Damaszenerschmieden mit Gusseisen und Stahl

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1 Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 127 Damaszenerschmieden mit Gusseisen und Stahl S. Strobl 1), W. Scheiblechner 2), R. Haubner 1) 1) Technische Universität Wien, Institut für chemische Technologien und Analytik, Wien, Österreich 2) Kunstschmied, Palfau, Österreich 1 Einführung Bei der Herstellung von Damaszenerstählen werden Eisenwerkstoffe unterschiedlicher Zusammensetzung durch Schmieden zusammengefügt. Dabei entstehen vielfältige Mikrostrukturen, welche die Eigenschaften festlegen und eine Kombination der Ausgangsmaterialien darstellen. Ein Damaszenerstahl kann somit als Verbundwerkstoff angesehen werden. Ausführlich wird über die Technik des Dameszierens und seine Geschichte von M. Pohl in [1, 2] berichtet. Durch wiederholtes Zusammenschmieden, Zerschneiden und Übereinanderschichten mehrerer Stahlbleche werden Damaststähle erzeugt. Diverse Muster entstehen durch Drehen, Prägen oder Kerben der geschmiedeten Stahlstäbe. Um Härtungsgefüge einzustellen, kann eine Wärmebehandlung durchgeführt werden [3, 4]. Gegenstand dieser Untersuchung ist der Versuch, aus Weicheisen und Gusseisen (GGG - Globularer-Grau-Guss) einen Damaszener-Verbundwerkstoff herzustellen und diesen metallographisch zu beschreiben. Übliche Verfahren zur Formgebung von Gusseisen stellen das Gießen und mechanische Bearbeitung wie Drehen, Fräsen oder Schleifen dar. Eine spanlose Warmverformung sämtlicher Gusseisensorten wird bereits 1932 in einer Patentschrift von H. Nipper [5] und später 1942 in einem Buch von E. Piwowarsky [6] beschrieben. In diesem Patent wird einleitend erwähnt, dass Roheisen, Gusseisen und Temperguss bisher als weder warm- noch kaltverformbar galten. Nach umfangreichen Versuchen wurde gezeigt, dass bei Temperaturen zwischen 950 und 1150 C verschiedene Gusseisensorten walz-, schmied-, und pressbar sind [5]. Durch Auswalzen von Gusseisen gemeinsam mit Stahl ergibt sich ein festverschweißter Verbundwerkstoff. Im Stahlblech bildet sich eine zementierte Übergangszone aus, die belegt, daß die Verbindung durch Diffusion hergestellt ist und ein Loslösen oder glattes Abreißen nicht eintreten kann [6]. Daraus lässt sich ableiten, dass die Kombination Eisen GGG schwieriger schmiedbar ist als die Kombination unterschiedlicher Stähle. Und tatsächlich kam es zu einem spektakulären Fehlversuch während des Schmiedeexperiments und einem zufriedenstellenden Versuch. Aus metallographischer Sicht lieferten beide Versuche interessante Proben mit vielen unterschiedlichen Gefügen zwischen Reineisen und Gusseisen. 2 Proben, Probenpräparation und Untersuchungsmethoden 2.1 Schmieden Von Wolfgang Scheiblechner wurden zwei Pakete aus 3 Lagen GGG-Platten und 4 Lagen Weicheisenbleche zusammengestellt. In der Esse erfolgte das Erhitzen der Eisenwerkstoffe auf etwa

