Damaszener Stahl
Der Ausdruck Damaszenerstahl wurde im Orient bereits im ersten Jahrtausend verwendet. Als Damaszenerstahl wird ursprünglich der im Tiegel in der Schmelze hergestellte Stahl mit einer Maserung bezeichnet, der im indisch-orientalischen Raum hergestellt wurde. Die Herstellung endete im 18. Jahrhundert, über die Hintergründe gibt es unterschiedliche Thesen. Aus diesem Stahl mit einer teilweise gut sichtbaren Maserung wurden vor allem Rüstzeug und Blankwaffen hergestellt.
Im deutschsprachigen Raum kennt man vor allem den modernen Schweißverbund gehärteter und weicher Schichten aus Industriestahl als „Damaszenerstahl“. International wird der Begriff „Damaszenerstahl“ unterschiedlich ausgelegt. Zum Beispiel wird in den USA der moderne Schweißverbund erst seit 1973 als „Damaszenerstahl“ bezeichnet[1]. Die Ausdrücke „damaszieren“ und „Damaszenerstahl“ werden auch für die verschiedenen vorindustriellen historischen Stähle verwendet. Aufgrund der Gleichsetzung durch die Begriffserweiterung ist die fälschliche Annahme verbreitet, dass der Verbund aus gehärteten und weichen Stahlschichten seinen Ursprung in der Antike hat. Die Gemeinsamkeit zu den historischen Stählen, die bis weit über das Mittelalter hinaus hergestellt wurden, ist jedoch lediglich der Akt der Feuerverschweißung. Man muss zwischen den unterschiedlichen Arten von Schweißstählen unterscheiden.
Die Feuerverschweißung ist so alt wie der Stahl selbst, nur durch sie konnte überhaupt aus Eisenerzen ein brauchbarer Stahl hergestellt werden. In Europa mussten von Beginn der Eisenzeit (ca. 800 v. Chr.) bis zur Umsetzung des Windfrischverfahrens durch Bessemer 1855 die Stähle sämtlicher Stahlherstellungsverfahren mehrmals ausgeschmiedet, zusammenfaltet und verschweißt werden, um sie zu reinigen, reifen zu lassen und Konzentrationen zu lösen. Entsprechend weisen alle vorindustriell hergestellten Stähle eine mehr oder weniger gut sichtbare Maserung auf. Bis zur Nutzung der Elektrizität konnten Stähle nur durch die Feuerverschweißung miteinander verschweißt werden. Praktisch das einzige europäische Stahlherstellungsverfahren, bei dem keine Schmiedearbeit und Feuerverschweißungen zur Stahlherstellung nötig waren, ist das von B. Huntsman 1740 entwickelte Verfahren zur Gussstahlherstellung im Tiegel.
Indisch-orientalischer im Tiegel geschmolzene Stahl mit Maserung
Voraussetzungen
Bis in das 18. Jahrhundert war die Holzkohle mit ihrem vergleichsweise niedrigen Energiewert der effizienteste Brennstoff. Eisen mit einem Schmelzpunkt von 1538 °C kann mit Holzkohle praktisch nicht in die Schmelze gebracht werden, daher galt es im Altertum als unschmelzbar. Wird Eisen mit viel Kohlenstoff angereichert, sinkt der Schmelzpunkt und wird somit mit der Holzkohle erreichbar. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 1,5 % liegt der Schmelzpunkt des Stahls knapp unter 1450 °C (Eisen-Kohlenstoff-Diagramm), was etwa der Höchsttemperatur der Holzkohle entspricht. Gleichzeitig ist es auch die maximale Temperatur, welcher die früher aus Ton hergestellten Tiegel standhalten konnten. Der Kohlenstoffgehalt des hergestellten Stahls darf jedoch 1,7 % nicht überschreiten, er wäre dann nicht mehr schmiedbar. Daher ist diese Stahlherstellungstechnik nur in einem geschlossenen Tiegel möglich, in dem das Erz mit der genau dosierten Kohlenstoffmenge für die Reduktion und anschließenden Anreicherung eingeschlossen ist.
Verfahren
Eisenerze wurden mit einer dosierten Menge Kohlenstoff in einem verschlossenen Tiegel maximal erhitzt. Erst wird das Eisenerz durch den beigefügten Kohlenstoff zu Eisen reduziert. Sobald die Reduktion abgeschlossen ist, nimmt das noch feste Eisen Kohlenstoff auf, wodurch sein Schmelzpunkt sinkt und mit Holzkohle geschmolzen werden kann. Durch den Tiegel wird die unkontrollierte Kohlenstoffaufnahme verhindert. Ein Stahl sättigt sich in der Schmelze schlagartig mit freiem Kohlenstoff und ist dann nicht mehr schmiedbar. Der resultierende Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt unter 1,7 % kann direkt in die Form des Objekts geschmiedet werden.
