Metalle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Technologie FOS T11

Werkstoffkunde Metalle

1. 1. Geschichte des Stahls

   (Quelle: http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/)

1.1 Gewinnung - historische Betrachtung

Um Stahl (darunter wird hier, abweichend von der DIN-Bezeichnung, eine Fe-C-Legierung verstanden,  die z.B. für Schwerter und Werkzeuge verwendet werden kann) zu machen braucht es zunächst mal Eisen.  Im Gegensatz zu den Edelmetallen (und gelegentlich auch mal Cu), kommt Eisen in der Natur nicht elementar vor, sondern immer als Verbindung, i.d.R. als Oxid.

  • Aber im Gegensatz zu einigen anderen als Oxidverbindung vorliegenden Metallen, reicht die Temperatur eines besseren Feuers nicht aus, um Eisenoxid zu reduzieren und das entstandene  Eisen zu verflüssigen - der Schmelzpunkt von Fe ist Tm(Fe) = 1535°C.
  • Deshalb hat niemand in den ersten 2000 Jahren (oder so) der Eisenzeit jemals Eisen oder Stahl geschmolzen und gegossen (das "Gußeisen" der alten Chinesen fällt nicht unter "Eisen und Stahl"!) - es wurde immer nur geschmiedet! Wagners Siegfried, wie auch die Typen in "Conan der  Barbar", usw. usf., haben Schwerter nicht gegossen, sondern geschmiedet, d.h. aus kleinen festen  Brocken mühsame "feuergeschweißt" und in die gewünschte Form geklopft. Und das war unvorstellbar mühsam und kunstreich!
  • Bei Cu ist das anders (Tm(Cu) = 1083 °C.); bei einem heißen Feuer mit viel Holzkohle wird fast  automatisch flüssiges Cu herauslaufen, wenn kupferhaltiges Gestein im Feuer liegt. Das ist wahrscheinlich schon vor gut 6000 Jahren geschehen und in seiner Bedeutung erkannt worden. Man  kann spekulieren, dass die frühen Töpfer (die in ihren Brennöfen die nötige Temperatur von ca.  1200 °C erreichten), vielleicht versucht haben, das als Schmuckstein bekannte grüne Mineral  Malachit zum Verzieren der Töpfe zu verwenden. Was für eine Überraschung, als sie statt schöner  Töpfe in der Asche das sehr wertvolle Cu vorfanden, das man bisher nur in kleinen Mengen aus  Funden im Gebirge oder in Flussbetten kannte.
  • Entscheidend ist, dass die Menschheit schon früh erkannte, dass Materialien ineinander umwandelbar waren; aus unscheinbaren Steinen konnten schimmernde Metalle gewonnen werden! Die Alchemie hat hier ihre Wurzeln
  • Die frühe Metallindustrie begann; das nächste großtechnische Produkt war die Bronze (Cu + (5 -  10)% Sn und oft etwas As). Hier stoßen wir schon auf die Bedeutung der "Verunreinigung": Ein  bisschen As als Fremdatom macht Bronze "fester"; sie verformt sich nicht mehr so leicht.
  • Außerdem begann eine Umweltkatastrophe, denn für die Verhüttung von Metallen braucht man  große Mengen Kohle - einmal um hohe Temperaturen zu erreichen, aber auch als Reduktionsagent  nach der Grundgleichung MeO + C ® Me + CO. Zur Verfügung stand ausschließlich Holzkohle - man brauchte ca. 100 kg davon um 5 kg Cu zu produzieren.
    Hier liegt - neben dem Schiffsbau - einer der Gründe für die weitestgehend verschwundenen Wälder in Europa (insbesondere in England) und der unzähligen Geschichten um die "Köhler" als  Berufsstand.
  • Andere Metalle, die schon in der Frühzeit mit beachtlichen Geschick aus Oxiden und anderen  Verbindungen produziert wurden, waren die Edelmetalle, insbesondere Ag, sowie Pb und Hg. Besonders die Römer waren sehr geschickt in dieser frühen Metallurgie.
  • Aber das nützt alles gar nichts, wenn es um Eisen und Stahl geht. Die Alten kannten Eisen durchaus - als extrem seltenes und wertvolles Metall, das gelegentlich (als Meteorit) vom Himmel fiel.  (Eskimos in Grönland haben für Hunderte von Jahren ihre Schneidwerkzeuge aus einem 30 t  Meteor geschmiedet!). Im alten Sumer

 Sumer bezeichnet eine Hochkultur in Mesopotamien

  • hieß Eisen "Himmelmetall" und bei den Pharaonen "schwarzes Kupfer vom Himmel".

