Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 1 von 48 Das Experiment als Methode zur Erkenntnisgewinnung Hannes Herdits, Daniel Kumpa, Wolfgang Lobisser, Klaus Löcker, Mathias Mehofer und Hans Reschreiter Die Vorstellung, durch praktische Experimente Einzelheiten über das Leben der Vergangenheit zu erfahren, ist beinahe so alt wie die Archäologie selbst, wenn auch die Anfänge sehr sporadisch verliefen. Die Pioniere dieser Forschungsmethode experimentierten bereits in der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts, um Aussagen über die technischen Möglichkeiten von vergangenen Kulturen untermauern zu können. In unseren Tagen, da die wissenschaftlichen Möglichkeiten der typologischen und auch der chronologischen Methoden nahezu ausgeschöpft sind, da man sich bei Datierungsfragen bereits unter dem Generationenbereich bewegt, beziehen sich die Fragen der Archäologen in zunehmendem Maße auf die Alltagskultur der Menschen, ihre Aktivitäten, Überlebensstrategien und Siedlungsgewohnheiten. Neben den naturwissenschaftlichen Methoden (z. B. Pollenprofile, Dendrochronologie, Geomagnetik) stützt sich die moderne Forschung bei der Beantwortung dieser Fragen vor allem auf Ergebnisse der Experimentellen Archäologie. Keine andere Methode ist in dem Maße geeignet, unsere Vorstellungen von den technischen Möglichkeiten unserer Vorfahren auf eine lebensnahe Basis zu stellen, unsere Erklärungen und Interpretationen von Grabungsbefunden zu überprüfen. Wenn die Ergebnisse unserer Versuche letztlich auch keinen endgültigen Beweischarakter haben, geben sie uns doch eine gute Vorstellung vom Alltagsleben der Vergangenheit, mit der wir uns wohl bei vielen Fragen weitgehend an die historische Realität annähern können1 . Das Experiment setzt dort an, wo die herkömmlichen Methoden der Archäologie nicht mehr greifen und versucht Handwerkspraktiken, technische Einrichtungen, und Arbeitsvorgänge zu überprüfen, zu erklären und so letztlich zu rekonstruieren. Viele Experimente führen zu einer Rekonstruktion, doch beruht nicht jede Rekonstruktion auf einem Experiment. Die Vorgangsweise bei archäologischen Experimenten orientiert sich vor allem an den Naturwissenschaften, wobei für jedes Experiment eine ausformulierte Forschungsfrage als Ausgangspunkt dienen sollte, die sich meist aus der Interpretation einer aktuellen Ausgrabung, aus einem historischen Text oder einer bildlichen Darstellung ergibt. Jedes Experiment hat einen klassischen Ablauf, der mit einem ausführlichen Studium der Forschungsgeschichte seinen Anfang nimmt. Bei der Vorbereitung werden auch Vergleiche aus Ethnologie und Ethno - Archäologie eingearbeitet. Sind alle zur Verfügung stehenden Informationsquellen ausgeschöpft, erfolgt die minutiöse Planung des Versuchs, der streng wissenschaftlich angelegt und genauestens dokumentiert wird, um theoretische Annahmen durch praktische Arbeiten auf ihre Richtigkeit zu testen. Bei der Dokumentation setzt man auf moderne Technik, Meßinstrumente und Videoaufnahmen, genauso wie auf Photographien und schriftliche Aufzeichnungen. 1 Fansa, Mamoun, Experimentelle Archäologie in Deutschland In: Fansa, Mamoun (Hg.) Experimentelle Archäologie in Deutschland, Archäologische Mitteilungen aus Nordwestdeutschland . Oldenburg 1996. Beiheft 13,S. 11. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 2 von 48 Es empfiehlt sich, jedes Experiment mindestens zwei mal vorzunehmen, damit eine gewisse Regelhaftigkeit bei den Ergebnissen nachvollziehbar ist. Die so gewonnenen Ergebnisse werden analysiert und mit dem bisherigen Forschungsstand verglichen, der so entweder bestätigt wird oder bei neuen Erkenntnissen entsprechend korrigiert werden muß. Neue Erkenntnisse führen zu neuen kulturhistorischen Ansätzen und in der Folge meist zu neuen Fragestellungen. Mittelpunkt der Experimentellen Archäologie ist immer der Mensch mit seinen Problemen, seinen Fähigkeiten und seinen Lösungsstrategien. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 3 von 48 Eisenverhüttung 1. Theorie Eisenverhüttung Beim Rennverfahren wird mittels eines pyrotechnischen Prozesses aus Eisenerz Metall gewonnen, die den Verhüttungsprozess bestimmenden thermodynamischen Parameter (Temperatur, CO/ CO2 ­ Gasatmosphäre, etc.) können dabei im Reaktionsraum sehr stark differieren und sind von verschiedensten Faktoren abhängig. Bernd Lychatz2 beschreibt als bestimmende Einflüsse: die Luftzufuhr - Art der Windbeaufschlagung (kontinuierlich ­ diskontinuierlich) - Windmenge pro Zeiteinheit und Düse die Art der Ofenkonstruktion - Abmessung des Ofens - Anordnung und Anzahl der Düsen die Beschaffenheit des Erzes - Chemische Zusammensetzung - Stückgröße - Reduzierbarkeit - Erweichungsbeginn und Intervall - Deskriptionsverhalten - Zuschlagstoffe die Art des Brennstoffs - Holz - Holzkohle - Stückgröße - Chemische Zusammensetzung - Reaktionsvermögen - Festigkeit - Dichte Die Prozessführung - Mengenverhältnis von Erz zu Brennstoff - Wärmehaushalt des Ofens - Verbrannte Brennstoff pro Zeiteinheit - Verbrannte Brennstoff pro Zeiteinheit und Gestellfläche 2 Lychatz, Janke, Experimentelle Simulation 291. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 4 von 48 1. 1. Die Gebläsetypen Die Beaufschlagung des Rennofens mit Wind kann einerseits durch die natürliche Kaminwirkung wie auch durch künstliche Gebläse erfolgen. Allerdings setzt der Betrieb ohne Blasebälge einen entsprechend hohen Ofenschacht voraus, um die Kaminwirkung zu nützen. Die bis jetzt von der Forschung postulierten Schachthöhen für verschiedenen frühgeschichtlichen Öfentypen3 sind im Bereich um 0,8 ­ 1,2m anzusetzen, sodass damit gerechnet werden kann, dass diese meistens mit künstlichem Gebläse betrieben wurden. Während der Zeit des Frühmittelalters könnten hierfür sowohl Schalen- und Schlauchgebläse4 als Spitzblasebälge verwendet worden sein. Das Schalengebläse besteht aus zwei getrennten Schalen aus Stein, Holz, oder Keramik mit je einer Düse pro Schale, durch abwechselndes gegengleiches Hochziehen und Niederdrücken der Schalenbedeckung wird Luft durch ein Ventil eingesaugt und durch die Düse in den Ofen gepresst. Das nur aus Tierhäuten bestehende Schlauchgebläse funktioniert nach demselben Prinzip, nur mit unterschiedlicher Ventilkonstruktion, während die Ventile des Schalengebläses nach dem Rückschlagprinzip arbeiten, ist beim Schlauchgebläse oben eine große Öffnung vorhanden, die mit 2 Stäben geöffnet und geschlossen wird, beim Ansaugen wird der Balg hochgezogen und die Stäbe sind geöffnet, beim Niederdrücken wird die Stäbe gegeneinander gepresst und dadurch das Ventil geschlossen, sodass die Luft durch die Düse in Richtung Ofen gedrückt wird. Der, von Ernst Giese5 im Rahmen von Experimenten rekonstruierten Doppelblasebalg orientiert sich an den Darstellungen aus der Wielandsage auf dem Türpfosten von Hyllestad6 aus dem 12. Jahrhundert wie auch an Schmiedeszenen auf dem Walbeinkästchen von Auzon, Haute Loire sog. Franks Casket, das um 700 n. Chr. datiert wird. Die darauf dargestellten Blasebälge könnten auch für den Betrieb von Rennöfen verwendet worden sein. Radomir Pleiner beschreibt einen Fund des 10. Jahrhunderts aus Sarkel Belaya Vezha. In der untersuchten Schmiede7 wurde ein grob zugearbeitetes dreieckiges Brett gefunden, dass von ihm als Konstruktionselement eines Lederblasbalges angesprochen wird. Düsen Die Funktion einer Düse8 besteht darin, den vom Blasebalg kommenden Luftstrom das Innere eines Rennofens oder eines Schmiedeofens zu leiten. Gleichzeitig sollen sie den meistens aus organischem Material bestehenden Blasebalg vom heißen Ofenraum trennen und dadurch dessen Beschädigung verhindern. Düsen wurden meistens aus Ton produziert und konnten, nachdem sie abgeschmolzen waren leicht ersetzt werden. Aufgrund der Ofenkonstruktion wurde meistens nur die ofenwärtige Spitze der Düse gebrannt und blieb dadurch erhalten, währenddessen das trichterförmige Ende aufgrund geringerer Brenntemperaturen meistens vergangen war. 3 Pleiner, European Bloomery Smelters 173. 4 Herdits, Schmelzversuche 9. 5 Giese, Blasebalg, 105 Abb.1; Thomsen, Essestein und Ausheizschlacken 100, Abb. 1. 6 Müller-Wille, Der frühmittelalterliche Schmied 133. 7 Pleiner, European Bloomery Smelters 214. 8 Pleiner, European Bloomery Smelters 198. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 5 von 48 Das Vorhandensein von Düsen allein bedingt noch nicht automatisch eine künstliche Belüftung eines Rennofens, zusätzlich muss auch der Durchmesser der Düsen in Betracht gezogen werden. Radomir Pleiner9 beschreibt, dass Düsen mit einem Durchmesser kleiner als 15­ 30mm mit einem Gebläse kombiniert sein müssen, da dieser kleine Querschnitt für Betrieb mit natürlichen Zug zu gering erscheint und nur eine unzureichende Luftmenge in den Ofen leiten würde. 1. 