Abschreckung und Martensitische Umwandlung—Die Wissenschaft der Stahlmikrostrukturveränderungen, die japanische Schwerter härten

Was ist Anlassen — Der letzte Prozess, der ein Schwert in „lebenden Stahl" verwandelt

Anlassen (yaki-ire) ist der dramatischste Prozess in der japanischen Schwertherstellung. Eine Schwertklinge, die mit Ton (tsuchi-oki) beschichtet wurde, wird in einem Ofen erhitzt, und in dem Moment, in dem sie die optimale Temperatur erreicht, wird sie in ein Wasserbad getaucht. Innerhalb dieser wenigen Sekunden finden intensive Strukturveränderungen im Stahl statt und verwandeln den zuvor weichen Stahl in eine harte Kante. Gleichzeitig entsteht ein schönes Kantenmuster (hamon), und das „Gesicht" des Schwertes wird vervollständigt.

Anlassen ist auch ein Prozess der unwiderruflichen endgültigen Entscheidung. Wenn die Temperatur, das Timing oder die Wassertemperatur auch nur leicht abweicht, wird das Schwert zu einem „Ausschuss (dame)". Die Ausfallformen sind wie folgt:

• Die dünne Schwertkante kann der Wärmebeanspruchung der schnellen Abkühlung nicht standhalten und reißt
• Der Prozess endet in unzureichender Härte, genannt „Unterhärtung (yaki-busoku)"

Nach über hundert Prozessen verfeinert, könnte eine Schwertklinge in diesem einen Moment zu Ausschuss werden—dies ist die Szene, in der die Fähigkeit und die mentale Kraft des Schwertschmieds am stärksten auf die Probe gestellt werden.

Von Austenit zu Martensit — Wie Stahl hart wird

Der Grund, warum Stahl durch Anlassen hart wird, ist auf Veränderungen in der Kristallstruktur von Eisen zurückzuführen. Bei Raumtemperatur ist Kohlenstoffstahl eine gemischte Mikrostruktur aus raumzentriertem kubischem (BCC) Ferrit und Zementit (Eisenkarbid: Fe₃C), aber wenn er auf den A1-Umwandlungspunkt erhitzt wird (eutektische Temperatur: etwa 727°C), beginnt die Umwandlung zu Austenit. Bei hypoeutektoidem Stahl mit niedrigerem Kohlenstoffgehalt muss er auf den höheren A3-Punkt erhitzt werden, um vollständiges Austenit zu erreichen (oder über den Acm-Punkt bei hypereutektoidem Stahl). Austenit hat eine große Kohlenstofflöslichkeit (bis etwa 2,14%) und bringt den gesamten Kohlenstoff, der in der Ferrit-Phase ausfiel, in einen gelösten Zustand.

Wenn schnell von diesem Austenitezustand abgekühlt wird, hat Kohlenstoff keine Zeit zu entweichen, und die Umwandlung von der FCC-Struktur zur BCC-Struktur wird mitten im Prozess eingefroren, wobei eine „eingefrorene" Struktur entsteht. Dies ist die Stahlmikrostruktur namens „Martensit", die eine raumzentrierte tetragonale (BCT) Gitterstruktur hat. Die Verzerrung dieses Gitters ist die Quelle der Härte; da gelöster Kohlenstoff das Gitter verzerrt, widersteht das Material Verformungen, und die Härte kann 60 oder höher auf der Rockwell-Härteskala (HRC) erreichen.

Im Falle von japanischen Schwertern verwendet der Kantenteil (Stahl der Klinge: hagane) Kohlenstoffstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (0,6–1,5% Kohlenstoff), und Anlassen bildet Martensit mit hoher Härte. Derweil kühlen die durch Tonbeschichtung geschützte Rückseite und der Mittelkernstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt langsamer ab und wandeln sich in weichere und zähere Mikrostrukturen namens „Perlit" oder „Bainit" um. Diese duale Härtestruktur ist der Grundgrund dafür, dass japanische Schwerter die scheinbar widersprüchliche Leistung erreichen, „hart und unzerbrechlich" zu sein.

Bestimmung der Anlasstemperatur — Wie Schwertschmiede die Flammenfarbe lesen

Die für das Anlassen geeignete Heiztemperatur variiert je nach Kohlenstoffgehalt des Stahls, aber der optimale Bereich für allgemeinen japanischen Schwertkohlenstoffstahl liegt typischerweise bei 760–820°C. Unterhalb dieser Temperatur ist die Austenitumwandlung unvollständig, was zu unzureichender Härte führt. Umgekehrt, wenn die Temperatur zu hoch ist, vergröbert sich das Korn und die Entkohlung schreitet voran, was das Risiko von Abschreckungsrissen (yaki-ware) erhöht.

Bei modernem industriellem Anlassen werden präzise Thermometer und Ofentemperaturregler verwendet, aber das traditionelle japanische Schwertanlassen wird immer noch fast vollständig durch „visuelle Beurteilung" durchgeführt. Die Farbe des vom Schwert im Ofen ausgestrahlten Lichts fungiert als genaues Thermometer für das Auge des Schwertschmieds.

Die ungefähre Entsprechung zwischen Stahlfarbe und Temperatur ist wie folgt:

Da dieses Urteil stark von der Arbeitsumgebung beeinflusst wird (natürliches Licht, Beleuchtung), führen viele Schwertschmiede das Anlassen in der düsteren Frühe vor Sonnenaufgang durch. Dies ist angesammeltes Wissen, das visuelle Störungen eliminiert.