 

Bild 1 Rennofen

  • Man kann also annehmen, dass die alten Materialwissenschaftler  nichts unversucht ließen, auch Fe aus geeigneten Steinen zu erschmelzen. Leider wollte das nicht so recht klappen - dafür braucht man  nämlich eine Temperatur von 1535 °C, und das ist nicht so ganz einfach zu erreichen. Zwar wusste man schon, dass kräftiges Blasen ins  Feuer die Temperatur erhöht, aber dafür stand nur Lungenkraft zur Verfügung. Im Link ist ein ca. 4500 Jahre altes Relief aus einer Mastaba, dem altägyptischen Grab der Pharaonen und Würdenträger gezeigt, in dem Goldschmiede dargestellt sind, die zu viert durch Bambusrohre ins Feuer blasen.

 

Bild 2 Luppe

  • Bei den in der Antike max. verfügbaren 1200 °C wird nun Eisenoxid zwar reduziert, aber das Fe wird dabei nicht flüssig. Kleine Fe - Partikel entstanden durch Festkörperreaktionen und waren  eingeschlossen in die "Eisenblüte", eine Mixtur aus unreagiertem  Eisenoxid, Schlacke und unverbrannter Holzkohle, die man dann im  Feuer fand.
    (vergl.: http://www.wdrmaus.de/sachgeschichten/eisenbarren)
  • Die frühen Schmiede konnte aber dieses recht reine und weiche Eisen durch Hämmern bei hohen Temperaturen und allerlei Tricks (inkl.der  Magie und Anrufung der Götter) extrahieren und zu "Schmiedeeisen" kompaktieren.
    Große Sorgfalt war nötig. Wenn man nicht aufpasste, oxidierte das Fe wieder; nahm es zuviel  Kohlenstoff auf (3% - 4%), erhielt man Gusseisen mit einem Schmelzpunkt von 1130°C, das also  flüssig und damit leicht bearbeitbar, aber auch sehr spröde und relativ nutzlos war.
  • Trotzdem konnten die frühen Schmiede - vom griechischen Gott Hephaistos (dem römischen Vulkan) über den wagnerischen Mime bis zum germanischen Wieland dem Schmied - aus ihrem mühsam gewonnenen Schmiedeeisen Gerätschaften bauen (insbesondere natürlich Schwerter), die  einfach viel besser waren als die handelsüblichen Bronzeartikel.
  • Was war das Geheimnis? Zunächst ist es sehr einfach: Der richtige Gehalt des interstitiellen

 Fremdatom sitzt auf Zwischengitterplätzen (Domke 10. Aufl.S. 51)

  • Fremdatoms C im bcc-Gitter

 krz-Gitter - http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw2_ge/kap_3/backbone/r3_4_2.html

