Tillverkningsteknik och kvalité

Transkript

1 UV UPPSALA RAPPORT 2009:02 GEOARKEOLOGISK UNDERSÖKNING Tillverkningsteknik och kvalité Metallografisk analys av en skära från ett gravfält Halland, Tjärby socken, Tjärby 9:4, fornlämning 68 Lena Grandin G A L Geoarkeologiskt Laboratorium

2

3 UV UPPSALA RAPPORT 2009:02 GEOARKEOLOGISK UNDERSÖKNING Tillverkningsteknik och kvalité Metallografisk analys av en skära från ett gravfält Halland, Tjärby socken, Tjärby 9:4, fornlämning 68 Lena Grandin A G L Geoarkeologiskt Laboratorium Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 3

4 Riksantikvarieämbetet Avdelningen för arkeologiska undersökningar UV Uppsala Portalgatan 2A Uppsala Växel: Fax: e-post: e-post: Riksantikvarieämbetet UV Uppsala Rapport 2009:02 ISSN Utskrift Uppsala, 2009

5 Innehåll Sammanfattning... 6 Abstract... 6 Inledning... 7 Uppdrag... 7 Bakgrund... 7 Syfte och mål... 7 Metoder... 7 Provberedning... 7 Metallografisk analys... 7 Resultat... 8 Okulär granskning... 8 Metallografisk undersökning... 9 Diskussion och tolkning Referenser Administrativa uppgifter Figurer Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 5

6 Sammanfattning Geoarkeologiskt Laboratorium vid Riksantikvarieämbetet, UV Uppsala har analyserat en järnskära som hittades på ett gravfält i Tjärby, Halland. Uppdraget kommer från Per Wranning vid Kulturmiljö Halland. Skäran visade sig vara i det närmaste helt genomrostad trots att dess ytterform med långsmalt triangulärt tvärsnitt från rygg till egg är välbevarad. Vid metallografiska analyser i mikroskop kunde dock små områden av järn, som mest cirka hundra mikrometer stora, undersökas. Slagginneslutningar av två typer bidrar med intressanta detaljer om tillverkningsteknik. Den ena typen av slagginneslutningar är små och tunna och finns nära tvärsnittets ytterkant. Dessa är utsmidda längs med kanten. De är sannolikt rester från tillverkningsprocessen och har inte kunnat rensas ut fullständigt under smidet men har smidits ut ordentligt under arbetets gång för att t.ex. minimera sprickbildning. Den andra sortens slagginneslutningar är betydligt större och är långsträckta i andra riktningar. I ett fall ligger de koncentrerade centralt i skäran. Detta har en riktning vinkelrätt från ryggen mot eggen på skäran. Denna typ av inneslutning markerar vanligen en gräns mellan två lager av metall som har vällts samman. Här kan vi föreställa oss att skäran i ett skede under smidet har vikts ihop på mitten av ett tidigare dubbelt så brett järnämne och att slagg samlats i fogen mellan dessa järnskikt. Trots att järnet är kraftigt korroderat och det inte var möjligt att avgöra om det var mjukt järn eller stål, kan analyserna visa hur smeden har vikt och vällt ihop järn till den färdiga skäran. Abstract Geoarchaeological Laboratory at the Department of Archaeological Excavations, National Heritage Board has analysed an iron sickle from a grave field in Tjärby parish, Halland. The study is made on commission by Per Wranning, Kulturmiljö Halland. In spite of a well preserved morphology with a triangular section from back to edge, the sample from the sickle turned out to be almost totally corroded. The metallographic analyses could however reveal some small patches of metallic iron with size of some 100 microns. Slag inclusions of two types provide interesting details regarding the techniques used in the production. The first type is represented by small and thin inclusions that are extensively elongated along the outer surface of the sickle. These were probably trapped in the metal during the bloomery process. They have not fully been removed from the iron, but elongated and scattered during the subsequent procedures to e.g. minimise formation of cracks. The other type is somewhat larger and elongated in other directions. One concentration of such inclusions can be followed perpendicular from the back towards the edge. Probably they mark the weld between the folded iron. Despite the extensive corrosion of the sickle that made a characterisation of the metal impossible, the analyses were able to demonstrate in what way the blacksmith folded and welded the raw material to the final sickle. 6 UV Uppsala Rapport 2009:02. Geoarkeologisk undersökning

