Metal structure of armor / A páncélok fémszerkezeti összetevői

Ez a bejegyzés ehhez a bejegyzéshez kapcsolódik illetve még egy későbbihez fog segítségül szolgálni. Csak azért hogy nagyjából érthetőek legyenek majd a bejegyzések akár az eddigiek akár a későbbiek.

http://korokcsodai.blogspot.com/2012/04/felvetesek-az-europai-pancelok.html

A múlt:
Az alkimisták szerint a vas nem volt más, mint a föld belsejében keletkezett fémtömeg összesűrűsödött és megmerevedett gőze. Úgy gondolták, hogy a vas is és a többi fém is két vegyületből jött létre, ami a higany és a kén. A fémek összetételét azonosnak tekintették csak a tisztaságukban láttak eltérést. Az arany volt a legtisztább fém a vas pedig a legkevésbé tiszta.
Az acélról a következőt írja le Albertus Magnus „De mineralibus et rebus metalicis” című 1969-ben megjelent munkájában:
„Az acél ugyan az a fém, mint a vas csak tisztább ennél, mivel a vas víz-elemeit desztillációval elgőzölögtették, a vas ezzel csak töményebbé és szilárdabbá vált s ezt a tűz erejével érte el. Ha a vasból eltávolítjuk a földi szennyezettséget, a vas megtisztul, fehéredik, keményedik, s mikor már túlságosan kemény kalapáccsal darabokra verhető.”

A jelen:
A vasat ércekből nyerik ezeknek legfontosabb fajtái:
Mágnesvasérc – magnetit (vastartalma 60-70%)
Vörösvasérc – hematit (vastartalma 40-60%)
Barnavasérc – limonit (vastartalma 28-40%)
Vaspát – Sziderit (vastartalma 30-40%)

Acélnak nevezzük azokat a vaskarbon ötvözeteket, amelyek 0,02%-tól 2%-ig terjedő mennyiségig tartalmaznak szenet. Az acélok zöme 700-900°C alatt más kristályszerkezetű alfa vas, mind e fölött gamma vas.

Fémek szerkezete

A fémek nagy része köbös rácsban kristályosodik.
A köbös térrács változatai:

Három féle szerkezetet különböztethetünk meg:

- Egyszerű köböset
- Térközepes köböset
- Lapközepes köbös

Színfémek:

A színfémek azonos hőfokon olvadnak meg és derednek meg. Tehát egyidejűleg jelen van a szilárd és a folyékony állapot is.

Ötvözetek:

Ritkán használnak a gyakorlatban színfémeket. A színfémek tulajdonság sokszor javítható ötvözéssel. Például nagyobb kopásállóság, szilárdság, alakíthatóság, önthetőség stb… érhető el.

A két anyagötvözéskor egymással az alábbi kapcsolatokat létesíthetik:
- szilárd oldat keletkezik: A szilárd oldatok a fém és az oldott anyag atomjai az oldó anyag rácsszerkezetét veszik fel.
- vegyület keletkezik
- eutektikum vagy eutektoid keletkezik

A szilárd oldatnak két fajtája jöhet létre:

Szubsztitúciós (helyettesítéses) vagy intersztíciós (beékelődéses).

Intersztíciós vegyületeket nagy atomsugarú fémek kis atomsugarú elemekkel alkothatnak. Ilyen például az Fe3C (vaskarbid) A forgácsoló szerszámok anyagai ilyen jellegű vegyületek, amelyek karbidokat képeznek, például wolfram, króm- és titánkarbidok.

Vegyület keletkezik, ha két elem kémiai reakció során molekulákká alakulnak és más tulajdonságú anyagot hoznak létre, melynek szerkezete független az eredeti anyagok szerkezetétől. A fémes vegyületek rácsszerkezetében nem jön létre csúszás ezért ezek igen kemények.

Eutektoid vagy eutektikumot a kristályos fázisok bármelyike létrehozhatja bármelyik
kristályos fázissal.

