Yaki-ire und Martensitumwandlung — Die Wissenschaft der Stahlgefügeveränderung, die das Nihontō härtet

Was ist yaki-ire — der letzte Prozess, der das Schwert in „lebenden Stahl" verwandelt

Yaki-ire (Abschrecken) ist der dramatischste Prozess bei der Herstellung eines Nihontō. Die mit tsuchioki behandelte Klinge wird im Ofen erhitzt, und im Moment, in dem die optimale Temperatur erreicht ist, wird sie in einem Zug in den Wassertank getaucht. In diesen wenigen Sekunden vollzieht sich im Inneren des Stahls eine gewaltige Gefügeveränderung, und der bisher weiche Stahl verwandelt sich in eine harte Schneide. Gleichzeitig erscheint der schöne hamon und das „Gesicht" des Schwertes nimmt Gestalt an.

Yaki-ire ist auch der Prozess der endgültigen, unwiderruflichen Entscheidung. Wenn Temperatur, Timing oder Wassertemperatur auch nur geringfügig abweichen, gilt das Schwert als misslungen. Das Misslingen nimmt eine der folgenden Formen an:

• Die dünne Schneide hält den thermischen Spannungen beim Abschrecken nicht stand und bricht
• Es endet mit einem „yaki-busoku" (unzureichendes Abschrecken), bei dem keine ausreichende Härte erzielt wird

Eine Klinge, die durch mehr als hundert Arbeitsschritte verfeinert wurde, kann in diesem einen Moment zum Ausschuss werden — dies ist der Moment, in dem Können und Willenskraft des kaji am stärksten auf die Probe gestellt werden.

Von Austenit zu Martensit — der Mechanismus, durch den Stahl hart wird

Der Grund, warum Stahl durch yaki-ire hart wird, liegt in der Veränderung der Kristallstruktur des Eisens. Kohlenstoffstahl bei Raumtemperatur besteht aus einem Mischgefüge aus „Ferrit" mit kubisch-raumzentrierter Gitterstruktur (BCC) und Zementit (Eisenkarbid: Fe₃C). Wenn er bis zum A1-Umwandlungspunkt (Eutektoidtemperatur: ca. 727 °C) erhitzt wird, beginnt die Umwandlung zu Austenit. Bei untereutektoidem Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt wird vollständiger Austenit erst durch weitere Erhitzung bis zum A3-Punkt erreicht (bei übereutektoidem Stahl bis über den Acm-Punkt). Austenit hat eine hohe Kohlenstofflöslichkeit (maximal ca. 2,14 %), sodass der gesamte Kohlenstoff, der im Ferritstadium ausgefällt war, in gelöstem Zustand vorliegt.

Wenn aus diesem Austenitszustand schnell abgekühlt wird, hat der Kohlenstoff keine Zeit auszutreten, und es entsteht eine „eingefrorene" Struktur, bei der die Umwandlung von der FCC- zur BCC-Struktur unvollständig bleibt. Dies ist das Stahlgefüge, das als „Martensit" (martensite) bezeichnet wird und eine verzerrte Gitterstruktur in Form eines kubisch-raumzentrierten Tetragonalgitters (BCT) aufweist. Diese Gitterverzerrung ist die Quelle der Härte; da der gelöste Kohlenstoff das Gitter verzerrt, lässt es sich schwer deformieren, und die Härte kann nach Rockwell (HRC) 60 oder mehr erreichen.

Im Fall des Nihontō wird für den Schneidenteil (hagane) kohlenstoffreicher Stahl mit 0,6–1,5 % Kohlenstoff verwendet, durch yaki-ire bildet sich hochharter Martensit. Auf der durch tsuchioki geschützten mune-Seite und beim shingane mit mittlerem Kohlenstoffgehalt verläuft die Abkühlung hingegen langsamer, sodass sich dort weiches und zähes Gefüge bildet, das als „Perlit" (pearlite) bzw. „Bainit" (bainite) bezeichnet wird. Diese doppelte Härtestruktur ist der grundlegende Grund dafür, dass das Nihontō die auf den ersten Blick widersprüchlichen Eigenschaften „hart und nicht brechend" vereint.

Bestimmung der Abschrecktemperatur — die Glutfarbe, die das Auge des tōshō liest

Die für yaki-ire geeignete Erhitzungstemperatur variiert je nach Kohlenstoffgehalt des Stahls, aber der Bereich von etwa 760–820 °C gilt allgemein als optimaler Bereich für Kohlenstoffstahl des Nihontō. Unterhalb dieser Temperatur wird die Austenitumwandlung unvollständig und es wird keine ausreichende Härte erzielt. Ist die Temperatur umgekehrt zu hoch, schreiten Kornvergröberung und Entkohlung voran und das Risiko von yaki-ware (Abschreckrissen) steigt.

Bei modernem industriellem Abschrecken werden präzise Thermometer und Ofentemperaturregelung eingesetzt, aber das traditionelle yaki-ire des Nihontō wird heute noch fast ausnahmslos nach Augenschein durchgeführt. Die Farbe des Lichts, das die Klinge im Ofen ausstrahlt, fungiert für das Auge des tōkō als präzises Thermometer.

Die ungefähre Entsprechung zwischen Stahlfarbe und Temperatur ist wie folgt:

Da dieses Urteilsvermögen stark von der Arbeitsumgebung (natürliches Licht, Beleuchtung) abhängt, führen viele tōkō das yaki-ire in den frühen Morgenstunden vor Sonnenaufgang durch, wenn es noch dämmrig ist. Dies ist durch Erfahrung untermauerte Weisheit, um visuelle Störeinflüsse auszuschalten.

