Die Wissenschaft von yaki-ware und hi-ware — Mechanismen des Klingenbruchs und Präventivtechniken der Tōshō

Was ist yaki-ware — Der durch Schnellkühlung verursachte Klingenbruch

Einer der Momente größter Anspannung im Herstellungsprozess eines Nihontō ist das yaki-ire. Indem die rotglühende Klinge rasch in Wasser getaucht wird, entsteht der hamon; dieser Arbeitsschritt birgt jedoch gleichzeitig das Risiko von „yaki-ware".

Yaki-ware ist der Oberbegriff für Risse und Brüche, die durch die Schnellkühlung beim yaki-ire in der Klinge entstehen. Genauer gesagt handelt es sich um ein Bruchphänomen, bei dem die Klinge reißt, wenn die thermischen Spannungen, die dadurch entstehen, dass die Martensit-Umwandlung (die Gefügeumwandlung beim yaki-ire) im Schneidenbereich einerseits und im mune- sowie jigane-Bereich andererseits ungleichmäßig verläuft, die Zugfestigkeit des Stahls überschreiten.

Hi-ware hingegen wird mitunter als übergeordneter Begriff verwendet, der nicht nur Risse beim yaki-ire, sondern auch Klingenrisse durch Überhitzung und Schnellkühlung während des tanren bezeichnet. Die Verwendung der Begriffe variiert je nach Tōkō; im vorliegenden Artikel werden beide einheitlich als „hitzebehandlungsbedingte Klingenbrüche" behandelt.

Bruchmechanismus — Martensit-Umwandlung und Eigenspannungen

Um yaki-ware zu verstehen, muss man die metallkundlichen Veränderungen des Stahls beim yaki-ire kennen.

Wenn die Klinge auf die yaki-ire-Temperatur (etwa 800–850 °C) erhitzt wird, wandelt sich der Stahl in ein Austenit-Gefüge um. Bei der anschließenden Schnellkühlung in Wasser wandelt sich der kohlenstoffreiche Bereich der Schneide in Martensit um, wodurch ein hartes und sprödes Gefüge entsteht. Die kohlenstoffarmen Bereiche des mune und des jigane verbleiben hingegen als Perlit- und Bainit-ähnliche Gefüge.

Das Problem liegt darin, dass diese Umwandlung mit einer Volumenausdehnung verbunden ist. Die Martensit-Umwandlung bewirkt eine Volumenausdehnung von etwa 4–5 %, wodurch Eigenspannungen entstehen, bei denen die Kraft, mit der sich die Schneide auszudehnen versucht, und die Kraft, mit der sich der bereits abgekühlte und erstarrte mune und das jigane zusammenzuziehen versuchen, sich gegenseitig entgegenwirken. Wenn sich diese Zugspannungen im Klingenquerschnitt ungleichmäßig konzentrieren, entstehen an den Spannungskonzentrationspunkten Risse, die im schlimmsten Fall zu einem vollständigen Querbruch der Klinge führen.

Besonders hohes Risiko besteht in folgenden Fällen:

• Wenn die Mischung des tsuchioki ungleichmäßig ist
• In der Nähe des „munemachi", wo sich der Klingenquerschnitt abrupt verändert
• Bei Stahl, der kitaewari oder innere Fehler enthält

Wenn diese Faktoren zusammentreffen, kann die Klinge im Moment des yaki-ire mit einem lauten Knall in zwei Teile brechen.

Tsuchitori, Wassertemperatur, Klingentemperatur — drei Steuerungsvariablen

Es gibt hauptsächlich drei Variablen, die Tōshō zur Verhinderung von yaki-ware praktisch kontrollieren können.

