Betrachtung der Wärmeausdehnung beim Schmieden

Warum ist ein "Katana" (japanisches Schwert) gebogen, oder warum ist der Krummsäbel krumm?

 

Wahrlich eine Frage die uns zu tiefst bewegt. Einfache Frage, einfach Antwort, oder?

Eine mögliche Antwort wäre z.B., der Schmied hat ein bisschen Zuviel am Fass vom Reisschnaps abgezapft, und beim Schmieden danebengehauen. Schwups, war das Teil krumm! Sieht nicht schlecht aus, folglich einen "Modetrend" gesetzt und alle anderen Schmiede biegen ihre Schwerter und Säbel um der neuen Mode zu folgen.

FALSCH!!!

 

Die andere Antwort ist ein wenig komplizierter und hat was mit dem verwendeten Materialmix zu tun.

 

Um die Sache zu erklären, gehen wir zurück zu den Anfängen der Eisenverarbeitung.

In der Vergangenheit war es mit hohem Aufwand verbunden, aus Eisenerz zuerst Eisen herauszuschmelzen. Um dann aus dem Eisen auch noch Stahl zu machen, mussten nochmals  immens viel Zeit und Ressourcen aufgebracht werden.

Verständlich, dass man damals nicht das ganze Schwert aus Stahl gemacht hat, sondern ein Materialmix aus dem "günstigen & weichen" Eisen und dem "teuren & harten" Stahl gewählt hat. Positiv war auch der Umstand, dass das weiche Eisen den gehärteten Stahl davor schützte, zu brechen.

 

 

Hier im Bild siehst du den Aufbau der Klinge.

Das Eisen ummantelt den härtbaren Schneidenstahl.

Die zwei Materialien wurden mittels Feuerverschweißen verbunden und die Klinge fertig ausgeschmiedet.

 

 

Die Klinge ist vor dem Härten schnurgerade.

Nun wird sie heiß gemacht, bis auf ca. 815° Celsius.

Auf atomarer Ebene geschieht dann folgendes:

  1. Wärme bedeutet ein stärkeres Schwingen der Atome. Hierdurch brauchen sie mehr Platz. Das Werkstück (Klinge) wird ein paar Millimeter größer.
  2. Damit die Atome mehr Platz bekommen nehmen sie im Kristallgitter andere Positionen ein.

Kapiert?

Stell dir ein Musik-Festival vor. Am Anfang stehen die Zuschauer (Atome) einfach nur rum. Erst mit zunehmender Stimmung (Wärme) fangen sie zum Tanzen (Schwingung) an, bis sie wild tanzen und dadurch jeder einzelne Tänzer (Atom) mehr Platz benötigt.

 

Jetzt hat der Schmied das Schwert so heiß, das es rot glüht. Er nimmt das Schwert aus dem Feuer und kühlt es sehr schnell im Wasser oder Öl ab. Diesen Vorgang nennt man "Härten".

Auf atomarer Ebene geschieht folgendes:

Eisen:
  • Die Eisenatome hören auf zu Schwingen und "springen" ungehindert und augenblicklich auf ihre alten Positionen im Kristallgitter zurück. Die Atome brauchen wieder weniger Platz und das Eisen "schrumpft" auf seine ursprüngliche Größe.

Stahl:

  • Im Stahl befinden sich nicht nur Eisenatome, sondern auch Kohlenstoffatome. Beide haben sich während des Erwärmens Positionen im Kristallgitter gesucht, die ihnen "angenehm" (energetisch günstig) sind.
  • Die Kohlenstoffatome sind richtige "Trantüten" und recht langsam. Im Gegensatz zu den Eisenatomen "springen" die Kohlenstoffatome nicht, sie "kriechen" förmlich.
  • Beim "Härten" wollen nun die Eisenatome auf die alte Position, aber da "hängt" nun immer noch dieses Kohlenstoffatom rum und will partout nicht weg.
  • Die Atome können also nicht mehr zurück und beanspruchen dadurch mehr Platz. ( Das Martensit-Gefüge hat ein um ca. 4% größeres Volumen als das Perlit/Austenit-Gefüge)Der Stahl bleibt also so ausgedehnt und groß wie wenn er heiß wäre. Er "schrumpft" nicht!

Kapiert?

Bleiben wir beim Festival. Die Tänzer (Atome) bewegen sich wie wild, da die Stimmung (hohe Temperatur/Wärme) richtig gut ist. Jetzt mischen sich bei einer Hälfte ein paar Aufpasser (Kohlenstoff) dazwischen. Die Band spielt ein richtig schlechtes Lied, die Stimmung sinkt und die Tänzer hören auf zu rumzuhupfen. Bei der einen Hälfte der Zuschauer stehen diese kurze Zeit wieder eng gedrängt vor der Bühne. Bei der Hälte mit den Aufpassern (Kohlenstoffatom) trauen sich die Tänzer (Eisenatom) nicht mehr vorbei und bleiben einfach da stehen wo sie sind. Der Platz dazwischen wird nicht mehr geschlossen.

 

Was ist also im "Großen" passiert?

 

Die obere Ummantelung aus Eisen ist um ein paar Millimeter geschrumpft.

Der untere Stahl der Schneide nicht.

 

Bingo, das Schwert/Säbel hat sich verbogen, er ist KRUMM!

Zu guter Letzt!

 

Natürlich haben sich verschiedene Arbeitstechniken im Laufe der Zeit geändert.

Die Japaner sind besonders traditionsbewusst, deshalb hat sich hier der ursprüngliche Aufbau der Klinge erhalten.

 

Im Orient hat sich der Klingenaufbau immer weiterentwickelt. Die Mixtur von Stahl und Eisen wurde immer weitergetrieben, bis oft mehrere hundert Schichten sich im Säbel fanden. Dieser Schichtaufbau wird als DAMAST bezeichnet.

Macht man einen Säbel aus diesem Damast, dann verbiegt er sich aber nicht mehr.

Was blieb ist die krumme Form, nur das sie jetzt geschmiedet wurde und nicht erst beim Härten entstanden ist. Auch eine Art der Traditionspflege.

 

PS: Noch ein Nachtrag! Die "krumme" Form hat sich auch noch wegen einem anderen Umstand erhalten. Im Kampf hatte die geschwungene Form der Klinge den Vorteil, dass diese tiefere Wunden erzeugte. Diese Bauform war und ist als Waffe effektiver.

MOOCit-Frage

 

In welchen Arbeitsgängen (in welcher Reihenfolge) erfolgt das Härten von Stahl?

 

Werkstück erwärmen, Temperatur halten, Werkstück abschrecken, direkt im Anschluss das Werkstück anlassen.