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

Abschreckung—Der finale Prozess, der Schwerter in „lebenden Stahl" verwandelt

„Abschreckung" ist die dramatischste Phase in der Herstellung japanischer Schwerter. Das mit Tonbeschichtung vorbereitete Blatt wird in einem Ofen erhitzt, und in dem Moment, in dem es die optimale Temperatur erreicht, wird es in einen Wassertank getaucht. Innerhalb dieser wenigen Sekunden finden heftige Mikrostrukturänderungen im Stahl statt, die das einst weiche Material in ein hartes Blatt umwandeln. Gleichzeitig entstehen wunderschöne Körnung, die „hamon" genannt wird, und vervollständigen das „Gesicht" des Schwertes.

Abschreckung ist auch ein Punkt ohne Rückkehr. Wenn Temperatur, Timing oder Wassertemperatur auch nur leicht abweichen, wird das Schwert zu einem Fehlschlag. Die dünne Blattschneide reißt entweder unter der thermischen Spannung des schnellen Abkühlens, oder wird „unterbehandelt" und erreicht nicht die erforderliche Härte. Nach mehr als hundert vorherigen Schritten kann ein Schwert im Handumdrehen zu Schrott werden. Dieser Prozess, der mehr als jeder andere die Geschicklichkeit und Entschlossenheit des Schwertschmieds testet, birgt diese grausame Möglichkeit.

Von Austenit zu Martensit—Wie Stahl hart wird

Der Grund, warum Stahl durch Abschreckung hart wird, liegt in den Veränderungen der Kristallstruktur von Eisen. Kohlenstoffstahl bei Raumtemperatur besteht aus einer Mischung von kubischem Raumzentriert (BCC) „Ferrit" und Zementit (Eisencarbid: Fe₃C), aber wenn es über den A3-Umwandlungspunkt (etwa 723°C) erhitzt wird, verwandelt es sich in „Austenit", der eine flächenzentrierte kubische (FCC) Struktur hat. Austenit hat eine große Kohlenstofflösungskapazität (bis etwa 2,14%), wobei es den gesamten Kohlenstoff aufnimmt, der in der Ferritstadium ausgefällt wurde.

Wenn dieser Austenit schnell abkühlt, hat Kohlenstoff keine Zeit auszufallen, und die Umwandlung von FCC zu BCC-Struktur wird in einem unvollständigen Zustand „eingefroren". Diese eingefrorene Struktur wird „Martensit" genannt und besitzt eine raumzentrierte tetragonale (BCT) Gitterstruktur. Die Verformung in diesem Gitter ist die Quelle der Härte; der gelöste Kohlenstoff verzerrt das Gitter und macht eine Verformung schwierig, wobei eine Härte von mehr als Rockwell-Härte (HRC) 60 oder höher erreicht wird.

Bei japanischen Schwertern verwendet die Blattschneide Kohlenstoffstahl mit 0,6–1,5% Kohlenstoff und bildet durch Abschreckung hochharten Martensit. Unterdessen kühlen die von Tonbeschichtung geschützten Rückseite und Mittelkernregionen mit gemäßigtem Kohlenstoffgehalt langsamer ab und verwandeln sich in weichere und duktilere Strukturen, die „Perlit" oder „Bainit" genannt werden. Diese Doppelhärtungsstruktur ist der grundlegende Grund, warum japanische Schwerter das widersprüchliche Merkmal besitzen, „sowohl hart als auch unzerbrechlich" zu sein.

Bestimmung der Abschreckungstemperatur—Das Auge des Schwertschmieds liest die Flammen

Die optimale Erhitzungstemperatur für die Abschreckung variiert je nach Kohlenstoffgehalt und liegt für typischen japanischen Schwerterstahl im Allgemeinen zwischen 760–820°C. Unterhalb dieser Temperatur ist die Austenitumwandlung unvollständig und erreicht nicht die erforderliche Härte. Darüber hinaus schreitet die Kornvergröberung und Entkohlung voran und erhöht das Risiko von Abschreckungsrissen.

Die moderne industrielle Abschreckung verwendet Präzisionsthermometer und Ofentemperaturkontrolle, aber die traditionelle japanische Schwertabschreckung beruht fast ausschließlich auf „visueller Beurteilung". Die Farbe des vom Blatt im Ofen emittierten Lichts funktioniert als genaues Thermometer für das Auge des Schwertschmieds.

Die Entsprechung zwischen Stahlfarbe und Temperatur ist wie folgt: dunkelrot (etwa 700–750°C) ist für die Abschreckung unzureichend; leuchtend rot (etwa 780–820°C) ist der optimale Abschreckungsbereich; orange (900°C und höher) zeigt Übererhitzung an. Da diese Beurteilung anfällig für Umweltbedingungen wie natürliches und künstliches Licht ist, führen viele Schmiede die Abschreckung im schwachen Licht des frühen Morgens vor Sonnenaufgang durch—eine traditionelle Technik, um visuelle Interferenz zu beseitigen.

