Originalartikel von JOHN D. VERHOEVEN, übersetzt aus dem Englischen von SCIENTIFIC AMERICAN – „The Mystery of Damascus Blades“ p74-79

Von der Bronzezeit bis ins 19. Jahrhundert benutzten Krieger das Schwert als Waffe. Armeen mit besseren Versionen genossen a
ein klarer taktischer Vorteil .

Und diejenigen, die Damaskus-Schwerter besaßen – denen Westler zum ersten Mal während der Kreuzzüge gegen muslimische Nationen begegneten – hatten das, was manche für das beste Schwert von allen halten .

Diese Klingen, von denen ursprünglich angenommen wurde, dass sie in Damaskus (heute Syrien) hergestellt wurden, zeigten zwei Qualitäten, die in europäischen Sorten nicht zu finden sind. Ein Wellenmuster , heute als Damast oder Damaszener bekannt, verzierte ihre Oberfläche.

Dolch mit Klinge aus Damaststahl, ursprünglich aus Moghul-Indien, wurde um 1585 hergestellt. Die Qualitätsklinge ist nahe der Spitze des Stichschafts verdickt; der Goldgriff ist mit Smaragden und Rubinen besetzt.

Und was noch wichtiger ist, die Kante könnte unglaublich scharf sein . Der Legende nach konnten Damaskusschwerter ein in der Luft schwebendes Seidentuch durchschneiden, eine Leistung, die keine europäische Waffe erreichen konnte.

Trotz des Ruhms und der Nützlichkeit dieser Klingen haben die Westler nie verstanden, wie Stahl – der auch für Dolche, Äxte und Speerspitzen verwendet wird – hergestellt wurde.

Die versiertesten europäischen Metallurgen und Schmiede konnten es nicht reproduzieren, selbst nachdem sie Proben nach Hause gebracht und sie im Detail analysiert hatten .

Auch im Ursprungsland ist die Produktionskunst verloren gegangen; Experten sind sich im Allgemeinen einig, dass die letzten hochwertigen Damastschwerter spätestens im frühen 19. Jahrhundert hergestellt wurden .

Kürzlich haben jedoch ein genialer Schmied und ich, wie wir glauben, das Geheimnis geknackt .

Wir sind nicht die Ersten, die eine Lösung behaupten, aber wir sind die Ersten, die sie beweisen, indem wir originalgetreue Nachbildungen dieser verehrten Waffen herstellen .

Um jede Theorie über die Herstellung von Damaskus-Schwertern und -Dolchen zu bestätigen, müssen Repliken aus den gleichen Materialien wie die Originale hergestellt werden . Fertige Waffen sollten auch das gleiche Damastmuster tragen und die gleiche chemische und mikroskopische Struktur haben.

Was ist echter Damaststahl?

Es ist bekannt, dass echte Damaskus-Klingen in dieser Stadt – und später anderswo im muslimischen Nahen Osten und Osten – aus kleinen Stahlbarren (einer Mischung aus Eisen und Kohlenstoff) hergestellt wurden, die aus Indien verschifft wurden; Diese Ausgangsmaterialien werden seit etwa 1800 Barren oder Wootzkuchen genannt.

Sie hatten die Form von Hockeypucks, einen Durchmesser von etwa vier Zoll und eine Höhe von knapp zwei Zoll.

Frühe englische Beobachter in Indien stellten fest, dass Damaskus-Wootz-Schwerter hergestellt wurden, indem diese klingenähnlichen Barren durch viele wiederholte Erhitzungs- und Hämmervorgänge direkt geschmiedet wurden .

Der Stahl enthält etwa 1,5 Gew.-% Kohlenstoff sowie geringe Mengen an anderen Verunreinigungen wie Silizium, Mangan, Phosphor und Schwefel.

Das attraktive Oberflächenmuster von Damastschwertern kann jedoch auch auf andere Weise erzeugt werden. Moderne Kunstschmiede können abwechselnd Bleche aus kohlenstoffreichem und kohlenstoffarmem Stahl „schmieden“, um ein komplexes Verbundmaterial zu bilden.

