Marko Saari: Teräksistä

Tämä artikkelin rinnalla kannattaa lukea myös Marko Saaren tätä teemaa täydentävä Miekoista -artikkeli. Kirjoittaja on suomiheman pioneereja, heman Suomeen tuoneen Warusseppäin killan puheenjohtaja ja myös haarniska- ja miekkaseppä, mikä lisännee näkemyksen painoarvoa.

MAforgeron

Seppiä työssä 1300-luvulla.

Olisi hyvä ymmärtää, että nykymiekat eivät vastaa kovinkaan hyvin alkuperäisiä, vaan on sovitettu lähinnä tukemaan sitä mitä ihmiset nykyään haluaa tehdä. Eikä niinpäin, että ihmiset yrittäisivät saada miekkailunsa sopimaan alkuperäisiin välineisiin…

Kun mietitään historiallisia tapoja, syitä ja seurauksia vaikka aseiden ja haarniskoiden valmistuksessa,täytyy ottaa huomioon myös raaka-aineen valmistus. Rauta atomina ei ole sen kummempi tietenkään,mutta heti kun tarkastelemme sen yhdistymistä muihin aineisiin, tilanne on varsin eri nykyisellä teknologialla valmistettuna kuin ennen. Varhaisimmat raudanpelkistysmenetelmät olivat melko tehottomia lämmöntuoton suhteen. Tästä johtuen harkkohyteistä saatu rauta ei ollut kokonaan sulaa vaan enemmänkin hyytelöä, jossa oli paljon kuonaa; silikaatteja ja muita kiviaineksia.

Harkkohytti tehtiin muuraamalla kivestä tai tiilestä jättäen se ylhäältä avoimeksi, jotta harkkohytti saatiin täyttää ja tyhjentää sieltä käsin. Raudan valmistus tapahtui täyttämällä hytti kerroksittain sydellä ja malmilla. Harkkohytin alaosassa oli reikä, josta puhallettiin palkeilla ilmaa hyttiin sysien palaessa, jolloin puhalletun ilman happi reagoi hehkuvien hiilien kanssa synnyttäen hiilimonoksidia, joka pelkistää raudan.

Raudan pelkistyessä syntyi hytin pohjalle kuonapitoinen harkko, joka sitten hytin tyhjentämisenyhteydessä nostettiin yläpäästä ulos ja vietiin sitten aluksi pilkottavaksi ja valkohehkuiseksi tulistamisen jälkeen tiiviimmäksi taottavaksi. Kauli- ja käännä -menetelmällä aine ahjohitsattiin yhä uudestaan itseensä jotta saatiin epäpuhtaudet hajoitettua mahdollisimman pieniksi ja tasaisesti jakautuneeksi sekä ajettua aineesta ulos niin paljon kuin mahdollista. Rauta täytyi sitten hiilettää ja karkaista, jotta siitä voitiin valmistaa esimerkiksi miekkoja. Tämä on kuluttava prosessi ja aikaansaatu teräs on määränä vähäisempi kuin lähtömäärä rautana ja näkyy keskiajalta säilyneissä syöpyneissä miekoissakin juovikkaana rakenteena, jota modernista valetusta teräksestä on turha hakea.

Suomessa harkkohyttejä käytettiin vielä 1800-luvulla raudan valmistukseen järvi- ja suomalmista, vaikka isoissa eurooppalaisissa teollisuuskeskuksissa oli jo siirrytty parempiin menetelmiin. Näiden malmien kosteus ja epäpuhtaudet pyrittiin poistamaan polttamalla niitä nuotiossa (pasuttaminen) ennen harkkohyttiin laittamista. Harkkohyttien avulla raudanvalmistusta harjoitettiin myös varsinkin Itä-Suomessa talonpoikien kotitarveteollisuutena, koska alueella oli runsaasti järvi- ja suomalmia saatavissa.

Jatkokehitelmä harkkohytistä on masuuni, joita käytetään terästen alkutuotannossa nykyäänkin. Keskiajalla keksitty lietsouuni tehosti tuotantoa ja raaka-aineen puhtautta. Euroopassa ensimmäinen masuuni, jossa rauta on saatu sulana ulos, on dokumentoitu Ruotsin Lapphyttanista 1100-luvulla. Suomen ensimmäinen teollinen masuuni rakennettiin Mustioon 1616. Vesivoimalla toimivien palkeiden avulla ilmaa saatiin nyt lietsottua masuuniin aikaisempaa tehokkaammin, ja lämpötila saatiin nostettua niin korkeaksi, että rauta suli.

