Die Wissenschaft des Faltens und Schmiedens — Wie Wiederholungen, Temperatur und Schichtzahl die Stahlstruktur verändern

Was ist Falten und Schmieden — Der grundlegende Prozess, der japanischen Schwerstahl transformiert

Falten und Schmieden (orikaeshi tanren) ist einer der wichtigsten Prozesse in der japanischen Schwertherstellung, der die wiederholte Operation des Erhitzens von Stahl, des Hammerns, des Faltens und des erneuten Hammerns beinhaltet. Der Zweck dieses Prozesses ist nicht einfach "Verhärtung", sondern vielmehr die Homogenisierung der inneren Struktur des Stahls, die Entfernung von Verunreinigungen und letztendlich die Schaffung eines Materials mit optimaler Schärfe und Festigkeit.

Der rohe Block aus tamahagane, der aus der Tatara-Eisenschmelze gewonnen wird, ist oberflächlich ein Stück Metall, birgt aber verschiedene Probleme im Inneren. Lokale Schwankungen im Kohlenstoffgehalt, Restschlacke (Erzschlacke), Oxidationskontamination und Wachstum von Kristallkörnern — wenn diese nicht vor dem Schmieden des Stahls in die Form eines Schwertes beseitigt werden, werden sie zu Ursachen unzureichender Festigkeit und sprödiger Brüche. Falten und Schmieden ist die Kerntechnologie des Herstellungsprozesses, die diese Probleme löst.

Faltzahl und Schichtbildung — Die exponentiell wachsende Schnittstelle

Die Anzahl der Faltoperationen und die resultierende Anzahl der Stahlschichten haben eine exponentielle Beziehung. Die Beziehung, bei der n Faltungen 2ⁿ Schichten ergeben, ist unten dargestellt.

Bei typischen japanischen Schwertern wird das Falten ungefähr 8 bis 15 Mal durchgeführt und bildet geschichtete Strukturen aus extrem dünnem Stahl.

Die Bildung dieser unzähligen Schnittstellen — Grenzen zwischen Stahlschichten — erzeugt die wesentlichen Auswirkungen des Faltens und Schmiedens. Jede Schnittstelle wird zu einem Ort der Umverteilung von Kohlenstoff, Karbiden und Restschlacke, und durch wiederholte Hitze und Druck werden lokale Zusammensetzungsunregelmäßigkeiten schrittweise ausgeglichen. Das Prinzip dieses Phänomens ist das, was die moderne Materialwissenschaft "Diffusionsverbesserung durch plastische Verformung" nennt.

Jedoch ist mehr Falten nicht unbedingt besser. Bei mehr als 20 Faltungen erreicht die Schichtdicke die Nanometer-Größenordnung, und es wurde berichtet, dass die Oberflächenenergie übermäßig wird und paradoxerweise den Stahl brüchig macht. Darüber hinaus wird Kohlenstoff durch Oxidation erschöpft, wodurch der Kohlenstoffgehalt übermäßig sinkt. Die traditionelle empirische Regel des Schwertschmieds von "Falten auf 12 bis 15 Mal begrenzen" ist konsistent mit modernem materialwissenschaftlichem Wissen.

Temperaturkontrolle — Der optimale Heiztemperaturbereich zum Schmieden

Die Heiztemperatur beim Falten und Schmieden ist die kritischste Variable, die direkt Veränderungen in der Stahlmikrostruktur beeinflusst. Der Temperaturbereich, der zum Verarbeiten von Kohlenstoffstahl geeignet ist, wird "Schmiedetemperaturbereich" genannt, der je nach Stahlzusammensetzung variiert, aber für den Mittel- bis Hochkohlenstoffstahl, der in japanischen Schwertern verwendet wird (Kohlenstoffgehalt 0,5–1,5%), wird ungefähr 900–1200°C als angemessen angesehen.

Innerhalb dieses Temperaturbereichs nimmt der Stahl eine flächenzentrierte kubische Gitterstruktur an, die Austenit genannt wird, und wird zu einem flexiblen Zustand, der für plastische Verformung durch Hammering geeignet ist. Das Verlassen dieses Bereichs führt zu folgenden Problemen:

• Unter 900°C beginnt sich Ferrit – mit seinem raumzentrierten kubischen Gitter – zu bilden, der Verformungswiderstand nimmt stark zu, und der Stahl wird "hart und spröde"
• Über 1200°C nähert sich der Stahl seinem Schmelzpunkt, die Oxidation beschleunigt sich stark, und "Überhitzung (Brennen)" tritt auf, wobei die Stahlstruktur beeinträchtigt wird

Traditionelle Schwertschmiede verwenden keine Thermometer, sondern beurteilen die Temperatur nach der Flamme des Schmiedefeuers und der Farbe des Stahls. Die Bestimmung der Temperatur nach Farbe erfordert mehrere Jahre Training, und die Entsprechung zwischen Farbe und Temperatur ist ungefähr wie folgt:

• Dunkelrot (ungefähr 750°C)
• Rot (ungefähr 850°C)
• Orange (ungefähr 950°C)
• Helles Orange (ungefähr 1100°C)
• Gelb (ungefähr 1200°C)

Die Bestimmung der unteren Grenze der Schmiedetemperatur (um 900°C) ist besonders schwierig, und das Weiterhammern von Stahl, der zu viel abgekühlt ist, birgt das Risiko, "kalte Risse" im Inneren zu erzeugen.

