bilden bärs fram och överlämnas. Senare, från vikingatid och fram till ungefär 1750, har blankvapen av hög kvalitet färdigställts främst i Persien och av importerat stål från södra Indien. Stålet kallas wootz i engelsk litteratur. Här i Sverige har många läst om riddaren Arn som Bild 1. Kung Puru och Alexander den Store i korståg mötte muslimer utrustade med sablar, svärd och dolkar framställda i damaskusstål. Marknadsplatsen Damaskus har fått ge namn åt vapnen som var framställda genom smide av wootz-stål, och de främsta smederna ansågs finnas i Persien. De färdigställda vapnen hade vackra mönster som ansågs garantera kvalitén. Historien gör halt omkring år Då förändrades det levererade wootz-stålet på så sätt att smedernas kunskaper och metoder - utvecklade och ärvda genom generationer - plötsligt inte längre räckte för att få fram Damaskus-mönstren på färdiga klingor. Sedan försvann de persiska smedernas metoder då de inte längre fungerade. Redan efter några få generationer var allt glömt och borta för eftervärlden. Wootz-stålet. Undersökta vapen från muséer visar att det är ett kolstål med kolhalter i området % C. Stålet är förvånansvärt rent, dvs. fritt från slagginneslutningar, och är framställt genom smältning och stelning i keramiska deglar. Vid långsam stelning erhölls en s.k. segrad stelningsstruktur där kolhalten varierar kraftigt. Vid efterföljande smide bildades skikt med extra hög andel fri cementit parallellt med smidd bladyta. De olika skikten, eller banden, deformerades lite av hammarslagen och då bladet sedan slipades och polerades, skar ytan genom banden på sådant sätt att mönster uppstod. För att få mönstren att framträda tydligt för ögat etsades det polerade bladet. Undersökta vapen har perlitisk struktur i eggar medan tjockare delar av bladen har en struktur som kallas avbruten eutektoidisk omvandling (eng. divorced eutectoid transformation, DET ) och är segare än fin perlit. Vapnen verkar inte vara vattenhärdade utan olje- eller luftkylda. Andelen martensit är mycket liten, c:a 5%. Om man blandar rent järn och kol, t.ex 1.5% kol, i en degel, smälter ihop det, låter det stelna och smider ut det till ett blad som poleras och etsas, så uppstår ett mönster, men inte det riktiga damaskusmönstret. Banden blir inte distinkta nog och de frametsade figurerna blir därför fel, t.ex endast grynigt (eng. granular pattern). Vid smidets temperaturcykler löses cementiten upp under uppvärmningen och återutskiljs under svalningen vid själva smidet. Det har visat sig att om legeringselementet vanadin tillsatts i mycket liten koncentration, t.ex 0.01 %, så kan vanadinet fungera som kärnbildare för cementitutskiljningen till lite större och stabilare cementitpartiklar. Dessa har svårare att lösas upp under uppvärmningsdelen av cykeln och vid svalningsdelen fortsätter de att växa till sig och lägger sig i skikt som bestäms av hur vanadinet har segrats redan vid stelnandet av degelgötet. Själva mekanismen som ger större och relativt få cementitkristaller i bandad struktur, liknar det som metallurger kallar koalescens. Koalescens förklarar överåldring som vid åldringshärdning av aluminiumlegeringar försämrar härdningen. Bandningsprocessen är dock mer komplicerad på grund av temperaturcyklerna och andra effekter av vanadin.