Tuloksena oli valurautaa, jonka hiilipitoisuus 2–3% C on työkaluihin ja aseisiin aivan liian kovaa ja haurasta vaatien jatkotoimenpiteitä hiilen vähentämiseksi. Yhdistämällä valurautaa ja kankirautaa saatiin aikaan käyttökelpoisempaa ahjoterästä, joka kuitenkin oli keskiajalla hyvin kallista. 1300-luvulla masuunit ja niiden ympärille syntyneet ruukit olivat levinneet ympäri Eurooppaa, ja raudan valmistuksesta tuli teollisuutta.

Euroopan suuria kivihiilivarantoja ei voitu käyttää kivihiilen rikkipitoisuuden vuoksi, joten masuunien polttoaineena käytettiin sysiä. Puuhiilen käyttö puolestaan johti nopeaan metsien hakkaamiseen ja raudan valmistus keskittyikin puuhiilen hinnan noustessa seuduille, jossa oli paljon metsiä ja vesivoimaa. 1600-luvulla keksittiin käyttää myös kalkkikiveä neutraloimaan rikki. 1709 keksittiin koksiuuni, jonka avulla kivihiilestä kyettiin pyrolyysillä valmistamaan koksia. Koksi kelpasi myös masuuniin, ja teollinen vallankumous pääsi toden teolla käyntiin. Putlaus keksittiin 1784, menetelmä jossa sulaa valurautaa hämmennettiin samanaikaisesti puhaltaen ilmaa sen yli, ja tästä alkoi teräksen teollinen valmistus nykymielessä.

Putlaamalla saatava keittoteräs oli laadultaan tasaista ja parempaa kuin vanha takoteräs. Seuraava edistysaskel oli 1828 keksitty puhallusilman esilämmitys, jossa puhallettava ilma kulki kuumennetun putken läpi parantaen masuunin energiataloutta, ja Cowperin kehitettyä 1860 masuunikaasun rekuperaattorin, masuuni saavutti sen nykyisen muotonsa.

Seuraavaksi vertailussa on otettava huomioon seosaineet. Keskiajalla teräksissä ei ollut hiilikarbidien lisäksi juurikaan muuta, epäpuhtauksien lisäksi siis. Nykyään voidaan terässeoksiin korkeissa lämpötiloissa lisätä hyvin tarkkoja osuuksia erilaisia metalleja jotka muokkaavat seoksen ominaisuuksia todella paljon. Esimerkiksi mangaani, jota nykyteräksissä on kaikissa, ei keskiaikaisista löydy. Nämä lisäaineet vaikuttavat mm. kovuuteen, sitkeyteen, kulutuskestävyyteen, iskunkestävyyteen sekä lämpökäsittelyn mahdollisuuksiin. Pulveriteräkset ovat seuraava askel kehityksessä, mutta hinnan takia eivät taida olla paljoakaan käytössä miekanvalmistajilla. Mitkä siis ovat erot käytännössä modernin miekan ja vaikka 1300-luvulla valmistetun välillä?

Keskiaikaisessa ei siis ole muuta kuin hiilikarbideja, moderneissa mm. vanadiini-, kromi-molybdeenikarbideja. Tämä vaikuttaa erona mahdollisuuteen saavuttaa suurempi sitkeys samalla kovuudella, tai vaikka suurempaan kulutuskestävyyteen. Tai vähäisempään ruostumisalttiuteen. Suuressa lämpötilassa seostettu nykyteräs on puhdasta ja tasajakoista. Keskiaikaiset ovat sepän taidosta ja resursseista riippuen enemmän tai vähemmän tasalaatuista. Toisaalta keskiaikaisessa miekassa voi olla ahjohitsattu rakenne joka mahdollistaa pehmeän ja joustavan sisuksen ja kovan ulkokuoren, tämä on tietysti mahdollista nykyäänkin mutta on kalliimpaa ja taitoa vaativampaa kuin yhden teräslaadun käyttäminen. Sitten on tietysti pintakarkaisumenetelmät ym. joilla voidaan nykyään saada aikaan sama tulos.

Summa summarum: keskiaikaiset miekat ovat laadultaan nykyisiä huomattavasti vaihtelevampia. Miekan terässä voi olla suuriakin kovuusvaihteluita, saati suhteessa toiseen saman sepän miekkaan. Terät ovat karkaistu melko pehmeiksi,koska kuonasulkeumat lisäävät jäykkyyttä ja rikkoutumisriskiä. Yksi syy (erityisesti kaksiteräisten tyvestä leveiden ja paksujen) miekkojen muotokielelle on materiaalivikojenaiheuttamien riskien minimointi.