Je nach Lagerstätte können in Eisenerzen auch andere Metalle enthalten sein. Sie sind nicht als Legierung integriert, sondern separat eingelagerte feinste Beimengungen. Elemente wie Vanadium, Chrom und Molybdän haben einen höheren Schmelzpunkt, als mit der Holzkohle erreicht werden kann. Sie bleiben bei der Schmelze des Stahls fest. Aufgrund des annähernd gleichen spezifischen Gewichts verteilen sie sich in der Stahlschmelze und gehen nicht in die Schlacke über. Beim langsamen Erkalten des Stahls von außen nach innen hat die Grenze von der Schmelze zum erstarrenden Stahl die Form von kleinen Bäumchen, die aus dem Griechischen als «Dendriten» bezeichnet werden. Erst beim Erkalten erkennt der Stahl die Fremdatome und stößt sie ab. Sie sammeln sich in den Spitzen der Bäumchen und werden dort aus Trägheit vom erkaltenden Stahl eingeschlossen. So entsteht im Stahl ein Netz aus Fremdatomen. Es liegt keine Legierung vor, da dafür beide Metalle die Schmelze erreichen müssen. Die Fremdelemente sind nur im Stahl eingelagert. Die oben genannten Fremdatome sind Elemente, welche harte Karbide bilden. Das heißt, durch langes Glühen binden sie Kohlenstoff an sich und wachsen.
Solange der Stahl nicht über 723/725 °C erhitzt wird, bleiben die Kohlenstoffkonzentrationen an den Fremdelementen. Bei besagter Temperatur ändert sich der kleine Atomaufbau von Ferrit und Perlit zum größeren von Austenit. Wird die Temperaturgrenze bei der Weiterverarbeitung überschritten, lösen sich die Kohlenstoffkonzentrationen. Der an den Karbiden angesammelte Kohlenstoff würde sich wieder verteilen. Bei der Behandlung mit Säuren erscheinen die Karbide weißlich im Kontrast zu der dunklen Matrix des hoch kohlenstoffhaltigen Stahls.
Wärmebehandlung
Klingen aus diesem Stahl können wegen des hohen Kohlenstoffgehalts nicht gehärtet (Bilden von Martensit) werden. Quellen beschreiben die Abkühlung des glühenden Stahls zum Beispiel an Zugluft oder in heißen Ölen. Viele Klingen weisen einen sichtbar dunkleren Bereich an der Schneide auf, welcher durch die Wärmebehandlung entsteht. Die dezente Kühlung erzeugt einen etwas zäheren Stahl. Der Stahl ist schnitthaltig, neigt jedoch zum Bruch. Entsprechend wurde bei vielen Säbeln im hinteren Bereich eigens vor dem Parierelement ein weicherer Stahl angeschweißt, um die Belastbarkeit der Klinge zu erhöhen.
Eigenschaften und Verwendung
Auf dem asiatischen Kontinent wurden bereits früh Stähle im Tiegel geschmolzen, jedoch ohne Maserung. Im Tiegel geschmolzene Stähle mit Maserung kommen erst später auf. Aus ihm wurden im indisch-orientalischen Raum prunkvolle Rüstungen, Schilde und Blankwaffen hergestellt.
Durch die Schmelze ist der Kohlenstoff stärker im Eisen gebunden als bei einem im Rennofen oder Rennfeuer hergestellten Stahl, der nicht die Schmelze erreicht. Dadurch wird ein Schweißverbund mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten und klarer Abgrenzung möglich, jedoch ohne Härtung. Bei der Schmelze gehen Verunreinigungen in die Schlacke über, der Stahl ist reiner und dadurch belastbarer. Beim im Tiegel geschmolzenen Stahl mit Maserung wird durch die eingelagerten harten Karbide die Verschleißfestigkeit erhöht. Heute werden Karbide auch für die Herstellung von Hartmetallen verwendet.
Schweißstahl
Erweiterung des Begriffs
In Europa kannte man den orientalischen Damaszenerstahl schon früh, zum Beispiel von den Kreuzzügen. In die Türkenkriege 1663/1664 wurde viel orientalisches Rüstzeug und Waffen aus im Tiegel hergestelltem Stahl mit Maserung erbeutet und ausgestellt. Im 18. Jahrhundert entstand großes internationales Interesse an der verloren gegangenen Herstellungsmethode des indisch-orientalischen Tiegelschmelzstahls mit Maserung. Es war nicht klar, ob es sich um einen Schmelz- oder Schweißstahl handelt. Man versuchte die in der Schmelze entstehende Maserung durch das Verschweißen von Stählen mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten nachzuahmen. 1771 veröffentlichte der renommierte französische Messerschmied J.J. Perret sein viel beachtetes Werk Art de Coutelier[2]. Im Kapitel Methode zur Herstellung von Stahl im Stil von Damaskus publizierte er seine Experimente mit Schweißstählen aus Schichten unterschiedlicher Kohlenstoffgehalte. Den orientalischen Tiegelschmelzstahl bezeichnete er damals als „natürlichen Damaszenerstahl“, seinen Schweißverbund als „künstlichen Damaszenerstahl“. Auch J. F. Clouet veröffentlichte 1803/1804 im Journal des Mines im Kapitel Instruction sur la fabrication des lames figurées, ou des lames dit de Damas[3] Schweißverbundstähle als Damaszenerstahl.
Die Herstellung eines Stahls mit einer schwarz-weiß Maserung auf Kohlenstoffbasis war zu jener Zeit in Europa nicht verbreitet. Der damalige härtbare Stahl wies noch keine Legierungen auf, die eine uneingeschränkte Durchhärtung ermöglichten. Das Erstellen eines Verbundes aus gehärteten und weichen Stahlschichten war nur bedingt möglich. Noch in Unkenntnis der Hintergründe des im Tiegel geschmolzenen Stahls kam es zur Erweiterung des Begriffs Damaszenerstahl. Er wurde vermehrt auch für Schweißstähle mit einer Schichtung unterschiedlicher Kohlenstoffgehalte verwendet. Die Begriffserweiterung bezog sich damals jedoch immer auf den orientalischen, im Tiegel geschmolzenen Stahl mit Maserung.
