Zjawiska fizyczne i chemiczne zachodzące w stali

Zjawiska fizyczne i chemiczne zachodzące w stali

Jedną z najważniejszych przemian chemicznych, jakie możemy zaobserwować podczas kucia, jest utlenianie. Stal – w temperaturze obróbki plastycznej – jest do tego stopnia aktywna, że dosłownie się spala. Jeśli mamy ten proces pod kontrolą, to jedyną jego wadą jest zgar, który albo odpada samoczynnie, albo też usuwamy go szczotką lub skrobakiem. Dodatkowo należy mieć na uwadze, że przy technologiach wymagających wielokrotnego nagrzewania, detal skutecznie odchudzi się nam poprzez odpadającą zgorzel. Warto wspomnieć przy tym, że węgiel, jako aktywniejszy pierwiastek, jest bardziej skory do wypalania, co w przypadku stali wysokowęglowych może powodować wypalenie się tegoż spomiędzy wiązań oraz odwęglenie kęsiska.

Dyfuzja – dla osób, które po raz pierwszy stykają się z tym terminem – może być trudna do wyjaśnienia. Można ją jednak porównać do przenikania np. prądu elektrycznego. Napięcie panujące w naszym organizmie jest bardzo niskie, dlatego po dotknięciu przewodu pod napięciem, powiedzmy, 230 V, przez nasze ciało przechodzą elektrony. No, chyba, że mamy bardzo gruby naskórek i dodatkowo stoimy w kaloszach. Gdyby w naszym ciele płynął prąd o takiej wartości, wówczas bylibyśmy w stanie napędzać  silnik elektryczny, który sam z siebie nie posiada przecież żadnego ładunku. Tak też jest ze stalą. Stal można wyobrazić sobie jako drożdżówkę z rodzynkami. Ciasto to w takiej analogii żelazo, a rodzynki to węgiel. Kucharzem nie jestem – dlatego jedynie zakładam, że rodzynki chciałyby raczej wypłynąć z surowego ciasta na wierzch (potwierdzone info, przyp. korektor, z zawodu kucharz). 

Podobnie jest ze stalą. Węgiel „pływa” pomiędzy atomami węgla, gdy osiągnie odpowiednią temperaturę. Wędruje wtedy od rdzenia aż do powierzchni, gdzie ulega wypaleniu. Jest to proces powolny, jednak wart przyjrzenia mu się z uwagą. Istotna jest możliwość odwrócenia procesu odwęglania, która nosi nazwę nawęglania, albowiem węgiel „ucieka” ze stali, ze względu na jego (procentowo) mniejszą ilość w otoczeniu. Tak, jak w przykładzie z prądem; dlatego możemy naładować jeden akumulator drugim, ale tylko do momentu, gdy w jednym i drugim uzyskamy równy stopień naładowania (mam tu na myśli prosty układ bezpośredniego podłączenia dwóch ogniw). Tak to właśnie wygląda, aczkolwiek gdy zapewnimy w otoczeniu więcej węgla, niż jest go w stali, wtedy po osiągnięciu odpowiedniej temperatury kęsisko zacznie „łykać” ów pierwiastek. Niestety, proces jest długotrwały i zachodzi tylko do pewnej głębokości. Naszą stal możemy wzbogacić w ten sposób również innymi pierwiastkami (np. azotem).

_MG_2376copyW poruszanym temacie warto byłoby przynajmniej napomknąć o przemianach dyfuzyjnych i bezdyfuzyjnych, które mają miejsce przy obróbce termicznej stali. Co prawda, materiał ten zajął swoje zaszczytne i rozległe miejsce w specjalistycznej literaturze naukowej, jednak większość z Was, moi drodzy czytelnicy, oczekuje przyjemnego kawałka tekstu, który da ogólne pojęcie, co się tak naprawdę w środku święci. Przynajmniej taką mam nadzieję. Dlatego też ograniczę się do pojedynczego akapitu, wyjaśniającego istotę procesu, dzięki któremu stal możemy uczynić zarówno twardą, jak i miękką; udarną, a czasami sprężystą.

Aby zrozumieć te prawa, musimy wyobrazić sobie strukturę, którą cechuje się stal. Dla uproszczenia podam przykład klocków Lego. Mając w ręku hipotetyczny, pojedynczy klocek, przyjmijmy, że w jego narożnikach znajdują się atomy żelaza, a w krawędziach zawiera się węgiel. Kiedy jednak podgrzejemy ten prostokątny klocek, wszystkie atomy staną się bardziej aktywne i będą potrzebować więcej miejsca; w ten oto sposób, nasz płaski klocek zamieni się w sześcian, który pochłonie węgiel do swojego centrum. Zakładając, że nasz klocek reagował wcześniej na magnes, to w tym właśnie momencie reagować by przestał. Gdybyśmy ów klocek odłożyli do wolnego ostygnięcia, węgiel znów przeszedłby powoli na krawędź. Prawdziwa magia zaczyna się wówczas, gdy szybko schłodzimy materiał i nie pozwolimy węglowi na skakanie, gdzie mu się żywnie podoba, niejako uwięziwszy go w centrum. Tą metodą uzyskamy twardy i kruchy klocek, choć na początku był miękki i plastyczny.

