Damaszenerschmieden Gefügecharakterisierung von zwei Schmiedestücken mit unterschiedlichen Stahlkombinationen

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1 Prakt. Met. Sonderband 46 (2014) 131 Damaszenerschmieden Gefügecharakterisierung von zwei Schmiedestücken mit unterschiedlichen Stahlkombinationen S. Strobl*, R. Haubner* * Technische Universität Wien, Institut für chemische Technologien und Analytik, Getreidemarkt 9/164-CT, A-1060 Wien, Österreich ABSTRACT Das Schmieden von Damaszenerstählen stellt für den Schmied eine echte Herausforderung dar: Erfahrung, Geschicklichkeit, Präzision sind wesentliche Voraussetzungen. Die Herstellung derartiger Stähle erfolgt durch ein Aufeinanderschichten von Blöcken oder Blechen aus kohlenstoffreicheren und ärmeren Stählen, die anschließend erhitzt und geschmiedet werden. Diese Stahlstäbe können wiederholt gestapelt und geschmiedet werden, wodurch beliebig viele Lagen im Damaststahl entstehen. Gegenstand dieser Arbeit sind zwei unterschiedliche Damaszenerstähle: eine Kombination von Eisen mit dem Vergütungsstahl C60, eine andere Kombination von hochlegiertem K110 mit K600. Im ersten Fall treten Ferrit und Perlit in den Bändern in unterschiedlichsten Anordnungen auf, wobei die Grenzen zwischen den einzelnen Lagen scharf erscheinen. Im zweiten Fall bilden sich komplexe Mischgefüge in den Fügezonen der einzelnen Stähle. Die K600-Schicht ist durch Martensit, die K110-Schicht durch Sonderkarbide, Martensit sowie Restaustenit charakterisiert. Durch verschiedene Ätzmittel sowie Mikrohärtemessungen nach Vickers ist eine erfolgreiche Charakterisierung der Gefüge möglich. 1. EINLEITUNG Das Schmieden ist die älteste Ver- und Bearbeitungstechnik für Metalle mit dem Ziel der Formgebung und/oder des Zusammenfügens unterschiedlicher Werkstoffe. Auch bei der Damaszenerstahlherstellung werden Eisen und/oder verschiedene Stähle kombiniert und mittels Schmieden zusammengefügt. Durch unterschiedliche Mikrostrukturen im Endprodukt können konträre mechanische Werkstoffeigenschaften wie Festigkeit Dehnung, Härte Verformungswiderstand, Sprödigkeit Duktilität vereint werden. Die Damaszenertechnik erfordert Erfahrung, Kenntnisse über die Verarbeitbarkeit der unterschiedlichen Stähle und ist ein aufwendiges, weil mehrstufiges Verfahren: mehrere Stahlblechlagen unterschiedlicher Zusammensetzung werden zusammengeschmiedet, zerschnitten, wieder übereinandergelegt und geschmiedet. Diese Vorgänge werden je nach gewünschter Anzahl und Dicke der Lagen mehrmals wiederholt. Komplexe Muster entstehen durch Drehen, Prägen oder Kerben der geschmiedeten Stahlstäbe. Den letzten Schritt stellt eine Wärmebehandlung dar, um Härtungsgefüge zu erreichen [1]. Gegenstand dieser metallographischen Untersuchung sind zwei Damaszenerstähle: eine Kombination von Eisen mit C60 (Wknr ), eine andere Kombination von hochlegiertem K110 (Wknr ) mit K600 (Wknr ). Ihre Mikrostukturen werden mit Hilfe des Lichtmikroskops und verschiedener Ätzmitteln beschrieben.