Színvas:

Szén és vas ötvözetek

A szénnek fémekkel alkotott vegyületeit karbidoknak nevezik.
Ezek általában nagyon kemény és rideg anyagok. Minél nagyobb mennyiségben található karbid egy ötvözetben az annál ridegebb, nehezebben megmunkálható. Szén a vassal vaskarbidot, más néven cementitet
képez. A 2,06% széntartalomig terjedő mező vas-szén ötvözeteit acélnak nevezzük. A nagyobb széntartalmú ötvözetek 2,06-6,67%-ig az öntöttvasak.

                                         A vas-szén (vas-cementit) fázisdiagram szövetszerkezettel.
                      piros - olvadék, zöld - ausztenit, szürke - cementit, sárga - ledeburit, világoskék - ferrit,
                                                                    sötétkék - perlit.

A perlit és a ledeburit összetett szövetelem, egy finomabb fölbontásban jellegzetes
szövetszerkezetet tartalmaz.

Vas-karbid szövetelemek

Ferrit:

Kevés szenet képes oldani ezért tisztavasnak tekinthetjük. A leglágyabb vaskarbon ötvözet. Kis karbon tartalmú acélokban világos színű, sokszög alakú kristályok formájában, nagyobb C-tartalmú acélokban ferrithálóként, továbbá az öntöttvasban a grafitkiválások környékén önálló kristályként fordul elő. Az anyagtudományban használt elnevezése a vasnak ferrit vagy más néven alfa-vas (α-Fe). (lapcentrált köbös szerkezetű kristály) A ferrit az acél és öntöttvas fő alkotórésze, ezáltal mágneses a vas. A közönséges acél főleg ferritet tartalmaz, a széntartalommal növekszik a perlit mennyisége is. Mivel a bainit vagy más néven ledeburit és a perlit egyik összetevője a ferrit.
Minden vas szén ötvözet tartalmaz bizonyos mennyiségű ferritet, ha szobahőmérsékleten eléri a kémiai egyensúlyt.

A ferrit szövetképe. Közel tiszta vas.

Ausztenit:

Jó szénoldó és korrózióálló képességgel rendelkezik. Ausztenit vagy gamma vas (γ-Fe.) (Laponcentrált köbös szerkezetű kristály). Az ausztenit az acélnak fontos alkotórésze. Az ausztenit paramágneses.

 

Az ausztenit szövetképe

 

Cr-Ni-t tartalmazó ausztenit szövetképe

Perlit

A Perlit nevét a nautilus házának lemezes szerkezetéről kapta, melyet angolul mother of pearl-nek, gyöngy
anyjának hívnak.

Perlit az ausztenit átalakulásakor keletkezik, felváltva tartalmaz ferritet és cementitet. A perlit lemezes szövetszerkezetű, 88 súlyszázalék ferritet és 12 súlyszázalék cementitet tartalmaz. Perlit akkor keletkezik, ha egy eutektoidos reakció során az ausztenitből, ha lassan hűtik 723 °C alá. A perlitnek van szemcsés szerkezetű változata is, ez edzett és megeresztett acélban mutatható ki.  A telített ausztenit bomlás terméke ferrit és cementit rétegekből áll.

A perlit szövetképe 

Ledeburit:

723°C-nál nagyobb hőmérsékleten cementit mezőbe ágyazott gömbölyded vagy tojásdad alakú ausztenit kristályokból áll. Kemény, rideg, kopásálló, képlékenyen nem alakítható.

A ledeburit szövetképe
1148 °C-on kristályosodik 4.30% C tartalommal.

Cementit vagy vaskarbid Fe3C:

Kemény rideg anyag mely bonyolult rácsszerkezettel rendelkezik. Mikroszkóp alatt vizsgálva fényes fehér színű. Az ötvözeteket törékennyé teszi.

Három változata van:

1. elsődleges vagy primer: 4,30%-nál nagyobb széntartalmú és 1148°C fölött jön létre
2. másodlagos vagy szekunder: 0,77 %-nál nagyobb széntartalmú ausztenitből válik ki 1148 – 727 °C között.
3. tercier vagy harmadlagos: a ferritből alakul ki 727°C alatt.

Martenzit:

Kemény, tűs szerkezetű szövetelem. Az acél edzésekor jön létre ausztenitből, hírtelen lehűtéskor. γ vas átalakul α vassá. A martenzit meta stabil, szénnel túltelített α vas. A martenzit igen kemény és rideg szövetelem.