Der Mechanismus der Verunreinigungsentfernung — Wie Schlacke und Oxidationsprodukte ausgestoßen werden

Ein weiterer wichtiger Effekt des Faltens und Schmiedens ist die Entfernung von Verunreinigungen aus dem Stahl. Tatara tamahagane behält Spuren von Schlacke (Silikat- und Oxidkomplexe), die zu einer Verringerung der Stahlkraft und sprödigen Bruch führen.

Wenn erhitzter Stahl gehämmert wird, verformt sich interne Schlacke und wird zur Oberfläche hin gedrückt. Auf der Oberfläche von heißem Stahl vermischt sich Schlacke mit der Oxidschicht (Zunder) und zerstreut sich als Spray namens "oroshi". Durch Wiederholung dieses Prozesses fällt der Schlackengehalt im Stahl schnell ab.

Gleichzeitig wird auch die Verteilung von Kohlenstoff homogenisiert. Im rohen Block aus tatara tamahagane koexistieren Regionen mit hohem Kohlenstoffgehalt (weiß oberflächlich "weißes Eisen" oder hakutetsu) und niedrigem Kohlenstoffgehalt (dunkel oberflächlich "schwarzes Eisen" oder kurotetsu). Durch Falten und Schmieden wird diese Kohlenstoffsegregation schrittweise gelöst, und Stahl mit einheitlicher Kohlenstoffverteilung wird gebildet. Diese Homogenisierung ermöglicht es dem hamon, nach dem Abschrecken gleichmäßig schön zu erscheinen.

Mikrostruktur-Verfeinerung — Wie Korngrößenkontrolle Schärfe erzeugt

Der Effekt des Faltens und Schmiedens auf die Kristallkorngröße des Stahls ist auch wichtig. Durch wiederholtes Erhitzen, Abkühlen und Verformen werden die Kristallkörner des Stahls schrittweise durch Zyklen der Rekristallisation und des Kornwachstums verfeinert. Stahl mit feinen Kristallkörnern zeigt überlegene Eigenschaften in Festigkeit, Zähigkeit und Gleichmäßigkeit im Vergleich zu Stahl mit groben Körnern (Hall-Petch-Beziehung).

Die Feinheit der nach dem Abschrecken gebildeten Martensitstruktur hängt auch von der Kristallkorngröße vor dem Schmieden ab. Durch Vor-Verfeinerung der Kristallkörner durch Falten und Schmieden bildet sich der Martensit nach dem Abschrecken gleichmäßig und fein, um eine Stahlstruktur zu erreichen, die hohe Härte mit Zähigkeit verbindet. Die Oberflächenbeschaffenheit des jigane, die nach dem Polieren erscheint — diverse Muster wie mokume, itame und ayasugi — ist die Manifestation dieser feinen Kristallstruktur auf der polierten Oberfläche, und Unterschiede in der Qualität des Faltens und Schmiedens werden direkt in der Schönheit des jigane widergespiegelt.

Abbau durch Überfalten — Kohlenstoffabbau und Sprödheitsprobleme

Der schwerwiegendste Nachteil übermäßigen Faltens ist die Kohlenstofferschöpfung. Wenn Stahl bei hoher Temperatur der Luft ausgesetzt ist, oxidiert der oberflächliche Kohlenstoff und entweicht als Kohlendioxid — ein Phänomen namens "Entkohlung". Je mehr Falten auftreten, desto mehr Heizzyklen durchläuft der Stahl, und der Kohlenstoffverlust durch Entkohlung sammelt sich an.

Stahl mit reduziertem Kohlenstoffgehalt verliert nach dem Abschrecken Härte und wird zu einem "Schwert, das nicht schneiden wird". Umgekehrt führt die Verwendung übermäßig kohlenstoffreicher Rohstoffe zur Kompensation von Kohlenstoff zu überschüssigem Kohlenstoff auch nach dem Falten, wodurch der Stahl brüchig wird. Traditionelle Schwertschmiede verstehen empirisch die "Kohlenstoffbilanz während des Schmiedens" und bewahren den optimalen Kohlenstoffgehalt durch die Auswahl geeigneter Faltzahlen und Heizzeiten.

Dieses "Kohlenstoffmanagement" ist eine der höchsten Techniken des Schwertschmied-Handwerks. Moderne materialwissenschaftliche Analyse von Querschnitten berühmter Schwerter aus der Edo-Periode zeigt bemerkenswert gleichmäßige Kohlenstoffverteilung, und man kann nicht anders, als sich zu wundern, wie die Schwertmacher dieser Zeit dieses fortgeschrittene Materialmanagement durch Erfahrung und Intuition allein, ohne theoretisches Wissen, erreicht haben. Der Online-Katalog von TOUKENZA zeigt Schwerter, die diese präzise Schmiedtechnik vermitteln.