2. Die Ofentypen Schlackengrubenofen Das Konstruktionsschema eines kaiserzeitlichen Grubenofens wird von Hans Hingst10 aufgrund der Befunde vom Kammberg folgendermaßen beschrieben: Über eine runde Grube von ca. 0,4­ 0,6m Durchmesser und einer durchschnittlichen Tiefe von 0,4­ 0,7m wird ein Ofenschacht in der Höhe von ca. 1,2m errichtet. So wies der aus Scharmbeck11 stammende Ofenschacht einen Durchmesser von 45cm auf. Die Grube wird vor Beginn der Verhüttung mit Reisig12 , Stroh13 oder Holz14 gefüllt. Das Erz wird abwechselnd mit Holzkohleschichten durch die Gichtöffnung (obere Öffnung des Ofenschachts) gesetzt, die Reduktion erfolgt nach den Prinzipien des oben beschriebenen Rennverfahrens durch CO/ CO2 Gasgemische. Damit sich das entstehende Eisen von der Schlacke trennen kann, muss diese in die unter dem Düsenniveau vorhanden Grube abfließen können. Das darin vorhandene Füllmaterial muss deswegen zum geeigneten Zeitpunkt kontrolliert verbrennen und dadurch entsprechenden Raum freigeben. Allerdings darf dies nicht zu schnell vor sich gehen, da sonst das Erz und das ausreduzierte Eisen mit in die Grube absinken und somit kein zusammenhängender Eisenklotz entstehen kann, da nur im unteren Teil des Ofenschachtes die Eisengewinnung vor sich geht. Der in Abb. 17 dargestellte schematische Ablauf15 zeigt wie der Verhüttungsvorgang vor sich geht. Der Grubenofen kann je nach Größe und Durchmesser zwischen 1 und 4 Düsenöffnungen haben. So produzierten laténezeitliche Schlackengrubenöfen Schlackenklötze bis über 100kg produzieren, währenddessen Grubenöfen der römischen Kaiserzeit mit wesentlich geringeren Abmessungen, Düsenanzahl und geringere Schlackenklötze produzierten. Schlackenabstichofen Der Schlackenabstichofen weist als wesentlichsten Unterschied zum oben beschriebenen Ofen keine Grube unter der Düsenebene auf. Meistens als freistehende Schachtofen rekonstruiert, wird die während der Verhüttung gebildete Schlacke nicht in die Grube abgeleitet, sondern kontrolliert ein- oder mehrmals abgestochen, bevor die Luppe aus dem Ofengestell entnommen wird. 9 Pleiner, European Bloomery Smelters 200. 10 Hingst, Vor- und frühgeschichtliche Eisengewinnung 64. 11 Wegewitz, Rennfeuerofen 15, Abb. 7; Wegewitz, Siedlung und der Rennofen von Scharmbeck 351. 12 Leineweber und Lychatz verwendeten bei ihren Experimenten mit einem Schlackengrubenofen mit einem Verbindungskanal zur Schlackengrube Reisig als Grubenfüllung: Leineweber, Eisengewinnung 103. 13 Die Schlacken der kaiserzeitlichen Verhüttungsplätze von Schuby und Süderschmedeby zeigen sowohl Holz-, Reisig- wie auch Strohabdrücke: Jöns, Schuby und Süderschmedeby 72; Mikkelson schreibt, dass Schlackenklötze aus Öfen des 2. ­ 7. Jahrhunderts n. Chr. in Dänemark sehr oft Strohabdrücke zeigen: Mikkelson, Straw in Slag Pit Furnaces 63. 14 Voss, Jernudvinding i Danmarks Forhisthistorisk Tid 14, Abb. 8; Espelund, Operation of bloomery furnaces 174. 15 Jöns, Frühe Eisengewinnung in Jodelund 129, Abb. 79. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 6 von 48 Wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist einerseits, das durch das Abstechen der Schlacke die Prozessführung kontrolliert und beeinflusst werden kann, andererseits kann der Ofen nach Beendigung der Ofenreise ausgeräumt, ausgebessert und dadurch mehrmals wieder verwendet werden. Wie oft ein solcher Ofen gebraucht werden kann, hängt von der Bauweise (Wandstärke), dem Baumaterial und den im Ofen erreichten Temperaturen zusammen. In der Vorstellung seiner Schmelzexperimente erläutert Peter Crew, dass die Reparatur eines Ofens am Besten noch im heißen Zustand der Ofenwand16 erfolgte: es wurden mehrere dünne Lagen Lehm oder Ton aufgetragen, die schnell antrockneten. Danach war der Ofen für den nächsten Verhüttungsdurchgang bereit. Andreas Kronz und Ingo Kessmann17 beschreiben, dass bei der Verhüttung ein Teil der Ofenwand (Ton) aufschmilzt und somit zur Schlackenbildung beiträgt. Je nach Schmelztemperatur des Baumaterials kann dies die Lebensdauer eines Ofens entscheidend beeinflussen. Da mit jedem Schmelzvorgang etwas Material verloren geht, muss dieses entsprechend ergänzt werden. Dies kann jedoch nicht permanent fortgesetzt werden, da der Ton, aus dem der Ofenschacht konstruiert ist, die starken Temperaturschwankungen, zwischen Stillstand (Umgebungstemperatur) und Vollbetrieb (ca. 1200­ max. 1400°C), nicht dauernd kompensieren kann. An der Basis befindet sich eine Öffnung zur Entnahme der Luppe, die vor Beginn der Ofenreise verschlossen werden muss. Der meistens runde bis ovale Querschnitt eines solchen Ofens betrug um die 50cm. Die Wandstärke der aus Ton aufgebauten Schächte betrug ca. 30cm an der Basis und 10cm bei der Gichtöffnung, deren Durchmesser mit ca. 30cm angeben werden kann. 1. 3. Die Erzvorbereitung ­ das Rösten Als Ausgangsmaterial stehen verschiedene Erze zur Verfügung, die sich jedoch entsprechend ihrer Zusammensetzung unterschiedlich zur Verhüttung eignen. Dies ist abhängig vom Fe­ Gehalt, von der begleitenden Gangart und der Reduzierbarkeit18 des Erzes. Es lässt sich zwischen oxidischen, hydroxidischen, sulfidischen und karbonatischen Erzen unterscheiden. Die beiden letztgenannten, sulfidische und karbonatische Erze, müssen jedoch zuerst durch ,,Rösten" in Oxide umgewandelt werden, währenddessen die oxidischen und hydroxidischen direkt dem Verhüttungsprozess unterzogen werden können. Name Formel Wüstit FeO Hämatit Fe2O3 Magnetit Fe3O4 16 Crew, Experimental production 24. 17 Keesmann, Kronz, Schlacken verschiedener Stufen der Eisentechnologie 157. 18 Lychatz, experimentelle Simulation 287. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 7 von 48 Goethit - FeOOH Limonit - FeOOH Pyrit FeS2 Markasit Fe11S12 Siderit FeCO3 Zusammensetzung der einsenhältigen Minerale. Das Rösten findet bei Temperaturen von 400­ 900°C in einem offenen Feuer (Röstbett) mit großzügigem Sauerstoffzutritt statt. Ziel des Röstens ist es, einerseits nicht oxidische Erze (Sulfide, Carbonate) in Oxide umzuwandeln, andererseits werden die Erzklumpen brüchig und können entsprechend zerkleinert werden. Auch werden in den Erzen vorhandene organische Substanzen verbrannt19 und die boden- oder luftfeuchten Erze ausreichend getrocknet. Mehrere Autoren experimentalarchäologischer Versuche geben an, dass in etwa nussgroße Erzstücke ideal für die Verhüttung seien. So beschreibt Radomir Pleiner20 das Rösten von Carbonaten durch folgende Formel: 2FeCO3 + O = Fe2O3 + 2CO2 Durch diese, dem eigentlichen Verhüttungsprozess vorgeschaltete Behandlung des Erzes, kann die Belastung der Ofenatmosphäre verringert werden, da der oben beschriebenen Vorgänge nicht erst im Rennofen während des Absinkens des Erzes im Ofenschacht stattfinden müssen. Weiters wird durch den Röstvorgang das Erz porös und es kann gepocht werden. Dadurch kann das zur Reduktion notwendige Kohlenmonoxid großflächiger angreifen. 1. 4. Der Verhüttungsprozess - Erzreduktion Verschiedene Modelle für die Temperaturverteilung im Rennofen beschreiben, dass sich diese ähnlich dem Aufbau einer Kerzenflamme im Ofengestell strukturiert (Abb. 17). Im Bereich der Düse können Temperaturen um 1400°C erreicht werden. Thorlander und Blomgren beschreiben, dass je nach Windbeaufschlagung und Brennmaterial auch höhere Temperaturen21 um ca. 1600°C möglich sind. In nur kurzer Entfernung von der Düsenöffnung fällt diese auf 1200 - 1300°C ab und sinkt weiter auf ca. 350° - 500°C bei der Gichtöffnung ab. 19 Espelund, Bog iron 44. 20 Pleiner, European Bloomery Smelters 107. 21 Thorlander, Blomgren, Classification of ancient slags 417, Fig. 3. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 8 von 48 Während der Verhüttung wird nun dem zugegebenen Eisenerz, einem Gemenge aus Eisenoxid und Gangart, durch Kohlenmonoxid aus der Verbrennung von Holzkohle der Sauerstoff22 entzogen. Diese Reduktion erfolgt durch den Abbau des Sauerstoffs eines Oxides durch ein sauerstoffaffineres Reduktionsmittel zur nächst niedrigeren Oxidationsstufe23 oder zum Element und folgt der Gleichung: MexOy + R = MexOy-1 +RO MexOy bezeichnet hierbei das Metalloxid und R das sauerstoffaffinere Element. Die Reduktion kann dabei nur erfolgen, wenn das Sauerstoffpotential des Metalloxides höher ist als das des Reduktionsmittels. Zuerst wird Hämatit (Fe2O3) zu Magnetit Fe3O4 nach unten stehender Formel24 reduziert: 3Fe2O3 + CO 2 Fe3O4 + CO2 Dies geschieht bereits bei Temperaturen um 570°C. Bei darüberliegenden Temperaturen erfolgt die Reduktion des Magnetits zu Wüstit (FeO) wie folgt: Fe2O3 + CO 2FeO + CO2 Erst wenn dieser Schritt erfolgt ist, kann mit dem weiteren Entzug des Sauerstoffs das Eisen selbst gewonnen werden: FeO + CO Fe + CO2 Diese Reduktion25 des Eisenoxids durch CO im Verbrennungsgas der Holzkohle wird als indirekte Reduktion bezeichnet und ist zwischen 400°C und 1000°C wirksam. Bei darüberliegenden Temperaturen findet die direkte Reduktion durch den Kohlenstoff der glühenden Holzkohle statt, bei der Eisen und CO entstehen: FeO + C Fe + CO und Fe3O4 + 4C Fe + 4CO 22 Schürmann, Reduktion des Eisens 1298. 23 Lychatz, experimentelle Simulation 288. 24 Ganzelewski, Archäometallurgische Untersuchungen 14. 25 Osann, Rennverfahren. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 9 von 48 Für den Rennfeuerprozess kann angenommen werden, dass hauptsächlich das indirekte Verfahren wirksam ist, welches allerdings durch höhere Temperaturen26 von 900­ 1000°C erheblich begünstigt wird. Sobald metallisches Eisen vorhanden ist, kann dies bei entsprechenden Bedingungen im Ofen bereits aufkohlen. Das in - Modifikation vorliegende Eisen beginnt bei Temperaturen um 900°C Kohlenstoff aus dem Gas zu absorbieren, sodass es zur Erhöhung des C- Gehalts kommt. Gleichzeitig setzt ab Temperaturen von 1100- 1200°C das Aufschmelzen der Gangart ein, die zusammen mit bereits ausreduziertem Wüstit27 die Schlackenphase Fayalit (Fe2SiO4) und damit die Primärschlacke bildet. Die Temperatur im Ofen steigt von oben nach unten an und erreicht den höchsten Wert vor und oberhalb der Luftzufuhr (1200- 1400°C). Nach der Darstellung von Ossann sind die Verbrennungsgase im Ofen sehr heterogen zusammengesetzt und verteilt. Der, in der durch die Düse eingeblasenen Luft, vorhandene Sauerstoff verbrennt mit dem Kohlenstoff der Holzkohle zunächst zu Kohlendioxid C+O2 CO2 Durch die Boudouard ­ Reaktion28 wird das Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid reduziert CO2 + C 2CO Beide Reaktionen brauchen eine gewisse Wegstrecke. Der Sauerstoff ist kurz nach dem Eintritt in den Ofen verbrannt und nach einer weiteren Wegstrecke ist das primär entstandene CO2 zu CO reduziert. In schwach mit Wind beaufschlagten Öfen reicht der Existenzbereich von CO2 nur wenige Zentimeter in den Ofen und wird mit dem Hauptgasstrom kurz hinter den Windöffnungen nach oben umgelenkt. Über dieser Verbrennungszone findet nun im Schacht die indirekte Reduktion der Erze statt, bei der sich aus Kohlenmonoxid und dem Sauerstoff der Eisenoxide ständig CO2 bildet. Je nach Ofentyp kann der CO- Gehalt des Ofengases selbst in oberen Schachtbereichen noch ausreichend für eine erste Reduktion der Erze sein. 26 Espelund, Metallurgisk ABC 51. 27 Pleiner, European Bloomery Smelters 135. 28 Die hier beschriebene Reaktionen stellen den idealen Ablauf der Erzreduktion dar, neuere Untersuchungen weisen eindeutig darauf hin, dass diese idealen Boudouard ­ Bedingungen in einem Rennofen nicht erreicht werden konnten. Vielmehr ist anzunehmen, dass die Reaktion: FeO + CO Fe + CO2 den Ablauf dominiert hat, solange genügend FeO vorhanden war: Kronz, Ancient Iron production compared to Medieval Techniques 560. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 10 von 48 Abb. 16: das Baur ­ Glässner Diagramm zeigt den Bereich, in dem Eisen aus dem Wüstit reduziert werden konnte, die gestrichelten Linien umfassen die T/ CO/ CO2 ­Zone, die in einem Rennöfen erreicht werden konnte. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 11 von 48 Abb. 17: Schematischer Ablauf der Verhüttungsprozesses, vor der Düse herrscht die höchste Temperatur, in diesem Bereich bildet sich die Luppe. Links wird der Bildungsvorgang der Eisenpartikel dargestellt. 1. 5. Ablauf des Rennprozesses Vor Beginn des Rennprozesses sollte der Ofen auf Betriebstemperatur gebracht werden, da ansonsten eine einigermaßen berechenbare Ofenreise nur schwer möglich ist. Abhängig von Baumaterial, Konstruktion und Wärmedämmungseigenschaften der Ofenwand kann dies verschieden lange Zeit in Anspruch nehmen. Ein nicht vorgeheizter Ofen entzieht dem Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 12 von 48 Brennraum Wärme (= Energie), die wiederum von der verbrennenden Holzkohle geliefert werden muss und somit nicht für die Reduktion der Oxide zur Verfügung steht. Dies führt anfänglich zu einer Senkung der Temperatur im Verbrennungsraum und verschlechtert die Effizienz29 der Eisenausbringung. Nach dem Vorheizen, das auch mit Holz erfolgen kann, wird der Ofen mit Holzkohle bis zur Gichtöffung gefüllt und nun schichtweise mit Erzstücken in entsprechender Größe und Gewicht beaufschlagt. Es werden immer abwechselnd eine Schicht Holzkohle und eine Schicht Erz gesetzt, wobei die Mengenverhältnisse entsprechend dem Ofentyp sehr unterschiedlich sein können. Aus praktischen Versuchen ist bekannt, dass in etwa ein Verhältnis von 1:1 gute Ergebnisse erbringt, ebenso sollte die Korngröße von Erz und Holzkohle ähnlich sein. Für seine Experimente zur Eisenverhüttung beschreibt Peter Crew30 , dass während des Vorheizens bereits Luft in den Ofen eingeblasen wurde Ab dem Setzen der ersten Charge wurde die Windmenge noch zusätzlich auf 200­ 300 Liter pro Minute erhöht. Die Größe der Holzkohlestücke betrug zwischen 10­ 50mm. Die Charge sinkt nun im Ofen nach unten, dabei wird das Erz nach oben beschriebenen Vorgängen schrittweise zu Eisen reduziert. Unterhalb der Düse(n) bilden die Eisenpartikel die Luppe. Dieses schwammige Gebilde stellt ein Gemenge aus Eisen, Schlacke, Holzkohle und Erzresten dar. Die entstehende Schlacke trennt sich je nach Ofentyp (Rennofen mit Abstichöffnung, Schlackengrubenofen) unterschiedlich von der Luppe. Nachdem die letzte Erzcharge gesetzt wurde muss der Ofen noch eine gewisse Zeit betrieben werden und weiterhin Holzkohle nachgefüllt werden, bis auch dieses Erz im Ofen abgesunken und zu Eisen reduziert wurde. Anschließend kann der Ofen geöffnet und die Luppe entnommen werden. Geschieht dies gleich nach Beendigung der Ofenreise, kann die noch glühende Luppe gleich zu einem kompakteren Eisenklumpen homogenisiert werden. Dieses Verfahren dient dazu, aus einem Metallstück mit heterogener Verteilung von Schlacken und Legierungselementen durch wiederholtes Ausschmieden zu einem Stab, mehrmaliges Falten und anschließendes Feuerschweißen eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Legierungselemente zu erreichen und dadurch eine gleichmäßige Verarbeitungs- und Gebrauchsqualität eines Werkstückes zu gewährleisten31 . 1. 6. Schlackenbildung im Ofen Die im Rennofen32 eingesetzten Erze bestehen nicht nur aus Eisenoxiden, sondern auch aus der Gangart. Dies sind weitere Bestandteile des Erzes (z. B. anhaftender und eingeschlossener Sand, Lehm etc.). Bei ansteigenden Temperaturen entsteht im Ofen aus Eisenoxiden und der Gangart eine 29 Crew, Experimental production 26. 30 Crew, Experimental production 22, 26; Crew, Salter, Comparative Data 16, 17. 31 Herdits, Schweißeisen 66, Abb. 12. 32 Ganzelewski, Archäometallurgische Untersuchungen 15. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 13 von 48 flüssige Eisensilikatschlacke, in der auch Bestandteile der Ofenwand33 miteingehen. Die Schlacke nimmt einen nicht unbeträchtlichen Teil des Eisens aus der Charge auf, der dadurch während des Rennprozesses nicht zu Metall reduziert werden kann. Mittels des durch die Schwerkraft bedingten Abfließens der Schlacke erfolgt die Trennung von Gangart und Eisen, das zur Luppe zusammensintert. Während der Verhüttung entsteht nun neben der Luppe als Abfallprodukt Schlacke. Dabei handelt es sich um ein Gemisch aus den Eisenoxiden, der Gangart, der aufgeschmolzenen Ofenwand und der Asche der Holzkohle. Einer der Hauptbestandteile der Schlacke stellt neben dem Wüstit (FeO) der Fayalit34 (Fe2O.SiO2) dar. Der Schmelzpunkt35 dieser Verbindung liegt mit 1205°C in einem Temperaturbereich, der im Rennofen erreicht werden kann. Dadurch können die ebenfalls aufschmelzenden Begleitstoffe vom Eisen abgetrennt und ausgebracht werden. Ein gravierender Nachteil ist jedoch der hohe Verlust an Eisen in der Schlacke, der ein niedriges Eisenausbringen zur Folge hat. 1. 7. Die Luppe Nachdem die Ofenreise beendete wurde, kann die Luppe aus dem Ofengestell entnommen werden. Beim Schlackengrubenofen muss hierfür der Ofenschacht zerstört werden, währenddessen beim Schlackenabstichofen die Ofenbrust eine Öffnung aufweist, die separat verschlossen sein kann. Diese Luppe ist noch immer stark mit Schlacke verunreinigt, ähnlich einem mit Wasser voll gesogenen Schwamm. Würden jetzt bereits Gegenstände daraus geschmiedet, wären diese von geringer Qualität und Haltbarkeit. Bevor die eigentliche Formgebung durch Schmieden erfolgt muss die Luppe den Ausheizprozess durchlaufen. Durch fortgesetztes Erhitzen und Hämmern bei Temperaturen zwischen 1000 ­ 1200°C wird die Schlacke aus der Luppe herausgepresst und tropft in die Esse ab. Da dies in einem Temperaturbereich passiert, in dem auch das Feuerschweißen stattfindet, wird gleichzeitig mit dem Verdichten auch einen Verschweißung des Material erreicht und dadurch die Qualität erhöht. Diese Tätigkeit wird als Ausheizvorgang36 bezeichnet. Währendessen entsteht neben Schlacke auch so genannter Hammerschlag, dieser kann in und um der Esse gefunden werden und kann laut Hauke Jöns37 als ,,sicherer Leitfund zur Lokalisierung von Schmiedearbeiten" gelten. Die daraus resultierende Schlacke kann der Schmiedeschlacke morphologisch und chemisch sehr ähnlich sein. 1. 8. Ausheiz- / Schmiedeesse In dem Schmiedeherd / esse wird aus den verschiedenen Ausgangsprodukten ­ Barren, Altmetall - 33 Kronz, Ancient Iron production compared to Medieval Techniques 558. 34 Ylaçin, Hauptmann, Archäometallurgie des Eisens 279. 35 Matthes, Mineralogie 115, Abb. 53. 36 Leineweber, Spätrömerzeitlicher Verhüttungsplatz 103; Wollschläger, Eisenverhüttungsplatz der spätrömischen Kaiserzeit 154. 37 Jöns, Frühe Eisengewinnung in Jodelund 133. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 14 von 48 das Endprodukt geschmiedet. Die Schmiedeschlacken, die nach Sperl38 einen positiven Abdruck der Esse darstellen, lassen erkennen, dass es sich meistens um eine halb kaltottenförmige Vertiefung handelt. Allgemein wird angenommen, dass die Schmiedeherde in den Boden eingetieft waren und das Schmiedefeuer mittels Blasebalg betrieben wurde. Zum Schutz des Blasebalges vor der in der Esse vorhanden Hitze konnte diese mit einem Essestein39 ausgestattet sein. Dieser konnte aus den verschiedensten Materialien gefertigt sein ­ wie Stein, Speckstein, Keramik etc. 1. 