 

Pitkittäishalkeama federin terässä. Messerin terä, joka alkaa leviämään ja messerin katkennut nagel. Marko Saari: ”Tämän tyyppiset ongelmat johtuvat yleensä siitä, että on karkaistu liian kovaksi. Tämä on nykyään valitettava tendenssi sporttihemassa. Käyttäjät vaativat suurempia puristuslujuuksia kestämään jatkuvaa terä terää vasten hakkaamista. Keskiaikaisten miekkojen kovuudet keskimäärin 50 HRc, nykyvalmistajilla yleinen minimi 55 HRc … siihen kun vielä yhdistetään vaatimus aina vaan paremmasta joustosta, ollaan jo kaukana alkuperäisestä miekkojen funktiosta.”

Mitkä ovat sitten miekkojen rikkoutumistavat?

Terän tylsyminen on ollut tietysti yleisin ’vika’, ja syntyy kun teräs kuluu sen hankautuessa leikattavaa ainetta vastaa. Niinkuin sanottu, nykyteräksillä on mahdollista saavuttaa huomattavasti kauemmin terävyytensä säilyttävä terä, seostamalla hiilen kanssa rautaa kovempia karbideja muodostavia aineita. Näissä tietysti teroittaminenkin on työläämpää. Tylsyminen ei kuitenkaan ole nykyään ongelma kuin niillä jotka harrastavat leikkausharjoittelua, ja näissä miekoissa monasti teroituskulmat ovat jyrkempiä helpottamaan leikkaamista kuin mikä ’taistelukäytössä’ optimi olisi.

Katkeaminen. Tähän voi olla useampi eri syy valmistusvirheistä virheelliseen käyttöön.

Lämpökäsittely liian kovaksi. Karkaisu tehdään tyypillisesti maksimikovuuteen ja päästöllä säädetään käyttökovuus. Jos tämä jää liian korkeaksi, terä tietysti säilyttää terävyytensä kauemmin ja leikkaa paremmin, mutta menettää samalla sitkeyttään eli mahdollisuuttaan sietää äkillisiä energiapiikkejä plastisen muodonmuutoksen kautta. Kun energiamäärä ylittää tietyn rajan, teräs ei jousta vaan katkeaa. Keskiaikaisissa teräksissä oleva lasimainen kuona ei yhdisty rautaan kuten metallit vaan muodostaa epäjatkuvuuskohdan energioille ja siten edesauttaa rikkoutumista.

Pito liian kauan austenointilämpötilassa. Tällöin teräksen yksittäiset raerakenteet pääsevät kasvamaan isoiksi, joka jälleen edesauttaa rikkoontumista pienentämällä murtumiseen vaadittavaa energiamäärää. Edelleen nykyterästen lisäaineet vähentävät tätä raekasvun riskiä, mutta on toki läsnä vähän seostetuissa teräksissä. Runsas rikki kerääntyy epäpuhtautena raerajoille aiheuttaen samanlaisen rikkoutumismekanismin pienemmilläkin raekoilla.

Muokkauslujittuminen. Mitä korkeampi hiilipitoisuus (tai muu seosaine, tähän vaikuttaa lähinnä atomin koon ero verrattuna rautaan) sen nopeampaa on muokkauslujittuminen rasituksen alla. Puhtaassa raudassa atomit pääsevät liukumaan toistensa ohi kuin kuulalaakerit, aiheuttaen vähäistä vastusta muokkautuessaan. Kun sekaan laitetaan muita aineita, atomit eivät enää pääsekään liukumaan eri kokoisten atomien ohi yhtä helposti, vaan tulee epäjatkuvuuskohtia. Tämä lisää sitkeyttä ja vastustaa muokkautumista. Mutta kun toistuvat energialataukset iskujen muodossa esim. toista miekkaa vastaan lisäävät näitä epäjatkuvuuskohtia, tulee vastaan kohta jolloin materiaali ei enää muokkaudu vaan repeää. Kaikki kolhut terässä, mitä terävämmät sen enemmän, aiheuttaa lähtökohdan repeämälle.

Yksi rikkoutumistapa on tietysti sirpaloituminen; terästä irtoaa tai lohkeaa paloja. Samat syyt kuin katkeamisessa, mutta esim. pehmeä sisus pysäyttää lohkeamisen etenemisen. Tuollainen pehmeä keskus mahdollistaa hyvinkin kovan teräosan käyttämisen, mutta ei estä tämän teräosan rikkoutumista kontaktissa toiseen kovaan esineeseen vaikka koko miekka ei katkeaisikaan.

Landauer_I_048_v Bladesmith, Nuremberg, 1569. (2)

Seppä Nürnbergissä 1569 (Landauer_I_048_v ). Kuva: Wikipedia.

1 thought on “Marko Saari: Teräksistä

  1. Päivitysilmoitus: Teräksistä ja miekoista | savon miekka

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s