2 132 Prakt. Met. Sonderband 46 (2014) 2. EXPERIMENTELLES Von einem Kunstschmied (Wolfgang Scheiblechner, Palfau, Österreich) wurden die untersuchten Damaszenerstähle D1 und D2, deren Zusammensetzungen aus Tabelle 1 zu entnehmen sind, angefertigt. In der Esse erfolgte das Erhitzen der Stähle auf etwa 1100 C, wobei die Proben mit Holzkohle und einem Flussmittel abgedeckt waren, um Oxidation der Stähle zu verhindern. Anschließend wurde geschmiedet. Tab. 1: Zusammensetzungen der einzelnen Stähle für D1 und D2 Stahl Wk.nr. Ma% C Si Mn Cr Mo Ni V D1 Eisen -- < 0, C ,57-0,65 0,4 0,6-0,9 0,1 0,1 0,1 -- D2 K ,55 0,25 0,35 11,80 0, ,95 K ,45 0,25 0,40 1,30 0, Bemerkungen: Eisen : es handelt sich um einen unlegierten Stahl aus dem 19. Jahrhundert, der Schlackeneinschlüsse aufweist; die restlichen Stahlzusammensetzungen wurden dem Stahlschlüssel bzw. dem Edelstahl-Handbuch der Fa. Böhler entnommen. Wärmebehandlung: Nach dem Schmieden wurden beide Damaszenerstählen im Essefeuer auf ca C erhitzt, D1 erkühlte langsam, D2 wurde in Öl abgeschreckt und für einige Stunden bei ca. 200 C angelassen. Metallographische Präparation: Von den Proben wurden mit einer Trennmaschine kleine Stücke entnommen, warmeingebettet und beginnend mit SiC-Schleifpapier stufenweise bis 1 µm Diamant geschliffen bzw. poliert. Die Endpolitur erfolgte mit und 0,05 µm Al 2 O 3 - Suspension. Die Gefügeuntersuchungen der Proben wurden im ungeätzten sowie im geätzten Zustand mittels Lichtmikroskop (LOM) durchgeführt. Folgende Ätzmittel wurden eingesetzt: 2% Nital-, Klemm1-, konzentrierte Murakami- und Beraha1- Lösung. Zusätzlich erfolgten Mikrohärtemessungen nach Vickers. 2. ERGEBNISSE UND DISKUSSION Zur Herstellung von Damaszenerstahl werden immer Stähle verschiedener Zusammensetzung kombiniert. Bei der Verwendung eines Ätzmittels tritt das Problem auf, dass die Stähle unterschiedlich stark angegriffen werden, d.h. während ein Stahl ausreichend kontrastiert wird, ist der andere Stahl zu schwach oder überätzt. Die Stärke des Ätzmittelangriffs steht im Zusammenhang mit den vorhandenen Phasen, ihrer Verteilung und Feinheit. Um möglichst viele Informationen über die einzelnen Stähle zu erhalten, war es vorteilhaft verschiedene Ätzmittel einzusetzen. Änderungen der Gefüge treten in den Oberflächenbereichen und den Fügezonen der verschiedenen Stähle, hervorgerufen durch Oxidation und Diffusion von Kohlenstoff, auf. 2.1 Gefüge des Damaszenerstahls D1 Beim Zusammenschmieden von Blechen aus Eisen und dem Vergütungsstahl C60 (ca. 0,6 Ma% C) sind ferritisch-perlitische Gefüge zu erwarten. Nach dem Polieren sind die unterschiedlichen Bänder aufgrund von Schlacken- und Oxideinschlüssen deutlich zu erkennen. Die Einschlüsse liegen teilweise länglich und grob, teilweise kugelig und fein im Eisenband vor (Fig. 1a, b). Einen Überblick der Anordnungen von ferritreichen und

3 Prakt. Met. Sonderband 46 (2014) 133 perlitreichen Zonen nach einer Nitalätzung wird in Fig. 1c gezeigt: die Perlitbänder sind breiter, die Ferritbänder schmäler und in der Mitte der Abbildung ist erkennbar, dass zwei Ferritbleche zusammengeschmiedet wurden. In der Detailaufnahme Fig. 1d ist dies deutlicher zu sehen. In Fig. 1e, f sind die Gefüge der Grundwerkstoffe abgebildet. An der Grenzfläche Perlit-Ferrit diffundiert der C ins Ferritband und es entsteht ein Perlitgradient vom Rand in Richtung Zentrum (Fig. 1e). Umgekehrt nimmt der Ferritanteil im C-reicheren Stahl an der Grenze zum Eisenband zu (Fig. 1f). Durch die Klemmätzung (Fig. 1g, h) werden die Ferritkörner in Abhängigkeit von der Orientierung unterschiedlich gefärbt, der Zementit bleibt unangegriffen und liegt im Inneren des Ferritbandes überwiegend als tertiärer Korngrenzenzementit, selten als Perlit, vor (Fig. 1g). Im C-reichen Band sind beide, der Perlit und das ihn umgebende Ferritnetzwerk, gefärbt und nur schwer bzw. in hoher Vergrößerung unterscheidbar (Fig. 1 h). Vergleicht man Nital - und Klemm Ätzung, kann eine bessere Kontrastierung und die daraus resultierende Information durch Nital erzielt werden. 2.2 Gefüge des Damaszenerstahls D2 Der wärmebehandelte Damaszenerstahl D2, eine Kombination der Kaltarbeitsstähle K110 / K600 (abschrecken von 1100 C in Öl, Anlassen bei 200 C), weist im Vergleich zu D1 komplexere Mikrostrukturen auf, wodurch der Einsatz verschiedener Ätzmittel notwendig wurde (Fig. 2 und Fig. 3). Die Ätzlösungen Klemm1 (K1), konzentrierte Murakami (Mc) und Beraha1 (B1) wurden eingesetzt. Bei Verwendung von K1 führt ein zusätzliches, kurzzeitiges Vorätzen mit Nital zu einer guten Kontrastierung des jeweiligen Stahls und zeigt ihre scharfe Abgrenzung. Fig. 3 stellt einen Überblick (Fig. 3a, b) und die Gefüge der Ausgangsstähle (Fig. 3c, d) dar. K1 greift den Martensit von K600 stark und Mc die groben Cr-reichen Sonderkarbide M 7 C 3 des K110 selektiv an. Die feinen V-reichen MC-Karbide des K110 können ausschließlich durch eine intensive Nitalätzung sichtbar gemacht werden (Fig. 3d). Mikrohärtemessungen nach Vickers brachten folgende Resultate: K600 / 620 HV0,1, K110 / 735 HV0,1 und die großen Sonderkarbide M 7 C 3 / 1355 HV0,05. Nach dem Härten und Anlassen sollte der hochlegierte K110 auch Martensit aufweisen und tatsächlich kann mit Hilfe von B1 die gesamte Mikrostruktur erfasst werden (Fig. 2b): der dunkle, nadelige Martensit, der hellerer Restaustenit sowie die unangegriffenen, feinen und groben Sonderkarbide [2]. Fig. 2a zeigt den mit B1 schwächer angegriffenen Martensit des K600. Geänderte Gefügestrukturen treten vor allem in Bereichen der Probenoberfläche und in den Fügezonen zwischen K600 K600 (Fig. 2c) auf, selten auch zwischen K110 K600 (Fig. 2d). Diese Veränderungen können auf Entkohlungs- und C- Diffusionsvorgänge zurückgeführt werden und finden ihren Ausdruck sowohl durch unterschiedlich starken Ätzmittelangriff als auch unterschiedliche Mikrohärten. In Fig. 2c ist eine Fügezone zwischen K600 K600 abgebildet: die helle martensitische Matrix (570 HV0,05) wird von einem dunklen Band, bestehend aus Martensit und Zwischenstufe (490 HV0,05), getrennt. Der helle Streifen im dunklen Band ist martensitisch (544 HV0,05). An einer anderen Fügezone zwischen K110 K600 (Fig. 2e) tritt überwiegend Martensit unterschiedlicher Härte auf ( HV0,05). In Oberflächennähe lassen sich vielfältige Strukturen, die deutlich auf Entkohlung hinweisen, unterscheiden (Fig. 2f-h). In Fig. 2f geht die ferritreiche Zwischenstufe in eine obere und schließlich in eine untere Zwischenstufe über ( HV0,05), in Fig. 2g wechseln sich Zwischenstufe mit unterschiedlich hartem Martensit ab ( HV0,05) und in Fig. 2h findet man Ferrit, polygonal sowie in Widmannstättenscher Anordnung, dazwischen Perlit oder Zementit ( HV0,05).