Einige Meisterschwertschmiede verwenden als Hilfsmethode, die erhitzte Klinge in die Nähe eines Magneten zu halten, um den „Moment zu bestätigen, in dem sie die Magnetisierung verliert". Eisen verliert den Ferromagnetismus über dem A2-Umwandlungspunkt (Curie-Temperatur: etwa 770°C), daher wird die Temperatur, bei der der Magnet nicht mehr haftet, zum Leitfaden für den Anlasstemperaturbereich.

Ms-Punkt und Mf-Punkt — Der Anfang und das Ende der Martensitumwandlung

Die Martensitumwandlung hat eine distinkte Starttemperatur und Endtemperatur. Der „Ms-Punkt (Startpunkt der Martensitumwandlung)" ist die Temperatur, bei der Martensit während der Abkühlung zu bilden beginnt, und der „Mf-Punkt (Endpunkt der Martensitumwandlung)" ist die Temperatur, bei der die Umwandlung vollständig ist.

Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto niedriger verschieben sich die Ms- und Mf-Punkte. Bei Stahl mit 1% Kohlenstoff sinkt der Ms-Punkt auf etwa 230°C, und der Mf-Punkt kann unter Raumtemperatur fallen. Dies bedeutet, dass selbst wenn Kohlenstoffstahl mit hohem Kohlenstoff auf Raumtemperatur abgekühlt wird, die Umwandlung möglicherweise nicht vollständig beendet ist, und unumgewandeltes Austenit (verbleibendes Austenit) kann verbleiben.

Die Konstruktion der japanischen Schwertschmiedetechnik, die Kohlenstoffstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt (hagane) mit mittlerem Kohlenstoffkernstahl durch „Kompositionaufbau" verbindet, nutzt diese Unterschiede in Ms- und Mf-Punkten geschickt. Die Stahlkante mit hohem Kohlenstoffgehalt bildet Martensit mit hoher Härte durch Anlassen, während der Mittelkernstahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt in Kombination mit langsamerer Abkühlungsgeschwindigkeit zähe Perlit- und Bainit-Mikrostrukturen bildet. Obwohl traditionelle Schwertschmiede dieses Phänomen nicht wissenschaftlich verstanden, ist die Tatsache, dass sie optimale Materialdesigns und Prozesse über mehr als tausend Jahre Versuch und Irrtum etablierten, immer noch erstaunlich für moderne Materialwissenschaftler.

Anlassen (Wiedererwärmung) — Härte und Zähigkeit ausbalancieren

Eine Schwertklinge unmittelbar nach dem Anlassen hat hohe Härte, aber auch hohe Sprödigkeit. Da die Gitterverzerrung von Martensit zu groß ist, können selbst kleine Stöße leicht innere Risse erzeugen. Der Prozess, der dieses Problem löst, ist „Anlassen (yaki-modoshi, auch Wiedererwärmung oder Anlassen genannt)".

Anlassen beinhaltet das Wiedererwärmen der gehärteten Schwertklinge bei niedriger Temperatur (typischerweise 150–250°C). In diesem Temperaturbereich präzipitiert ein Teil des Kohlenstoffs im Martensit, um Karbide zu bilden, und die Gitterverzerrung wird gelindert. Als Ergebnis sinkt die Härte leicht, aber die Zähigkeit (Widerstandsfähigkeit gegen Stöße) verbessert sich erheblich.

In der traditionellen japanischen Schwertherstellung entspricht die Handlung des kurzzeitigen Abkühlens der Klinge durch Luft nach ihrer Entfernung aus dem Wasser nach dem Anlassen einer praktischen Anlassbehandlung. Wenn Wärmewärme, die durch das Anlassen im Schwert erzeugt wird, vom Kern zur Oberfläche übertragen wird, wird die Oberfläche angemessen wiedererwärmt. Diese Wirkung von „Selbstanlassen (jiko-yaki-modoshi)" soll zum Erhalt der Zähigkeit von japanischen Schwertern beitragen und repräsentiert Wissen, das sich mit modernen Schnellstahl-Anlasstechniken verbindet.

Hamon — Das Gesicht des japanischen Schwertes, erschaffen durch Anlassen

Das visuelle Produkt des Anlassprozesses ist das „hamon" (Kantenmuster). Dieses leuchtend glühende Muster, das nach dem Polieren erscheint, ist die Grenze zwischen der Martensitmikrostruktur (gehärteter Bereich) und der Perlit- und Bainit-Mikrostruktur (erweichter Bereich), die sich als Unterschied in der Lichtreflexion widerspiegelt. Martensit erscheint weiß, weil es Licht diffundiert, während Perlit grau bis schwarz erscheint, weil es Licht gleichmäßig reflektiert.

Die Form des hamon wird durch die Form der Tonbeschichtung bestimmt, und jede Schule erschafft ihre eigenen einzigartigen Muster (gerade Kante, wellig, nelkenknopfförmig, wechselnde Muster usw.). Mit anderen Worten, das hamon ist nicht nur dekorativ, sondern ist ein wissenschaftlicher Beweis für erfolgreiches Anlassen, ein „Stahl-Fingerabdruck", der die Technik und Individualität des Schmiedbauers dokumentiert. Das letzte Kriterium zur Beurteilung, ob das Anlassen erfolgreich war, ist, ob das hamon wie beabsichtigt schön erscheint, und hier lernt der Schmied endlich den Erfolg oder Misserfolg einer einzigen Klinge.