7 Inledning Uppdrag Vid en arkeologisk undersökning av ett gravfält i Tjärby sn, genomförd av Kulturmiljö Halland har bland mycket annat en skära av järn påträffats. Geoarkeologiskt Laboratorium (GAL) har fått förfrågan från Per Wranning, Kulturmiljö Halland, att analysera denna skära. Bakgrund Vid ett tidigare tillfälle har Geoarkeologiskt Laboratorium gjort en metallografisk analys av en annan järnskära från samma socken. Den var kraftigt korroderad och endast små metallkoncentrationer fanns som antydde att skäran var sammansatt av två olika järnkvaliteter, i form av ett mjukare järn och ett hårdare stål som hade vällts samman (Grandin & Andersson, 2006). Syfte och mål Skäran analyseras för att se vilket material den består av och hur den är uppbyggd. En fråga som är intressant att besvara är om den utgörs av mjukt järn, hårt kolstål, eller båda materialen. Andra frågor berör tillverkningstekniker; om den är sammanvälld av både mjukt järn och stål, hur dessa båda har lagts samman, om den har härdats eller bearbetats på annat sätt? Genom att undersöka ett tvärsnitt av skäran i mikroskop kan sådana detaljer studeras. Svaren utgör ett led i tolkningen om skärans funktion om den var avsedd att användas eller enbart för symboliskt bruk och smedens skicklighet. Metoder Provberedning Prov anlände i form av ett tvärsnitt som Studio Västsvensk konservering (SVK) preparerat fram efter samråd med GAL. Provet togs från en central del av skärans blad i anslutning till en brottyta med en limfog. Provet slipades lätt för att få fram ett plant tvärsnitt från rygg till egg. Hela provet placerades sedan i en gjutform och gjöts in i en plastblandning. Detta prov slipades och polerades. Metallografisk analys Den polerade ytan undersöktes i mikroskop i påfallande belysning. Undersökningen genomfördes i ett Zeiss Axioskop 40A polarisationsmikroskop utrustat med en digitalkamera. I mikroskopet kan olika texturer beroende på kemisk sammansättning och grad av bearbetning utläsas. Provet etsades också med 2 % nitallösning. Metoden är användbar för att bedöma kolhalten i materialet, t.ex. om det är ett mjukt järn eller kolstål. Metoden kan också avslöja ett fosforinnehåll, vilket påverkar materialets hårdhets- och Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 7

8 seghetsegenskaper. Även mängden och typen av slagginneslutningar kan studeras för att ytterligare kunna bedöma kvalitet och möjliga användningsområden. Några termer som används i detaljbeskrivningarna i resultatkapitlet är ferrit som är mjukt järn utan kolinnehåll, cementit som är en förening av järn och kol (Fe 3 C), och perlit som är en struktur uppbyggd av omväxlande ferrit och cementit. Generellt medför alltså en större mängd perlit en högre kolhalt och ett hårdare material. I de fall som metallen är kraftigt korroderad framträder vanligen en textur som beror på selektiv korrosion, dvs. de olika sammansättningarna har korroderat i olika grad. Denna textur är synlig även utan att provet etsas. Resultat Okulär granskning Det undersökta provet, Fnr 14409, utgörs av ett tvärsnitt som är långsmalt triangulärt. Det är 21 mm långt och som bredast vid triangelns bas, ca 3 mm. Vid spetsen är bredden mindre än 1 mm. Vid slipning och polering framträder en yta som är grå och fläckvis rostbrun, snarare än metallisk. Detta tyder på att det mesta av metallen är korroderad. Erfarenhetsmässigt vet vi att det trots detta brukar finnas mindre områden av metalliskt järn som framträder först vid högre förstoring i mikroskop och därför fortsatte provberedningen. Figur 1. Skärans spets. Det mesta är korroderat (flera grå nyanser). De ursprungliga ytterkanterna framträder som tämligen väldefinierade ljusare band. Ett område av bevarad metall finns längs den övre ytterkanten (i vitt). Foto från mikroskopet. 8 UV Uppsala Rapport 2009:02. Geoarkeologisk undersökning