  • Eisens bei Raumtemperatur ist wichtig. Erhöhte man (ohne natürlich  zu wissen was man tat) den kleinen C-Gehalt von ca. 0,1 % des Schmiedeeisens auf optimale  0,9%, stieg die Festigkeit aufs dreifache! War allerdings zuviel C im Fe - z.B. 2% - war man schon  auf dem Weg zum spröden und für Schwerter unbrauchbaren Gusseisen.
  • Da man Fe aber nicht schmelzen konnte, war der übliche (empirische) Weg des Zufügens von  "magischen" Substanzen zur Schmelze versperrt. Der einzige Weg war, Kohlenstoff (und/oder, mit  ebenfalls guter Wirkung, Stickstoff) über die Oberfläche einzudiffundieren. Das Rezept dazu war,  das Fe (d.h. meist gleich das ganze Schwert) lange bei hoher Temperatur in einem Holzkohlenfeuer zu rösten, zu "tempern". Die alten Schmiede hatten dabei keine Ahnung was wirklich passierte; sie dachten, dass sie das Eisen im heiligen Feuer "reinigten". Diese Fehlmeinung geht, wie so viele andere, auf den aus Sicht der Materialwissenschaft etwas fragwürdigen Philosophen Aristoteles zurück
  • Der erste Schritt zum Stahl ist damit getan: Es geht darum, den richtigen Kohlenstoffgehalt einzustellen.
  • Aber das Ganze ist noch viel komplizierter. Fe wandelt sich bei hoher Temperatur (genau bei 910°C) vom bcc - Gitter in ein fcc Gitter um. Die bcc - Phase heißt allgemein Ferrit (a-Eisen ) oder ferritisches Eisen, die fcc - Phase Austenit oder austenitisches Eisen (g-Eisen).
  • Kohlenstoff fühlt sich nun im Austenit viel wohler als im Ferrit, d.h. bei hoher Temperatur kann  sich relativ viel Kohlenstoff im (austenitischen) Fe lösen. Hat der Schmied lange genug geglüht,  hat er möglicherweise einen relativ kohlenstoffreichen Austenit in den oberflächennahen Bereichen des Schwerts - die Frage ist, was jetzt beim Abkühlen passiert.
  • Kühlt das Fe ganz langsam ab, wird sich der bcc - Austenit in den fcc - Ferrit umwandeln. Ist aber  zuviel C im Austenit, passiert etwas anderes, es bildet sich zwar Ferrit, aber mit weniger Kohlenstoff als im (heißen) Austenit und gleichzeitig eine neue Phase, eine Fe-C Verbindung mit dem  Namen Zementit (Fe3C) und einem komplizierten Gitter. In einem Schliffbild sieht man die beiden Phasen wie eine Schichtung von Platten nebeneinander liegen, das ganze Gebilde heißt Perlit (weil es im Mikroskop ähnlich wie Perlen glänzt).
  • Perlit, die Mixtur aus Ferrit und Zementit ist aber kaum besser als Bronze - nicht ohne weiteres zu gebrauchen. Die Phasenumwandlung vom Austenit zum Zementit muss verhindert werden, wenn  man Stahl haben will. Die Kohlenstoffatome dürfen nicht genug Zeit bekommen, um durch sich durch Diffusion in einem Gebiet anreichern zu können, aus dem dann Zementit werden kann. Also muss schnell abgekühlt werden.
  • Hier kommt - nach der Gewinnung des Schmiedeeisens aus der Eisenblume und dem Glühprozess zur "Aufkohlung", der nächste große Zauber der Schmiede zum Tragen: Das Abkühlen! Das heiße  Schwert wird für einige Zeit in eine Flüssigkeit gesteckt (nur einfallslose Schmiede nahmen einfach Wasser) und dadurch "abgeschreckt", d.h. schnell abgekühlt.
  • Den Kohlenstoffatomen bleibt keine Zeit zur Umorganisation - es kann sich nur ein Ferrit bilden,  das relativ viel Kohlenstoff enthält und das dadurch eine stark gestörte Gitterstruktur aufweist; eine Art Mischung aus fcc- und bcc - Gitter mit dem Namen Martensit und mit einer ca. fünffachen "Stärke" im Vergleich zum Schmiedeeisen.
  • Dummerweise war dieses Martensit, so man es überhaupt erhielt, ziemlich spröde. Die Eigenschaften wurden aber - mit Glück und vielleicht den richtigen magischen Prozeduren und Sprüchen - viel besser, wenn man das Schwert jetzt nochmals heiß machte, allerdings nicht so heiß wie beim Aufkohlungsprozess, ein bisschen darauf herumhämmerte usw.. Dabei manipulierte man ein  zweite Defektsorte, die Versetzungen; auf die wir aber in diesem Zusammenhang nicht näher eingehen wollen. Wenn alles klappte, hatte man ein (selbstverständlich dann magisches) Schwert aus  Stahl!

Der nächste Abschnitt sollte mit Vorsicht gelesen werden; er wurde geschrieben bevor ich mich mit der  Geschichte des Schwertschmiedens etwas intensiver befasste. In der vorliegenden Version basiert er auf  den Büchern von Steve Sass und Rolf Hummel. Was folgt ist nicht etwa falsch, aber auch nicht die volle Wahrheit. Insbesondere die zum das Stichwort "Damaszenertechnik" gemachte Bemerkungen geben die  Komplexität dieser Technik (und die vielen Mißverständnisse dazu) in keinster Weise wieder.

* In den folgende Links gibt es eine Vielzahl an Informationen (in Englisch), die die Kunst der antiken und mittelalterlichen Schmiede in einem noch viel hellerem Licht erscheinen lassen.

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/kap_5/advanced/t5_1_1.html

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/def_en/articles/vikingsword/blade_patterns_intrinsic.html

http://www.vikingsword.com/document.html#anchor63623

 

Bild 3 Damaszenerklinge

 

* Damascene Technique in Metal Working: Hier ist gezeigt, wie bei Merowingers, Wikingers, Kelten, Alemannen usw. ein besseres Schwert geschmiedet wurde, und warum es mit Recht fast  "magisch" genannt werden kann.