Diese Art des Schmiedeschweißens oder „ geschmiedeter Damaskus “ hat im Westen eine Tradition, die bis ins alte Rom zurückreicht, und ähnliche Techniken findet man in Indonesien und Japan.

Die aus diesen Techniken resultierende innere Struktur ist jedoch völlig anders als die von Wootz-Klingen. Um Verwechslungen zwischen den beiden Herstellungsarten zu vermeiden, werde ich die in der Schmiede geschweißten Klingen Damascus de Corroyage nennen und den Begriff Damascus "Wootz" für die Waffen reservieren, die uns in diesem Artikel interessieren .

Bereits 1824 gaben Jean Robert Bréant in Frankreich und wenig später Pavel Anosoff in Russland bekannt, dass es ihnen gelungen sei, in das Geheimnis muslimischer Schmiede einzudringen und behaupteten, die Originale reproduziert zu haben.

Während dieses Jahrhunderts wurden andere Lösungen vorgeschlagen, zuletzt von Jeffrey Wadsworth und Oleg D. Sherby . Aber keineswegs waren moderne Handwerker in der Lage, die vorgeschlagenen Methoden anzuwenden, um zufriedenstellende Klingen herzustellen, die das äußere Erscheinungsbild und die innere Struktur der antiken Originale aufweisen .

Bemühungen, die chemischen und mikroskopischen Eigenschaften moderner Wootz-Klingen mit ihren älteren Gegenstücken zu vergleichen, wurden lange Zeit durch eine merkwürdige Hürde behindert.

Damastwaffen in Museumsqualität sind kostbare Kunstwerke und werden selten der Wissenschaft zur Untersuchung ihres inneren Aufbaus geopfert.

1924 jedoch schenkte der europäische Sammler Henri Moser vier Schwerter dem Metallurgen B. Zschokke, der sie für chemische und mikrostrukturelle Analysen zerlegte . Die anderen Stücke gingen an das Museum in Bern , Schweiz, das mir kürzlich einige zum Studieren gab.

Aber mir wurde bald klar, dass ich mit jemandem zusammenarbeiten musste, der sich mit der Kunst des Blankwaffenschmiedens auskennt. Schmiedemeister Alfred H. Pendray hatte selbstständig an dem Damaskus-Puzzle gearbeitet. Er stellte kleine Barren in einem Gasofen her und schmiedete sie zu Klingenformen, und er hatte oft Mikrostrukturen erhalten, die denen alter Premiumklingen sehr nahe kamen.

Wir begannen unsere Zusammenarbeit im Jahr 1988. Als junger Mann lernte Pendray das Hufschmieden von seinem Vater und hat ein tiefes und geduldiges Verständnis für die Kunst des Schmiedens von Stahl.

Aber um eine Technik zu replizieren, mussten wir unsere Theorien mit genauen wissenschaftlichen Daten und strenger Aufmerksamkeit für Details aus unseren Experimenten untermauern.

1993 reisten ein Student von der Iowa State University und ich zum Pendray Forge Shop in der Nähe von Gainesville, Florida, wo wir computergesteuert Thermoelemente und Infrarotpyrometer installierten, um die Temperaturen der von uns ausprobierten Schmelz- und Schmiedeprozesse aufzuzeichnen.

Zuerst versuchten wir, Klingen mit dem von Wadsworth und Sherby vorgeschlagenen Verfahren herzustellen, konnten aber die innere Mikrostruktur oder die Damaszener-Oberflächenmuster nicht erreichen.

Dann haben wir über mehrere Jahre eine Technik entwickelt, die Pendray regelmäßig anwenden kann, um Klingen aus Wootzdamaststahl zusammenzusetzen .

Es kann auch das als Mohammedia-Skala bekannte Muster replizieren, das auf einigen der schönsten alten muslimischen Exemplare zu finden ist. Bei diesem Muster reihen sich die Wellen über die gesamte Klingenlänge leiterförmig aneinander; Es wurde angenommen, dass es ein Symbol dafür ist, wie die Gläubigen in den Himmel aufsteigen .