4 134 Prakt. Met. Sonderband 46 (2014) Fig. 1: LOM, Gefüge von D1, (a, b) poliert, (c - f) 2%Nital- und (g, h) Klemm1- Ätzung

5 Prakt. Met. Sonderband 46 (2014) 135 Fig. 2: LOM, Gefüge von D2, (a-d, f) Klemm1- und (e, g, h) Beraha1- Ätzung

6 136 Prakt. Met. Sonderband 46 (2014) Fig. 3: LOM, Gefüge von D2, (a, c) Klemm1- und (b, d) konzentrierte Murakami- Ätzung 3. ZUSAMMENFASSUNG Die lichtmikroskopischen Untersuchungen der Gefüge zweier Damaszenerstähle D1 und D2, die mit unterschiedlichen Lösungen geätzt wurden, führte zu folgenden Ergebnissen: Bei D1 sind die Bänder der Kombination Eisen C60 klar zu erkennen. Im Eisen sind neben Ferrit Schlacken, Oxidausscheidungen, tertiärer Zementit und Perlit vorhanden. C60 bildet Perlit und breiten, netzförmigen Ferrit aus. In den Fügezonen ist C-Diffusion festzustellen. Im Eisen nimmt der Perlitanteil zu, im C60 nimmt der Ferritanteil zu. Bei D2 wurden die Kaltarbeitsstähle K110 (hochlegiert) und K600 (mittellegierte) geschmiedet und wärmebehandelt. Das Gefüge des K110 weist Cr-reiche M 7 C 3 und V-reiche MC Sonderkarbide, nadeligen Martensit und Restaustenit auf. Das Gefüge des K600 kann als rein martensitisch beschrieben werden. Im Bereich der Fügezonen und an der Probenoberfläche finden sich komplexe Mikrostrukturen, die auf Oxidationsvorgänge bzw. Veränderungen des Kohlenstoffgehalts hinweisen. Es wurde Martensit unterschiedlicher Härte, obere und untere Zwischenstufe, polygonaler Ferrit und in Widmannstättenscher Anordnung sowie Perlit und Fe 3 C beobachtet. Die einzelnen Gefügebestandteile wurden durch unterschiedliche Ätzmittel und Mikrohärtemessungen nach Vickers charakterisiert. REFERENZEN [1] Denig, H.: Alte Schmiedekunst, Damaszenerstahl, Arbogast, Otterbach/Pfalz, [2] Oppenkowski, A.: Cryobehandlung von Werkzeugstahl, Dissertation, Ruhr- Universität Bochum, 2011.