9. Die Schlacken - Nebenprodukte der Verhüttung Die bei hüttentechnischen Prozessen entstehenden Schlacken sind als absichtlich produzierte Nebenprodukte zu verstehen, deren Aufgabe es ist, unerwünschte Begleitelemente des Erzes vom entstehenden Metall zu trennen, sodass diese nicht in dieses Eindiffundieren und dessen Materialeigenschaften40 negativ beeinflussen können. Da die Schlacke nicht weiter verwendet wurde, blieb sie im Allgemeinen als Überrest in unmittelbarer Nähe des Verhüttungsplatzes zurück. Da es sich beim Hüttenprozess um einen in einem gewissen Rahmen gezielt geführten Prozess handelt, können diese ,,Abfallprodukte" zur Klärung und Beschreibung der grundlegenden Prozesstechniken und Prozessparameter verwendet werden. Das Schlackenmaterial lässt sich grundsätzlich in Fließschlacken und Schmiedeschlacken unterteilen. Als dritte Gruppe tritt hierzu eine Anzahl nicht klassifizierbarer Schlacken, die aufgrund dessen, dass sie in kleine Stücke zerbrochen sind, äußerlich keine Rückschlüsse auf ihre Entstehung im Rennofen oder Schmiedeofen zulassen. Fließschlacke Charakteristisch für diesen Schlackentyp ist die äußerlich deutlich erkennbare Fließstruktur41 . Sie kann aus Schmelztropfen oder lagenweise übereinander geflossenen Schmelzen bestehen. Während ihrer Entstehung war die Schlacke flüssig und hatte eine geringe Viskosität. Die verschiedenen Schlackenphasen sind in den meisten Fällen homogen verteilt. In der Bruchfläche lässt sich meistens ein glasartig dichtes Gefüge feststellen, in dem Gasblasen, Holzkohle, Erz oder Gangart eingeschlossen sein kann. Schmiedeschlacke Dieser Schlackentyp weist als Besonderheit oft Porenräume, Holzkohleneinschlüsse und Verwitterungserscheinungen42 durch sekundär gebildetes Eisenhydroxid an der Oberfläche auf. Sie kann stellenweise auch Fließstrukturen aufweisen. Wesentlicher Unterschied zur oben beschriebenen Fließschlacke ist, dass diese nicht während der Verhüttung entsteht, sondern als Abfallprodukt bei der Weiterverarbeitung der Luppe. 38 Sperl, Typologie urzeitlicher Schlacken 15. 39 Thomsen, Essestein und Ausheizschlacken 102, Abb. 2, diese Abbildung zeigt den Essestein von Snaptun, Dänemark. 40 So führt ein erhöhter Schwefelanteil im Eisen zur Rotbrüchigkeit, dadurch versprödetes es und ist nicht mehr verwendbar. 41 Jöns, Frühe Eisengewinnung in Jodelund 102. 42 Ganzelewski, Archäometallurgische Untersuchungen 44. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 15 von 48 Das als charakteristisch geltende Aussehen der Schmiedeschlacke zeigt in der Aufsicht einen rundlich bis ovalen Schlackenkuchen und die Seitenansicht lässt einen flach halbkugeligen Querschnitt erkennen. Die Schmiedeschlacke entsteht in der Esse beim Schmieden von Luppen, Barren oder Eisengegenständen. Sie stellt ein Gemenge aus dem beim Schmieden entstehenden Zunder, der Asche der Holzkohle, aus dem Eisen gepresste Verhüttungsschlacke und aufgeschmolzener Ofenwand dar. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 16 von 48 2. Schmiedetechnik Die Härte des Eisens43 wird vor allem durch den Kohlenstoffgehalt beeinflusst. Aus dem erwärmten Metall im Austenitzustand scheidet sich Kohlenstoff bei langsamem Kühlen als Zementit aus (Fe3C mit 6,67 % C) und zwar in Gestalt feiner Lamellen, die mit Ferrit alternieren. Dieses Gefüge trägt die Bezeichnung Perlit. Der Begriff Stahl bezieht sich in der heutigen festgesetzten Terminologie auf das gesamte technische Eisen. Bis in die zwanziger Jahre des 20. Jht. verstand man unter dem Wort Stahl härtbares Eisen mit mehr als 0,3- 0,35 % C. Die Kohlenstoffstähle -- und nur solche kommen für die Ur- und Frühgeschichte in Frage -- werden unterschiedlich unterteilt und klassifiziert. Stahl ist weniger plastisch als Eisen und das Erwärmen darf in die niedrigere Temperaturzone von etwa 1100- 1270° C knapp über die AC3-Kurve geführt werden, sonst könnte man einen Teil des Kohlenstoffes verbrennen, dies würde zur Entkohlung des Materials führen. Die Verarbeitungsart beeinflusst die Form und das Aussehen des Perlits. Höheres Erwärmen ohne Schmieden produziert grobe Perlitkörner und -lamellen, während einer beschleunigten Luftabkühlung bilden sich feinere Lamellen. Langsames Glühen unter der AC3-Kurve (600- 700° C) führt zur Sphäroidisierung von Zementitlamellen und zur Bildung globularen Perlits usw. Bei hohen Temperaturen und ungestörtem Luftzutritt wird der Kohlenstoff oxidiert und der Stahl entkohlt. 2. 1. Die Bearbeitung des kohlenstoffarmen Metalls Unter kohlenstoffarmem Material versteht man Renneisen mit ferritischem Gefüge, oft mit Perlitspuren unter den Perlitkörnern. Der Kohlenstoffgehalt erreicht höchstens 0,2 - 0,3 %. Dieses Metall ist verhältnismäßig weich, durch Abschrecken praktisch nicht härtbar und die aus diesem Material hergestellten Schneiden sind wenig wirksam und werden rasch stumpf. Der Kohlenstoff, falls anwesend und feststellbar, pflegt regelmäßig, öfters aber unregelmäßig in der ferritischer Matrix verteilt zu sein, was einer heterogenen Aufkohlung unmittelbar im Rennofen zuzuschreiben ist. Die Mikrohärte des überwiegenden Ferrits beträgt je nach der chemischen Zusammensetzung und mechanischer Bearbeitung 150 - 200 mHV/ 30g. Die Metalleigenschaften entsprechen also denen des Schweißeisens44 . Die nichtmetallischen Einschlüsse (gewöhnlich Schlacke) sind im Gefüge deutlich sichtbar, sie spiegeln gut die Reinheit des Metalls wieder und ihre Lage verrät manchmal -- wenn die mechanische Bearbeitung wenig intensiv war -- den Verlauf der Schweißnähte. Das Eisen schmiedet man im erwärmten Zustand oberhalb der sogenannten AC3- Kurve, d. h. im Allgemeinen oberhalb der Temperaturen 850--950° C, bei denen sich das Material in der sog. - Phase befindet und die plastische Struktur des Austenits aufweist. Aus dem erwärmten Werkstück kann der Schmied dem Erzeugnis durch Schmiedeverfahren wie z. B. Strecken, Breiten, Stauchen 43 Pleiner, Schmiedetechnik auf den keltischen Oppida 99-108. 44 Bei Schweißeisen handelt es sich nach heutigem Verständnis um ein Gemenge aus ziemlich reinem Eisen und Schlacken. Es ist sehr duktil und gegen Rost beständig. Des Weiteren lässt es sich ausgezeichnet schmieden und schweißen und wird deshalb hauptsächlich zu Kettengliedern verschmiedet und im Kunstschmiedehandwerk verwendet. In: Schumann, Metallographie 427, Bild 4.4. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 17 von 48 usw. die gewünschte Form verleihen. Je höher die Erwärmung, desto plastischer das Eisen. Es droht hier keine Kohlenstoffverbrennung, weshalb das Eisen auf höhere Temperaturen von ca. 1200--1300° C erwärmt werden kann. Dabei wird die Korngröße ungewünscht grob und das Stück muss wiederholt geschmiedet werden, bis die Temperatur wieder allmählich auf ca. 950° C sinkt. Dann wird das Ferritgefüge nach langsamer Abkühlung feinkörnig und zäh. Wird das Schmieden noch fortgesetzt, so entstehen in den Ferritkörnern parallele Neumannsche Linien. Das Kaltschmieden führt dann bis zur Deformation der Ferritkristallite und die Partie wird brüchig, aber auch härter. 2. 2. Homogenisieren Diese Verfahren dient dazu, aus einem Metallstück mit heterogener Kohlenstoffverteilung durch wiederholtes Ausschmieden zu einem Stab, mehrmaliges Falten und anschließendes Feuerschweißen eine gleichmäßige Verteilung der verschiedenen Legierungselemente zu erreichen und dadurch eine gleichmäßige Verarbeitungs- und Gebrauchsqualität eines Werkstückes zu gewährleisten45 . 2. 3. Zementation Mit Hilfe der Zementation ist es möglich, aus Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt unter 0.1% einen Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt herzustellen. Die Aufkohlung besteht in der Sättigung kohlenstoffarmen Eisens in plastischer austenitischer Phase (- Eisen, oberhalb der AC3 - Temperaturen 840--905° C) mit aktivem Kohlenstoff aus der Gasphase CO. 2CO CO2 + C 3Fe + 2CO Fe3C + CO2 Aus den Gleichungen geht hervor, dass das Kohlenmonoxid das Eindiffundieren des Kohlenstoffes in das erwärmte Eisen ermöglicht, wobei sich eine äußerst harte Eisen-Kohlenstoff-Legierung Fe3C (Eisenkarbid, Bestandteil des Perlitgefüges) bildet. Der Perlitanteil nimmt zu, die Oberfläche wird verstählt. Dieser Vorgang ist langdauernd. Es gibt zwar Methoden, die den Prozess beschleunigen, z. B. die Anwendung von stickstoffhaltigen Zusätzen, wie etwa verkohlte Leder- oder Hornteile u. dgl., aber auch dann dauert die Zementation stundenlang, besonders bei massiveren Eisenteilen. Eine Oberflächenschicht von 1 mm Dicke wird bei einer Temperatur um 1000° C während mehr als vier Stunden aufgekohlt. Bei der Aufkohlung von dünnen Blechen und Metallbändern verläuft der Prozess46 etwas schneller. Trotz alledem gilt diese Technik als zeitraubend. Ihr Vorteil besteht darin, dass bei nicht allzu hohen 45 Herdits, Schweißeisen 66, Abb. 12. 