Unsere Technik ähnelt der allgemeinen Methode, die von früheren Forschern beschrieben wurde, jedoch mit entscheidenden Unterschieden. Wir produzieren einen kleinen Stahlblock mit präziser Zusammensetzung in einem geschlossenen Tiegel und schmieden ihn dann in eine Klingenform.

Unser Erfolg – ​​und was uns erlaubt, weiter zu gehen als unsere Vorgänger – hängt grundlegend von der Mischung aus Eisen, Kohlenstoff und anderen Elementen (wie Vanadium und Molybdän, die wir als Störelemente bezeichnen) im Stahl, der Temperatur und Dauer des Brennens ab des Tiegels und die Temperatur und Geschicklichkeit, die bei den wiederholten Schmiedevorgängen verwendet werden.

Als ich die wertvollen Exemplare untersuchte, stellte ich fest, dass sie Bänder aus Eisencarbidpartikeln , Fe3C, bekannt als Zementit , enthielten. Diese Partikel haben normalerweise einen Durchmesser von sechs bis neun Mikrometern, sind gut abgerundet und eng in Bändern mit einem Abstand von 30 bis 70 Mikrometern gehäuft, die parallel zur Oberfläche der Klinge ausgerichtet sind, wie die Maserung eines Holzbretts.

Wenn die Klinge säuregeätzt ist, erscheinen die Karbide als weiße Linien in einer dunklen Stahlmatrix . So wie die welligen Jahresringe eines Baumes die charakteristischen Wirbelmuster von geschnittenem Holz erzeugen, erklären die Wellen der Karbidbänder die komplizierten Damaszenermuster der Oberfläche der Klingen . Karbidpartikel sind extrem hart, und es wird angenommen, dass die Kombination dieser Bänder aus hartem Stahl in einer weicheren Matrix aus Federstahl Damaszener-Waffen eine harte Schneide in Verbindung mit elastischer Flexibilität verleiht.

Ich habe zuerst versucht, die Mikrostrukturen von Damaskus-Wootz-Stahl innerhalb der Grenzen eines Universitätslabors zu vergleichen.

Eine Geschichte aus Stahl

Wenn Sie einen Stahl mit etwa 1,5 % Kohlenstoff haben, fügen Sie ihm eines von vielen Verunreinigungselementen hinzu (in überraschend niedrigen Konzentrationen, etwa 0,03 %) und unterziehen Sie ihn fünf oder sechs Zyklen des Erhitzens in einem bestimmten Temperaturbereich und des Abkühlens auf Raumtemperatur. Sie können Cluster aus agglomerierten Karbidpartikeln bilden .

Diese Karbidpartikel erzeugen beim Schmieden die charakteristischen Oberflächenmuster. An alten und modernen Objektträgern durchgeführte Experimente zeigen, dass die Bildung von Bändern aus der mikroskopisch kleinen Entmischung bestimmter unreiner Elemente während des Abkühlens und Erstarrens des verflüssigten Barrens resultiert.

So kommt es bei Stahl zur Mikroseigerung. Wenn der heiße Barren abkühlt und gefriert, erstreckt sich eine feste Front aus kristallisiertem Eisen in die Flüssigkeit und nimmt die Form von kiefernartigen Vorsprüngen an, die Dendriten genannt werden.

Bei 1,5 % Kohlenstoffstahl wird die Eisenart, die aus flüssigem Stahl erstarrt, als Austenit bezeichnet. In den Bereichen zwischen diesen Dendriten (sogenannte interdendritische Bereiche) wird das flüssige Metall kurzzeitig eingeschlossen.

Festes Eisen kann weniger Kohlenstoffatome und andere Elemente enthalten als flüssiges Eisen. Wenn sich das Metall zu kristallinen Eisendendriten verfestigt , neigen die Kohlenstoff- und Verunreinigungsatome dazu, sich in die verbleibende Flüssigkeit zu trennen .

Folglich kann die Konzentration dieser Atome in den letzten einzufrierenden interdendritischen Regionen sehr hoch sein.

Während sich das Eisen verfestigt und die Dendriten wachsen, entsteht in den interdendritischen Regionen ein Netzwerk aus Verunreinigungsatomen, die wie eine Perlenkette an Ort und Stelle eingefroren sind.