Besonders im deutschsprachigen Raum ist der «Damaszenerstahl» unterdessen zu einem verallgemeinernden Überbegriff geworden. Als Handwerk ist seit Jahrzehnten hauptsächlich die moderne Verbundstahlherstellung von wechselnd gehärteten und weichen Stahlschichten aus Industriestahl verbreitet. Weil bei vielen historischen Stählen, die als Boden-oder Wasserfunde geborgen wurden, durch Rost eine deutliche Schichtung erkennbar ist, wird dies oft ebenfalls als Damaszenerstahl interpretiert. Unterdessen ist es durchaus üblich, den einfach herzustellenden modernen Verbund aus gehärteten und weichen Industriestahlschichten mit der historischen Stahlherstellung gleich zu stellen. Wobei weder der Eisenwerkstoff, die Hintergründe, der Herstellungsablauf, die Eigenschaften noch das Aussehen übereinstimmen.
Nicht in der Schmelze hergestellte Schweißstähle
In Europa wurde von etwa 800 vor Christus bis zum 13. Jahrhundert der Stahl ausschließlich im Rennfeuer oder Rennofen aus Eisenerzen mit Holzkohle hergestellt. Der entstehende, direkt schmiedbare Rohstahl wird als Luppe oder Eisenschwamm bezeichnet. Selbst im Spätmittelalter, als die Ofenbauten mehrere Meter Höhe erreichten, entstand in den sogenannten Stück-oder Wolfsöfen noch ein fester, schmiedbarer Eisenschwamm (auch Stück oder Wolf genannt). Die Stahlschmelze wurde mit der Holzkohle nicht erreicht. Erst als die Ofenanlagen noch höher wurden, entstand teilweise mit Holzkohle auch flüssiger Rohstahl. Wenn Eisen den flüssigen Zustand erreicht, reagiert es heftig und sättigt sich fast schlagartig mit bis zu 4,3 % Kohlenstoff. Das entstehende Gussroheisen ist nicht schmiedbar, solcher Rohstahl galt als verdorben. Die Hüttenarbeiter nannten ihn „Dreckfluss“ oder „Pig-iron“. Die Stahlschmelze war nicht erwünscht, als Produkt wollte man zu jener Zeit noch einen direkt schmiedbaren Eisenschwamm.
Prozess
Zur Stahlherstellung werden Eisenerze mit den Kohlen vermischt, welche sowohl die Wärmeenergie wie auch das Kohlenstoffmonoxid für die Reduktion liefern. Die Bauweise der kleinen Reduktionsöfen ist dabei weniger relevant, da die Holzkohle die Konstante für die Reduktion ist. Hoher Luftdruck erzeugt eine hohe Temperatur bei schneller Verbrennung. Der Ofeninhalt sackt schnell ab. Bei wenig Druckluft ist die Temperatur niedriger, das Erz weniger reaktionsfreudig, die Holzkohle brennt langsamer ab, das Erz bleibt dafür länger in der heißen Reduktionszone. Erst wenn ein Ofen mehrere Meter hoch ist, entsteht eine so breite Reduktionszone, dass das entstandene Eisen zusätzlich mit viel Kohlenstoff angereichert wird. Bei einem Kohlenstoffgehalt von etwa 1,5 % sinkt der Schmelzpunkt des Stahls unter 1450 °C, der mit Holzkohle erreichbaren Temperatur. Der Stahl schmilzt, sättigt sich schlagartig mit Kohlenstoff und wird zu nicht schmiedbarem Gusseisen. In kleineren Reduktionsöfen entsteht mit Holzkohle immer ein fester, schmiedbarer Stahlschwamm, das reduzierte Eisenerz setzt sich lediglich im teigigen Zustand ab und verschweißt.
Der Eisenschwamm ist aber in diesem Zustand noch nicht brauchbar. Schmiedet man daraus direkt eine Klinge, wird sie bereits bei geringer Belastung morsch brechen. Der Rohstahl benötigt nachträglich noch lange, hohe Temperaturen und eine große Streckung. In erster Linie ist die Schmiedearbeit ein nötiger Reifeprozess, man kann es aber auch als Raffination sehen. Erst wenn der Stahl mehrfach ausgeschmiedet, halbiert, in sich zusammengeklappt und verschweißt wird, bekommt er seine Reife und wird brauchbar. Entsprechend sind die Schmiede-, Falt- und Schweißprozesse so alt wie der Stahl selbst. Auch das Vereinigen und gezielte Zusammenstellen von Stählen wurde bereits von Beginn der Eisenherstellung durch die Feuerverschweißung erledigt.
Weltweit wurden durchschnittlich 5–10 Faltungen und Feuerverschweißungen durchgeführt, um den schmiedbaren Rohstahl aus den Reduktionsöfen aufzubereiten. Für einfache Stähle reicht der fünfmalige Schmiede- und Schweißprozess, dabei wird 1 cm Rohstahl auf 32 cm gestreckt. 1, 2, 4, 8, 16, 32. Bei der Schmiedearbeit fällt laufend Hammerschlag (Zunder, Eisenoxid) ab. Bei den aufwendigen Schmiede- und Schweißprozessen kann der Stahlverlust bis zu 50 % betragen.