9 Metallografisk undersökning I mikroskop framträder en mestadels väldefinierad ytterform med raka kanter som utgjort ytterkanten på skäran. Utanför denna kant finns rost som bildats sekundärt. Även innanför den välformade kanten är det mesta av skäran korroderad. Den väldefinierade ytterkanten består sannolikt av järnoxider och inte järnhydroxider. Endast mycket små fläckar av metalliskt järn finns bevarade (Fig. 1). Nära spetsen finns en liten långsmal slagginneslutning som är orienterad parallellt med ytterkanten (Fig. 2). Inneslutningen är mycket finkornig och innehåller troligen olivin och en glasfas. Den är ca 80 mikrometer lång och 5 mikrometer bred. Figur 2. Detalj från skärans spets där en liten slagginneslutning är nära parallell med skärans ytterkant. Foto från mikroskopet. På ett avstånd på ca 3 mm från spetsen finns centralt en ansamling av slagg (Fig. 3) som ligger parallellt med höjden på tvärsnittstriangeln. Detta långsmala stråk av slagg är ca 1,5 mm långt och som mest ca 50 mikrometer brett. Inneslutningarna domineras av wüstit som är omgivet av silikatrikt material som troligen är olivin och/eller glas. På samma avstånd från spetsen, men närmare ytterkanten, finns några små oregelbundna fläckar av metalliskt järn (Fig. 4 5). Den största är ca mikrometer stor. Intill denna finns en långsmal slagginneslutning som är parallell med ytterkanten och av samma karaktär som den närmast spetsen. Det är inte möjligt att se någon textur i de små bevarade metalliska delarna som antyder järnets sammansättning. Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 9

10 Figur 3. Detalj på en större slagginneslutning som löper längs med tvärsnittstriangelns höjd. Inneslutningen, centralt i bild, domineras av wüstit (ljusa runda former). Den är omgiven av rost (flera grå nyanser). Foto från mikroskopet. Figur 4. Ett fåtal oregelbundna fläckar av metalliskt järn (ljusa) finns bevarade i rosten (grå nyanser). Längst ner i bild syns samma inneslutning som i föregående figur. Foto från mikroskopet. 10 UV Uppsala Rapport 2009:02. Geoarkeologisk undersökning

11 Figur 5. Detalj ur föregående figur på det metalliska järnet (vitt). Alldeles under järnet finns en tunn inneslutning av liknande typ som i figur 1. Resten är rost. Foto från mikroskopet. På något större avstånd från spetsen finns ytterligare en bevarad fläck av metalliskt järn ca mikrometer stor. Inte heller i denna kan man se någon selektiv korrosion som antyder dess sammansättning. Ytterligare en större ansamling av slagginneslutningar som domineras av wüstit, finns i tvärsnittets centrala delar. Här löper inneslutningarna på diagonalen och skär från mitten ut mot kanten. De förefaller dock inte nå ända ut utan böjer diffust av till en riktning parallellt med ytterkanten. Några få oregelbundna fläckar av metalliskt järn, betydligt mindre än de andra, finns spridda i resten av tvärsnittet. I ett fall formar de långsmala lameller (Fig. 6). Det är dock inte säkerställt om denna form är primär och i så fall representerar perlit, eller om den endast är en slumpmässig korrosionseffekt. Trots långvarig etsning blir det ingen synbar effekt på de små metallfläckarna. Antingen är järnet därför sannolikt kolfattigt eller så är kornen större än de små bevarade fläckarna så det är inte möjligt att se korngränser. Detta blir extra tydligt om järnet består av ferrit som blir homogena fält vid etsning. Om det är perlit bör lameller av ferrit och cementit avlösa varandra och gränserna mellan dem bör synas någon stans. Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 11

12 Figur 6. Detalj på korroderat järn (grått). Ett fåtal ytor av metall finns kvar. Några långsmala former antyder att det kan röra sig om lameller av omväxlande ferrit och cementit, dvs. perlit, men det kan också vara enbart en sekundär effekt. Foto från mikroskopet. Diskussion och tolkning Provet från skäran är i det närmaste helt korroderat. Skärans blad formar i tvärsnitt en väl definierad långsmal triangel. Dess ursprungliga ytterform är tämligen väl bevarad runt stora delar av snittet. Ytterkanten formas av en tunn kant av järnoxider. Innanför den finns rikligt med järnhydroxider. Även utanför den ursprungliga formen finns en del påväxter av järnhydroxider. Ett fåtal oregelbundna områden av metalliskt järn finns bevarade i provet. De är koncentrerade till ytnära delar. Den största fläcken är mikrometer stor. Övriga är betydligt mindre. Det har inte varit möjligt att urskilja några texturer i metallen, vare sig före eller efter etsning av provet. Troligen beror detta på att järnet är kolfritt eller kolfattigt. Endast på en liten yta finns en textur som antyder att skäran åtminstone lokalt har haft ett kolinnehåll och varit stålartad. Det har dock inte gått att avgöra i vilken omfattning. Frågan är varför den yttre kanten av järnoxider har bevarats bättre än de inre delarna. En tolkning är att föremålet har haft ett yttre skikt av järnoxider som har varit kvar sedan smidet. Det senare skulle innebära att föremålet inte är helt färdigt för användning eller att skäran endast är symbolisk och inte ämnad för användning. Det senare finns det dock inte några andra indikationer på i denna undersökning. Några intressanta detaljer om smidesteknik, som framträder tämligen tydligt med tanke på bevarandegraden, får vi från slagginneslutningarna. Dessa förekommer i två typer i skäran. En variant är små och tunna inneslutningar som finns nära tvärsnittets ytterkant och också är utsmidda parallellt med kanten. Dessa inneslutningar innehåller framförallt 12 UV Uppsala Rapport 2009:02. Geoarkeologisk undersökning