Manche tōshō verwenden als Hilfsmittel die Methode, einen Magneten an die erhitzte Klinge zu halten und den „Moment des Magnetismusverlusts" zu beobachten. Da Eisen oberhalb des A2-Umwandlungspunkts (Curie-Temperatur: ca. 770 °C) seinen Ferromagnetismus verliert, dient die Temperatur, bei der der Magnet nicht mehr haftet, als Anhaltspunkt für den yaki-ire-Temperaturbereich.

Ms-Punkt und Mf-Punkt — Beginn und Ende der Martensitumwandlung

Die Martensitumwandlung hat eine klar definierte Start- und Endtemperatur. Der „Ms-Punkt (Martensitumwandlungs-Startpunkt)" ist die Temperatur, bei der sich beim Abkühlen Martensit zu bilden beginnt; der „Mf-Punkt (Martensitumwandlungs-Endpunkt)" ist die Temperatur, bei der die Umwandlung abgeschlossen ist.

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto weiter verschieben sich Ms-Punkt und Mf-Punkt zu niedrigeren Temperaturen. Bei Stahl mit 1 % Kohlenstoff sinkt der Ms-Punkt auf etwa 230 °C, und der Mf-Punkt kann unter Raumtemperatur liegen. Das bedeutet, dass bei kohlenstoffreichem Stahl die Umwandlung auch nach Abkühlung auf Raumtemperatur nicht vollständig abgeschlossen ist und nicht umgewandelter Austenit (Restaustenit) verbleiben kann.

Der Strukturentwurf der „tsukuri-komi" genannten Klingenkonstruktion, bei der im Nihontō-Schmieden kohlenstoffreicher hagane mit shingane mittleren Kohlenstoffgehalts kombiniert wird, nutzt auch geschickt diesen Unterschied zwischen Ms-Punkt und Mf-Punkt. Der kohlenstoffreiche Stahl der Schneide bildet durch yaki-ire hochharten Martensit, während der Stahl des shingane mit mittlerem Kohlenstoffgehalt zusammen mit seiner langsameren Abkühlgeschwindigkeit ein zähes Perlit-Bainit-Gefüge annimmt. Die traditionellen tōkō verstanden dieses Phänomen nicht wissenschaftlich, aber die Tatsache, dass sie nach mehr als tausend Jahren von Versuch und Irrtum das optimale Materialdesign und die optimalen Verfahren entwickelt hatten, überrascht selbst moderne Materialwissenschaftler.

Yaki-modoshi (Anlassen) — Feinabstimmung des Gleichgewichts zwischen Härte und Zähigkeit

Ein Schwert unmittelbar nach dem yaki-ire weist zwar eine hohe Härte auf, ist aber auch sehr spröde. Da die Gitterverzerrung des Martensits zu groß ist, neigt es dazu, schon bei geringen Erschütterungen innere Risse zu entwickeln. Um dieses Problem zu lösen, wird das „yaki-modoshi (Anlassen, Tempering)" durchgeführt.

Yaki-modoshi ist ein Prozess, bei dem die Klinge nach dem yaki-ire bei niedriger Temperatur (üblicherweise etwa 150–250 °C) erneut erhitzt wird. In diesem Temperaturbereich scheidet ein Teil des Kohlenstoffs aus dem Martensit aus und bildet Karbide, wodurch die Gitterverzerrung gelindert wird. Als Ergebnis sinkt die Härte geringfügig, aber die Zähigkeit (Widerstandsfähigkeit gegen Schlageinwirkung) verbessert sich erheblich.

Bei der traditionellen Nihontō-Herstellung entspricht die kurze Luftabkühlung nach dem yaki-ire, wenn die Klinge aus dem Wasser genommen wird, de facto einem Anlassen. Im Zuge der Übertragung der beim Abschrecken entstandenen inneren Wärme vom Kern der Klinge zur Oberfläche wird die Oberfläche angemessen wiedererhitzt. Es wird angenommen, dass dieser Effekt des „Jiko-yaki-modoshi (Selbstanlassen)" dazu beiträgt, die Zähigkeit des Nihontō zu erhalten, und es handelt sich dabei um eine Erkenntnis, die auch mit modernen Abschrecktechniken für Schnellarbeitsstähle in Verbindung steht.

Hamon — das Gesicht des Nihontō, das durch yaki-ire entsteht

Das visuelle Produkt des yaki-ire-Prozesses ist der hamon. Dieses nach dem Polieren erscheinende weiß leuchtende Muster stellt die Grenze zwischen dem Martensitgefüge (gehärteter Bereich) und dem Perlit-Bainit-Gefüge (weicher Bereich) durch Unterschiede in der Lichtreflexion dar. Martensit streut das Licht und erscheint daher weiß, während Perlit das Licht gleichmäßig reflektiert und daher grau bis schwarz erscheint.

Die Form des hamon wird durch die Form des tsuchioki bestimmt und erzeugt je nach Schule ein eigenes Muster (suguha, notare, chōji, gunome usw.). Der hamon ist also nicht bloße Dekoration, sondern ein wissenschaftlicher Beweis für den Erfolg des yaki-ire-Prozesses und ein „Fingerabdruck des Stahls", in dem die Technik und Persönlichkeit des tōkō eingraviert sind. Das endgültige Kriterium dafür, ob das yaki-ire erfolgreich war oder nicht, ist, ob dieser hamon wie beabsichtigt in voller Schönheit erscheint, und erst hier erfährt der tōkō, ob ein Schwert gelungen ist oder nicht.