Verbreitung
Etwa zwei Jahrtausende lang wurden europäische Gerätschaften, Werkzeuge, Rüstzeug und Waffen ausschließlich aus nicht geschmolzenem Stahl hergestellt. Diese Urform der Stahlherstellung ist absolut naheliegend und wurde weltweit verwendet. Alle haben denselben nicht geschmolzenen Rohstahl mit Holzkohle hergestellt und mussten ihn zwingend auch in gleicher Weise durch viel Schmiede- und Schweißarbeit aufbereiten. Heute wird die historische Stahlherstellung und Aufbereitung eigentlich nur noch bei der traditionellen japanischen Schwertherstellung angewendet. Der Rennofen wird Tatara genannt und das resultierende Roheisen Tamahagane. Bei allen alten Kulturen ist in der Eisenzeit das identische Handwerk der Stahlherstellung nachgewiesen, es ist eigentlich ein einfaches Verfahren. Die Beschreibung, dass Eisenerzen mit Holzkohle im Feuer oder Ofen reduziert und anschließend mit viel Schmiede- und Schweißarbeit aufbereitet wurden, findet man bei den Griechen, Römer, Kelten in Afrika, China, Indien, Persien usw.
Härtung
Weil das Eisen nicht die Schmelze erreicht, kann es keine Legierung mit vorteilhaften metallischen Legierungselementen geben. Das Härten von Stählen ohne Legierungselemente ist riskant. Es gibt nur einen schmalen Bereich, in dem die Härtung glücken kann. Bereits geringe Abweichungen von der optimalen Situation führen zu Härterissen oder es entsteht kein Martensit (Härtung). Der Schmied kann nur nach Gefühl und Erfahrung sämtliche Eigenschaften des Stahls für eine Härtung einstellen. Ohne Messinstrumente haben selbst erfahrene Schmiede eine Quote von geschätzten 80 %, dass eine Härtung gelingt. Das Risiko ist hoch, dass die viele Vorarbeit bis zum fertig geschmiedeten Objekt schlussendlich durch Härterisse zunichtegemacht wird.
In einem nicht gehärteten Stahl besteht das Gefüge aus Perlit (mit Kohlenstoff gesättigt) und Ferrit (leeres Eisenkristall). Beim Erwärmen auf Härtetemperatur (im Eisen-Kohlenstoffdiagramm AC3) wechselt das Gefüge zu Austenit. Wird der Austenit schnell abgeschreckt, entsteht Martensit, der gehärtete Stahl. Ohne Legierungselemente kann nur ein Stahlquerschnitt bis etwa 4 mm in Wasser schnell genug abgeschreckt werden (kritische Abkühlgeschwindigkeit), dass Martensit entsteht (siehe ZTU-Diagramm, Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Schaubild). Vorwiegend metallische Legierungselemente erweitern den Bereich des Austenits, dass größere Querschnitte durchgehärtet und das dezenter abkühlende Öl verwendet werden können. Dadurch wird die Gefahr von Härterissen stark verringert. Durch niedrigen Kohlenstoffgehalt, schlechte Stahlqualität und Verunreinigungen wird die Durchhärtung zusätzlich reduziert. Klingen aus nicht in der Schmelze hergestellten Stählen weisen allgemein eine schmale, abgesetzte Härtung der dünnen Schneide entlang auf. Nur bei Querschnitten, die wenig größer als 4 mm sind oder bei exponierten Kanten kann auch eine geringe oberflächliche Randhärtung entstehen. Bekannt ist die abgesetzte Härtung besonders von japanischen Blankwaffen.
In Europa wurde das Härten des Stahls schon früh verwendet. Jedoch weisen viele Schwerter über 2000 Jahre hinweg von Beginn der Eisenzeit an keine Kohlenstoffhärtung auf. Nicht gehärteter Stahl ist nur wenig härter als Kupfer. Bei dem nicht in der Schmelze hergestellten Stahl kann in anderer Weise ein zäher Stahl hergestellt werden. Diese Technik muss unter den Schmieden allgemein bekannt gewesen sein und wurde vor allem bei Schwertern verwendet.
Der Kohlenstoff weist ohne Schmelze nur eine schwache Verbindung zum Eisen auf. Als Beispiel ist im Bild ein Verbund aus Industriestahl zu sehen, dessen Schneide bei 960 °C nachträglich mit Kohlenstoff angereichert wurde. Der Kohlenstoff des Verbunds aus in der Schmelze hergestelltem Industriestahl mit Legierungselementen weist selbst nach langer, hoher Temperatur noch schroffe Grenzen auf. Der nachträglich eingegebene Kohlenstoff an der Schneide war nach der Anreicherung klar abgegrenzt. Bereits nach kurzem Glühen ist er jedoch zu einem breiten Verlauf geworden. Der nicht in der Schmelze hergestellte Stahl besitzt ebenso einen nur locker gebundenen Kohlenstoff, der beim Glühen schnell diffundiert. Kohlenstoffanreicherungen (Zementieren) sind in nicht in der Schmelze hergestellten historischen europäischen Stählen oft zu finden. Man kann zwei Verfahren unterscheiden. Für einen gesamthaft höheren Kohlenstoffgehalt im Stahl wurden Stähle über die Oberfläche mit Kohlenstoff angereichert, zusammengefasst und die Konzentrationen durch Schmiede-, Falt- und Schweißprozesse verteilt. Man kann dies sinnvoll als Gerben bezeichnen. Es wurden aber auch fertiggestellte Objekte oberflächlich mit Kohlenstoff angereichert und danach direkt gehärtet oder zumindest einer Wärmebehandlung unterzogen.