13 järnfattiga faser som olivin och glas. Inneslutningarna är sannolikt rester från tillverkningsprocessen som inte har kunnat rensas ut fullständigt under smidet men har smidits ut rejält under arbetets gång för att minimera t.ex. sprickbildning. Den andra sortens slagginneslutningar är betydligt större och innehåller främst wüstit. Dessa är visserligen också långsträckta, men i andra riktningar. I ett fall ligger ett band centralt i snittet. Det har en riktning vinkelrätt från snittets bas mot spetsen, men följer endast en 3 millimeter lång sträcka. Denna typ av inneslutning markerar vanligen en gräns mellan två lager av metall som har vällts samman. Här kan vi teoretiskt föreställa oss att skäran i ett skede under smidet har vikts ihop på mitten av ett tidigare dubbelt så brett järnämne och att slagg bildats i fogen mellan dessa järnskikt. Liknande större, wüstitrika, slagginneslutningar löper också på diagonalen över tvärsnittet från centrala delar och ut mot kanten utan att nå ända ut. Denna förekomst antyder att det är fler än en hopvikning som har ägt rum och att liknande slaggbildning har skett i denna fog. Det är möjligt att se att vällning av järnet har skett under smidet, men det är mer osäkert vilka järnsammansättningar, dvs. kvalitéer som skäran består, eller bestod, av. Resultatet av undersökningen av denna skära kan jämföras med den som vi tidigare har undersökt och som också var kraftigt korroderad (Grandin & Andersson 2006). Den förra hade tydligare tecken på att innehålla kolstål, åtminstone i delar av bladet. Däremot var det inte lika tydliga tecken på smidestekniker som framträdde. Trots att de båda rostiga skärorna från gravfältet i Tjärby kar kunnat bidra med små detaljer om järn och smide är det fortfarande frågor som väntar på svar om teknik och funktion. Förhoppningsvis kan framtida material medverka med ytterligare kunskap. Referenser Grandin, L. & Andersson, D En skära från en förromersk grav i Tjärby. Metallografisk analys. Tjärby sn, Laholms kn, Halland. Geoarkeologiskt Laboratorium, Analysrapport Uppsala. Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 13

14 Administrativa uppgifter Riksantikvarieämbetets dnr: Riksantikvarieämbetets projektnummer: Projektgrupp: Lena Grandin. Digital dokumentation: förvaras på UV Uppsala. Fynd: fynd med Fnr 14409, ett ingjutet prov förvaras på UV Uppsala. Fotografier: Lena Grandin. 14 UV Uppsala Rapport 2009:02. Geoarkeologisk undersökning

15 Figurer Figur 1. Skärans spets. Det mesta är korroderat (flera grå nyanser). De ursprungliga ytterkanterna framträder som tämligen väldefinierade ljusare band. Ett område av bevarad metall finns längs den övre ytterkanten (i vitt). Foto från mikroskopet. Figur 2. Detalj från skärans spets där en liten slagginneslutning är nära parallell med skärans ytterkant. Foto från mikroskopet. Figur 3. Detalj på en större slagginneslutning som löper längs med tvärsnittstriangelns höjd. Inneslutningen, centralt i bild, domineras av wüstit (ljusa runda former). Den är omgiven av rost (flera grå nyanser). Foto från mikroskopet. Figur 4. Ett fåtal oregelbundna fläckar av metalliskt järn (ljusa) finns bevarade i rosten (grå nyanser). Längst ner i bild syns samma inneslutning som i föregående figur. Foto från mikroskopet. Figur 5. Detalj ur föregående figur på det metalliska järnet (vitt). Alldeles under järnet finns en tunn inneslutning av liknande typ som i figur 1. Resten är rost. Foto från mikroskopet. Figur 6. Detalj på korroderat järn (grått). Ett fåtal ytor av metall finns kvar. Några långsmala former antyder att det kan röra sig om lameller av omväxlande ferrit och cementit, dvs. perlit, men det kan också vara enbart en sekundär effekt. Foto från mikroskopet. Tillverkningsteknik och kvalité. Metallografisk analys av en skära från ett gravfält 15