A martenzit szövetképe

Bénit - bainit: 

Keménysége a martenzit és a finom perlité között van.
Ausztenit 727°C- alatt, az átalakulás befejeződéséig való hőn tartása során képződik. Ferritbe ágyazott karbid kristályok alkotják.

A bénit szövetképe

Szferoidit:

A martenzit bomlásterméke. Megeresztéssel alakítható ki.

A szferoidit szövetképe

Egyéb érdekesség:

A nikkel nevének eredte: Az angol öntők és kohómunkások 1-1 sikertelen csapolás után azt hitték,
hogy a sikertelenség oka maga az ördög, akit maguk között az öreg Nicknek neveztek. Ebből a
babonás hiedelemből és egy sikertelen öntés alapján született a nikkel neve.

A kobalt nevének eredete: Egy másik alkalommal, amikor vasérc közé egy másik érc keveredett s az
öntéskor nem vas folyt ki az öntőnyíláson a babonás öntők ezt is természetfölötti jelenségnek vélték és
azt hitték, hogy a koboldok változtatták át az öntött vasat más fémmé. Ennek a fémnek a kobalt nevet
adták.

Felhasznált irodalom:

Václav Koval: élet és halál féme a vas. Táncsics könyvkiadó Budapest 1965

Dr. Nagy Géza: Technológiai Rendszerek, Széchenyi István Főiskola Győr 2001

Interaktív hegesztés: A szerkezeti anyagok felosztása és felhasználása

Fiedler György: Anyagismeret 1999

University of Cambridge: Interpretation of the Microstructure of Steel

Some Aspects of the Metallurgy of European Armor / Felvetések az európai páncélok fémtanáról

A fémek tulajdonságait három különböző módon lehet elemezni.
1. A fémszakértő megfigyeli a fém szerkezetét egy erős nagyítóval és így vizsgálja a fém kristályszerkezetét és következtethet ebből a készítésre.
2. Spektroszkópos vizsgálat, amely megmutatja a fém, különböző összetevőit és a fémben a készítés során bekövetkezett változásokat.
3. A fém fizikai tulajdonságainak vizsgálata, amely által tudomást szerezhetünk a széntartalomról, a rugalmasságról és a fém ellenállásáról.

Anyagok
A fémek legnagyobb része, olvadáspontjuk alatti hőmérsékleten kristályos szerkezetűek. A fém atomjai kristálytani alaknak megfelelően helyezkednek el. A legtöbb fém rácsszerkezete felületén központos, térben központos, gyémántrács, tetragonális, hexagonális vagy rombaéderes alakzat. Ez a kristályszerkezet nem jöhet létre tökéletesen a valóságban. A kristályátalakulás térfogatváltozással is jár. A vas két alakulási hőmérséklettel rendelkezik 1392 °C a térben központos rács felületen központos szerkezetűvé válik, 911 °C értéknél ez újból térközpontos rácsszerkezetűvé alakul. Színfémet nem igazán alkalmaztak. Egyrészt azért mert ennek tulajdonságai nem felelnek meg az elvárásoknak, másrészt pedig azért mert csak ötvözéssel javíthatóak a tulajdonságaik. Ötvözet akkor keletkezik, ha két vagy több fémet vagy nem fémes elemet olvadt állapotban összekeverünk és lehűtjük. A vas legfontosabb ötvözője a szén. Acélnak nevezzük azt a
vaskarbon ötvözetet vagy vasalapú ötvözetet, amely 0,02 % -tól legfeljebb 2% -ig tartalmaz szenet.

Az acélt kovácsolhatóság szempontjából három csoportra oszthatjuk:
- 0,02%-tól – 0,8%-ig – korlátlan kovácsolhatósággal rendelkezik az acél. A korlátlan kovácsolhatóság legfelső határa a 8% széntartalom. Ezek a szerkezeti acélok, amíg a széntartalma meg nem haladja 0,6%-ot. Hevítési hőmérséklete 1150 Celsius foktól 1350 Celsius fokig terjed.
- 0,8%-tól – 1,3%-ig – korlátolt kovácsolhatósággal rendelkezik az acél.
- 1,3%-tól – 1,8%-ig – alig kovácsolható tulajdonságokkal rendelkezik az acél.
Az, az acél, amit a lemezvértek korában használtak azok a korlátlan kovácsolhatósággal rendelkező acélok voltak.