46 Vgl. Herdits, Schweißeisen 66; Abb. 15, Abb. 16. Der Autor beschreibt, dass das Aufkohlen eines Schweißeisenbandes, welches aus zuvor durchgeführten Experimenten zur Eisenerzverhüttung stammt, zusammengerollt wird und anschließend in einem dicht verschlossenen, mit Holzkohlestaub gefüllten Tongefäß für etwa 2 Stunden bei ca. 800- 900°C im offenen Holzfeuer geglüht wird. Das Stück war nach der Behandlung an den Oberflächen aufgekohlt, im Inneren verblieb ein weicher Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 18 von 48 Temperaturen der gesättigte Kohlenstoffgehalt von der Oberfläche allmählich abnimmt, sodass eine auf diese Weise hergestellte Klinge gute Verhältnisse von Härte, Brüchigkeit und Zähigkeit des Materials aufweist. Die Aufkohlung wird durch die chemische Zusammensetzung des Metalls beeinflusst. Mangan und Chrom sind vorteilhaft, dagegen verlangsamen Phosphor und Nickel die Kohlenstoffdiffusion und erfordern höhere Temperaturen. Bei den in der Ur- und Frühgeschichte verwendeten Kohlenstoffstählen ist die Wirkung der erwähnten Elemente, Phosphor ausgenommen, äußerst gering. Falls gelegentliches Überhitzen des Eisens während der Aufkohlung zur Entwicklung des Grobgefüges führt, kann es durch Glühen bei etwa 650°C wieder beseitigt werden. Das Schmieden der aufgekohlten Stelle verringert den oberflächlichen Kohlenstoffgehalt. Aus Eisen geschmiedete und danach zementierte Geräte weisen eine spezifische Anordnung des Kohlenstoffes auf, wobei der Gradient der Kohlenstoffkonzentration senkrecht zur Oberfläche des Objekts verläuft. Die Aufkohlung tritt deshalb an Stellen auf, die für die Funktion des Gegenstandes entscheidend sind (Gerätespitze oder Oberfläche, die der Abnutzung unterliegt)47 . 2. 4. Das Verschweißen aufgekohlter Eisenteile Das Aufkohlen von dickeren Schichten nimmt viel Zeit in Anspruch und die Verstählung ergreift bloß die Oberfläche. Die Gefahr der Abschleifung droht nach einer kurzen Benutzung. Einige dieser Nachteile können durch Flächenaufkohlung und Zusammenschweißen von dünneren Eisenbändern beseitigt werden. Stahlstrukturen kommen dann auch in der Mitte der Schneide vor. Unter den archäologischen Eisenfunden gibt es Klingen, deren geätzte Schliffe so ein kompliziertes Bild widerspiegeln. Die kohlenstoffreicheren Gefüge laufen in der Tiefe von einigen Millimetern oder bis in den Klingenrücken hineingreifend ein- oder mehrstreifig die Schliffachse entlang. Man beobachtet den allmählichen Übergang einer Seite dieser Zonen in die ferritisch - perlitische und ferritische Struktur, also ähnlich wie bei oberflächlicher Aufkohlung, die andere Seite pflegt von der kohlenstoffarmen Zone schärfer abgetrennt zu sein. Siese Grenze kann durch auffallende Ketten von Schlackeneinschlüssen deutlicher gemacht werden. In diesem Falle ist kaum eine andere Lösung anzunehmen, als das Verschweißen von den im Voraus aufgekohlten Elementen zu einem Ausgangsstück für das geplante Werkzeug. Das oben erwähnte Verfahren war bereits ziemlich anspruchsvoll. Der heutigen Praxis gemäß werden die Eisenteile bei höheren Temperaturen von ungefähr 1200--1300°C geschweißt, denn Kern. Der eindiffundierte Kohlenstoff verteilte sich nicht gleichmäßig, sondern wurde an den Gefügeschichtungen und Schlackeneinschlüssen verschiedenartig gebremst. Durch Verschweißen zweier solcher Bänder wurden Klingenrohlinge hergestellt. Der Anschliff entlang des Klingenrückens erweckte primär den Eindruck, als wären nicht zwei sondern insgesamt fünf Lagen ­ drei harte und zwei weiche- miteinander verschweißt worden. 47 Piaskowski, Untersuchungen an Eisengegenständen aus dem Gräberfeld von Környe 118. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 19 von 48 unter diesen Bedingungen wird das austenitische Metall genügend plastisch. Die Stähle, bei denen die Entkohlungsgefahr unter höheren Temperaturen droht, schweißt man dagegen nur bei etwas niedrigeren Temperaturen, also kaum den kritischen Temperaturbereich überschreitend. 2. 5. Das Härten Das technologische Verfahren, das durch rasches Abkühlen die Härte des erwärmten Kohlenstoffstahles bedeutend erhöht, wird Härten genannt. Die normale Perlitbildung dauert bei langsamem Abkühlen eine gewisse Zeit. Im Falle, dass dieses - Eisen äußerst schnell in kalten Mitteln abgekühlt wird, scheidet sich der Kohlenstoff in Form von Zementit nicht aus. Die Kohlenstoffatome bleiben in dem deformierten Kristallgitter und können nicht ausdiffundieren. Es entstehen winkelig angeordnete, linsenförmige Gebilde mit starken Innenspannungen. Im Anschliff sind Linsen als typische feinere oder gröbere Nädelchen zu beobachten, die den Namen Martensit tragen. Der erwähnte Prozess tritt bei solchen Stählen ein, die genügend kohlenstoffreich sind. Beim raschen Abkühlen des etwas überhitzten Eisens mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt scheidet sich Ferrit nicht nur am Rande der Austenitkörner, sondern auch im Korninneren aus. Daraus resultiert die nadelförmige Widmannstättenstruktur von etwas erhöhter Härte. Bei den Stählen von 0,2--0,3 % C entsteht bei gesteigerter Abkühlungsgeschwindigkeit der sogenannte Lattenmartensit, gleichfalls ein nadelförmiges Gebilde mit zwei- oder dreifacher Härteerhöhung, d. h. bis 400 mHV 30 g. Erst ab 0,3--0,35 % C sind die Kohlenstoffstähle wirklich härtbar, die Härte steigt bis um das Vierfache an (450--1000 mHV 30 g). Wenn man den Stahl vor dem Ablöschen auf hohe Temperaturen über der AC3- Kurve des Eisen- Kohlenstoff Schaubildes erwärmt, bekommt man einen grobnadeligen, sehr spröden Martensit. Das Abschrecken von Temperaturen nur leicht über dem genannten Limit führt zur Entwicklung martensitischen Gefüges mit feinen Nädelchen und viel besseren Materialeigenschaften. Die Abkühlung von untereutektoiden Stählen mit weniger als 0,8% C von niedrigeren Temperaturen unter der AC3- Kurve hat ein gemischtes ferritisch- martensitisches Gefüge mit ungewünschter Sprödigkeit zur Folge. Der Martensit wird härter, je mehr Kohlenstoff im bearbeiteten Stahl enthalten ist. Falls der Stahl fließend bei richtig gewählten Temperaturen, aber nicht so schnell wie im Wasser abgekühlt wird (Kaltwasser oder Säure warmem oder kaltem Öl gegenübergestellt), kann ein Teil oder der gesamte Kohlenstoff in feiner ferritisch- zementitischer Phase, also als Übergangsgefüge, auftreten. So können z. B. neben Martensit dunkle Flecke überfeinen Perlits beobachtet werden. Bei noch milderem Härten bildet dieses Gefüge eine einzige Struktur. Hält sich die sinkende Temperatur für eine gewisse Zeit in einem Bereich von etwa 600° C auf, entsteht ein anderes, als Bainit bezeichnetes Gefüge. 2. 6. Anlassen Das beim Härten entstehende Martensitgefüge ist sehr spröde und damit einhergehend besteht die Gefahr des Bruches. Um diese Gefahr zu mindern, kann man das Werkstück ,,anlassen", d. h. auf Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 20 von 48 Temperaturen zwischen 100°C ­ max. 723°C erwärmen. Dadurch wird durch Ausdiffundieren von Kohlenstoffatomen die hohe Verspannung des Martensits gemildert, die Sprödigkeit wird verringert ohne dass die Härte sich wesentlich verändert48 . Das harte martensitische Gefüge mit eingegliedertem Restaustenit ist metastabil, d. h. bei wiederholtem Erwärmen zerfallend. Dabei werden gleichzeitig die Innenspannungen weitgehend beseitigt. Bei einem mäßigen Erwärmen, etwa um 150° C, laufen bereits gewisse Änderungen im Kristallgitter ab. Der tetragonale Martensit wandelt sich in die grobnadelige Struktur des kubischen Martensits um, bei etwa 200° C zerfällt der Restaustenit und bei 300--600° C werden von neuem Übergangsgefüge mit Ferrit und Zementitdispersion gebildet. Die weniger angelassenen Stähle behalten die nadelige Anordnung auch nach dem Zerfall des Martensits, die mehr angelassenen zeichnen sich durch feiner oder gröber sphäroidisierten Zementit aus. Bei hohem Erwärmen auf rund 700° C entsteht schließlich wieder ein stabiles Perlitgefüge. Diesen Prozess begleiten wiederum sinkende Härte und Sprödigkeit. Durch das Erwärmen auf 200--300°C wird die Härte des Kohlenstoffstahles um etwa 10% verringert. Das Anlassen auf 400--600° C bedeutet schon 30--35% Verlust an Härte. In technologischer Praxis werden die so genannten Anlassfarben des erwärmten Metalls ausgenutzt: z. B. auf einem erwärmten Eisenerzeugnis beobachtet man je nach der Temperatur gelbliche, violette bis grünliche dünne Oxidschichten. Der Schmied ist imstande nach der Farbe die gewünschte Anlasstemperatur abzuschätzen49 . Generell gilt, je höher die Anlasstemperatur und oder je länger die Haltezeit, desto mehr nimmt die Härte des Martensits ab. 2. 7. Nitrieren Ähnlich dem Zementieren erfolgt beim Nitrieren eine Diffusionssättigung der Randschichten mit Stickstoff um Härte, Verschleißwiderstand und Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Die Oberfläche des Werkstückes muss vor dem Nitrieren von Zunder und anderen Oxiden gereinigt werden, da diese das Eindiffundieren verhindern können. Anschließend erhitzt man das Werkstück auf ca. 500- 600° C für 30 - 50 h. Durch die Sättigung der Randschichten des Metalls besitzt das Werkstück eine harte50 Oberfläche, es muss keine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Bei Nitrierung von Weicheisen oder unlegierten Stählen diffundiert der Stickstoff zwar in die Oberfläche ein, es kommt aber nicht zur Ausbildung einer Randschicht mit hoher Härte, da sich im Ferrit grobe Nitridnadeln bilden, die zu keiner genügend hohen Gitterverspannung führen. Die Härte in solchem Gefüge kann bis 160 HV betragen51 . 