Ferrit, Perlit, Martensit — Eine Einführung in die Stahlgefügekunde zum Verständnis des Nihontō

Warum die Metallkunde für das Verständnis des Nihontō notwendig ist

Die Eigenschaft des Nihontō, „hart und unzerbrechlich" zu sein, wurde lange als „geheimnisvolle Handwerkskunst" beschrieben, doch ihr Wesen lässt sich durch die Wissenschaft der metallographischen Veränderungen im Stahl erklären. Mit einem Grundverständnis der Metallkunde wird die Bedeutung der traditionellen Techniken orikaeshi tanren, yaki-ire und tsuchioki wesentlich klarer, und die Betrachtung sowie Begutachtung von Schwertern gewinnt eine neue Perspektive.

In der Welt des Stahls bestimmen zwei Variablen die Gefügestruktur: der „Kohlenstoffgehalt" und die „Geschwindigkeit von Erhitzen und Abkühlen". Die Schmiedekunst des Nihontō ist zwar empirisch akkumuliertes Handwerk, stellt aber in Wirklichkeit ein System von Prozessen dar, das diese beiden Variablen präzise kontrolliert. In diesem Artikel wird anhand der drei Grundgefüge Ferrit, Perlit und Martensit schrittweise erläutert, welche metallkundliche Bedeutung die einzelnen Arbeitsschritte beim Nihontō haben.

Ferrit — das grundlegende Gefüge von weichem und zähem Eisen

Ferrit ist ein nahezu kohlenstofffreies, dem Reineisen nahes Gefüge mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur (BCC). Es ist die bei Raumtemperatur stabile Grundphase des Eisens und zeichnet sich durch Weichheit sowie ausgezeichnete Duktilität (Dehnbarkeit) und Zähigkeit (Widerstandsfähigkeit) aus.

Beim Nihontō ist das shingane verhältnismäßig nahe an einem ferritdominierten Niedrigkohlenstoffstahl. Da das shingane, das das Innere der Klinge bildet, eine bruchfeste Zähigkeit erfordert, ist ein Gefüge mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und hohem Ferritanteil geeignet. Darin liegt die Grundlage der Bruchfestigkeit des uchigatana.

Die Rolle, das shingane zu umschließen, übernimmt das kohlenstoffreichere kawagane. Der Querschnitt des Nihontō weist häufig eine Struktur auf, bei der das weiche und zähe shingane vom harten kawagane umhüllt wird — eine Methode, Härte an der Außenseite und Zähigkeit im Inneren in einer einzigen Klinge zu vereinen. Dieser Gedanke von „hartem Äußeren und zähem Inneren" ist nicht nur auf Stahlwerkstoffe beschränkt, sondern eine gemeinsame Konstruktionsphilosophie von Verbundwerkstoffen im Allgemeinen.

Perlit — das Gefüge eines Kohlenstoffstahls mittlerer Zusammensetzung

Perlit ist ein Verbundgefüge, bei dem Ferrit und Eisenkarbid (Zementit: Fe₃C) abwechselnd in Schichten angeordnet sind. Bei einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0.8 % (eutektoide Zusammensetzung) entsteht reiner Perlit, der härter und fester als Ferrit, aber weicher als reiner Martensit ist.

Klassifiziert man Stahl nach dem Kohlenstoffgehalt, ergeben sich folgende Zusammensetzungen.

Da tamahagane im Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von etwa 0.5 bis 1.5 % streut, ist es notwendig, durch die „Homogenisierung" im Grobschmiedeprozess einen Werkstoff mit dem für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneten Kohlenstoffgehalt zu gewinnen.

Martensit — die „Härte des Nihontō", die durch yaki-ire entsteht

Martensit ist ein durch yaki-ire (Abschrecken) von Stahl gebildetes Gefüge mit tetragonal-raumzentrierter Gitterstruktur (BCT). Der Bildungsmechanismus ist eine diffusionslose Umwandlung, bei der das bei hoher Temperatur stabile Eisen mit kubisch-flächenzentrierter Gitterstruktur (Austenit) durch schnelles Abkühlen eine Gitterumwandlung vollzieht, ohne dass Kohlenstoffatome Zeit haben zu diffundieren und zu entkommen.

Martensit ist eines der härtesten Gefüge im Stahl, weist aber gleichzeitig Sprödigkeit (Neigung zum Reißen) auf. Der Bereich der Schneide des Nihontō erfordert ein martensitdominiertes hartes Gefüge, während die Seite des mune ein ferrit- und perlitdominiertes zähes Gefüge benötigt — diese „Vereinigung von Härte und Zähigkeit" ist die grundlegende Herausforderung des Nihontō. Die beim Abschrecken an der Klinge entstehenden sori und Verformungen im Bereich von hamachi und munemachi werden in Verarbeitungstechniken an hamachi und munemachi behandelt.

Der metallkundliche Grund für die Entstehung von sori

Auch die sori, die die Gestalt des Nihontō prägt, gilt als eng mit der Veränderung des Metallgefüges verbunden. Martensit hat ein geringfügig größeres Kristallgittervolumen als Ferrit oder Perlit, und wenn der Schneidenbereich durch yaki-ire in Martensit umgewandelt wird, dehnt sich dieser Bereich leicht aus. Die Erklärung, dass die Differenz zwischen der Ausdehnung des Schneidenbereichs und der relativen Kontraktion auf der Seite des mune als Kraft wirkt, die die Klinge in Richtung des mune biegt, ist weithin bekannt.