  • Wenn man bedenkt, was alles schief gehen konnte (und hier ist bei weitem nicht alles aufgezählt,  was auf die Qualität eines Schwertes noch Einfluss nehmen kann), ist es überaus erstaunlich, dass die alten Schmiede überhaupt Stahlschwerter zustandebrachten. Außerdem war nicht unbedingt das ganze Schwert aus Stahl, sondern nur nur die äußere Schicht; soweit der Kohlenstoff eben eindiffundieren konnte.
  • Erfindungsreiche Schmiede nahmen deshalb dünne Folien, die erst mal alle einzeln behandelt  wurden, um dann - bei mindesten 800 °C - zusammengeschmiedet zu werden. Dazu mussten erst  mal die Werkzeuge - besonders wichtig waren Eisenzangen - entwickelt werden. Diese Technik  hatte ihre Blüte in Toledo, von wo aus vor allem die römische Truppen versorgt wurden.

 

Bild 4 Damaszenerklinge - Herstellung

  • Eine fünffach größer Festigkeit scheint nicht so besonders viel zu sein, aber die Konsequenzen  waren schon beachtlich. Die alten Gallier wurden auch deshalb von den Römern unterworfen (außer dem bekannten kleinen Dorf natürlich), weil nach zeitgenössischen Berichten die alten Gallier ihre Schwerter nach jedem besseren Schlag erst mal überm Knie wieder geradebiegen mussten, während die römischen Schwerter "so stark waren, dass es keinen Helm gibt, der nicht von  ihnen zerschlagen werden kann".
  • Eine andere Hochburg der Stahlherstellung war Damaskus mit den berühmten Damaszener Klingen. Diese beruhten auf einem aus Indien eingeführten Rohstahl (genannt "Wootz") mit sehr hohem Kohlenstoffanteil (1,5% - 2 %) bestehend aus einer Mixtur aus Zementit und Perlit. Der  Herstellungsprozess einer Damaszenerklinge; ebenfalls eine zusammengehämmerte Mixtur aus diesem tendenziell sprödem Material und  weichem Schmiedeeisen, war schwierig und nicht ohne Besonderheiten. Wir sehen hier auch, dass das Wort "Stahl" ein Sammelbegriff ist,  der viele verschiedene eisenbasierte Legierungen und Gefüge umschreibt.
  • Aber nicht nur im Mittelmeerraum wurde die Eisen und Stahl Technologie entwickelt. Besonders weit entwickelte Technologien hatten zum Beispiel die Chinesen, die viele der großen Entdeckungen des Englands des 19. Jahrhunderte vorwegnahmen (aber nicht sehr viel damit machten) und die Inder.
    Letztere konnte das Geheimnis ihres "Wootz" Stahls, von dem die  ganzen Meisterschmiede des Mittelmeerraumes abhingen, für viel  hundert Jahre, wenn nicht gar 1000 Jahre geheim halten (Man mische kleine Stücke von Schmiedeeisen mit Holzstücken und gewissen Blättern und heize das ganze in einem Tontopf mit Tondeckel in einem  sehr heißen Feuer (unter diversen magischen Sprüche, versteht sich). Damit bekommt man vollständig mit Kohlenstoff durchsetzte Eisenstückchen, die man anschließend wieder durch Hämmern bei hoher Temperatur zusammenschmiedet).
  • Nicht vergessen sollte man auch die Haya, ein Volk das im heutigen Tansania lebte und ebenfalls  die Eisentechnologie bis zu einem gewissen Grad beherrschte. Ihr Mythen und Märchen enthielten viel Geschichten um das Eisenmachen, in einem Vokabular das stark angereichert war mit Ausdrücken die sich aufs Menschenmachen bezogen.

1.2 Stahlerzeugung heute

Im Laufe der Jahrtausende wurde Eisen und Stahl trotz der vielen Schwierigkeiten allmählich übliche  Materialien, auch der Schmelzpunkt von Fe wurde bald erreicht, aber die Massenproduktion von Stahl  mußte noch bis zum 19. Jahrhundert warten. Mit der ganzen Kunst der Schmiede konnten nach wie vor  nur "dünne" Objekte wie Schwerter und Dolche, in die man genügend Kohlenstoff hineinbrachte, hergestellt werden .

Auch die Holzkohle wurde ab dem 17. Jahrhundert allmählich durch Kohle ersetzt, aber auch das war  nicht ohne unangenehme Überraschungen. Eisen, das mit Steinkohle statt Holzkohle erschmolzen wurde, war ungeheure spröde und zu nichts nutze. Wie wir heute wissen, reichen geringste Mengen Schwefel  Atome im Fe - Gitter (sie setzen sich in die Korngrenzen) um das Metall völlig zu verspröden, und Schwefel, wie auch andere Verunreinigungen, ist in Steinkohle reichlich enthalten.