Später, wenn der Barren mehrere Erwärmungs- und Abkühlungszyklen durchläuft , fördern diese Verunreinigungsatome das Wachstum von Ketten aus harten Zementitpartikeln , aus denen die leichteren Stahlbänder bestehen.

Wir können zeigen, dass dieses Netzwerk mit den hellen und dunklen Bändern von Wootz-Stahl verwandt ist. Der Abstand zwischen den Zweigen der Dendriten beträgt etwa einen halben Millimeter, und wenn der Barren gehämmert und sein Durchmesser verringert wird, verringert sich auch dieser Abstand . Der endgültige Abstand zwischen den Dendriten stimmt genau mit dem Abstand zwischen den Bändern in Damaststahl überein.

Beim Schmieden ist es wichtig, die richtige Temperatur im Stahl zu erreichen, um eine Mischung aus Austenit- und Zementitpartikeln zu erhalten. Wenn die Blocktemperatur unter einen kritischen Punkt fällt, beginnen sich Eisenkarbidpartikel (die gleichen Zementitpartikel, die ich in Moser-Klingen gesehen habe) zu bilden.

Die niedrigste Temperatur, über der sämtlicher abkühlender Stahl Austenit bleibt, wird als A-Temperatur bezeichnet. Bei Stählen mit mehr als 0,77 % Kohlenstoff wird die A-Temperatur als Acm-Temperatur bezeichnet . Unterhalb der Acm-Temperatur beginnen Zementitpartikel zu erscheinen, die in zufälligen Abständen im austenitischen Stahl angeordnet sind.

Der Banding-Trick

DER KÜHLBARREN aus Damaststahl weist auf mikroskopischer Ebene eine Front aus gefrorenem Metall auf, die sich in den geschmolzenen Stahl erstreckt und zunächst zu kiefernartigen Formationen, den sogenannten Dendriten, kristallisiert. Atome von Verunreinigungselementen (in Rot) wie Vanadium lösen sich in den Bereichen zwischen den Dendriten schnell von festem Eisen, wo sie wie Perlen an einer Halskette ausgerichtet einrasten. Während der anschließenden Erwärmungs- und Abkühlungszyklen bilden diese Fremdatome die Grundlage für das Wachstum von harten Eisencarbid-Partikeln (Zementit), die die klaren Bänder der Damastklinge bilden. Die obere Aufnahme zeigt helle und dunkle Bänder in einem Abschnitt eines originalen Damastschwertes. Die untere Aufnahme zeigt einen Ausschnitt der modernen Rekonstruktion des Autors. Die Ähnlichkeit zwischen den beiden Strukturen weist darauf hin, dass die moderne Technik eine exakte Nachbildung des ursprünglichen Verfahrens ist.

Eines der Hauptgeheimnisse von Damaskus-Wootz-Klingen ist, wie das einfache Schmieden kleiner Stahlbarren in die Form einer Klinge dazu führen kann, dass sich die Karbide in unterschiedlichen Bändern aufreihen.

Wir haben die Querschnitte der geschmiedeten Barren systematisch untersucht, als wir sie von der Form eines Hockeypucks in eine Klinge verwandelten.

Um diese Veränderung zu erreichen, haben wir einen Block auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Stahl eine Mischung aus Zementit- und Austenitpartikeln bildet, und ihn dann gehämmert.

Als der Barren geschmiedet wurde, kühlte er von etwa 50 Grad C unter Acm auf etwa 250 Grad C unter Acm ab. Während dieser Abkühlung nahm der Anteil an teilchenförmigem Zementit zu .

Dann unterzogen wir den Barren einem weiteren Erwärmungs- und Hämmerzyklus zwischen den gleichen zwei Temperaturen. Erfahrungsgemäß dauert es etwa 50 dieser Schmiedezyklen, um eine Klinge herzustellen, die annähernd die Größe des Originals hat – 45 Millimeter breit und 5 Millimeter dick.