Natürlich wird die Größe und Form der sori nicht allein durch die Gefügeumwandlung bestimmt, sondern ergibt sich aus dem Zusammenwirken mehrerer Faktoren.

• In welche Form der tōkō die Klinge in der Phase des Streck- und Formschmiedens vor dem yaki-ire bringt
• Die Dicke der tsuchioki-Auftragung
• Die Qualität des Stahls

Dennoch liefert die Metallographie grundlegende Hinweise auf die Frage, warum sich die Klinge beim yaki-ire biegt.

Die Metallkunde von tsuchioki und hamon

Die Technik des tsuchioki, bei der vor dem yaki-ire Ton auf die Klinge aufgetragen wird, ist eine präzise technische Operation zur Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit, um in der Schneide und im mune-Bereich unterschiedliche Metallgefüge zu erzeugen.

Der Bereich, auf den der Ton dick aufgetragen wurde (die Seite des mune), kühlt langsam ab, und das Mischgefüge aus Ferrit und Perlit bleibt erhalten. Die Schneide, auf die der Ton dünn aufgetragen wurde (oder auf die kein Ton aufgetragen wurde), wird abgeschreckt und wandelt sich in Martensit um. Diese Grenzzone erscheint als die bandartige Leuchtkraft, die als hamon beobachtet wird.

Das nie des hamon bezeichnet den Zustand, in dem grobe Martensitpartikel körnig sichtbar sind, das nioi den Zustand, in dem feiner Martensit nebelartig verteilt ist. Ob „nie-deki" oder „nioi-deki" entsteht, ist das komplexe Ergebnis aus der Art des Tonauftrags, der Abkühlgeschwindigkeit und dem Kohlenstoffgehalt des Stahls — ein Bereich, in dem sich die Fertigkeit und Erfahrung des tōkō zeigt.

Der hamon ist auch mit bloßem Auge als Band mit weißlichem Nebelschleier zu beobachten; wenn man die Klinge betrachtet und dabei den Lichtwinkel variiert, werden die Unterschiede in der Leuchtkraft von nie und nioi deutlicher erkennbar. Die Aufmerksamkeit bei der Betrachtung auf Form und Leuchtkraft des hamon zu richten, beschränkt sich nicht auf die rein ästhetische Betrachtung, sondern dient auch als Hinweis, um zu erschließen, welchen yaki-ire-Prozess das Schwert durchlaufen hat.

Die Metallkunde des orikaeshi tanren — Homogenisierung und Entfernung von Einschlüssen

Die wissenschaftliche Bedeutung des orikaeshi tanren für die Qualität des Schwertes liegt in der „Entfernung von Einschlüssen (Schlacke) und der Homogenisierung des Stahlgefüges". Im tamahagane verbleiben beim Eisenschmelzen entstandene Schlacken (Oxide, Sulfide usw.) als Verunreinigungen. Durch das wiederholte Erhitzen und Hämmern beim orikaeshi tanren wird die Schlacke herausgedrückt, steigt an die Oberfläche und wird entfernt.

Zudem homogenisiert das wiederholte Falten die Kohlenstoffverteilung und trägt zur Verfeinerung des Gefüges bei. Bei übermäßigem Falten besteht jedoch das Risiko, dass Kohlenstoff verbrennt und der Kohlenstoffgehalt stärker als nötig absinkt. Dass Handwerker empirisch die optimale Anzahl von Faltvorgängen herausgefunden haben, wird von modernen Metallurgen damit erklärt, dass sie intuitiv diese „Grenze zwischen Homogenisierung und Entkohlung" erfassten.

Wie man das Wissen über Metallgefüge bei der Betrachtung und beim Kauf anwendet

Bei der Auswahl eines Nihontō sind das Erscheinungsbild von hamon und jihada ein Indikator dafür, wie die Gefüge aus Ferrit, Perlit und Martensit angeordnet sind. Ein Schwert, bei dem die Leuchtkraft der Schneide klar und die Grenze zwischen Schneide und ji deutlich ist, lässt darauf schließen, dass die Prozesse von tsuchioki und yaki-ire sorgfältig ausgeführt wurden.

In kanteisho werden häufig Befunde über die Qualität des hamon und den Zustand des jigane vermerkt; wenn man die Grundlagen der Metallographie versteht, kann man diese Befunde mit einem konkreteren Vorstellungsbild lesen. Auch wenn man bei der Textur oder dem Glanz der Klinge ein Unbehagen verspürt, wird man in der Lage sein, den tōshō oder den Gutachter aus dem Blickwinkel zu befragen, welche Gefügeveränderungen in welchem Prozess stattgefunden haben müssten.

Die Stahlgefügekunde ist das Fundament für die Entwicklung eines „geschulten Blicks" auf den Nihontō, und in Kombination mit fachlichem Begutachtungswissen erhöht sie die Auflösung beim Schwertkauf erheblich. Die Perspektive der Stahlgefügekunde „zerlegt" nicht das Geheimnis des Nihontō, sondern ist ein Hilfswerkzeug, um neu zu bestätigen, wie wissenschaftlich vernünftig das empirische Wissen der Handwerker war. Die Kunst des tōshō und die Metallkunde stehen nicht im Widerspruch zueinander, sondern sprechen in verschiedenen Sprachen dieselbe Wahrheit aus.