smijern

Smijern er en legering av jern og karbon med et svært lavt karboninnhold, vanligvis under 0,08 vektprosent. Innholdet av andre legeringselementer er også svært lavt, og det totale jerninnholdet er typisk 99,4 vektprosent. De andre legeringselementene er forurensninger av opptil 0,1 prosent mangan, 0,2 prosent silisium, 0,2 prosent fosfor og 0,1 prosent svovel.

Mangan og silisium er elementer som bidrar til herdbarhet, men fordi innholdet er svært lavt, er det i praksis umulig å herde smijern ved varmebehandling etterfulgt av bråkjøling. Smijernets ferrittstruktur vil riktignok omvandles til austenitt ved temperaturer over 910 °C, men på grunn av liten herdbarhet vil austenitten omvandles tilbake til ferritt under den etterfølgende bråkjølingen. Herdestrukturen martensitt vil bare kunne oppnås ved ekstrem rask avkjøling av et svært tynt gods. Dette krever helt spesielle forhold og lar seg ikke gjøre i ei smie med vanlige smiemner. Manglende herdbarhet ble tidligere ansett som en egenskap som skilte smijern fra stål, men man har nå gått bort fra dette kriteriet fordi et rent lavkarbonstål kan være like vanskelig å herde som smijern. Under ekstreme betingelser er det likevel mulig å herde en legering som smijern. Et jern med 0,05 prosent karbon vil ved herding oppnå en hardhet på nivå med perlitts hardhet som ligger betydelig over hardheten til vanlige konstruksjonsstål som blant annet brukes som bygningsmateriale.

På grunn av sitt beskjedne legeringsinnhold er smijern meget bløtt slik at det er lett å forme, og det er duktilt slik at det tåler mye deformasjon uten å sprekke. På grunn av sitt lave karboninnhold er det i tillegg godt sveisbart, også til seg selv. Dette er en god egenskap når smedene lager kompliserte smiprodukter, for ulike deler kan varmes og sammenføyes ved hjelp av smisveising som skjer ved hamring. Den lave styrken til smijern og det faktum at det ikke kan herdes ved varmebehandling og bråkjøling, har satt sine begrensninger på hva det kan brukes til. Men før stålet ble kjent, ble redskaper av og til deformasjonsherdet ved kaldsmiing slik at de fikk en brukbar styrke og hardhet (kaldjern). Et kjent eksempel på dette er eggen til en ljå eller en sigd.

Forurensningene av mangan, silisium og fosfor stammer helt eller delvis fra jernmalmen. Etter at man i masovnene begynte å erstatte trekull med koks som var fremstilt av fosfor- og svovelholdig kull, bidro råjernet med forurensninger av begge disse elementene. I smijernet er det meste av forurensningene samlet i opptil to vektprosent slaggpartikler som under bearbeidingen blir trukket ut i lange fibre og er ansett for å være fordelaktige under grovsmiingen som foregår ved høyest temperatur. Slaggfibrene gir dessuten produktet et karakteristisk fibrig utseende. Fibre av jernsilikat gir jernet motstand mot korrosjon, utmatting og sjokkbelastning. Men slaggene gir også en viss sprøhet.

Før billig masseproduksjon av stål begynte å utkonkurrere smijernet i andre halvdel av 1800-tallet, ble smijern brukt i bygnings- og skipsbjelker, jernbaneskinner og -koblinger, i broer, vannrør, (smi)verktøy, landbruksredskaper, porter, rekkverk, møbler, kjettinger, wirer, og i mindre produkter som nagler, bolter, mutre, hestesko og i kunstferdige ornamenter. Bruken avtok imidlertid gradvis (også på grunn av konkurranse fra støpejern), og for eksempel i England ble det siste smijernverket nedlagt i 1974.

I dag brukes smijern hovedsakelig for dekorative formål i porter, rekkverk, hagemøbler, senger, lysestaker og gardinstenger med mer. Imidlertid er det mange produkter som tilsynelatende er laget av smijern som egentlig er laget av lavkarbonstål, for eksempel konstruksjonsstål med varierende mengder karbon (0,1–0,3 prosent), mangan (0,6–1,5 prosent) og kobber (0–0,6 prosent). Sveiseoperasjoner i «smijernsprodukter» av lavkarbonstål blir vanligvis og for enkelhets skyld utført med buesveising istedenfor smisveising.