Wir glauben, dass das Phänomen so auftritt:

Während der ersten etwa 20 Zyklen bilden sich die Hartkarbidpartikel mehr oder weniger zufällig , aber mit jedem weiteren Zyklus richten sie sich tendenziell stärker entlang des in den interdendritischen Bereichen gebildeten Punktenetzes aus .

Diese Verbesserung erklärt sich aus der Tatsache, dass sich bei jeder Erwärmung des Stahls einige seiner Karbidpartikel auflösen . Aber die Atome der Verunreinigungselemente verlangsamen die Auflösungsgeschwindigkeit, wodurch größere Karbidpartikel zurückbleiben.

Bei jedem Erwärmungs- und Abkühlungszyklus wachsen diese Partikel nur geringfügig, was die hohe Anzahl von Zyklen erklärt, die für die Bildung eindeutiger Banden erforderlich sind. Da die Verunreinigungselemente in den Bereichen zwischen den Dendriten ausgerichtet sind, konzentrieren sich auch die Karbidpartikel dort .

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Die guten Elemente

Obwohl wir lange vermutet hatten, dass Verunreinigungselemente eine Schlüsselrolle bei der Bildung der Bänder spielten, waren wir uns nicht sicher, welche wichtiger waren.

Wir stellten schnell fest, dass Silizium, Schwefel und Phosphor, deren Vorhandensein in älteren Wootz-Stählen bekannt ist, keine großen Akteure zu sein schienen .

Aber diese Informationen lösten das Problem nicht. Wir hatten einen glücklichen Durchbruch, als wir anfingen, Sorel-Metall als Zutat für Barren zu verwenden . Dieses Metall ist eine hochreine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit 3,9 bis 4,7 % Kohlenstoff, die aus einer großen Ilmenit-Lagerstätte am Lac Tio am Sankt-Lorenz-Strom in Quebec gewonnen wird.

Das Erzvorkommen enthält Spuren von Vanadium ; Daher enthält Sorels Metall eine Vanadiumverunreinigung von 0,003 bis 0,014 Prozent.

Anfangs haben wir diese Verunreinigung nicht berücksichtigt, weil wir nicht glauben konnten, dass eine so niedrige Konzentration von Bedeutung ist. Aber wir haben erkannt (nachdem wir zwei Jahre lang gegen eine Mauer gefahren sind) , dass selbst niedrige Konzentrationen signifikant sein können . Die Zugabe von Vanadium in so geringen Mengen wie 0,003 % zu hochreinen Eisen-Kohlenstoff-Legierungen hat zu einem guten Walzen geführt .

Auch Molybdän bringt den gewünschten Effekt und in geringerem Maße Chrom , Niob und Mangan . Die Elemente, die die Bildung von Karbiden und Bändern nicht begünstigen, sind Kupfer und Nickel.

Eine Elektronensonden-Mikroanalyse bestätigte, dass die wirksamen Elemente, wenn sie mit 0,02 % oder weniger in den Barren vorhanden sind, in den interdendritischen Regionen mikrosegregiert sind und dort viel stärker konzentriert werden.

Um unsere Schlussfolgerung zu bestätigen, dass die Bänder aus der Mikroseigerung von Verunreinigungselementen entstehen, die zur Mikroseigerung von Zementitpartikeln führen , führten wir Experimente durch, die zeigen sollten, dass wir die Bänder loswerden könnten, wenn wir die Mikroseigerung von Verunreinigungsatomen beseitigen würden.

Wir nahmen kleine Stücke schön gebänderter alter und moderner Klingen und erhitzten sie auf etwa 50 Grad C über der Acm-Temperatur . Bei dieser Temperatur haben sich alle Eisenkarbidpartikel im Austenit gelöst .

Wir haben dann die Klingen in Wasser eingeweicht. Schnelles Abkühlen erzeugte die Martensitphase des Stahls , die sehr hart und zäh ist und keine Karbidpartikel enthält. Als die Karbidpartikel verschwunden waren, waren es auch die Bänder, die von ihnen kamen.

Um die Zementitpartikel nachzubilden , haben wir die Schaufeln mehreren Erwärmungszyklen auf 50 Grad C unter Temperatur A unterzogen und dann langsam an der Luft abgekühlt, was den Partikeln Zeit gab, sich abzustoßen und zu trennen.