48 Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau E 34. 49 Pleiner, Schmiedetechnik auf den keltischen Oppida 107-108. 50 Schumann, Metallographie 538. 51 Schumann, Metallographie 539, Bild 4.248. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 21 von 48 3. Exkurs: Metallographie 1. Methode Für die metallograpische Interpretation ist es wichtig, daß vor der archäologischen Auswertung das Objekt selbst durch metallographische Parameter charakterisiert und eingestuft wird. Diese von Radomir Pleiner52 angeführten Eigenschaften sind: · der innere Aufbau des Gegenstandes, darunter versteht man das Erkennen von verschiedenen Metallgefügen, Schweißnähten und nichtmetallischen Partikeln im untersuchten Objekt · Verunreinigungen mit nichtmetallischen Einschlüssen in verschiedenen Zonen · die Härte der einzelnen Metalllagen · die chemische Zusammensetzung des Materials Solche Angaben erlauben nicht nur, die Konstruktion, also die Herstellungsgeschichte des Stückes mit Wahrscheinlichkeit zu rekonstruieren, sondern auch die Veränderungen nach der Beendigung des Herstellungsvorganges zu erkennen, z. B. Spuren von Abnutzung, Abschleifen, sekundäres Glühen, Entkohlung der Stahlpartien oder Wiederinstandsetzungen. Zur Unterscheidung zwischen Gegenständen, die aus unterschiedlichen Eisen- und Stahllagen zusammengeschweißt und aufgekohlt sind, und aus ungleichmäßig aufgekohlten Eisen geschmiedeten Objekten können die Proben mit einer Lösung nach Oberhoffer geätzt werden, wodurch man den unterschiedlichen Legierungsgehalt in verschiedenen Eisenlagen erkennen kann. Der Gehalt einer Beimischung wie z. b. Phosphor ist von der vorhandenen Menge in dem zur Verhüttung verwendeten Erz abhängig53 . Von Bedeutung für die metallurgische Interpretation ist des weiteren, daß der unterschiedliche Phosphorgehalt in Eisen- und Stahllagen die Diffusion des Kohlenstoffes von einer kohlenstoffreichen zu einer kohlenstoffarmen Lage in größerem Maße verhindern kann und dadurch Grenzen zwischen einzelnen Lagen54 deutlicher erkennbar sind55 . 52 Pleiner, Radomir; Zur Schmiedetechnik im römerzeitlichen Bayern, Bayrische Vorgeschichtsblätter 35, München 1970. S. 113-142. 53 Piaskowski, Jerzy; Metallkundliche Untersuchungen an Eisengegenständen aus dem Gräberfeld von Környe. In: Bona, I.; Dienes, I.; Gerevich, L.; e.a (Hg.), Acta Archaeologica Academiae Scientiarum Hungaricae 26, Budapest 1974. S.118. 54 Pleiner, Radomir; Zur Schmiedetechnik des großmährischen Reiches. Acta Archaeologica Carpathica 12,Krakau 1971. S. 120. 55 Der Diffusionskoeffizient des Phosphors im Eisen ist ca. hundertmal kleiner als der Diffusionskoeffizient für Kohlenstoff. Somit ist der Phosphor um ein vielfaches statischer, dies ermöglicht den Aufbau eines Objektes aus Metalllagen, die aus verschiedenen Lagerstätten stammen, festzustellen. Bei einer Temperatur von 1000°C beträgt der Diffusionskoiffizient für Phosphor Dp= 1,4 * 10-9 cm2 / sek während er für Kohlenstoff Dc= 2,0 * 10-7 cm2 / Sek beträgt. In: Piaskowski, Jerzy; Über die Kennzeichen der Zementation und des Schweissens an den frühmittelalterlichen eisernen Gegenständen (Diskussion mit R. Pleiner), Acta Archaeologica Carpathica 12, Krakau 1971. S. 156. Zur Frage von Phosphorseigerungen und den daraus resultierenden Gefügebilder vgl. die verschieden Argumentationsweisen von Pleiner und Piaskowski In: Pleiner, Radomir; Die Technologie des Schmiedes in der Großmährischen Kultur. Slovenska archaeologica 15/ 1, Bratislava 1967. S. 77-188. Piaskowski, Jerzy Technologie der Eisenherstellung im großmährischen Reich (Folgerungen aus den Forschungen R. Pleiner). Acta Archaeologica Carpathica 11, Krakau 1970. S. 111- 126. Pleiner, Radomir; Zur Schmiedetechnik des großmährischen Reiches. Acta Archaeologica Carpathica 12, Krakau 1971. S. 107- 125. Piaskowski, Jerzy; Über die Kennzeichen der Zementation und des Schweissens an den frühmittelalterlichen eisernen Gegenständen (Diskussion mit R. Pleiner). Acta Archaeologica Carpathica 12, Krakau 1971. S. 127- 159 Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 22 von 48 3. 1. 1. Röntgentechnische Untersuchung Die röntgentechnische Untersuchung dient als erster Schritt dazu festzustellen, ob und in welchem Ausmaß ein metallischer Kern bei einem Objekt vorhanden ist, da der äußere Zustand eines Fundstückes täuschen kann. Des Weiteren dient diese Methode dazu, Erkenntnisse über den Aufbau eines Objektes zu erhalten. So zeigt Herbert Westphal mittels röntgentechnischer Untersuchung die Möglichkeiten auf, zwischen Torsionsdamast als Furnier und Bahnen aus massivem Torsionsdamast zu unterscheiden56 . Auch kann mittels Röntgenbild ein mehrteiliger Aufbau eines Objektes erkennbar und Besonderheiten im Aufbau sichtbar gemacht werden57 . Ein Nachteil dieser Methode ist jedoch, daß i. a. nur zweidimensionale Aufnahmen gemacht werden können, so daß z. B. eine Unterscheidung zwischen funiertem Torsionsdamast und massivem Volldamast mit gleicher Torsionsrichtung nur sehr selten möglich ist, da beide Damastarten im Röntgen das gleiche Bild ergeben58 . Eine mögliche Alternative hierzu stellt die Computertomographie dar, mit deren Hilfe dreidimensionale Bilder erzeugt werden können59 , jedoch ist diese Methode noch zu wenig ausgereift, als daß sie die Untersuchung mittels Röntgen ersetzen könnte. Bei der Betrachtung eines Röntgenbildes ist darauf zu achten, ob das ganze Objekt durchziehende Linien zu erkennen sind, diese können einerseits auf eine Schweißnaht60 , anderseits aber auch auf während des Homogenisierungsprozesses schlecht miteinander verschweißte Eisenlagen61 hinweisen. Diese Schweißfehler sind dann, da sie zumeist mit Schlacke gefüllt sind, im Röntgenbild zu erkennen. Es muß jedoch bei der Interpretation des Röntgenbildes auch immer der allgemeine Erhaltungszustand und die Lage der erkennbaren Linien bedacht werden, da dies ebenfalls zur richtigen Deutung beiträgt. An Objekten, die gewissen historischen Wert haben, so dass keine Proben für eine metallographische Analyse entnommen werden dürfen, kann neben der Untersuchung mittels Röntgen die Magnetstreuflussprüfung62 durchgeführt werden. Bei dieser Untersuchungsmethode, die in der Industrie zur Oberflächenfehlerprüfung an ferromagnetischen Werkstoffen eingesetzt wird, wird das zu 56 Westphal, Herbert; Untersuchungen an Saxklingen des sächsischen Stammesgebietes, Schmiedetechnik, Dekoration. Studien zur Sachsenforschung 7, 1991. S. 310, Textfig. 3. 57 Westphal, Herbert; Besondere Schweißtechniken an 2 Saxklingen des 7. Jahrhunderts von Lembeck (Stadt Dorsten). Ausgrabungen und Funde in Westphalen- Lippe 2, 1984. S. 283. 58 Westphal, Herbert; Untersuchungen an Saxklingen des sächsischen Stammesgebietes, Schmiedetechnik, Dekoration. Studien zur Sachsenforschung 7, 1991. S. 310, Textfig. 3. 59 Einen Einblick in die Möglichkeiten der Computertomographie geben: Beyer, Born, and Weber; Tomographiedaten von tauschierten Eisenfunden. Acta Praehistorica et Archaeologica 30, Berlin 1998. S. 256. Vigneron, A.; Möglichkeiten der Typologisierung von damastzierten Schwertern mit Hilfe moderner computertomographischer Verfahren. In: Arbeitsgemeinschaft für Restauratoren, RGZM (Hg.) Arbeitsblätter für Restauratoren 32/ 2, 1999. S. 305. Segebade, C.; Bemerkungen zum europäischen Damaszener Stahl. Arbeitsblätter für Restauratoren 1997. Heft 1, Gr. 19, S. 149-159. 60 Gemeint ist hiermit die Berührungsfläche zweier unterschiedliche Eisen oder Stahlstäbe, die mittels Feuerschweißen miteinander verbunden sind. 61 Beschreibung eines Homogenisierungsprozesses bei: Herdits, Hannes; Technotypologische Betrachtungen und experimentalarchäologische Untersuchungen zu den frühmittelalterlichen Rennöfen von Unterpullendorf. In: Kaus, K. (Hg.), Burgenländische Heimatblätter 60/ 2, Eisenstadt 1998. S. 73- 76. Es wird beschrieben, daß nachdem die Luppe zu einem rechteckigen Quader geschmiedet wurde, diese in diesem Verarbeitungsstadium noch immer schwer schmiedbar ist, da durch grobe Inhomogenitäten in der Kohlenstoffverteilung bei einer Wärmebehandlung (härten, anlassen) immer wieder Risse entstanden. Ebenso führte das Aufplatzen grober Schlackeneinschlüsse zur Zerstörung der Werkstückoberfläche. Erst durch ein weiteres Schmieden der Luppe zu einem Flachstab (vgl. Herdits 1998 S. 74, Abb. 6) und Faltung zu einem Paket sowie der anschließenden Feuerschweißung konnte eine akzeptable Qualität des Schmiedeeisens erzielt werden. 62 Thoma, Christian; Zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden In: Pothmann, Alfred (Hg.) Das Zeremonialschwert der Essener Domschatzkammer. Quellen und Studien Veröffentlichungen des Instituts für kirchengeschichtliche Forschung des Bistums Essen 4, Münster 1995. S. 24- 25; S. 69, Abb. 27. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 23 von 48 prüfende Werkstück durch Magnete, Spulen oder Stromdurchflutung möglichst gleichmäßig magnetisiert. Im Bereich vom Materialtrennungen (z. B. schlecht ausgeführten Schweißnähten, Anm. d. Verfassers) kommt es zur Umlenkung der magnetischen Feldlinien63 , die an der Oberfläche austreten. Man kann diesen an der Oberfläche austretenden Streufluß durch magnetisierbares Pulver, das sind Eisenpulver oder Pulver aus Eisenoxiden, sichtbar machen. Das Pulver sammelt sich entlang eines Risses in Raupen an. Zur Erhöhung des Kontrastes benutzt man fluoreszierende Magnetpulver und betrachtet die Oberfläche im ultravioletten Licht. 