1. Die erste ist die Mischung und Dicke des tsuchitori. Tsuchioki ist die Tonmischung, die vor dem yaki-ire auf die Klinge aufgetragen wird; durch dünnen Auftrag an der Schneide und dicken Auftrag am mune wird beim yaki-ire ein Unterschied in der Abkühlgeschwindigkeit erzeugt, der den hamon entstehen lässt. Die Tondicke fungiert als „Puffer" für die Abkühlgeschwindigkeit; ist der Ton am mune zu dünn, konzentriert sich der Schnellkühlstress und die Anfälligkeit für Risse steigt. Erfahrene Tōshō verfügen aus langjähriger Erfahrung über ein intuitives Urteilsvermögen nach dem Motto „für diesen Stahl diese Dicke", was dem Teil entspricht, der als „Geheimwissen" des jeweiligen Tōkō beim yaki-ire gilt.
2. Die zweite ist die Kontrolle der Wassertemperatur. Die Temperatur des für das yaki-ire verwendeten Wassers liegt üblicherweise im Bereich von etwa 15–25 °C, doch der optimale Wert variiert je nach Stahlzusammensetzung, Jahreszeit und Klingenform. Ist die Wassertemperatur zu niedrig, steigt die Abkühlgeschwindigkeit zu stark an und das Rissrisiko erhöht sich; ist sie zu hoch, wird keine ausreichende Härte erreicht. Besonders im Winter kann die Wassertemperatur unter 10 °C fallen, weshalb manche Tōshō zur Regulierung yu (leicht erwärmtes Wasser) verwenden.
3. Die dritte ist der Eintauchwinkel und die Eintauchgeschwindigkeit der Klinge. Winkel, Geschwindigkeit und Ausrichtung (Schneide nach oben, nach unten oder schräg) beim Eintauchen der Klinge ins Wasser bestimmen, welcher Bereich zuerst schnell abgekühlt wird. Je nachdem, ob die Schneidenkante zuerst eintaucht, die mune-Seite zuerst, oder ob die gesamte Klinge auf einmal eingetaucht wird, unterscheidet sich die Verteilung der Eigenspannungen erheblich. Viele Tōshō tauchen die Klinge „mit der Schneide nach unten rasch" ein, doch geringfügige Unterschiede im Winkel zur Erzeugung des hamon beeinflussen sowohl die hamon-Form als auch das Rissrisiko.

Innere Fehler des Stahls und ihr Zusammenhang mit yaki-ware

Einer der Risikofaktoren für yaki-ware sind innere Fehler des Stahls — insbesondere kitaewari. Feine Risse, Delamination und Blasenspuren, die im tanren-Prozess entstanden sind und mit dem bloßen Auge nicht erkennbar sind, können durch die Wärmespannungen beim yaki-ire sichtbar werden und als Ausgangspunkte für Risse dienen.

Deshalb regulieren Tōshō bereits in der tanren-Phase sorgfältig die Anzahl der orikaeshi tanren-Schritte, die Temperaturführung und die Schlagstärke des Hammers, um die Entstehung innerer Fehler zu verhindern. Manche Tōkō lassen vor dem yaki-ire vom Togishi einen ara-togi an der Oberfläche durchführen und beobachten diese, um nach Anzeichen von Rissen zu suchen. Nicht wenige Tōshō entscheiden sich dafür, das yaki-ire zu unterbrechen und den Stahl neu zu schmieden, wenn der Verdacht besteht, dass er Fehler aufweist.

Maßnahmen des Tōshō bei aufgetretenem yaki-ware

Leider ist yaki-ware etwas, das selbst erfahrene Tōshō nicht vollständig verhindern können. Besonders wenn die Beschaffenheit des Stahls ungleichmäßig ist oder in Jahreszeiten, in denen Wassertemperatur und Luftfeuchtigkeit instabil sind, kann es selbst bei erfahrenen Handwerkern zu Rissunfällen kommen.

Der Umgang mit einer gebrochenen Klinge hängt vom Ausmaß des Risses ab.

Viele Tōshō bewahren gebrochene Stücke nicht als Abfall auf, sondern behalten sie als „Reflexionsmaterial" bei sich und analysieren, was die Ursache war. Sie reflektieren über Tondicke, Wassertemperatur, Eintauchwinkel und Stahlzustand und nutzen dies für das nächste yaki-ire. Diese Anhäufung von Erfahrungen schult das „yaki-ire-Können" des Tōshō.

Prävention durch die Verbindung moderner Wissenschaft und traditioneller Technik

Unter den modernen Tōshō gibt es solche, die Metallmikroskope, Härteprüfgeräte und Thermoelemente (Temperatursensoren) einsetzen, um das yaki-ware-Risiko im Voraus zu bewerten. Durch die Einführung von Werkzeugen zur vereinfachten Messung der Kohlenstoffverteilung im Stahl und Präzisionsgeräten zur Wassertemperaturregelung verbreitet sich zunehmend ein wissenschaftlicher Ansatz, der nicht allein auf Erfahrungswissen beruht.

Letztlich jedoch hängt das Ergebnis der Klinge in weitem Maße von der intuitiven Beurteilung durch „Auge, Ohr und Hand" des Tōshō ab. Die Farbe des Stahls beim yaki-ire, die Art, wie der Wasserdampf aufsteigt, der Klang beim Eintauchen — all dies zusammenhängend zu lesen und das hauchdünne Gleichgewicht zwischen Schneide und Bruch zu kontrollieren, ist der Kern eines Handwerkswissens, das sich bis heute nicht vollständig verschriftlichen oder quantifizieren lässt.

Yaki-ware und hi-ware sind für den Tōshō gleichzeitig ein „Misserfolg" und der beste Lehrmeister, der die Tiefgründigkeit der Wärmebehandlung lehrt. Das beständige Auseinandersetzen mit dieser Angst vor dem Bruch bildet das Fundament der technischen Reife als Tōshō, der meisterhafte Klingen erschafft.