Decarburierung und Zunderbildung verhindern – Wie Oberflächenoxidation beim Schmieden die Katana-Qualität bestimmt

Im japanischen Schwertschmieden ist eines der Probleme, das die meiste Aufmerksamkeit der Schwertschmiede erfordert, die „Decarburierung" und das „Verbrennen". Beide sind Oberflächenabbauprozesse von Stahl in Hochtemperaturumgebungen und beeinflussen direkt die Qualität des Endprodukts. In technischen Diskussionen zum Schmieden wird die Schönheit von hamon und jihada oft erörtert, aber als Grundvoraussetzung sind Techniken zur Kontrolle der Oberflächenoxidation unerlässlich. Dieser Artikel erläutert die Mechanismen der Decarburierung und des Verbrennens sowie die Präventionsmethoden, die Schwertschmiede praktizieren.

Was ist Decarburierung – Das Phänomen der Stahl-„Ausdünnung"

Decarburierung ist das Phänomen, bei dem Kohlenstoff in der Nähe der Stahloberfläche in Hochtemperaturumgebungen mit Sauerstoff reagiert und als CO₂ oder CO entweicht. Der Kohlenstoffgehalt im Stahl ist ein bestimmender Faktor für Härte und Zähigkeit, und mit fortschreitender Decarburierung verringert sich die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche und die Härte in diesem Bereich geht verloren.

Tamahagane ist ein Hochkohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,6–1,5 %, aber wiederholtes Erhitzen während des Schmiedens führt zur Verarmung des Oberflächenkohlenstoffs. Wenn Härtung angewendet wird, tritt die Martensitumwandlung in der kohlenstoffarmen Oberflächenschicht weniger bereitwillig auf, was dazu führt, dass hamon nicht wie erwartet erscheint oder ungleichmäßige Härte entsteht.

Die Geschwindigkeit der Decarburierung ist proportional zur Erhitzungstemperatur und zur Intensität der oxidierenden Atmosphäre. Je höher die Temperatur, desto schneller der Prozess, und in einer oxidierenden Flammenatmosphäre wird die Decarburierung beschleunigt. Umgekehrt kann die Decarburierung in einer reduzierenden Flammenatmosphäre durch Sauerstoffbegrenzung im Ofen unterdrückt werden. Dies ist auch der Grund, warum Schwertschmiede den Luftstrom (Blasebalg-Leistung) im Ofen sorgfältig einstellen.

Was ist Verbrennung – Oberflächenschaden durch Übererhitzung

„Verbrennung" ist ein Fachbegriff des japanischen Schwertschmiedens, der einen Zustand bezeichnet, in dem die Oberfläche von übermäßig erhitztem Stahl mit einem Oxidfilm (Zunder) bedeckt ist und die Stahlmikrostruktur aufgrund der Übererhitzung grob und spröde geworden ist. Im Englischen wird dies als „Overheating" oder „Burning" ausgedrückt, und in Bezug auf die metallische Mikrostruktur ist es ein Zustand, in dem eine „Verbrennung" aufgrund übermäßiger Übererhitzung aufgetreten ist.

Verbrannte Bereiche haben eine schwarze Oberfläche mit krümeliger Textur. Wenn sie angeschlagen werden, erzeugen sie einen dumpfen Ton, der sich vom normalen Stahl unterscheidet, so dass erfahrene Schwertschmiede die Verbrennung allein durch den Ton erkennen können. Wenn man versucht, einen verbrannten Bereich kräftig zu schmieden, wird dieser Abschnitt reißen oder abblättern. Darüber hinaus verursacht Verbrennung eine Vergröberung der Stahlmikrostruktur und ist eine Ursache für den Verlust der Feinheit im jihada.

Verbrennung und Decarburierung treten oft gleichzeitig auf. Zu hohe Erhitzung erhöht die Decarburierungsrate und kann zu Verbrennung führen. Um die Temperatur-„Obergrenze" nicht zu überschreiten, überwachen Schwertschmiede ständig die Flammenfarbe während der Arbeit.

Präventionsmethoden, die von Schwertschmieden praktiziert werden

Praktische Techniken zur Verhinderung von Decarburierung und Verbrennung lassen sich in drei Hauptbereiche unterteilen: „Temperaturkontrolle", „Minimierung der Erhitzungszeit" und „Verwendung von Schutzbehandlungen".