3. 1. 2. Probenentnahme Zu Beginn der Arbeit werden sämtliche Objekte, die untersucht werden sollen, geröntgt, um den Erhaltungszustand zu ermitteln64 und einen ersten Einblick in den Aufbau des Objektes zu erhalten. Nach diesem ersten Untersuchungsschritt werden die Probenentnahmestellen festgelegt, die für den Aufbau eines Objektes repräsentativ sein sollen65 ; wichtig ist, daß die Schliffläche parallel oder orthogonal zur Richtung der technologischen Bearbeitung (plastische Verformung, Aufkohlung, Zusammenschweißen von Eisen und Stahl) gelegen ist66 . Anschließend werden die Probenentnahmestellen, falls notwendig, mittels Sandstrahlgerät freigestrahlt, um eine Eindruck der Oberfläche, die aus dem Aufbau des Objekts resultiert67 , zu bekommen. Die Entnahme der Proben68 erfolgt mittels Kappsäge unter ständiger Wasserkühlung mit mehrmaligen Pausen, um die beim Schneiden entstehende Wärme sofort abzuführen und damit Veränderungen im Gefüge, etwa durch ungewolltes Anlassen zu vermeiden69 . Die Größe und Lage der Proben werden jeweils so gewählt, daß der Materialzusammenhalt des Fundstückes gewährleistet ist. Dies geschieht dadurch, daß das Fundstück nicht komplett durchtrennt wird, sondern jeweils nur bis knapp über die gedachte Mitte des Objekts geschnitten wird. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß, wenn möglich, die Probenentnahmestellen nicht allzu weit auseinander liegen, sodass bei der späteren Auswertung noch ein Zusammenhang zwischen den zusammengehörenden, im metallographischen Anschliff sichtbaren, Stahl- und Eisenlagen hergestellt werden kann. 63 Diese Untersuchung wurde an dem Zeremonialschwert der Essener Domschatzkammer durchgeführt, dadurch konnte der komplizierte Aufbau der Verzierung des Schwertes nachgewiesen werden. Westphal, Herbert; Die Untersuchung und Restaurierung des Essener Schwertes In: Pothmann, Alfred (Hg.), Das Zerimonialschwert der Essener Domschatzkammer, Quellen und Studien Veröffentlichungen des Instituts für kirchengeschichtliche Forschung des Bistums Essen 4, Münster 1995. S. 33-77. 64 Objekte, die oberflächlich noch intakt wirken, können bereits völlig durchkorrodiert sein und keine metallischen Bereiche mehr enthalten. Dadurch können keine metallographischen Aussagen bezüglich des Aufbaues gemacht werden. 65 Die Auswahl der Probenentnahmenstellen erfolgte nach den Regeln der modernen Metallographie; beispielgebend hierzu: Schumann, Hermann; Metallographie, 13. Auflage, Stuttgart 1990, S. 77- 80; Scott Davis; Metallography, Singapore 1991; Scott B. G.; Early Irish Ironworking, Belfast 1990. 66 Piaskowski, J.; Metallkundliche Untersuchungen an Eisengegenständen aus dem Gräberfeld von Környe. In: Bona, I.; Dienes, I.; Gerevich, L.; e.a (Hg.), Acta Archaeologica Academiae Scientiarum Hungaricae 26, Budapest 1974. S. 118. 67 so wird kohlenstoffhältiger Stahl und Eisen von der Korrosion verschieden angegriffen; dadurch kann nach Entfernung der Korrosion der mehrlagige Aufbau einer Klinge erkennenbar sein In: Westphal, Herbert; Besondere Schweißtechniken an 2 Saxklingen des 7. Jahrhunderts von Lembeck (Stadt Dorsten). Ausgrabungen und Funde in Westphalen- Lippe 2, 1984. S. 283. 68 Die Probeentnahme wurde durch 69 Dieser Arbeitschritt dient dazu, um mit Sicherheit gewährleisten zu können, daß sich der Zustand des Gefüges nicht verändert, obwohl Gefügeveränderungen bei den durch die Wasserkühlung sehr niedrigen Temperaturen wohl erst nach Stunden eintreten würden. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 24 von 48 Dies soll einerseits durch die bereits während der Probenentnahme durchgeführten Dokumentation und andererseits durch im Anschliff erkennbare Charakteristika gewährleistet werden. 3. 1. 3. Schliffherstellung Als nächster Schritt werden die Proben in Epoxidharzgießlinge70 eingebettet und mittels Schleifpapier der Körnung 180, 600, 1200 geschliffen. Die Feinpolitur erfolgt mit 3 m Diamantsuspension71 , 1m Diamantsuspension und 0,3 m Tonerde. Beim Schleifen ist es wichtig, eine entsprechende ideale Abstimmung der Körnungen zueinander zu finden, da zu viele Zwischenschritte beim Schleifen und Polieren72 zur Reliefbildung am Schliff beitragen; durch die damit einhergehende Bombierung des Schliffes ist eine photographische Aufnahme des Schliffes bei hohen Vergrößerungen (500- 1000 fach) nicht mehr möglich, da das Mikroskop bei diesen Vergrößerungen nur eine sehr geringe Tiefenschärfe hat73 . 3. 1. 4. Ätzung Die Entwicklung des Primärgefüges erfolgt mit einer Lösung nach Oberhoffer74 , des Sekundärgefüges mit alkoholischer Salpetersäure (Nital) im Tauchätzverfahren. Die Schliffe wurden mit Methylalkohol gespült. Die Ätzung der Schliffe sowohl mit Nital wie auch nach Oberhoffer erfordert einerseits ein gutes Fingerspitzengefühl75 bei der Handhabung andererseits ist es für eine perfekte Ätzung auch wichtig, möglichst viel Vorinformationen76 in die Wahl des Ätzmittels einfließen zu lassen. So können z. B. diverse Pestizide, wie sie in der modernen Landwirtschaft verwendet werden, das Verhalten des Metalls beim Ätzen negativ beeinflussen. 70 Zwei Komponenten- Harz, Aushärtung innerhalb von 24 h ohne Hitze und Druckentwicklung 71 Dabei handelt es sich um monokristalline auf Wasserbasis gemischte Suspensionen 72 Zur Herstellung von metallographischen Anschliffen. Vgl.: Schumann, Hermann; Metallographie, 13. Auflage, Stuttgart 1990 S. 80-94. 73 So beträgt die Schärfentiefe bei 1000facher Vergrößerung lediglich 0,01 m. Bargel, Hans Jürgen; Schulze, Günter Werkstoffkunde, 7. Auflage, Berlin 2000, S. 131. 74 Zur Zusammensetzung der verschiedenen Ätzmittel. vgl.: Schrader, Angelica; Ätzheft zur Schliffherstellung und Gefügeentwicklung für die Metallographie, 4. Auflage, Berlin 1957, S. 14. Schrader, Angelica; Rose, A.; Gefüge der Stähle. De Ferri Metallographia II/ Neuauflage, Düsseldorf 1989. 75 Die Dauer der Ätzung mit Nital kann manchmal nur 1-2 Sekunden betragen, ein längeres Verbleiben des Schliffes in der Flüssigkeit würde zur Überätzung führen. Dadurch könnten keine Aussagen mehr über das Gefüge gemacht werden. 76 Gerwin, Werner; Die Korrosion archäologischer Eisenfunde im Boden ­ Zusammenhänge mit Bodeneigenschaften. Arbeitsblätter für Restauratoren 1/ 99 Gruppe 19, 32. Jahrgang. S.173- 182. Ebenfalls in Betracht zu ziehen sind diverse Konservierungsmittel und ihre Kompatibilität mit Polier- und Ätzmitteln. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 25 von 48 3. 1. 5. Auswertungsverfahren Die technotypologische Auswertung bedient sich der Methoden der klassischen Metallographie und Erzmikroskopie, erweitert durch die Beschreibung typischer Merkmale der Verarbeitung archäologischer Metalle, wie sie in der modernen Materialkunde nicht vorkommen. Die Korngrößen wurden nach DIN 50601, die Schlacken nach DIN 50 602 bestimmt. Die Proben wurden an einem Auflichtmikroskops der Firma Leitz, einem Leitz Metallux 3 (50-, 100-, 200-, 500- und 1000- fache Vergrößerung) im ungeätzten und geätzten Zustand beurteilt und mittels digitalem Bildbearbeitungsprogramm Analysis 3.0 ausgewertet. Der Tafelteil wurde mittels Corel Photo Paint 8.077 und Corel Draw 8.0 erstellt. 3. 1. 5. 1. Gefügeanalyse Definition der Begriffe: Ein Korn78 ist ein einzelner räumlich ausgedehnter Kristallit innerhalb eines metallischen Werkstoffes mit einheitlich ausgerichtetem Gitter79 . Körner mit Zwillingsstreifen, Unterstrukturen (Kleinwinkelkorngrenzen), Ausscheidungen oder Einschlüssen werden zum einheitlich ausgerichteten Korn zugehörig betrachtet. Ein Korn besteht aus den Phasen Austenit oder Ferrit. In Stählen mit einer - Umwandlung kann die vor der Umwandlung vorhandenen Korngröße des Austenits nur indirekt ermittelt werden. Beim Perlit wird ein Bereich gleicher Lamellenausrichtung als Kolonie bezeichnet. Eine solche Kolonie kann als ein Korn betrachtet werden, wenn nichts anderes vereinbart wurde. In der Schnittebene des geätzten metallographischen Schliffes erscheinen die einzelnen Körner als Flächen, die sich durch ausgeprägte Korngrenzen gegen die anders gerichteten Nachbarkörner abheben. In einem Eisen- und Stahlwerkstoff sind Gestalt und Volumen der Körner nie gleich. Selbst bei Gleichheit erscheint in der Schnittebene ein Gemenge verschieden großer Schnittflächen, weil z. B. bei kugeliger Form nur einzelne Körner mittig, andere an anderer Stelle, geschnitten werden. 3. 1. 5. 2. Korngrößenmessung Korngröße: Die Korngröße ist ein Kennwert für die Schnittfläche der in der metallographischen Schliffebene geschnittenen Körner. Die Korngröße wird beeinflusst durch Umformungs- und Wärmebehandlungsprozesse. Zur Kennzeichnung ihrer Größe können sie mit einer Serie von 77 Die Anschliffe und Überblicksaufnahmen wurden von Marianne Mödlinger, Karolin Kastowsy und Mathias Mehofer erstellt, die Tafeln wurden von Mathias Mehofer erstellt. 