 

Bild 5 Henry Bessemer

  • Die Lösung dieses Problem kam ausnahmsweise nicht vom Militär,  sondern vom Bier. Auch die Bierbrauer hatten versucht, Kohle statt Holz als Heizmaterial zu verwenden um das Malz zu dörren, und  erhielten ein stinkiges übelschmeckendes Gesöff. So wurde Koks  erfunden: man röste die Kohle unter Sauerstoffausschluss; das treibt die stinkigen Teile aus; was bleibt ist reiner sauberer Kohlenstoff -  eben Koks - der nicht nur fürs Bierbrauen sondern auch für die Eisenverhüttung brauchbar war.
  • Mit Beginn der industriellen Revolution wurde ein fehlender großtechnischer Prozess zur Herstellung großer Volumina von Stahl zur  Fortschrittsbremse. Die paradigmatische Eisenbahn braucht Gleise;  mit normalem Schmiede- oder Gusseisen musste man die Schienen alle drei bis 6 Monate auswechseln weil sie sich unter der Beanspruchung verformten. Unfälle waren häufig und oft katastrophal.
  • Zwar hatte man längst gelernt, große Mengen von Eisen zu schmelzen - mit massiver Zufuhr von  Luft durch Blasebälge, die auch durch Dampfmaschinen angetrieben wurden.1850 lag allein die  (führende) englische Produktion an Eisen bei immerhin 2,5 Millionen Tonnen im Jahr, aber Stahl war immer noch nur in relativ kleinen Mengen (im % Bereich des Eisens), mit wechselnder Qualität und mit hohen Kosten erhältlich.
  • Immerhin wusste man seit 1786, dass Stahl etwas mit dem Kohlenstoffgehalt des Eisens zu tun hatte (die ersten, die diesen Verdacht äußerten, waren die Herren Vandemonte, Berthollet und Monge aus Frankreich.
  • Aber alle Versuche, Eisen gleich mit dem richtigen Kohlenstoffgehalt (und, wie wir wissen, dem  richtigen Gefüge) herzustellen, waren vergeblich. Mal klappte es, mal klappte es nicht; einen verlässlichen großtechnischen Prozess gab es nicht. Und damit auch keine großen Brücken, Wolkenkratzer, Autos, "richtige" Eisenbahnen, effiziente Antriebsmaschinen und Energiewandler - man  macht sich selten klar, wie stark Stahl die Welt verändert hat!
  • Wie so oft, war es die Rüstungsindustrie, die den Durchbruch brachte. Es war zunehmend lästig, dass die Kanonen oft selbst explodierten, es mußte etwas getan werden.
  • Henry Bessemer, der auf der Suche nach besseren Kanonen war (er hatte gerade den Drall für Munition in Granatenform erfunden; nur leider hielten die gusseisernen Kanonen dem zusätzlichen Druck nicht stand), hatte auf der Suche nach besseren Kanonen und damit nach großen Mengen billigen Stahls 1855 als erster (so glaubte man) die Idee, durch das geschmolzene kohlenstoffreiche Roheisen Luft, oder noch besser, Sauerstoff in großen Mengen durchzublasen (was, nebenbei  bemerkt, ohne Dampfmaschinen nicht möglich wäre). Damit bildet sich CO, das abbrennt und nebenbei die Temperatur hochhält. Wenn man rechtzeitig aufhört, kann man den Kohlenstoffgehalt  von großen Mengen Eisen jetzt in einem schnellen Prozess auf den richtigen Wert einstellen und  erstmals große Volumenmengen an Stahl produzieren.

Der Trick war also, nicht wie bisher kohlenstoffarmem Schmiedeeisen mühsam etwas Kohlenstoff einzudiffundieren,sondern aus kohlenstoffreichem Gusseisen den  Kohlenstoff bis auf einen nützlichen und genau definierten Rest zu entfernen.