• Temperaturkontrolle ist die grundlegendste Gegenmaßnahme. Die optimale Schmiedetemperatur für tamahagane beträgt etwa 900–1200°C, aber der genaue Wert variiert je nach Kohlenstoffgehalt des Stahls und wird nicht durch Instrumente bestimmt, sondern durch die Flammenfarbe und den Glanz des Stahls. Wenn die Helligkeit den richtigen Bereich von Gelbrot bis zur Rotglut überschreitet und Weiß erreicht, betritt man die Gefahrenzone. Diese Beurteilung ist eine Empfindungsfähigkeit, die durch jahrelanges Training erworben wird, und es ist ein Bereich, in dem erfahrene und junge Schmiede erhebliche Unterschiede zeigen.
• Minimierung der Erhitzungszeit ist ebenfalls wichtig. Bei gleicher Temperatur führt ein längeres Verbleiben des Stahls im Ofen zu mehr Decarburierung. Schwertschmiede führen einen schnellen Zyklus durch: „für die minimal erforderliche Zeit erhitzen und sofort entfernen und schlagen". Besonders in den Feindetail-Finish-Phasen führen geringfügige Unterschiede in der Flammeneinwirkung zu Oberflächenqualitätsschwankungen, daher ist der Arbeitsrhythmus äußerst wichtig.
• Verwendung von Schutzbehandlungen: Im Schmiedefeuerschweißprozess wird „Reisstrohrasche" als Flussmittel verwendet. Reisstrohrasche hat die Wirkung, Oxidzunder während der Erhitzung zu lösen und zu entfernen und frische Stahloberflächen freizulegen. Diese chemische Wirkung verhindert lokal Oxidation beim Schmiedefeuerschweißen und ermöglicht gleichmäßiges Verbinden. Darüber hinaus kann man durch bewusstes Schaffen einer „Kohlenstoffatmosphäre" mit Holzkohle einen „Kohlenstoffschutzeffekt" erhalten, der die Decarburierung verhindert.

Entfernung verbrannter Bereiche ist eine weitere Gegenmaßnahme. Wenn Verbrennung auftritt, wird dieser Abschnitt aktiv geschmiedet und während des Schmiedeprozesses entfernt. Da sich Verbrennung auf die Oberfläche konzentriert, führt das Schlagen und Entfernen des Zunders dazu, dass nur der gesunde Stahl in der Tiefe verbleibt. Wenn diese Arbeit nicht richtig durchgeführt wird, wird die verbrannte Mikrostruktur in das Innere der Klinge eingearbeitet, was zu einer Qualitätsverschlechterung des Endprodukts führt.

Nachbearbeitung von Decarburierung und Verbrennung – Zusammenhang mit dem Polieren

Falls sich auf der fertigen Klinge eine geringe Decarburierung oder Verbrennung befindet, kann diese Schicht während des Polierprozesses entfernt werden. Der Polierer wechselt die Schleifsteine progressiv von grob zu mittel bis zu Finishing-Körnungen, während die Klingenfläche geschliffen wird; dabei wird die oberflächliche decarburierte Schicht entfernt und die Stahloberfläche mit ihrer ursprünglichen Kohlenstoffkonzentration wird freigelegt.

Wenn jedoch die decarburierte Schicht tief ist, kann das Polieren allein sie nicht beheben, und die Klinge selbst kann eine „Überarbeitung" erfordern. Dies ist der Grund, warum es wichtig ist, die Decarburierung und Verbrennung während des Schmiedens zu minimieren. Nachbearbeitung nach Fertigstellung kann nur geringfügige Fälle beheben.

Das Phänomen der Decarburierung und Verbrennung ist eine Facette der „Chemie des Stahls", die der Schönheit japanischer Schwerter zugrunde liegt. Die Arbeit der Schwertschmiede, die diese vier Variablen – Kohlenstoff, Sauerstoff, Temperatur und Zeit – durch ihre fünf Sinne kontrollieren, bildet die Grundlage für die Herstellung der Schönheit von jihada und dem Glanz von hamon im fertigen Blatt.