Az acélok kovácsolási hőmérséklete a széntartalom függvényében:

Széntartalom
%
                                          A kovácsolási hőmérséklet felső határa
                                                                Celsius
                                                                                                                      A kovácsolási hőmérséklet
                                                                                                                                 alsó határa Celsius
0,05                                                     1450                                                                      700
0,1                                                       1350                                                                      950
0,2                                                       1320                                                                      950
0,3                                                       1290                                                                      900
0,4                                                       1270                                                                      900
0,5                                                       1240                                                                      900
0,6                                                       1210                                                                      850
0,7                                                       1170                                                                      850
0,8                                                       1150                                                                      820
0,9                                                       1120                                                                      800
1,0                                                       1100                                                                      800
1,1                                                       1080                                                                      800
1,2                                                       1050                                                                      750
1,3                                                       1050                                                                      750
1,4                                                       1050                                                                      750
1,5                                                       1050                                                                      750

Az első vasgyártás buca kemencékben kezdődött. A kemencébe faszénre raktak vasércet majd ezt ismételten faszénnel fedték be. A buca kemencékben a vasgyártáshoz sok levegőre volt szükségük ezért eleinte magas dombokra vagy hegyoldalba létesültek leginkább ezek a tűzhelyek, azután a völgyekbe illetve folyópartokra készítik. 16 A buca-kemencékben a nyersvas sosem érte el a teljes folyékony állapotot. A kemence 800°C-ra tudta felmelegíteni a nyersvasat maximálisan. A buca kemencéket váltja fel az aknakemence ezeket már fújtatókkal is ellátták. Magasabbak voltak így nagyobb mennyiségű vasat tudtak előállítani. Az ércből
kiolvadt az alacsonyabb olvadáspontú salak, a különböző vas-oxidok nagy része a faszén karbon tartalmával illetve az abból képződött CO segítségével fokozatosan redukálódott. A 8-12 órás munka végeredménye egy szivacsos szerkezetű, többé-kevésbé képlékeny salak zárványokkal szennyezett kis széntartalmú vastömb volt. Ennek a neve a buca (massa ferri, lupus, luppa)17. Ezt a bucát a kemencéből kihúzva újraizzítással kalapálták, tömörítették, hogy a megmaradt salak távozzon.18 A fém, amit így kaptak nagy ferrit  kristályokból állt és kevés szenet tartalmazott ezért karburizálni kellett, hogy egy megfelelő tulajdonságú anyag jöjjön létre. A karburizáció során a fémet magas hőfokra hevítették 1500°C-ra egy olyan anyaggal,aminek  magas széntartalma volt. Az eljárás során a magas széntartalmú anyagból a fémbe vegyülve a szén egy megfelelőbb széntartalmú acélt hozott létre. A bucát kalapálással tömörítették és többszöri újramelegítéssel, kovácsrevével, ércporral összegyúrva, hajtogatással és hegesztéssel átkovácsolva tisztították meg a salaktól. Erre az eljárásra az első említés a 12. századból származik.

A reve nem más, mint egy három rétegből álló vasoxid kéreg a hevített vason. Ez három vas-oxid rétegből áll:
Fe2O3 – hematit, Fe3O4 – magnetit, FeO – wüstit

Néhány szakkifejezés: (A kifejezések Magyarországon voltak használatban a 13. – 15. században)
Metallum ferri – vasérc, vaskő
Malleus – hámor
Officina ferraria – a vastermelő üzem
Massa ferri – vas buca