„Natürliche“ Maserungen
Die primäre Maserung von vorindustriellen Schweißstählen besteht aus oxidischen Linien. Dem Rohstahl anhaftende Oxide werden eingeschlossen, durch den Faltprozess lang gezogen und laufend verdoppelt. Die weißlichen Strukturen können dicht oder offen sein, wobei der geschlossene Stahl die bessere Qualität ist. Materialunterschiede sind allgegenwärtig, weil der sich beim Reduktionsprozess laufend absetzende Stahl sämtliche Schwankungen dokumentiert. Eine Luppe ist nicht homogen. Oft wurden jeweils nur kleine Mengen Rohstahl durch die Schmiede- und Schweißprozesse aufbereitet und anschließend durch die Feuerverschweißung zu einem größeren vereinigt. Es gibt unzählige Möglichkeiten von Zusammenstellungen, Zufallsprodukte und bewusst eingesetzte Qualitäten. Kein Stahl gleicht dem anderen. Ohne die Zugabe von Kalkstein geht der Phosphorgehalt der Erze in den resultierenden Stahl über und verstärkt die Vielfalt zusätzlich. Im Stahl erscheint der Phosphor weißlich und kommt in europäischen Artefakten in unterschiedlicher Variation und Konzentration vor. Zusätzlich sind auch porige und geschlossene Stähle allgegenwärtig, die auch mehr oder weniger große Mengen an Verunreinigungen aufweisen können. Diese speziellen Stahlsorten kann es nur geben, weil der Stahl nicht in der Schmelze hergestellt wird.
Was man nicht findet, sind wechselnde Schichten aus gehärtetem und weichem Stahl. Wegen der geringen Bindung des Kohlenstoffs zum Eisen, gleichen sich unterschiedliche Kohlenstoffgehalte im glühenden Stahl schnell aus und bilden breite Verläufe. Weil die Stahlstrukturen weniger auf Kohlenstoffunterschieden basieren, ist für ein Untersuchung des Stahls die Kunstpolitur, wie sie auch für japanische Blankwaffen verwendet wird, das effektivste Verfahren zur darstellenden Untersuchung. Das Ätzen, wie bei dem modernen Verbund aus Industriestahl, der ausschließlich auf Kohlenstoffdifferenzen basiert, ist für diesen Stahl nicht geeignet.
Bewusst erstellte Maserungen
Bei den nicht in der Schmelze hergestellten europäischen Stählen war die bewusste Erstellung von Maserungen mit phosphorhaltigen Stählen weit nahe liegender als mit Kohlenstoff. Viele europäische Erze weisen einen hohen Phosphorgehalt auf, im Gegensatz zum Kohlenstoff kann mit Phosphor eine klare Abgrenzung erreicht werden. Phosphor hat ein großes Atom, das auch bei langen, hohen Temperaturen im Stahl stabil bleibt. Kohlenstoff dagegen hat ein kleines Atom, das leicht im Eisen wandern und sich ausgleichen kann. Der Phosphor erzeugt einen weißlichen Stahl, der oft zusätzlich auch porig und verunreinigt ist, was den Kontrast zu einem geschlossen geschmiedeten, reinen Stahl erhöht. Der Stahl von Werkzeugen und Gebrauchsmaterialien und auch Waffen wurde vorwiegend rein funktionell hergestellt und zusammengestellt. Vieles, was heute als verzierende Elemente gesehen wird, sind bei genauer Betrachtung vor allem funktionelle Schmiedetechniken. Zum Beispiel die teilweise gut sichtbaren, langläufigen Stahlstrukturen der Schwerter aus der La-Tène-Zeit. Hintergrund für den manchmal gut sichtbaren Klingenaufbau war eine damals übliche Schmiedetechnik, um trotz schlechter Voraussetzungen eine möglichst effektive Waffe zu erhalten. Auch die Basis der Torsionen in römischen- oder wikingerzeitlichen Spatha war eine spezielle Schmiedetechnik zur Herstellung kampftauglicher Klingen, die teilweise auch dekorativ umgesetzt wurde.
Der nicht in der Schmelze hergestellte Stahl hat spezielle Eigenschaften, die man früher kannte und nutzte. Millionen von Stahlarbeitern hatten Tausende Jahre Zeit, um diesen Stahl zu erforschen. Wie beim heutigen Industriestahl gibt es auch bei dem nicht in der Schmelze hergestellten Stahl eine große Vielzahl von Möglichkeiten, um ihn zu beeinflussen.
In verschiedenen Kulturbereichen
Die bewusste Schichtung oder Vereinigung unterschiedlicher Stähle ist in vorindustrieller Zeit weltweit allgegenwärtig. In Indonesien wurde für den Keris (ein Dolch mit spitz zulaufender, oft wellenförmiger Klinge) auch eine klare Zeichnung durch den Nickel in Eisenmeteoriten erzeugt. Im indisch-orientalischen Raum sind bereits früh auch Schweißmaserungen zu finden, die auf Kohlenstoffunterschieden basieren. Mit dem im Tiegel geschmolzenen Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt können klar abgrenzende Maserungen erstellt werden. Diesen Stahl kann man wegen seines hohen Kohlenstoffgehalts nicht härten, Härterisse sind unvermeidbar. Wegen der eingeschränkten Härtbarkeit kann dieser Stahl aber innen liegend in einer Klinge eingesetzt werden, ohne dass er bei der Härtung der Schneide durch Härterisse unbrauchbar wird. Bei dieser Stahlkombination kann eine Tiefenätzung erstellt werden.
