La civilisation moderne doit en partie son existence à la découverte précoce que le fer contenant de petites quantités de carbone pourrait être rendu beaucoup plus dur que d'autres composés de fer. Cette substance, le fer contenant environ 0,6 à 1,7% de carbone et aucun autre élément d'alliage, a été le premier acier durcissable de manière prévisible et peut être appelé «acier ordinaire à haute teneur en carbone». Ces aciers peuvent être aussi durs qu'une lime et forment le groupe le plus élémentaire d'aciers à outils, où l'acier à outils est défini comme un acier capable de couper de l'acier plus tendre. La gamme de ces aciers comprend les simples mélanges de fer et de carbone dont nous parlerons ici ainsi que des aciers qui présentent des comportements très différents de leurs parents plus âgés en raison de l'ajout d'éléments d'alliage tels que le chrome, le cobalt, le molybdène, le nickel, le niobium, le titane , tungstène, vanadium, zirconium et autres qui modifient considérablement les propriétés de l'acier.
De nombreux produits manufacturés tels que les limes, les ressorts à lames automobiles et les lames de scie à bois sont fabriqués à partir de divers alliages d'acier à haute teneur en carbone. Si vous choisissez d'utiliser ces déchets pour fabriquer des couteaux, des ciseaux, des gouges ou d'autres outils de coupe, testez d'abord le durcissement d'un morceau de ferraille pour vous assurer qu'il contient suffisamment de carbone pour durcir la lime une fois trempée. Ce test évitera une surprise indésirable lorsque vous tenterez plus tard de durcir cet acier sans succès.
De nombreux aciers durcissables peuvent être façonnés et amenés au degré de dureté souhaité en utilisant des procédés relativement simples. Les outils de coupe, les ressorts et les usinages à haute résistance peuvent tous être fabriqués à partir d'aciers neufs ou usagés appropriés en utilisant ces procédés pour recuire, façonner, durcir et tremper ces articles. L'acier entièrement trempé peut être trempé en utilisant différentes durées et températures pour avoir les propriétés nécessaires pour les attaches, les outils, les ressorts, les couteaux et une myriade d'autres articles. Nous nous concentrerons sur l'application de ces informations à la fabrication d'un couteau simple mais très utile.
Implicite dans ce travail est une source de chaleur à haute température comme une torche oxy-acétylène ou une forge de charbon / charbon de bois. En effet, les forgerons étaient bien connus pour recycler les déchets d’acier à haute teneur en carbone en outils pour leur propre usage et celui des autres. Ces artisans avaient une compréhension pratique des processus utilisés pour travailler l'acier à haute teneur en carbone. Le besoin de températures élevées exige immédiatement des précautions telles que des vêtements appropriés, une protection contre les incendies et une ventilation avant de commencer. Toutes les températures seront données en degrés Fahrenheit.
Un peu de théorie nous aidera à comprendre comment un simple acier à haute teneur en carbone peut être modifié par les actions de chauffage et de refroidissement. Imaginez un cube. Sur chacun des huit coins du cube se trouve un atome de fer. De plus, il y a un atome de fer au centre du cube pour un total de neuf. Cette «cellule unitaire» est le plus petit groupe d'atomes de fer qui forme la base de la structure cristalline du fer. On l'appelle structure «cubique centrée sur le corps», un cube avec un atome de fer au centre de son corps.
Chaque cellule élémentaire partage ses atomes de coin avec les cellules élémentaires qui l'entourent. Le cube centré sur le corps est la forme du fer à des températures allant du dessous de zéro à environ 1400 degrés F. C'est également la forme associée aux propriétés magnétiques du fer. Lorsque l'acier est chauffé à la «température critique» d'environ 1400 °, la chaleur rend les atomes de fer plus actifs. Les atomes de fer se réorganisent à mesure que le métal se dilate. Les atomes centraux quittent leurs positions et de nouveaux emplacements sont établis au centre de toutes les faces de chaque maille élémentaire dans le métal chauffé au rouge. Cette réorganisation signifie que chaque cellule élémentaire et toutes les cellules élémentaires environnantes ont maintenant effectivement quatorze atomes de fer chacune, un à chaque coin du cube et un au centre de chaque face. Ces atomes sont bien sûr partagés avec toutes les cellules cubiques adjacentes. Le nombre d'atomes n'a pas changé, mais l'organisation de la structure cristalline a changé. Cette forme de fer est appelée «cubique à faces centrées» et n'est pas magnétique.