A 14. század elejéig a vasgyártást ezekben a kemencékben oldották meg. A valódi vasolvasztók megjelenésével fejlődött a technológia. Vizi kerekekkel hajtották őket és fújtatókat is kapcsoltak hozzájuk. Ezek a kemencék már képesek voltak elérni az 1400- 1500 Celsius fokos hőmérsékletet is. Magyarországon elsőként a 14. század közepe táján jelent meg a vízzel hajtott vashámor. Azért hogy az öntöttvasat is használni tudják kellett egy olyan eljárás, amellyel ki tudták vonni a magas széntartalmat. Csökkenteni kellett az öntöttvas széntartalmát, ezt az eljárást hívják dekarburizációnak. A nagy széntartalmat hevítéssel úgynevezett frissítéssel csökkentették és ezzel acéllá, kovácsvassá alakították. Az eljárás a következő képen zajlott
le. Egy kemencében a cseppfolyósra melegített vason levegőt fújtatnak, át közben szénnel melegítik, ezt az eljárást Vallón kemencének, Vallón eljárásnak nevezik. Ezt az eljárást Belgiumban Vallónia régiójában a Liège városában találták ki, majd innen terjedt át Franciaországba elsőként Pays de Brayben alkalmazták ezt a technikát. Majd Franciaországból átterjedt ez a technika Angliába a 15. század vége előtt. Henri Le Feron hozta létre egy vasfeldolgozót 1451-ben Le Becquet-ben Beauvais közelében. Dél-keletre Namur városától, Gêves-ben is található egy ilyen műhely, amely több mint 550 éves.



A 15. században Styria területén használták egy eljárást, ami a következő volt:
Egy kovácsoltvas és egy öntöttvas darabot felmelegítettek és összekovácsolták őket (kovácshegesztés) így a magasabb széntartalmú öntöttvas a kevesebb széntartalmú kovácsoltvasnak adott át szenet és így létrejött az acél. Vannoccio Biringuccio Pirotechnika (de la Pirotechnika, 1540, Velence) nevezetű leírásában írt erről a folyamatról. Néhányan félre érthették Biringucciot és azt gondolhatták, hogy Biringuccio a bresciai eljárásról ír ebben a részében a művének. Bresciai eljárás egy olyan finomító folyamat, amelyre a Milánói fegyver
gyártóknak volt szüksége, ahhoz, hogy előállítsák a számukra szükséges nagy mennyiségű jó alapanyagot.
Ezt a technikát lapolással kombinálva egy olyan homogén acélt tudtak előállítani, ami majdnem a japán kardkovácsok által alkalmazott anyagokkal azonos volt.

Izzítási és megeresztési színek

A nyersacél előállításának nehézsége volt a legfőbb oka annak, hogy a középkorban a páncélkészítés nehezen tudott elterjedni. Később, amikor már elő tudnak állítani nagyobb acéldarabokat akkor a páncélkovácsolás
művészete is fellendül. A kovácsok azon oknál fogva részesítették előnyben az acélt, hogy az edzhető volt és nagy szilárdsággal rendelkezett. A korabeli acélokban kevés szennyező anyag található. Ezt bizonyítja egy a Helmschmiedek által készített páncél darabjainak röntgensugaras vizsgálata.

Tipikus elemek

Si                Ca                Mn               K              S              P                Mg
.08-.022 .   5-.24 .          46-.59          .08           0            .07-.15           .11-.24

A középkorban található acélban salakzárványok voltak, főként szilikát salakot tartalmaztak kisebb arányban tartalmaztak Ca, Al, Mg és Mn salakot is.




Felhasznált irodalom:

http://www.oakeshott.org/metal.html

Simon Sándor: Fémipari alapképzés szakmai gyakorlat

Dr. Török Béla: A vas archometallurgiája és ipartörténete

http://www.slidefinder.net/V/vas_archeometallurgi%C3%A1ja_ipart%C3%B6rt%C3%A9nete/a_vas_archeometallurgiaja/30404029

http://www.wealdeniron.org.uk/belg.htm

Vidovszky István: XVIII. és XIX: században kézműves technológiával készített kovácsoltvas épületszerkezeti
elemek vizsgálata.

Dr. Seregi György – Kristófi Ákos: Kovácsművesség 2005, 9o. – 10. o.

Václav Koval: Élet és halál féme a vas1965 Táncsics kiadó, Budapest

 A Magyar Királyság vaskohászata a Rákóczi-szabadságharc előestéjén és idején

 Dr. Török Béla: A vasérctől a vastárgyig…

Halmágyi – Riedel: Régi fegyverekről