In der Schmelze hergestellte Schweißstähle
Aus Wirtschaftlichkeit baute man im Verlauf der Jahrhunderte immer höhere Reduktionsöfen, einige wenige erreichten bereits ab dem 12. Jahrhundert die Schmelze des Stahls. Die Problematik änderte sich grundlegend, man musste Techniken entwickeln, um den hohen Kohlenstoffgehalt des nicht schmiedbaren Gusseisens zu reduzieren, um schmiedbaren Stahl zu erhalten. Dies wurde durch erneutes Schmelzen im Herd erreicht, dem sogenannten Herdfrischen. Es gibt unterschiedliche Methoden um den Kohlenstoff zu reduzieren. Bei direktem Kontakt zum Stahl kann nur die saubere Holzkohle verwendet werden. Der so hergestellte schmiedbare Stahl muss anschließend zur Reinigung und feineren Verteilung von Materialunterschieden mehrfach ausgeschmiedet, gefaltet und feuerverschweißt werden. Auch dieser immer noch aufwendig in reiner Handarbeit hergestellte Stahl weist oxidische Strukturen auf. Abhängig vom Verfahren und Können der Hüttenarbeiter kann der Stahl auch eine deutliche Maserung von Materialunterschieden aufweisen.
Härtung
Durch die Schmelze ist der Kohlenstoff stärker im Eisen gebunden, im Hochofen konnten die ersten Legierungen mit Silizium und Mangan entstehen. Höhere Gehalte dieser Legierungselemente erweitern die Durch- und Einhärtung. Eine oberflächliche Randhärtung wurde nun auch bei größeren Querschnitten möglich. Dies war bereits ein großer Fortschritt gegenüber den nicht in der Schmelze hergestellten Stählen ohne Legierungselemente, die lediglich an den exponierten Ecken eine Härtung annehmen. Der Verbund aus gehärteten und weichen Stahlschichten, die sich deutlich abgrenzen, wurde mit dem gefrischten Hochofenstahl möglich. Jedoch nicht in dem Umfang wie mit dem heutigen Industriestahl.
Puddelverfahren
1784 entwickelte der Engländer Henry Cort das Puddelverfahren. Ein Frischeverfahren, bei dem erstmals größere Mengen schmiedbarer Stahl aus dem Gusseisen der Hochöfen hergestellt werden konnte. Da bis dahin bei der Stahlherstellung und dem Frischen des Stahls enorme Mengen an teurer Holzkohle verbraucht wurden, war es auch ein großer Durchbruch, weil beim Puddelverfahren erstmals fossile Brennstoffe verwendet werden konnten. Der entstehende schmiedbare Stahl ist in der Zusammensetzung gleichmäßiger, weist aber viele Schlackeeinschlüsse auf. Durch mehrfaches Ausschmieden und Feuerverschweißen musste möglichst viel Schlacke aus dem Stahl ausgetrieben werden. Der Stahl kann eine Maserung aufweisen, die in erster Linie auf unterschiedliche Gehalte von Schlackeeinschlüssen basieren. Durch die vielen Schlackezeilen muss der Stahl wie Holz der Maserung entsprechend eingesetzt werden. Der 1887 bis 1889 zur Weltausstellung erbaute Eiffelturm besteht aus Puddelstahl. Er ist das Wahrzeichen für eine neue Ära in der Geschichte des Stahls, dem Stahlbau.
Härtung
Bei den Frischeverfahren wird der Kohlenstoff vor allem durch den Kontakt mit Sauerstoff reduziert. Der geschmolzene Stahl kann dadurch auch schädlichen Sauerstoff aufnehmen. Beim Puddelverfahren wurde Mangan zugegeben, der den Sauerstoff aus der Schmelze bindet und in die Schlacke überführt. Da die nötige Menge nur geschätzt werden konnte, entstanden teilweise auch Stähle mit höherem Mangangehalt, der die Durch- und Einhärtung verbessert. Die Möglichkeit, einen Verbund aus sich deutlich abgrenzenden, gehärteten und nicht gehärteten Stählen zu erstellen, wurde verbessert.
Entwicklung zur heutigen Industriestahlherstellung
Windfrischverfahren
Der große Durchbruch gelang 1855, als H. Bessemer das Windfrischverfahren umsetzte. Auf der von Bessemer eingeführten Technologie wird weltweit auch heute noch der meiste schmiedbare Stahl aus dem Gusseisen der Hochöfen hergestellt. Erstmals entfielen die aufwendigen Schmiede- und Schweißarbeiten, der Stahl konnte direkt verwendet werden. Für das Windfrischverfahren ist es notwendig, den Stahl im Hochofen und in der Bessemerbirne mit Silizium und Mangan zu legieren. Man begann weitgehender mit Legierungen zu forschen, um die Eigenschaften des Eisenwerkstoffs zu verändern. Viele Legierungen heutiger Stähle wurden erst im 20. Jahrhundert entwickelt. Die Qualität und Durchhärtbarkeit unserer gebräuchlichen Industriestähle ist das Ergebnis einer Jahrtausende langen Entwicklung. Heutiger Industriestahl ist den vorindustriell in reiner Handarbeit hergestellten Stählen weit überlegen. Es ist ein ganz anderer Eisenwerkstoff als Stähle, die nicht in der Schmelze hergestellt wurden.
Verbund aus Industriestahl
Der Verbund aus Industriestahl ist entsprechend eine neuzeitliche Stahlgestaltung aus Industriestählen. Legiert, optimiert von hoher Reinheit und Gleichmäßigkeit können problemlos auch größere Querschnitten gehärtet werden. Der Kohlenstoff ist stark im Eisen gebunden, selbst nach langen, hohen Temperaturen der Feuerverschweißungen können klare Abgrenzungen durch eine Tiefenätzung erreicht werden. Der Stahl ist wegen seiner gut sichtbaren, verhältnismäßig großzügigen «schwarz-weiß» Zeichnung beliebt.