Bild 6 Bessemer Verfahren

  • Herr Bessemer, der auch schon als Erfinder des "Blei"stiftes (der in Wahrheit Graphit enthält) kein Unbekannter war, wurde über  Nacht berühmt, und innerhalb eines Monats schwer reich - alle wollten sein Rezept übernehmen. Aber so leicht sind atomare Fehlstellen dann doch  nicht zu überlisten. Die großtechnische Umsetzung des "Bessemerprozesses" führte zu  einer der großen Überraschungen ( "Denn sie wissen nicht, was sie tun") in der Produktion: Der Bessemer Stahl aus der Großproduktion war, im Gegensatz zu den Ergebnissen der "Laborversuche", spröde und zu nichts zu gebrauchen. Für Bessemer war es "wie ein Blitzschlag aus heiterem Himmel"; der Absturz vom  Erfinderolymp in die Verzweiflung war jäh und hart.
  • Aber Bessemer war ein guter Materialwissenschaftler; er biss die Zähne zusammen, arbeitete Tag  und Nacht und gewann. Was war passiert?
    Bessemer hatte für seine Versuche schwedisches Eisenerz verwendet; seine Landsleute verwendeten einheimisches - und englisches Eisenerz enthielt Phosphor. Phosphor wird im Bessemerprozess nicht beseitigt; wiederum reichen kleine Menge dieser atomaren Fehlstelle, um Fe oder Stahl  spröde zu machen. Wie wir heute wissen, setzen sich die P - Atom gerne in die Korngrenzen des  Stahls und verändern dort die lokalen Eigenschaften ins Negative.
  • Der Phosphor musste raus - aber wie. Es waren die Vettern Sydney Gilchrist Thomas undPercy Carlyle Gilchrist, die den Weg wiesen: man nehme (auch) Kalkstein zur Ausmauerung der  "Bessemerbirne" und gebe ein bisschen auch direkt in die Schmelze, und der Phosphor bleibt in der Schlacke oder der Ummantelung.
  • Ein anderes Problem mit dem Bessemerprozess war, dass gelegentlich Sauerstoff zurückblieb und  im Stahl Gasblasen formte, die das Produkt wiederum unbrauchbar machten. Ein Herr Mushet, ein  anderer Engländer, hatte dafür die rettende Idee: Man füge der Schmelze etwas Spiegeleisen zu - ein Konglomerat das Fe, Mn und C enthielt - und man bekommt besten Stahl, denn das Mn reagiert mit dem Überschusssauerstoff zu Manganoxiden, die in der Schlacke verbleiben.

Weltstahlproduktion:
1867 0,02.106 t
1880 1.106 t
1900 9.106 t
1970. 500.106 t

 2005 1000.106 t

  • Wie so oft, ging aber sein Beitrag aber in der Aufbruchsstimmung des 19. Jahrhunderts unter; der Name Bessemer wird wohl weiterhin mit der großindustriellen Herstellung  von Stahl assoziiert bleiben. Auch Herr Kelly aus den USA, der eigentlich knapp 10 Jahre vor Bessemer das "Bessemer" Verfahren entdeckte, wurde in den Patentstreitigkeiten zwar mit Geld fürstlich abgespeist, ist aber als Materialwissenschaftler vergessen.
  • Nach Bessemer ging es Schlag auf Schlag: Siemens in Deutschland und Martin in Frankreich entwickelten das "Siemens-Martin-Verfahren usw., die Weltproduktion an Stahl schnellte exponentiell in die Höhe: 22 kto in  1867, 1 Mto in 1880 und 9 Mto in 1900 und >500 Mto heute. Noch in den 70er Jahren unseres Jahrhunderts wurde allgemein unterstellt, dass die Wirtschaftsmacht, und damit auch die politische  Macht eines Landes, sich praktisch nur aus seiner Stahlproduktion, und damit nach dem Grad der Beherrschung von atomaren Fehlstellen in Fe, bestimmt.
  • http://www.faz.net/Stahl_heute_

Bild 7 Quelle: FAZ.NET 09.03.2006

 

 

Bild 8 Joh Pröbster (Meisterstück)

2. Mythen der Schmiede

Wer kennt nicht aus Märchen und Heldensagen einige Mythen, die sich um die Schmiedekunst und Schmiede ranken. Nachfolgend einige besonders tolle  Geschichten

Damaszenerklingen waren sehr wertvoll; ihre Herstellung erfordert besondere  Sorgfalt; auch und insbesondere bei den Temper- und Abschreckprozessen. Überliefert ist folgendes Rezept (frei übersetzt):

 

Dann stößt der Meisterschmied, nachdem er der Klinge  durch Hämmern eine scharfe und gerade Schneide verliehen  hat, das Schwert in ein Feuer von Zedernholzkohle, hinein und wieder heraus, während er das Gebet zu Baal rezitiert, bis der Stahl die rote Farbe der aufgehenden Sonne angenommen hat, so wie sie bei Sonnenaufgang über der  Wüste gen Osten erscheint, um dann mit einer schnellen  Bewegung den Stahl von der Spitze bis zum Haft sechsmal durch die fleischreichsten Teile des Rückens und der  Oberschenkel eines Sklaven zu stoßen, bis die Farbe dem königlichen Purpur  gleicht. Dann, falls das Schwert mit einem Streich und einem Schlag des rechten Armes des Meisters den Kopf des Sklaven ohne Scharte oder Riss vom Rumpf getrennt hat, und die Klinge um den Körper eines Mannes gebogen werden kann  ohne sich zu verbiegen, mag das Schwert als perfekt gelten und dem Dienste des  Gottes Baal geweiht werden.
(Übersetzt aus dem Buch von S. Sass).