2 En trolig förklaring till varför damaskusstålet försvann omkring 1750 är att man då bytte malmfyndighet i Indien och att den nya råvaran saknade den lilla halten vanadin som behövdes för att styra mönsterbildningen. Följaktligen saknade de till Persien importerade wootz-göten en viktig beståndsdel från och med c:a 1750 och därmed försvann den så viktiga kvalité-stämpeln!! Eftersom de beprövade och ärvda metoderna inte längre fungerade så glömdes de bort redan efter några få generationer smeder. De senaste tjugofem åren har John Verhoeven s och Alfred Pendray s forskning resulterat i ovanstående beskrivna resultat. Det kan också nämnas att en annan forskningsgrupp i USA med bl.a Oleg Sherby och Jeffrey Wadsworth har visat att dessa högkolhaltiga stål och tekniken med avbruten perlitomvandling (DET) som är typiskt för damaskusstål, kan få superplastiska egenskaper i ett temperaturområde kring 700. Stålen är mycket intressanta för vissa smidda detaljer till främst bilindustri. Gruppen har också påvisat möjligheten att nå extremt höga hållfastheter, omkring 5000 MPa. Med DET erhålls en mycket finkornig struktur som liknar s.k. sfäroidiserat stål och ger högre seghet än perlitisk grundmassa. Det bör också nämnas att en diskussion pågår om nanotekniska effekter i damaskusstål. En forskningsgrupp i Dresden med bl.a M Reibold och P Paufler har funnit dels nanotrådar av cementit i stor mängd i museala vapen och dessutom kolnanorör. Dessa skulle i så fall bidra med en kraftig härdningsmekanism. Det är knappt årsgamla rapporter men perspektivet är mycket intressant och kan kanske till en del förklara några av de historiska beskrivningar som finns om damaskusvapnens extrema egenskaper beträffande eggskärpa, slagtålighet, böjbarhet och seghet. Direkta mätningar på museala vapen visar dock att de mekaniska egenskaperna är ungefär likvärdiga med de moderna verktygsstålens och var mycket bättre än hos medeltida vällsmidda europeiska damaskerade vapen. Dessa utvecklades dels för att utseendemässigt likna damaskusvapnen, genom att använda två olika stål som efter upprepad vällning och vikning gav mönster i färdigställt blad, dels för att så långt möjligt minimera effekten av den stora mängden slagger dessa stål hade. Slaggerna finfördelades med upprepad vikning och vällsmide som ju innebar mycket stor total deformation. Damaskussmidet från ett wootzgöt innebar däremot minimal smidesdeformation. Vårt eget arbete i smedja och material-laboratorium. Vårt samarbete som pågått ungefär tre år började med en diskussion om en gammal svensk artikel (författad med gammalsvensk stavning) som beskrev ingeniören P. Anossoff s lyckade försök att återskapa damaskusstålet i mitten på 1800-talet, vid en vapenfabrik vid Slatust i Ural. Anossoff använde keramiska deglar och en blästerugn för att smälta charger på några kg. Vi framställde deglar och lock av eldfasta keramiska massor, genomförde en litteraturstudie, konstruerade och byggde en första ugnsuppställning med god kontroll av temperatur och blästerluftflöde. Bild 2. visar första ugnen som alltså byggdes delvis nedsänkt i smedjans golv samt försågs med både termoelektrisk temperaturmätning och ett pyrometerinstrument. Man kan också se hur matning av blästerluft är anordnad från två håll till ugnens underdel. Under drift placerades en skorsten som förlängde det synliga fyrkantröret och anslöt till smedjans takutsug. Koks tillfördes intermittent genom fyrkantröret. Bild 2. Första försöksugnen.

3 De första deglarna var framställda av eldfasta gjutmassor som normalt används till ugnsdetaljer och reparationer i stålindustrin. Bild 3 visar ugnsuppställningen efter en körning där deglarna lyfts ut och eftervärmen visar hur deglarna stått under körning. De svalnade deglarna med lock syns placerade utanför ugnen. Det visade sig att kombinationen av kokseldad ugn och dessa degelmaterial inte fungerade tillfredställande. Slaggbildningen från koksen styrde om blästerluften så att temperaturfördelningen runt deglarna kunde bli så ojämn att deglarna ibland sprack. Degelmaterialet hade för låg termochockbeständighet. Vi inledde en serie experiment med några olika degelmaterial Bild 3. Nedmonterad ugn och deglar. och två olika fristående ugnstyper: gasol- respektive kokseldade. De gasoleldade ugnarna gav jämnare temperaturfördelning och deglar av eldfasta massor klarade sig bra. Men deras låga värmeledningsförmåga medför att långa hålltider vid hög temperatur behövs för att smälta stålet. Med deglar där grafit har blandats in i keramen, s.k. lerbundna grafitdeglar, erhålls högre termochockbeständighet och de klarar sig i kokseldade ugnar utan att spricka. Dessutom har de högre värmeledningsförmåga och medför kortare tid för smältning och därmed mindre termiskt slitage på ugnar samt bättre ekonomi. En nackdel med dessa degelmaterial är dock reaktioner som långsamt bryter ned materialet och kan påverka stålet. Vi har belagt deglarnas insida med ett tunt skikt av oxidkeramik för att minimera påverkan på stålet och