Zjawisko fizyczne, jakim jest płynięcie stali pod wpływem energii, której poddaje się nasze kęsisko, to bardzo szeroki temat. Najważniejszym, wymagającym doświadczenia zjawiskiem, jest – tak je nazwijmy – penetracja energii. Nie jestem pewien, czy każdy z Was ma jakiś kawałek plasteliny pod ręką; jednak to właśnie na niej łatwo jest przeprowadzić pewne doświadczenie. Uformujmy z niej szeroki walec, ustawmy go pionowo i przyciśnijmy ręką. Jeśli wykonamy to odpowiednio, nasz walec przybierze postać beczki. Jeżeli natomiast ten sam walec  będziemy uderzać np. linijką (oczywiście, z góry), to po kilku czy kilkunastu uderzeniach przeistoczy się w coś podobnego do grzyba. Dzieje się tak z tego powodu, że wywierając nacisk ręką, wyeksploatowaliśmy znacznie więcej energii, która była w stanie penetrować plastelinę na dużą głębokość; takiej energii nie miała z kolei linijka. Na to zjawisko bardzo duży wpływ ma tarcie. 

Na pewno wielu z Was zdziwiło się ostatnim zdaniem i spytało w duchu: „gdzie, u licha, występuje to tarcie?”. Otóż, tarcie występuje praktycznie podczas każdego kontaktu jednego ciała z drugim. W tym przypadku pojawia się ono pomiędzy stołem (czy jakiejkolwiek powierzchni, na której postawiliście model), a plasteliną. Tak samo pomiędzy Waszą ręką/linijką, a wspomnianym materiałem. Gdyby zarówno podstawę, jak i samą rękę posmarować olejem, zminimalizowałoby się tarcie. Zamiast beczki, otrzymalibyście wtedy również walec; grubszy na całej swojej długości. Tarcie uniemożliwia przesuwanie się materiału i więzi go, spełniając się jako swoista opaska. Kolejne cząsteczki hamowane są przez cząstęczki na powierzchni i stąd właśnie uzyskujemy kształt beczki.

siekier1copy

Przewodzenie i promieniowanie to najistotniejsze drogi transportu ciepła, na które należy zwrócić uwagę w trakcie kucia. Pierwsze wymaga kontaktu fizycznego; najłatwiej jest to zaobserwować, widząc różnicę pomiędzy stygnięciem detalu położonym na kowadle, a tym wkręconym w imadło. W imadle ma miejsce diametralnie szybsze studzenie. Tak szybki odbiór ciepła następuje również w momencie uderzenia młotkiem, ponieważ detal, który leży luźno na bitni, nie przylega idealnie. Zmienia się to w momencie zadziałania nań siły i dopasowania wszystkich powierzchni do siebie. Ciepło jednak tym samym nie znika, a jest jedynie przekazywane do młotka oraz kowadła (czy też jego szczęk). Podobnie sprawa ma się z wszelkim przecinaniem, wybijaniem czy korzystaniem z obusznicy – i to do tego stopnia, że w/w należy chłodzić co chwilę! 

Na tempo przewodzenia wpływ ma zarówno temperatura detalu, jak i samego narzędzia. Zimne narzędzie szybciej odbierze ciepło od ciepłego; podobnie, detal o wyższej temperaturze odda ją prędzej. Promieniowanie może być kłopotliwe, gdy pracujemy nad dużym kęsiskiem, np. trzymając w dłoni pobijak. Im większe gabaryty materiału i wyższa temperatura, tym promieniowanie wyższe i odczuwalne na większą odległość. Przy samej kotlinie istotny jest również czujny wzgląd na nią, dlatego też przysypuje się ją niepalącym się koksem, aby ograniczyć ucieczkę energii. Konwekcja jest obserwowalna także choćby podczas grzania detalu, jednak w tym artykule ograniczymy się do takiego właśnie napomknięcia, gdyż przy tak wysokich temperaturach ma ona mniejszy wpływ, niż obydwa pierwsze procesy. Tarcie podczas pracy nie tylko ogranicza płynięcie metalu, ale też częściowo zamienia energię mechaniczną w cieplną. Gdy sumiennie pracujemy nad detalem, jego stygnięcie jest znacznie wolniejsze – zwłaszcza, gdy zmieniamy przekrój.

Tagged .

Kowal z przeszło 10-letnim stażem. Ślusarz i spawacz. Najwięcej przyjemności sprawia mu wyrób narzędzi tradycyjnymi metodami, bez korzystania z dobrodziejstw dzisiejszych elektronarzędzi. Cierpi na wieczny natłok pomysłów, jak i nadpobudliwość konstrukcyjną. Co chwile rozpoczynając nowy projekt z pogranicza techniki cieplnej, mechanicznej czy wszelkiej innej na jakiej w danym momencie się skupił. Z czytelnikami chętnie dzieli się technikami, które każdemu pozwolą na stworzenie własnego małego ekwipunku jak również małych rzeczy pięknych. Uchyli rąbka tajemnicy jakim otoczony jest pradziejowy fach. Adam jest raczej pochmurnym człowiekiem i dopiero przy bliższym poznaniu zyskuje uśmiech. Pisząc dla Leśnego Rzemiosła oczywistym jest, że dzieli się tym, co potrafi najlepiej, czyli kuciem stali, obróbką termiczną czy wyrobem praktycznych narzędzi.

Zostaw komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

11 − jeden =