2 128 Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 1100 C, wobei die Proben mit Holzkohle und einem Flussmittel abgedeckt waren, um Oxidation zu verhindern. Beim ersten Schmiedeversuch V1 wurde das Gusseisen mit einem Schlag zwischen den Weicheisenblechen herausgeschleudert, weil es durch die hohe Temperatur und die Energie des Schmiedens flüssig geworden war (Bild 1). Bei einem neuerlichen Versuch V2 wurde das zweite Paket zunächst weniger stark erhitzt (etwa 900 C), wobei es sich nur schwer schmieden ließ. Deshalb erfolgte ein zweites Schmieden bei höherer Temperatur (etwa 1050 C), wobei wiederum Gusseisen aus dem Paket herausspritzte. Beide Proben wurden an Luft abgekühlt. Erkenntnis aus diesen Versuchen: Gusseisen kann nicht einfach wie Stahl geschmiedet werden, weil es bei den üblichen Schmiedebedingungen flüssig wird. Bild 1: Schmieden eines Pakets aus 3 Lagen GGG und 4 Lagen Weicheisen. (a) aufgeheiztes Paket auf der Schmiedeauflage; (b) erster Schmiedeschlag; (c) Paket nach dem ersten Schmiedeschlag. 2.2 Metallographie und Mikroskopie Von den Proben wurden mit einer Trennmaschine kleine Stücke entnommen, warmeingebettet und nach dem Planschleifen stufenweise bis 1 µm Diamant geschliffen bzw. poliert. Die Endpolitur erfolgte mit 0,05 µm Al 2 O 3 -Suspension. Die Gefügeuntersuchungen der Proben wurden im geätzten Zustand mittels Lichtmikroskop (LOM) durchgeführt. Folgende Ätzmittel wurden eingesetzt: 2 % Nital- und Klemm1 - Lösung. Zusätzlich erfolgten Mikrohärtemessungen nach Vickers mit unterschiedlich hoher Belastung von HV0,05 und HV0,01. 3 Untersuchungsergebnisse und Diskussion Da beim Damaszenerschmieden unterschiedliche Eisenwerkstoffe kombiniert werden, greifen die eingesetzten Ätzmittel unterschiedlich stark an, wobei ein Zusammenhang zwischen den vorliegenden Phasen, ihrer Feinheit und Verteilung besteht. Im Vordergrund steht natürlich eine ausreichende Kontrastierung der Gefügebestandteile, um die Mikrostruktur möglichst genau zu beschreiben. Vor allem im Bereich der Fügezonen unterschiedlicher Werkstoffe muss mit Veränderungen der Gefüge gerechnet werden. 3.1 GGG-Damast nach einem Schmiedeschlag V1 Die metallographische Auswertung dieses Versuches zeigt nach der Nitalätzung eine deutliche Unterscheidbarkeit der hellen Weicheisenbleche von den ursprünglich vorhandenen dunklen GGG- Platten (Bild 2a). Detailbilder zeigen die Schweißzone und die Veränderung des Gefüges (Bild 2bj). Eine unzureichende Verschweißung des Weicheisens mit Kohlenstoffanreicherung an der Grenz-

3 Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 129 fläche und vielen Löchern sind aus den Bildern 2b, e, j klar erkennbar. Ein wesentlich besserer Verbund, der überwiegend im mittleren Band vorliegt, ist in den Bildern 2f, g, i zu sehen. Der Kugelgraphit des Gusseisens kann nicht mehr beobachtet werden. Da die Schmiedetemperatur zu hoch war, verflüssigte sich ein Großteil der GGG-Platten und wurde während des Schmiedens herausgeschlagen. Bild 2: Damast aus Weicheisen GGG, Versuch 1, LOM, 2 % Nitalätzung. (a)zusammengesetzte Übersichtsaufnahme, (b j) Detailbilder mit den verschiedenen Gefügebestandteilen. Das Weicheisengefüge ist durch einen groben, polygonalen Ferrit ( HV0,05) gekennzeichnet (Bild 2a, b, e, f, i, j) und bildet in der wärmebeeinflussten Zone Säulen ( HV0,05), die von Perlit abgetrennt werden (Bild 2 c, e, g, i, j). Schließlich tritt eine Widmannstättensche Struktur auf, die sich aus langnadeligem Ferrit (180 HV0,01) und Perlit - Sorbit (

4 130 Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) HV0,05) zusammensetzt (Bild 2g, h, j). An den zwei äußeren kohlenstoffreichen Lagen findet man im Zentrum der Fügezone grobnadeligen Martensit und Restaustenit ( HV0,05), umgeben von Zwischenstufe ( HV0,01) und Sorbit (Bild 2d, c). 3.2 GGG-Damast nach zweimaligem Schmieden bei etwa 900 C und 1050 C V2 Bei dieser Probe können die unterschiedlichen Gefüge zwischen Gusseisen und Weicheisen gut charakterisiert werden. Beim Bild 3a, mit Nital geätzt, lassen sich die verschiedenen Lagen klar erkennen. Die GGG- Platten sind erhalten geblieben und als breite, dunkle Streifen zu sehen. Die detaillierteren Bilder 3b i und 4a f wurden einige Sekunden mit Nital und anschließend eine Minute mit Klemm 1 geätzt. Bild 3: Damast aus Weicheisen GGG, Versuch 2, LOM. (a)zusammengesetzte Übersichtsaufnahme, 2 % Nitalätzung, (b i) Detailbilder mit den verschiedenen Gefügebestandteilen, Klemm 1 geätzt.