Dans les aciers à outils simples, le carbone est présent. Cela prend la forme de carbure de fer, un atome de carbone et trois atomes de fer. Lorsque le fer cubique centré sur le corps est chauffé à la température critique, le carbone se dissout lentement dans le fer. Lorsque le fer passe du cubique centré au corps au cubique centré sur la face, les espaces entre les atomes s'agrandissent. Les atomes de carbone se déplacent vers ces espaces, appelés espaces interstitiels. Cette forme de fer et de carbone chauffés au rouge est appelée «austénite». L'austénite n'a pas les propriétés magnétiques du fer cubique centré sur le corps; par conséquent, une perte d'attraction entre un aimant et un morceau d'acier chauffé signale que la «température critique» a été atteinte là où la cellule unitaire du fer est devenue cubique à faces centrées, et les atomes de carbone peuvent pénétrer dans les espaces désormais plus grands entre le fer les atomes. Cette diffusion des atomes de carbone parmi les atomes de fer prend du temps, l'acier doit donc être maintenu à la température critique ou légèrement au-dessus pendant quelques minutes avant que le carbone puisse migrer uniformément. Si le fer est lentement refroidi à partir de l'état austénitique, les atomes de carbone sont poussés hors de l'austénite et le fer revient à un état cubique centré sur le corps. Le mélange résultant de carbure de fer et de fer doux est appelé «perlite». C'est un état très doux et facilement usinable.
Si un acier à outils au carbone préalablement durci est chauffé à la température critique puis refroidi lentement, il deviendra également mou et on dit qu'il a été «recuit». Si, cependant, l'austénite est refroidie assez rapidement à partir de la température critique en étant trempée dans un liquide approprié, les atomes de carbone interstitiels sont piégés entre les atomes de fer à mesure que les atomes de fer se rapprochent rapidement. Cela crée un degré élevé de contrainte et de dureté dans l'acier. Cette solution solide de carbone et de fer se trouve maintenant dans une structure tétragonale centrée sur le corps appelée «martensite». Au microscope, la martensite apparaît comme une masse de fines structures en forme d'aiguilles. Les rangées soignées de cubes ne sont plus et l'acier est un Rockwell 65 très dur et cassant ou supérieur.
Avant que l'acier trempé ne refroidisse beaucoup en dessous de 200 °, il est à nouveau chauffé, mais à des températures beaucoup plus basses comprises entre 200 ° et 800 °. Ce processus, appelé «revenu», décompose une partie de la martensite, soulageant le stress et réduisant la dureté. Cette étape importante ajuste la dureté de l'acier en fonction de son utilisation prévue. Lorsque la température de revenu augmente, la dureté de l'acier diminue tandis que la ténacité et la flexibilité augmentent.
Il existe une relation prévisible entre la dureté et la flexibilité. Chaque point de trempe est un compromis différent entre les deux. Un outil de coupe, par exemple, aurait moins de contraintes et de dureté supprimées qu'un ressort. Bien qu'une hache et un couteau soient tous deux des outils de coupe, la trempe de chacun est différente en raison de l'application prévue.
Si la température de revenu devient suffisamment chaude, l'acier se ramollira complètement, tout comme lors du recuit. La température de revenu pour diverses utilisations peut être déterminée par des tableaux publiés pour cet alliage d'acier particulier. La température requise peut être fournie par des fours à commande thermostatique, en chauffant jusqu'à ce qu'un crayon de température fonde, ou en observant la formation de chaleur des couleurs d'oxyde sur la surface de l'acier propre.
Utilisons un acier simple à haute teneur en carbone représentatif composé de fer et d'environ un pour cent de carbone, tel que le 1095 commercial facilement disponible, pour fabriquer une lame de couteau. Cet acier est livré à l'état recuit, ce qui est une très bonne chose. De nombreux fichiers de machiniste plus anciens, mais certainement pas tous, sont fabriqués à partir d'un acier similaire. La première étape consiste à façonner le travail pendant que l'acier est mou. L'usinage, le forgeage, le meulage et le limage peuvent tous être utilisés pour façonner la lame du couteau.
La pièce préparée est ensuite chauffée à la température critique. Veillez à chauffer uniformément le travail, sinon une déformation se produira certainement. La température critique peut être trouvée assez précisément en utilisant un aimant. Lorsque le travail chauffé n'est plus attiré par l'aimant, la température critique a été atteinte. S'il était vu dans une faible lumière, l'acier serait brillant d'une couleur rouge cerise brillante, bordant l'orange dans une faible lumière. Maintenez cette température uniformément pendant quelques minutes pour permettre aux atomes de carbone de voyager et de se mélanger uniformément dans le fer. Ne laissez pas le métal devenir beaucoup plus chaud que cela, car une croissance de grain qui affaiblit la structure en acier se produira.
L'acier chauffé au rouge doit maintenant s'éteindre. Une huile légère est utilisée pour cet acier. Étonnamment, l'huile de canola bon marché fonctionne très bien. L'huile doit être chauffée à environ 130 degrés F. avant que la lame chaude ne soit éteinte.
La plupart des sections minces d'aciers à haute teneur en carbone durciront adéquatement dans une huile automobile de 10 poids ou de l'huile de canola et sont moins susceptibles de se déformer en raison de la vitesse de refroidissement plus lente de l'huile par rapport aux anciens milieux de trempe tels que l'eau ou la saumure. Cela peut être important pour les lames de couteaux minces. Une trempe à l'huile est inflammable, utilisez donc les procédures appropriées lors de la trempe à l'huile et ayez un extincteur à portée de main. Prenez des précautions avant de commencer au cas où l'huile chaude se répandrait pour une raison quelconque hors du réservoir de rétention.