Mechanisch effektiv wird der Verbund aus gehärteten und weichen Stahlschichten erst durch die heutige Industriestahlqualität. Der härtbare Stahl kann selbst nach den hohen Temperaturen der Feuerverschweißung, im Verbund praktisch seine höchste Härte erreichen. Als Klinge würde ein solcher Stahl brechen, in Kombination mit flankierendem weichen Stahl wird die hohe Härte stabilisiert. Vorteilhaft können die Extreme von Hart und Weich kombiniert werden. Diese Anordnung von hoher Härte und weichem Stahl hat mechanische Vorteile in den Schwingungseigenschaften und der Biegekerbschlagfestigkeit. Belastungen können durch die gezielte Materialanordnung besser verwaltet werden.
Herstellung
Bei der Verbundstahlherstellung werden durch die Feuerverschweißung fertige, hochwertige Stähle ohne Zusatzmetalle miteinander innig verbunden. Um die glühenden Stähle beim verschweißen vor Verzunderung zu schützen, wird vorwiegend technischer Borax verwendet. Durch die Legierungselemente ist der härtbare Stahl empfindlich, auch glühend. Die Temperatur bei der Feuerverschweißung liegt allgemein über der vom Werk angegebenen schadlosen maximalen Schmiedetemperatur. Hohe Temperaturen sollten daher möglichst kurz gehalten werden, um eine Qualitätsminderung zu vermeiden. Konträr zur historischen Stahlherstellung benötigt der Stahl keine langen, hohen Temperaturen um zu „reifen“, er muss auch nicht gereinigt (raffiniert) werden.
Musterungen sind in jeglicher Variante möglich. Es können unterschiedlichste Stähle im offenen Feuer erhitzt und mit leichten Schlägen verschweißt werden, die Auswahl und Kombinationsmöglichkeiten sind heutzutage groß. Da die Maserung hauptsächlich auf unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten basiert, ist das ersichtlich machen der Materialunterschiede durch ätzende Mittel am effektivsten. Durch die klare Abgrenzung der unterschiedlichen Stähle ist es möglich, ein tiefes Relief zu ätzen. Eine aufwendige Kunstpolitur lohnt sich nicht, weil keine weiteren Details im Stahl hervorgebracht werden können.
Härtung
Wegen der enthaltenen Legierungselemente muss ein normal gebräuchlicher härtbarer Industriestahl in weniger schroff härtendem Öl abgeschreckt werden. Trotz der langsameren Abkühlung durch das Öl können problemlos auch größere Querschnitte durchgehärtet werden. Das Risiko von Härterissen wird durch die langsamere Abkühlung reduziert. Der Stahl zeichnet besser beim Ätzen, wenn er gehärtet wurde.
| Gebräuchliche härtbare Industriestähle zur Verbundstahlherstellung: | |
| ck45 | einfacher Kohlenstoffstahl mit guter Zähigkeit |
| C60 | Kohlenstoffstahl, zäh, gut härtbar |
| C105W1 | Kohlenstoffstahl höchster Güte und Härte für Hochleistungsdamaszenerstähle und als Ausgangsmaterial für Raffinierstähle. |
| 16MnCr5 | Einsatzstahl. Durch Chromanteil schlecht schweißbar, jedoch sehr gut zeichnend. |
| 90MnCrV8 | Werkzeugstahl. Klassischer „Damastbildner“, hat den C 105 W1 weitgehend vom deutschen Markt verdrängt. Durch Mangananteil dunkel zeichnend, hohe Härte. |
| 1.2008 und 1.2063 | Hauptsächlich für Feilen verwendete Werkzeugstähle. Härten bis zu 67 HRC. |
Verbund aus Chromstählen
Der rostträge Verbundstahl ist besonders bei Küchenmesser beliebt. Chromstähle werden bei einem Chromgehalt von 13 % rostträge, das Verschweißen im offenen Feuer ist nicht mehr möglich. Chromstähle müssen unter Luftabschluss erhitzt und verschweißt werden. Verbreitet sind heute auch pulvermetallurgisch hergestellte Verbundstähle. Flüssiger Stahl wird unter Schutzgas durch eine Düse versprüht, wodurch feiner Eisensand entsteht. Unterschiedliche Stahlsande werden in einem Behälter abwechselnd eingefüllt und luftdicht verschlossen und unter Schweißtemperatur verdichtet und verschweißt. Faltprozesse werden meist keine mehr durchgeführt. Pulvermetallurgisch hergestellte Verbundstähle sind an den gepunkteten Übergängen der unterschiedlichen Stahlsorten erkennbar. Ursprünglich wurde dieses Verfahren zur Herstellung von Stahlteilen in annähernd fertiger Form entwickelt. Dadurch können Bearbeitungszeiten und Materialverluste geringer gehalten werden.
Verwendung des Verbundstahls bei Schusswaffen
In früher Zeit wurden Rohre aus rund gebogenen Blechen hergestellt, die der Länge nach im Feuer verschweißt wurden. Um die Festigkeit zu erhöhen, wurden verschweißte Rohre auch in sich verdreht, in einer Windung hat die Schweißnaht eine höhere Stabilität als bei einer Geraden. Gewehrläufe sind allgemein nicht gehärtet. Bei schneller Schussabgabe erwärmt sich der Lauf, wodurch die Härtung gelöst und zum Verzug führen würde. Erstmals im 14. Jahrhundert wurde das Gusseisen aus den Hochöfen für die Herstellung von Kanonen direkt verwendet. Wegen der hohen Kräfte, die bei der Explosion entstehen, mussten die Kanonen aus sprödem Gusseisen dickwandig ausgeführt sein. Aus dem elastischen schmiedbaren Stahl können dünnwandigere, leichtere Läufe hergestellt werden.