5 Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 131 Während Nital die Fügezonen und den Grauguss stärker als den Ferrit des Weicheisens angreift (Bild 3a), färbt Klemm 1 die Ferritkörner bunt, die Fügezone wird etwas schwächer und der GGG schwach angegriffen (Bild 3b, f, g). Die Weicheisenbleche zeigen ein grob-polygonales ferritisches Gefüge wie aus den Bildern 3a, f, g, i und 4e, f ersichtlich ist und durch das Ätzen mit Klemm 1 kann der Korngrenzenzementit sehr gut kontrastiert werden (Bild 4f). In der Fügezone tritt eine Veränderung des Gefüges ein, weil sich offensichtlich ein Teil des globularen Graphits auflöst und der Kohlenstoff in Richtung Weicheisen / Ferrit diffundiert. Zunächst scheidet sich im polygonalen Ferrit etwas Perlit aus, wodurch der Ferrit ein säulenartiges Aussehen erhält (Bild 3g und 4a, b, e). Daran schließt sich ein perlitisch-sorbitischer Bereich mit Zwischenstufe (256 bis 339 HV0,05), in dem aus der Fügenaht (Grenzfläche Weicheisen GGG) langnadeliger Zementit ( HV0,01) herausgewachsen ist (Bild 3c, g, h und 4a, b, c), an. Sobald die GGG-Zone erreicht wird, erkennt man einen schmalen µm breiten Streifen, der keinen globularen Graphit enthält (Bild 3f, h und 4a). Das Gefüge wird feiner und härter und schließlich liegt eine Zwischenstufenmatrix vor (339 bis 381 HV0,05), die globularen Graphit, umgeben von Ferrithöfen (145 HV0,01), enthält (Bild 4d). In einer außenliegenden GGG-Lage wurde neben globularem Graphit auch Ledeburit (Bild 3d, e) mit einer Härte von 660 bis 766 HV0,05 gefunden. Dies zeigt, dass während dem Schmieden flüssige Phase entstanden ist. Bild 4: Damast aus Weicheisen GGG, Versuch 2, LOM, Klemm 1 geätzt. (a f) Detailbilder mit den verschiedenen Gefügebestandteilen. 4 Zusammenfassung Beim ersten Schmiedeversuch V1 von Weicheisen und globularem Grauguss in Damaszenertechnik wurde die Schmiedetemperatur zu hoch gewählt, die GGG-Platten verflüssigten sich und schmale, mit Kohlenstoff angereicherte Lagen blieben zurück. Das Weicheisengefüge setzt sich aus groben, polygonalen Ferritkörnern und Korngrenzenzementit zusammen. In der Schweißzone findet man grobsäuligen Ferrit, dazwischenliegend Perlit, langnadeliger, Widmannstättenscher Ferrit, der Per-

6 132 Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) lit, Sorbit und Zwischenstufe umschließt. In den zwei äußeren C-reichen Lagen kommt es zur Bildung von grobnadeligem, weichem Martensit und Restaustenit. Die Schweißnaht ist durch viele Löcher, Oxide und Schlacken gekennzeichnet. Es erfolgte ein weiterer Schmiedeversuch V2. Diesmal wurde zunächst bei ca. 900 C und anschließend bei etwa 1050 C geschmiedet. Die GGG-Platten bleiben erhalten, ihre Mikrostruktur besteht aus einer Zwischstufenmatrix, die globularen Graphit, umgeben von Ferrithöfen, enthält. In einer Lage trat offensichtlich flüssige Phase während des Schmiedens auf und es wurde zusätzlich Ledeburit gebildet. In der Schweißzone findet man Perlit, Sorbit, Zwischenstufe und langnadeligen Zementit. Dieses komplexe Gefüge enstand durch Kohlenstoffdiffusion. Der Kohlenstoff stammt von den GGG-Platten, weil sich ein Teil des globularen Graphits in einer µm breiten Zone aufgelöst hat. Dieser Schmiedeversuch kann durchaus als erfolgreich bezeichnet werden, denn die Schweißnaht weist einen guten Verbund auf. Durch unterschiedliche Ätzmittel und Mikrohärtemessungen nach Vickers konnten die einzelnen Gefügebestandteile ausreichend kontrastiert und beschrieben werden. 5 Literatur [1] M. Pohl, N. Lindner, Gefüge und Eigenschaften von Damaszener-Stählen, in: "Sonderbände der Praktischen Metallographie 25", 1994, [2] M. Pohl, Damaszenerstahl, in: "Sonderbände der Praktischen Metallographie 29", 1998, [3] H. Denig, Alte Schmiedekunst, Damaszenerstahl, Arbogast, Otterbach/Pfalz, [4] S. Strobl, R. Haubner: Damaszenerschmieden Gefügecharakterisierung von zwei Schmiedestücken mit unterschiedlichen Stahlkombinationen, in: "Sonderbände der Praktischen Metallographie 46", 2014, [5] H. Nipper, Verfahren zum Herstellen von Gegenständen aus einer Eisen-Kohlenstoff- Legierung, Patentschrift, DE , [6] E. Piwowarsky, Hochwertiges Gußeisen, Springer-Verlag OHG, Berlin, 1942,

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