Nach dem ersten Zyklus traten die Karbidpartikel wieder auf, waren aber zufällig verteilt . Aber nach ein oder zwei weiteren Zyklen begannen sich diese Partikel in schwachen Bändern auszurichten, und nach sechs bis acht Zyklen wurden die Bänder sehr deutlich .

In einem Test haben wir die Temperatur weit über den A cm -Wert hinaus auf 1.200 Grad C, knapp unter dem Schmelzpunkt von Stahl , erhöht und 18 Stunden lang dort gehalten. Nachfolgende thermische Zyklen des Stahls führten nicht dazu, dass die Bänder aus Zementitpartikeln wieder auftauchten.

Berechnungen zeigen, dass diese Hochtemperaturbehandlung die Mikroseigerung von Fremdatomen durch Diffusion vollständig eliminiert .

Pendray und ich versuchten auch sorgfältig kontrollierte Experimente, bei denen wir Verunreinigungselemente vollständig wegließen.

Selbst nach vielen Zyklen des Erhitzens und langsamen Abkühlens erzeugten diese Barren keine Teilchenklumpen oder Karbidbänder.

Als wir die Verunreinigungselemente demselben Barren hinzufügten und ihn den Erwärmungs- und Abkühlungszyklen aussetzten, erschienen die Bänder.

Unsere Nachbildung der Damaskusklinge hilft uns bei der Beantwortung einer weiteren Frage: Wie haben alte Schwertschmiede das Muster von Mohammeds Leiter erzeugt?

Unsere Arbeit bestätigt eine in der Vergangenheit vorgeschlagene Theorie , nämlich dass die Sprossen der Leiter durch Schneiden von Rillen in die Blätter hergestellt wurden.

Das Schuppenmuster, das auf dem unteren Foto oben zu sehen ist, wurde hergestellt, indem kleine Gräben in die Klinge geschnitten wurden, nachdem sie auf eine Dicke nahe ihrer endgültigen Dicke geschmiedet worden war, und sie anschließend geschmiedet wurde, um die Gräben zu füllen.

Diese Art des Schmiedens reduziert den Abstand zwischen den hellen und dunklen Bändern auf der endgültigen Oberfläche, insbesondere entlang der Kanten der Gräben.

Die runde Anordnung zwischen den Sprossen, bekannt als Rosenmuster, ist auch von älteren Krummsäbeln bekannt. Es kommt von flachen Löchern, die gleichzeitig mit den Rillen in die Klinge gebohrt werden .

Warum ging die Kunst, diese Waffen herzustellen, vor etwa zwei Jahrhunderten verloren?

Vielleicht enthielten nicht alle Eisenerze Indiens die notwendigen Elemente für die Bildung von Karbiden . Die vier alten Moser-Klingen, die wir untersucht haben, enthielten alle Vanadium-Verunreinigungen , was wahrscheinlich die Bildung der Bänder in diesen Stählen erklärt.

Wenn die Entwicklung des Welthandels zur Ankunft von Barren aus Indien führen würde, die nicht mehr die erforderlichen Verunreinigungen enthalten, könnten die Schmiede und ihre Söhne die schönen Muster ihrer Klingen nicht mehr erreichen und wüssten nicht unbedingt warum. Wenn dieser Zustand nach ein oder zwei Generationen fortbestehen würde, wäre das Geheimnis des legendären Damaskus-Schwerts verloren gegangen.

Erst heute, dank einer Partnerschaft zwischen Wissenschaft und Kunst, wurde der Schleier dieses Mysteriums gelüftet.

Über den Autor :

JOHN D. VERHOEVEN ist emeritierter Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Iowa State University . Seit er Doktorand an der University of Michigan war, interessierte er sich für das Mysterium der Damaskus-Wootz-Schwerter.

1982 begann er mit Forschungsexperimenten zur Nachbildung von Damaststahl . Aus dieser vor allem hobbymäßigen Arbeit wurde durch die langjährige Zusammenarbeit mit dem Schmied Alfred H. Pendray ein ernsthaftes Unterfangen.