 

Man kann spekulieren, dass diese Prozedur die Härtung der Schneide verbesserte (durch C- und N-Eintrag in die obersten Schichten), aber experimentellen Untersuchungen sind heute (glücklicherweise) enge Grenzen gesetzt :-).

 

Wieland der Schmied, eine altgermanische Sagengestalt, stellte unübertroffene Schwerter her, die in Stärke und Schärfe nicht ihresgleichen hatten. Sein Geheimrezept (übernommen aus R. Hummels Buch) ging folgendermaßen:

 

Ein Stück Eisen wird mit einer Feile zu einem grobem Pulver zerraspelt und den  Hühnern unters Futter gemischt. Aus der Hühnerscheiße wird es mit einem Magnet wieder extrahiert. Nach sieben Durchgängen durch ein Huhn wurde daraus ein Schwert geschmiedet, das im kritischen Finale eines großen Schmiedewettkampfs  überlegen siegte, indem es den Mitbewerber (der in voller Rüstung war) in zwei  Hälften schnitt.

Das Rezept funktioniert übrigens; 1930 hat es ein deutscher Metallurge ausprobiert: Die  Hühnerverdauung ersetzte Überschusskohlenstoff durch Stickstoff, im Gesamteffekt wird daraus etwas  stahlähnliches.

 

In einem Alchemistenbuch aus Nürnberg von 1532 ("Von Stahel und Eysen") sind einige hübsche  Rezepte zur Qualitätsverbesserung von Schwertern angeführt. Zum Beispiel zum Härten:

Nimm Stengel und Blätter von Verbenen, zerstoße sie, und drücke den Saft durch  ein Tuch. Gib eine gleichgroße Menge von Männerpisse dazu, und etwas von dem  Saft den man aus Käfermaden gewinnt. Laß das Eisen nicht zu heiß werden sondern halte Maß. Laß es abkühlen, bis es goldene Flecken zeigt, dann kühle es  zur Gänze in dem Gebräu. Wenn es sehr blau wird, ist es noch zu weich.

 

Aber auch zum Tempern, zum Anlassen gibt es ein Rezept:

Nimm geklärten Honig, frische Pisse vom Ziegenbock, Alaun, Borax und Salz; mische es gut und schrecke das Schwert darin ab.

Urin funktioniert wirklich bis zu einem gewissen Grad: der darin enthaltene Harnstoff (HNCONH2) kann tatsächlich zu einer heute verstandenen "Stickstoffhärtung" führen.

 

 

 

Bessere Rezepte zum Abschrecken erforderten einen etwas größeren Aufwand beim Sammeln der Zutaten:

Nimm Harzöl, Drachenblut, Hornspäne, die halbe Menge  Salz, Saft vom Erdwurm, Rettichsaft, Talg und Verbenen  und kühle das heiße Schwert in dieser Mixtur. Diese Härtung wirkt besser, wenn das Werkstück zuerst gründlich  gereinigt und poliert wird.

Das Blöde war nur, dass man zum Drachenblut sammeln schon vorher ein ziemlich gutes Schwert brauchte! :-)

Tat man beim Härten zuviel des Guten, gab es auch das Rezept zum Enthärten:

Lass Menschenblut gut abstehen, bis sich oben Wasser  bildet. Schöpfe dieses Wasser ab und behalte es. Dann erhitze die harten Stücke und bestreiche sie mit einer  Feder, die in dieses Wasser getaucht wurde. Die Stücke  werden das Wasser verschlingen und weich werden.

Wir sehen: Auch damals hatten die wiss. Mitarbeiter nicht immer ein leichtes Leben; z.B. beim Drachenblut sammeln oder wenn der Meister mal gerade kein Menschenblut zur Hand hatte, und der Kunde unbedingt ganz schnell sein Schwert etwas aufgeweicht haben musste! Der Personalrat war nämlich  noch nicht erfunden.

 

2.1 Magische Schwerter

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/advanced/t4_1_3.html#_dum_35

Bild 9 Die „Tizona“ das  Schwert des El Cid .

  • Notung. Das ist Wagner‘s Schwert für Siegmund und seinen Sohn Siegfried; er hat das vom Nibelungenlied übernommen. Wotan persönlich hat es in eine Esche gestoßen; nur der „Richtige“  kann‘s herausziehen. Wer‘s gemacht hat bleibt (bei Wagner) unklar, es kommt wohl aber nur Donar, der germanische Hephaistos, in Frage. Notung heißt „Aus der Not geboren“

 

Bild 10 Die Curtana des britischen Kronschatzes. Curtana war der Name des Schwert von Tristan (der aus der Tafelrunde; nicht der von Wagner)