Einige Meisterschwertschmiede verwenden auch eine Hilfsmethode: Sie halten das erhitzte Blatt in der Nähe eines Magneten, um den Moment zu bestätigen, in dem es „die Magnetisierung verliert". Eisen verliert oberhalb des A2-Umwandlungspunkts (Curie-Temperatur: etwa 770°C) seinen Ferromagnetismus, sodass wenn ein Magnet das Blatt nicht mehr anzieht, diese Temperatur den Zielabschreckungsbereich markiert.

Die Ms- und Mf-Punkte—Der Anfang und das Ende der martensitischen Umwandlung

Die martensitische Umwandlung hat unterschiedliche Start- und Endtemperaturen. Der „Ms-Punkt (Martensit-Startpunkt)" ist die Temperatur, bei der Martensit während des Abkühlens zu bilden beginnt, und der „Mf-Punkt (Martensit-Endpunkt)" ist die Temperatur, bei der die Umwandlung abgeschlossen ist.

Ein höherer Kohlenstoffgehalt verschiebt sowohl Ms- als auch Mf-Punkte zu niedrigeren Temperaturen. Bei 1%-igem Kohlenstoffstahl liegt der Ms-Punkt bei etwa 230°C, und der Mf-Punkt kann unter Raumtemperatur fallen. Das bedeutet, dass selbst wenn hochkohlenstoffhaltiger Stahl auf Raumtemperatur abkühlt, die Umwandlung unvollständig bleiben kann und „Restaustenit" (unumgewandelter Austenit) hinterlässt.

Das Strukturdesignprinzip in der japanischen Schwertschmiede, das hochkohlenstoffhaltigen Blattestahl mit mittelkohlenstoffhaltigem Kernstahl kombiniert, nutzt geschickt diese Unterschiede in Ms- und Mf-Punkten aus. Die hochkohlenstoffhaltige Blattschneide bildet durch Abschreckung hochharten Martensit, während der mittelkohlenstoffhaltige Kern mit Hilfe langsamerer Abkühlungsraten eine zähe Perlit- und Bainitmikostruktur entwickelt. Obwohl traditionelle Schmiede sich dieser Phänomene nicht wissenschaftlich bewusst waren, ist ihre Etablierung optimaler Materialdesigns und Prozesse durch mehr als tausend Jahre von Versuch und Irrtum eine Tatsache, die moderne Materialwissenschaftler erstaunt.

Anlassen—Ausgleich zwischen Härte und Zähigkeit

Ein Schwert frisch aus der Abschreckung hat hohe Härte, aber auch hohe Sprödigkeit. Die übermäßige Gitterverformung in Martensit macht es anfällig für innere Risse durch leichte Schläge. Um dies zu beheben, wird „Anlassen" durchgeführt.

Das Anlassen erhitzt die abgeschreckte Klinge bei niedriger Temperatur erneut (typischerweise 150–250°C). Bei diesem Temperaturbereich fallen einige Kohlenstoffpartikel aus dem Martensit aus und bilden Karbide, wodurch die Gitterspannung gemindert wird. Während die Härte leicht abnimmt, verbessert sich die Zähigkeit gegen Stöße dramatisch.

Die traditionelle Schwertherstellung umfasst eine dem Anlassen entsprechende Operation: kurzes Luftkühlen, nachdem das Blatt nach der Abschreckung aus dem Wasser entfernt wurde. Während die Wärme des Abschreckungsprozesses vom Inneren des Blatts zur Oberfläche führt, unterliegt die Oberfläche teilweisem Wiederaufheizen. Dieser „Selbstanlasseffekt" soll die Zähigkeit des japanischen Schwertes bewahren und repräsentiert eine Einsicht, die mit modernen Hochgeschwindigkeitswerkzeugstahlabschreckungstechniken verbunden ist.

Das Hamon—Das Gesicht des japanischen Schwertes, das durch Abschreckung entsteht

Das visuelle Produkt des Abschreckungsprozesses ist das „hamon" oder Körnung. Dieses glänzend weiße Muster, das nach dem Polieren erscheint, stellt den Unterschied in der Lichtreflexion zwischen der Martensitmikrostruktur (gehärtete Region) und der Perlit- und Baniitmikrostruktur (erweichte Region) dar. Martensit streut Licht und erscheint weiß, während Perlit Licht gleichmäßig reflektiert und grau bis schwarz erscheint.

Das hamon-Muster wird durch die Form der Tonbeschichtung bestimmt, wodurch einzigartige dekorative Muster (gerade Körnung, Wellenmuster, Nelkenmuster, verschlungene Muster usw.) entstehen, die für jede Schule charakteristisch sind. Mit anderen Worten ist das hamon nicht bloße Dekoration, sondern wissenschaftlicher Beweis für erfolgreiche Abschreckung und ein „Fingerabdruck in Stahl", der die Technik und Individualität des Schwertschmieds trägt. Der ultimative Standard zum Beurteilen des Abschreckungserfolgs ist, ob das hamon wie beabsichtigt schön erscheint, und erst in diesem Moment kann der Schwertschmied endlich wissen, ob ein Blatt erfolgreich war oder fehlgeschlagen ist.