Le travail doit être rapidement et complètement immergé dans la solution de trempe. Placez le réservoir de trempe à proximité de la source de chaleur afin que le temps entre la source de chaleur et la trempe soit très proche d'une seconde. Déplacez le travail de haut en bas dans la trempe. Cela empêche l'acier chaud de faire bouillir l'huile loin de sa surface, ce qui ralentirait la vitesse de refroidissement et réduirait éventuellement la dureté initiale. Le temps de laisser la lame dans la trempe peut varier en raison de la taille de la lame et du volume du milieu de trempe, mais une minute devrait convenir à la plupart des lames de couteau.
Retirez la lame de la trempe et testez la dureté du travail avec une lime fine. Le fichier doit sauter le travail sans mordre dedans. Cela indique que la dureté totale a été atteinte pendant la trempe. Occasionnellement, l'ouvrage se déformera en raison d'un chauffage inégal avant la trempe ou d'un refroidissement irrégulier pendant la trempe. Cela ne peut pas être entièrement évité, seulement minimisé en procédant avec soin.
C'est pour cette raison que dans l'industrie, de nombreux articles sont broyés après avoir été durcis. Le gauchissement s'est produit, mais a été broyé. Un léger gauchissement d'une lame de couteau n'affectera pas son utilisation. Vous remarquerez que l'acier a décoloré ou même développé un entartrage de surface à cause du contact avec l'atmosphère à sa température élevée. Ce revêtement de surface peut être retiré après le revenu en utilisant du papier de verre fin ou d'autres abrasifs.
Une fois que la lame est retirée de la trempe, mais avant qu'elle ne refroidisse en dessous d'environ 200 °, elle doit être trempée. La lame du couteau sera trempée à 450 ° F. Cela devrait donner une dureté Rockwell comprise entre 57 et 61. La lame sera dure et tiendra un bon tranchant. Une partie de la fragilité et de la dureté a été échangée contre une certaine flexibilité. La lame se cassera cependant si elle est pliée très loin.
Le chauffage et la trempe initiaux de 1095 sont assez simples. L'étape de revenu est plus difficile. La dureté spécifique liée à chaque utilisation est très importante. La dureté réelle du travail dépend de la chaleur de revenu maximale atteinte et du temps à cette température. Le problème est qu’il est très difficile de juger avec précision de la large plage de températures dans un petit magasin. Toute erreur de trempe rend le travail plus dur ou plus doux que souhaité et moins adapté à son utilisation prévue.
Le four de cuisine, lorsqu'il est utilisé en conjonction avec un thermomètre de four, constitue un four de trempe assez fiable jusqu'à sa température supérieure normale d'environ 500 °. Sachez que la plupart des fours domestiques dépassent la température sélectionnée, puis refroidissent en dessous de cette température avant de la dépasser à nouveau. Un réglage de 375 ° peut très bien atteindre 400 ° à un moment donné pendant le cycle. La température la plus élevée atteinte déterminera la dureté du travail. Vous pouvez utiliser deux thermomètres de four indépendants à l’intérieur du four pour avoir une meilleure idée de la température réelle du four. Lors de l'utilisation d'un four, un temps de tempérage de deux heures donne de bons résultats.
Au risque de se répéter, appliquons la théorie à la fabrication d’un couteau à partir d’une lime de manière pratique, étape par étape. Dites que le seul acier de lame potentiel avec lequel vous devez travailler est une ancienne lime de machiniste en acier à haute teneur en carbone qui est assez grande pour fabriquer une taille de couteau utilisable telle qu'une lame de couteau utilitaire à usage général.
Finalisez la conception du couteau avant de commencer à fabriquer le couteau. Si possible, incorporer un bord du fichier dans la conception pour économiser du travail. Un croquis est très utile à cet égard, tout comme une maquette en bois. Ce qui rend cet exemple différent, c'est que, contrairement au premier exemple, notre acier est déjà complètement dur et doit être adouci pour être utilisé. De plus, nous ne durcirons pas complètement la lame entière mais seulement le tranchant.
Le fichier dans son état actuel est très dur et difficile à travailler. Il est si dur et cassant qu'il se fracture s'il est plié ou frappé brusquement. Cette dureté peut être éliminée et la lime recuite en la chauffant jusqu'à ce qu'elle atteigne la température critique et en la refroidissant lentement.
La température critique peut être déterminée par une lueur rouge cerise brillante que l'acier dégage lorsqu'il est chauffé à cette température. Cette couleur doit être jugée dans une faible lumière intérieure et non à la lumière du soleil. Ne surchauffez pas l'acier. Utilisez le test de l'aimant pour vérifier la température. L'acier chauffé au rouge doit ensuite refroidir lentement jusqu'à ce qu'il soit inférieur à 800 ° F, un peu plus froid que le point auquel l'acier devient incandescence et commence à émettre une lueur.
(À conclure demain, dans la partie 2.)