kan styra kolhalten i färdigt stål till att reproducerbart hamna inom ungefär ± 0,05%C från önskad kolhalt. Vi fortsätter dock att experimentera med degelmaterial baserade på huvudsakligen aluminiumoxid, kvarts och grafit samt med olika konstruktioner av formar för att framställa deglar utan defekter. Vi smälter ihop högrent järn med grafit, oftast med götvikt 2 kg, och har hittills framställt drygt trettio göt. Bild 4 nedan visar ett göt där en bit kapats av för strukturbestämning och analys av kolhalt och bild 5 visar götets segrade stelningsstruktur där s.k. dendriter (stammar och grenar) syns tydligt. Före efterföljande smide gör vi oftast en partiell homogenisering som jämnar ut kolfördelningen men till största del bevarar segringen av vanadin. Smidet utförs med noggranna temperaturer och till att börja med mycket försiktigt. Efter nedsmidning till c:a 5 mm fås en bandstruktur enligt bild 6. Bilden visar strukturen i ett snitt längs bladet och vinkelrätt mot bladytan. De ljusa ränderna är alltså snitt genom skikt som ligger i bladplanet. Bild 7 visar en delförstoring av en ljus rand. Man ser att de ljusa cementitkristallerna i bandet är ganska stora och avrundade samt att strukturen saknar korngränscementit. Den omgivande grundmassan är här perlit. Bild 4. Göt Bild 5. Dendritisk stelning Bild 6. Bandstruktur Bild 7. Cementit i ett band

4 För användning av stålet till knivblad kan bladen härdas med olika metoder. Det historiskt korrekta är att utföra en perlithärdning med forcerad luftkylning. Vid kraftigare kylning fås större andel perlit och mindre andel DET-struktur. För att få hårdare eggar kan man i stället bainithärda eller, om ännu högre hårdhet önskas, martensithärda och anlöpa. Vid kolhalter kring 1.5% erhålls ungefär HRC 46 vid perlithärdning, HRC 60 vid bainithärdning och HRC 63 vid martensithärdning och anlöpning vid 200. Alla tre metoderna bevarar cementitkristallerna intakta i bandstrukturen och ger samma damaskusmönster men kontrasten i mönstret blir något bättre för perlitisk grundmassa än för DET, bainit och anlöpt martensit. Från undersökningar av museala vapen vet man att sablar eller svärd ofta slipades från plana blad till jämnt avrundade bladytor från den breda ryggen till den vassa eggen. Då skar bladytorna snett genom den bandade strukturen med gradvis ökande vinkel. Om en sådan slipning tillämpas på knivblad som därefter poleras noggrant så erhålls goda förutsättningar att etsa fram damaskusmönster. De etsningstekniker som knivsmeder vanligen använder på vällsmidda damaskerade blad fungerar inte bra på damaskusstål. Etsrecepten är ju avsedda för en blandning av massiva skikt av dels stål som etsar relativt snabbt och dels stål som knappt låter sig etsas alls. Det är vanligt att etsa mycket kraftigt för att få kontrastrika reliefmönster. Av bild 7 framgår att ytan på ett äkta damaskusblad innehåller skurar av små cementitkristaller, de flesta mindre än 0.01 mm. Varje sådan cementitkristall är en liten planslipad och polerad spegel och skuren av speglar uppfattas av ögat som ett blankt område. Om man etsar ned omgivande grundmassa för mycket så lossnar de små cementitspeglarna lätt. De nya cementitkristallerna som etsas fram är ju inte blankpolerade småspeglar så inga nya blanka områden skapas utan bladytan uppfattas av ögat som nästan svart. Eventuellt får man ett snyggt mönster av de ljusa och blanka cementitpartiklarna som sitter som skaftvårtor på bladytan men om man torkar av bladet med en trasa så lossnar partiklarna och kvar blir den mörka bakgrunden, dvs. bladytan blir svart och utan mönster. Vi har experimenterat med ett antal svaga etsrecept och ganska långa etstider för att på så sätt få god kontroll på när etsningen ska avbrytas. Bilderna 9-16 visar exempel på etsningsprov på knivblad där dessa förfinade metoder använts. Det är inte helt lätt att avbilda de etsade bladen fotografiskt. Det krävs en ganska avancerad belysningsteknik vid fotografering av de dubbelkrökta och blanka ytorna om hela bladytans mönster ska framträda med lagom kontrast. Thomas Holmgren, bildlärare vid Rinmangymnasiet i Eskilstuna har genomfört fotograferingen. Några av bilderna visar mönstren på knivblad, smidda, slipade och polerade av studenter vid Mälardalens Högskola. Smidet utfördes under en laboration i materialteknik vid Faktotum inom Faktorimuséet i Eskilstuna. Bild 8 visar smidet av knivbladet som i etsat skick visas på bild 9 och 10. Bladen i bild 9-13 är tre studenters första smide. Bild 9. Etsat knivblad, student. Göt A Bild 8. Bild 10. Detaljförstoring

5 Bild 11 Etsat knivblad, student. Göt A Bild 12. Etsat knivblad, student. Göt A Bild 13. Etsat knivblad, student. Göt B Bild 14. Etsat knivblad, Torsten Almén. Göt C Bild 15. Etsat knivblad, Torsten Almén. Göt D Bild 16. Etsat knivblad, Torsten Almén. Göt D Foto: Thomas Holmgren, layman@algonet.se Torsten Almén, Gustafsbergs Smide, Bränne, Eskilstuna, talmen@algonet.se Göran Svensson, Mälardalens Högskola / IDP, Eskilstuna, goran.svensson@mdh.se