Fra starten på jernalderen ble smijern laget ved den «direkte» metoden for jernutvinning, det vil si at den oksygenholdige jernmalmen ble redusert i fast tilstand til svampjern ved å gløde den sammen med trekull. Det porøse svampjernet ble så hamret i varm tilstand slik at det ble smidd/sveist sammen til et fast metall samtidig som flytende slagg og andre forurensninger (som aske) ble tvunget ut. Det ferdige produktet ble kalt smijern fordi det var fremstilt ved smiing, eller sveisjern fordi hamringen hadde sveist det svampaktige utgangsmaterialet sammen til et fast metall. Det fremstilte jernet inneholdt omtrent 0,05 prosent karbon og var godt smibart og sveisbart. Hamringen skjedde først manuelt, senere mekanisk med maskinhammere.

Rent jern er forholdsvis bløtt. Til å begynne med fikk derfor ikke smijernet spesielt stor anvendelse, og det fortrengte ikke kobber og bronse som de viktigste bruksmetallene. Men etter hvert økte bruken, og man begynte blant annet å smi jern til lenker til bruk i fangetransporter og til våpen. Duktile jernsverd hadde den fordelen at de kunne rettes ut igjen for hånd eller med en hammer hvis de ble bøyd i strid, mens bronsesverd lett ble slått av. Men utrettingen tok tid, og den måtte ferdigstilles før neste angrep startet. Sterkere våpen kom senere da smedene lærte seg å produsere «stål» ved å oppkulle tynne strimler av smijern som så ble smidd sammen til tykkere gods (se stål).

Etter at masovnen ble vanlig i Europa, ble smijern etter hvert fremstilt av råjern som var produsert fra jernmalm ved bruk av trekull som fyrings- og reduksjonsmiddel. Råjernet ble smeltet om, og karbon og andre elementer som silisium, mangan og til dels fosfor ble fjernet/redusert ved oksidasjon (fersking) ved hjelp av en kraftig luftstrøm over smelten. Det faste jernet som ble dannet, ble så bearbeidet til smijern ved hamring for å drive ut restslagg, og tilvirket i stenger som var passende for videre behandling.

I første halvdel av 1700-tallet gikk man over til å bruke svovel- og fosforholdig koks istedenfor trekull i masovnene, og dette medførte at råjernet ble sterkt forurenset av disse elementene og derfor uegnet som råmateriale for smijern på grunn av forsprøing. Dette problemet ble løst på slutten av 1700-tallet da puddelprosessen ble patentert i England. Ved denne metoden ble råjernet fersket uten at jernsmelten var i direkte kontakt med den brennende koksen som lå i et eget kammer, bare med de oksyderende gassene i ovnsrommet. Slagg ble til slutt drevet ut ved valsing. Puddeljern var et førsteklasses smijern som ble foretrukket som konstruksjonsmateriale i broer, jernbaneskinner og i bjelker til bygninger og skip, og ga England en ledende stilling blant Europas smijernsprodusenter. Puddeljern ble ofte brukt i kombinasjon med støpejern som var bedre under kompresjonsbelastning.

Bruken av smijern kulminerte i 1860-årene da masseprodusert og rimelig stål inntok markedet etter at bessemerprosessen og andre forbedrede metoder for fersking av råjern var utviklet. Fra da av ble etter hvert de fleste produkter som tidligere var produsert i smijern, laget av stål. På grunn av en del sprøhetsfenomener i det nye stålet knyttet til høye innhold av karbon, fosfor og nitrogen (nitrogen fra fersking med luft), ble likevel smijern foretrukket i mange strukturelle anvendelser enda et par–tre tiår. Puddeljernet forble dessuten et etterspurt produkt til spesielle formål til langt ut på 1900-tallet, blant annet fordi det lave karbon- og slagginnholdet ga dette smijernet fremragende sveiseegenskaper. I England ble det siste smijernverket avviklet i 1974. I dag benyttes smijern mest i produkter som har et ornamentalt preg, men selv der er langt billigere og mer tilgjengelig lavkarbonstål i ferd med å overta.

• stål
• metallurgi
• jern
• smiing