  • Balmung. In der Nibelungen Saga ist Balmung das Schwert, das Siegfried aus dem zerbrochenen Notung schmiedet. Es gibt dazu aber viele Versionen (wie auch vom Nibelungenlied und den verwandten Sagen).
  • Excalibur. König Arthur‘s magisches Schwert; das er von einer Art Meerjungfrau (Lady of the lake) erhalten hat (für die es ein Elfenschmied von Avalon gemacht hatte). Excalibur ist nicht zu verwechseln mit dem Schwert, das Jung-Arthur aus dem Stein zog. Das  hatte König Uther Pendragon hineingestoßen und irgendwie war auch Magie (d.h. Merlin der Zauberer) im Spiel; es hatte aber keinen uns  überlieferten Namen und ist dann auch im Kampf gebrochen
  • Der Name „Excalibur“ hat auch eine Geschichte: In den frühesten  König Arthur Sagen hieß sein Schwert Caladfwlch, ein „welscher“  Name, der sich wiederum von Calad-Bolg ableitet, was „Harter Blitz“  bedeutet. Später wurde daraus bei Geoffrey and Monmouth, den  Hauptautoren der König Arhur Legende, „Caliburn“. Das war dann  die Wurzel des französischen Excalibur wie wir es heute kennen.
  • Tourendal. Roland‘s Schwert aus der Roland Saga.
  • Mimung, das Schwert, das Wieland der Schmied für seinen Sohn Wittich schmiedete (mit Hilfe der Hühner).
  • Eckesachs and Nagelring waren die Schwerter Dietrichs von Bern
  • Dietrich von Bern - germanische Sagengestalt, in der Theoderich der Große fortlebt. Nach dem älteren Hildebrandslied kam Dietrich von Bern (Bern = Verona) nach seiner Vertreibung durch Otacher (Odoaker) an den Hof des Hunnenkönigs Etzel, mit dessen Hilfe er nach 30 Jahren sein Reich zurückeroberte. Im Lauf der Jahrhunderte wurden die Sagen erweitert und ins Märchenhafte abgewandelt. Im Nibelungenlied ist Dietrich nur Nebenfigur, der leiderfahrene, doch überlegene, humane Fürst. Die vielfältigen Dietrichstoffe wurden um 1250 in der Thidrekssaga zusammengefasst.
  • .
    (In der dt. Heldensage war Eckesachs das Schwert des Ruodlieb, danach des  Ecke und dann des Dietrich von Bern. Es wurde von Alberich geschmiedet)
  • Colada und Tizona gehörten El Cid; die „Tizona“ ist in Bild 9 dargestellt. Das Schwert ist, so  weit man das wissen kann, wohl echt.
  • Curtana Bild 10, das Schwert Tristans (oder „Ogier des Dänenkönigs“, so um 800); jetzt eines der  drei Zeremonienschwerter des britischen Königshauses; siehe das Bild rechts („Variously reputed to be the sword of Edward the Confessor, Ogier the Dane, and Tristan“). Das vorhanden Schwert wurde allerdings für die Krönung von Charles II in 1661 gefertigt.

Quellenverzeichnis

 

/1/ R.E. Hummel, "Understanding Material Science - History, Properties, Applications", Springer Verlag, 1997


 

Interstitiell
 

(zu deutsch: eingelagert) gelöst nennt man solche Fremdatome, die sich zwischen die Atome auf regulären Gitterplätzen gedrängt haben. Da ihr Radius meist größer als der Abstand zwischen zwei benachbarten regulären Atomen ist, führt ihre Einlagerung zu  Gitterverspannungen. Kohlenstoff- oder Stickstoffatome lösen sich im Eisengitter interstitiell. Interstitielle Mischkristalle weisen Legierungsatome im Wirtsgitter auf. Im Gegensatz dazu existieren substitutionelle Mischkristalle.
4

 

 

per aspera ad astra,

"über (raue Pfade steigt man empor) zu den Sternen",

durch Nacht zum Licht;

 

 

5

 

Quellen

1.   "Geschichte des Stahls." http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/advanced/t4_1_1.html (01/08/02 18:06:39) (*sehr empfehlenswert !!!*)

2.   "Mythen der Schmiede." http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_4/illustr/t4_1_1.html (01/10/02 17:07:47)

3.   "Was heißt und zu welchem Ende studiert man Materialwissenschaft?." http://www.techfak.uni-kiel.de/matwis/amat/was_heisst/text/text1.html (01/10/02 17:25:44)

4.   http://www.droesser.de/lexikon/i/interstitiell.html (01/10/02 17:36:38)

5.   "per aspera ad astra." http://www.lateinforum.de/thesauru/WdAntike/P/perasper.htm (01/10/02 20:10:12)

 

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