Durch die osmanischen Kriege, besonders nach der zweiten missglückte Belagerung Wiens 1683 wurden die zurückgelassenen orientalischen Gerätschaften und Waffen, die sogenannte „Türkenbeute“, öffentlich ausgestellt. Viele der Pistolen und Flinten wiesen gewundene Läufe aus deutlich zeichnendem Verbundstahl auf, einer in Europa bis dahin nicht praktizierten Stahlzusammenstellung. Die Produktion von Läufen mit deutlicher Maserung begann in Europa erst im 18. Jahrhundert.[4] Anfänglich wurden Läufe von orientalischen Flinten wiederverwendet oder aus dem Orient importiert und im europäischen Stil geschäftet.
Läufe wurden vor allem aus tordierten (verdrehten) Stahlstangen aus Lagen mit hohem Kohlenstoffgehalt und solchen ohne Kohlenstoff hergestellt. Die Stangen wurden anschließend um einen Dorn gewickelt und schlussendlich verschweißt[5]. Der Verbundstahl ist vor allem dekorativ, die vielen langen Schweißnähte bilden Schwachstellen und sind nur für das niedrig explosive Schwarzpulver brauchbar. Die Herstellung von Damaszenerstahlläufen in Liège kann man in dem schwarz-weiß Film „La Fabrication des Cannons Damas“[6] von 1925 und 1931 sehen.
Weitere Damaszierungen
- Als „Damast“ wird ein in spezieller Webtechnik hergestellte Stoff, der im 12. Jahrhundert in Damaskus populär war, bezeichnet.
- Als damaszieren wird das oberflächlich eingeätzte oder gestempelte Muster eines Damaszenerstahls bezeichnet.
- Unter „damaszieren“ versteht man auch den mit Edel- oder Buntmetallen eingelegten Stahlschnitt.
- Nicht nur Stahl, auch Bunt- und Edelmetalle können im Feuer als Schichten verschweißt werden. In Japan wurden zuweilen auch Schwertmontierungen aus Mokume-Gane hergestellt.
- In der Heraldik wird unter einer Damaszierung das Verzieren von Wappenflächen mit pflanzenartigen Schnörkeln und Rankenmuster im Stil von Arabesken verstanden.
Siehe auch
Literatur
- Volker Hollmann: Eine Darstellung historischer Stähle. 2020, ISBN 978-3-033-09203-7.
- Wilhelm Domke: Werkstoffkunde und Werkstoffprüfung. 2001, ISBN 3-590-81220-6.
- Alfred Geibig: Beiträge zur morphologischen Entwicklung des Schwertes im Mittelalter. Wachholtz-Verlag, Neumünster 1991, ISBN 3-529-01171-1.
- Jean-Jacques Perret: L'art du coutelier. de l'imprimerie de L. F. Delatour, 1771. (books.google.ch)
- Sven Rinman: Geschichte des Eisens: mit Anwendung für Künstler und Handwerker. 1782. (Übersetzt Band 1 1814, Band 2 1815)
- Georg Agricola: De re metallica. Basel 1556.
- Manfred Sachse: Damaszener-Stahl. Mythos. Geschichte. Technik. Anwendung. Stahleisen-Verlag, 1993, ISBN 3-514-00520-6.
- Manouchehr M. Khorasani: Arms and Armour from Iran – The Bronze Age to the End of the Qajar Period. Legat, Tübingen 2006, ISBN 3-932942-22-1. (u. a. Waffenkunde des Altertums)
- Masakuni Ishii, Minoru Sasaki: Kodaitô to Tetsu no Kagaku (Schwerter der Frühzeit und die Chemie des Stahls). Tokyo 1995, ISBN 4-639-01300-0.
- L. Kapp, H. Kapp, Y. Yoshihara: The Craft of the Japanese Sword. Tokyo/ New York 1987, ISBN 4-7700-1298-5.
- Deutsch: Japanische Schwertschmiedekunst. Ordonnanz-Verlag, Freiburg i.Br. 1996, ISBN 3-931425-01-0.
Weblinks
- Damastmesser zum Selberschmieden. Auf: die-roemer-online.de
- Schwerz und Zauberei. Der „historische Kern“ der magischen Schwerter. Uni Kiel
- The Key Role of Impurities in Ancient Damascus Steel Blades (englisch)
Einzelnachweise
- ↑ Joe Holley: Bill Moran, 80; Damascus Steel Bladesmith. 15. Februar 2006, ISSN 0190-8286 (washingtonpost.com [abgerufen am 7. März 2022]).
- ↑ Jean-Jacques Perret: L'art du coutelier. de l'imprimerie de L. F. Delatour, 1771 (google.ch [abgerufen am 8. März 2022]).
- ↑ annales.ensmp.fr
- ↑ Manfred Sachse: Damaszener-Stahl. Mythos. Geschichte. Technik. Anwendung. Stahleisen-Verlag, 1993.
- ↑ Fabrication des canons de fusils en damas à Olne-Chinhotte Liège. Abgerufen am 8. März 2022.
- ↑ youtube.com