78 Die Definitionen wurden aus DIN 50 601 (ISO 643 ­ 1983) Metallographische Prüfverfahren Ermittlung der Ferrit- oder Austenitkorngröße von Stahl und Eisenwerkstoffen In: DIN Deutsches Institut für Normung (Hg.) DIN Taschenbuch 218 Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe 2. Auflage Berlin- Köln 1989 entnommen 79 Der Verfasser möchte darauf hinweisen, daß diese Definitionen für Eisen und Stahlwerkstoffen gelten, die mitttels indirektem Redukionsverfahren erzeugt wurden, während die hier untersuchten Stählen mittels direktem Erz ­ Reduktionsverfahren hergestellt wurden; dadurch können einige Definitionen nur eingeschränkt übernommen werden. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 26 von 48 Vergleichsbildern verglichen werden oder es wird ihr mittlerer Durchmesser, z. b. nach dem Linienschnitt- Verfahren innerhalb einer Meßstrecke ermittelt. Verfahrensarten Für die Ermittlung der Korngröße können die folgenden vier Verfahren80 angewandt werden: Verfahren 1 Bestimmung der Korngrößen-Kennzahl G durch Vergleich mit den Gefügebildern der Bildreihentafel. Verfahren 2 Bestimmung der Korngröße als mittleres Linienschnittsegment L nach einem Linienschnitt-Verfahren. Verfahren 3 Angabe der von einer Meßstrecke geschnittenen Anzahl von Körnern nach Snyder und Graff81 . Verfahren 4 Zählung der Körner in einem Kreis und Angabe der sich aus der mittleren Kornfläche ergebenden Korngrößen-Kennzahl C. Durchführung Verfahren 1 Vergleich mit der Bildreihentafel Es müssen mindestens 20 Blickfelder regelloser Anordnung oder einer in einem Rasternetz liegenden Anordnung der Auswertung zugrunde liegen. Man vergleicht das Gefüge im Okular, auf der Mattscheibe oder auf einer photographischen Aufnahme mit den Gefügebildern der Bildreihentafel nach Bild 1. Diese Gefügebilder im Abbildungsmaßstab 100 :1 sind mit(römisch) I bis VIII so nummeriert, daß ihre Nummer gleich der Korngrößen-Kennzahl G (arabisch) 1 bis 8 ist. Man bestimmt dasjenige Bild der Reihe, dessen Korngröße derjenigen des jeweiligen Blickfeldes am nächsten kommt. Bei Korngrößen größer als Kennziffer 8 muss bei einer Vergrößerung größer als 100: 1 gemessen werden. Es ist darauf zu achten, daß in dem jeweiligen Blickfeld der mittlere Korndurchmesser nicht kleiner erscheint als im Bild VIII dargestellt. Bei der Bestimmung der Korngrößen-Kennzahl durch Vergleich mit Bildreihen erreicht man selten eine Genauigkeit, die besser ist als ein ganzer Zahlenschritt der Kennzahlenreihe. Die Korngrößen- Kennzahl wird daher als eine ganze Zahl angegeben. Im einzelnen Blickfeld bleiben bis max. 30% Flächenanteil einer vom Mittelwert des Vergleichsbildes abweichenden Korngröße unberücksichtigt. Wenn jedoch bei mehr als 15 % aller auszuwertenden Blickfelder Anteile mit abweichenden Korngrößen-Kennzahlen vorkommen, werden diese ebenfalls vermerkt. In einem solchen Fall ist die Mindestzahl der auszuwertenden Blickfelder (20) mindestens zu verdoppeln. Mit dieser Grenzregelung 80 Bei der Anwendung dieser Verfahren muß man bedenken, daß sie für Stähle entwickelt wurden, die mittels modernen Verhüttungsprozessen gewonnen wurden, d. h. die sich im allgemeinen noch im Ausgangszustand befinden; bei den untersuchten Stählen handelt es sich jedoch einerseits um direkt erzeugtes Eisen und Stahl, das, bis es seinen Endzustand erreicht hat, bereits viele Umformungvorgänge hinter sich hat. So kann nach der Entnahme der Luppe aus dem Rennofen unterschiedlich homogenisiert werden. Nur um zwei Möglichkeiten zu nennen: als erste Möglichkeit direktes Dichtschmieden nach der Entnahme aus dem Verhüttungsofen. Als zweite Möglichkeit: die Entnahme aus dem Verhüttungsofen, anschließendes Ausheizen, während dieses Vorganges wird die Luppe im Ausgangszustand nochmals auf ca. 1000°C erhitzt, sodaß die bei dieser Temperatur flüssige Schlacke abfließen kann und anschließendes Dichtschmieden. Durch diese beiden Verfahren kann der Schlackengehalt und damit die Qualität des Materials beeinflußt werden. Auch der endgültige Verwendungszweck kann entscheidenden Einfluß auf die Qualität des Werkstückes haben, Ein weiterer auschlaggebender Faktor ist das Können des Schmiedes und seine Kenntnis über das Materialverhaltens bei gewissen Temperaturen. 81 Die Verfahren 2, 3 und 4 werden der Vollständigkeit halber genannt, sie fanden jedoch bei der vorliegenden Untersuchung keine Anwendung. Eine vollständige Beschreibung befindet sich im Anhang vgl. DIN 50601 Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 27 von 48 für die Vernachlässigung einzeln auftretender Flecken mit abweichenden Korngrößen kann deren Flächeninhalt maximal etwa 5% der gesamten ausgewerteten Fläche erreichen (im Maximalfall 0.3 X 0,15= 0,045 oder 4.5% Flächenanteil)82 . 3. 1. 5. 3. Härtemessung Die Härteprüfverfahren, die in der Metallographie angewandt werden, können als Eindringverfahren bezeichnet werden, bei denen der Eindringwiderstand definierter Körper (Kugel, Pyramide, Kegel) in eine Werkstoffoberfläche bestimmt wird. Je nach Prüfverfahren wird der Eindringwiderstand entweder als Verhältnis der Prüfkraft zur Oberfläche des Eindruckes (Brinellhärte, Vickershärte) oder als bleibende Eindringtiefe eines Eindringkörpers bestimmt (Rockwellhärte) 83 . Die Härtemessungen wurden an einem Vickers- Kleinkrafthärteprüfer durchgeführt. Als Vergleichsproben dienten Originale und experimentelle Stücke aus der Vergleichssammlung des Vienna Institute for Archaeological Science der Universität Wien. 82 Nach dem Linienschnittverfahren würde der Anteil von 5% das Ergebnis kaum beeinflussen. 83 Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau. 17. Auflage. In: Beitz, Wolfgang; Küttner, Karl- Heinz (Hg.); Berlin 1990, Kapitel E 23. Bei der Härtemessung nach Vickers wird die Härte aus dem Quotienten von Prüfkraft und Oberfläche des bleibenden Pyramideneindrucks errechnet. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 28 von 48 3. Begriffsdefinition 3. 1. Metallographie Ferrit Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von max. 0.02 %, - Eisen (von lat. Ferrum = Eisen). feinkörniger Ferrit Schlackenzeile grobkörniger Ferrit Zementit Das Eisencarbid Fe3C enthält 6,67 % Kohlenstoff und wird als Zementit bezeichnet. Der Zementit ist außerordentlich hart (HV= 800) und weist eine geringere Dichte als Eisen auf. Ferrit Korngrenzenzementit Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 29 von 48 Perlit Die von H. C. Sorby (englischer Naturforscher 1826- 1908) eingeführte Bezeichnung Perlit definiert eine lamellare Anordnung von Ferrit und Zementit. Perlit soll an die Streifen der Schale einer Perlmuschel erinnern. Im Perlit sind die beiden Phasen - Eisens (Ferrit) und Fe3C (Eisencarbid) in Platten miteinander verwachsen. Zementitlamellen Perlit Ferrit Widmannstätten Gefüge Nach A. Beck von Widmannstätten: Österreich. Naturforscher 1753- 1849. Kennzeichnend für Ferrit in Widmannstättenscher Anordnung ist perlitisches Gefüge mit Ferrit in fischgrätähnlichen Ausbildungen an einer Austenitkorngrenze sowie die Winkel von 60- 120 Grad zwischen den einzelnen Ferritkörnern, die Nadel- bis Plattenform haben können. Perlit Ferrit Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 30 von 48 Austenit Ausgangszustand ist Ferrit, der lediglich einige 1/100 % Kohlenstoff lösen kann und Zementit mit einem Massengehalt von ca. 6,67% C. Der im Eisen enthaltene Zementit geht bei Temperaturen ab 723°C in Lösung und diffundiert in den Austenitkristall ein. Durch das Austenitisieren wird ein austenitischer Mischkristall angestrebt, aus dem während der anschließenden Abkühlung die gewünschten Gefüge entstehen sollen. Der Temperaturbereich in dem ein austenitischer Mischkristall gebildet wird, ist für jeden Stahl aufgrund seines spezifischen Kohlenstoffgehaltes verschieden. Für einen Stahl mit 0.8 % Kohlenstoff liegt dieser Temperaturbereich zwischen 723°C und 1392°C. Martensit Nach A. v. Martens deutscher Werkstoffkundler 1850- 1914. Während der schnellen Abkühlung eines austenitischen Mischkristalls84 , z. B. von 1000°C auf Raumtemperatur entsteht Martensit. Das Gefüge ist ein - Eisen das im Gegensatz zum Ferrit oder Perlit ohne Diffusion des Kohlenstoffs aus dem Austenit entsteht. Bei der Umwandlung verschieben sich die Atome relativ zueinander um ein wenig mehr als den Gitterabstand. Der gesamte Kohlenstoff bleibt in Lösung. In kohlenstoffarmen Stählen besteht der Martensit als Lanzettmartensit, mit zunehmendem Kohlenstoffgehalt beginnt sich Plattenmartensit auszubilden. Die Endhärte des martensitischen Gefüges ist nur abhängig vom Kohlenstoffgehalt des martensitischen Mischkristalls und damit des Austenites aus dem er entsteht. Die hohe Härte des Martensits beruht auf der, gegenüber dem - Gitter (austenitische Phase) geringen Lösungsfähigkeit des - Gitters des Eisens für Kohlenstoffatome. Die bei Härtetemperatur gelösten C- Atome können bei schneller Abkühlung nicht aus dem sich umwandelnden - Mischkristall ausdiffundieren und führen, da sie zwangsgelöst bleiben, zu einer Verspannung des entstehenden Mischkristalls, die sich in hoher Härte äußert85 . Martensit 84 Die Definitionen von Perlit, Bainit und Widmannstättengefüge wurden entnommen: Hougardy, Hans Paul; Umwandlung und Gefüge unlegierter Stähle, 2. neubearbeitete Auflage, Düsseldorf S. 65. Die Definitionen von Ferrit, Zementit und Martensit wurden aus Schumann, Hermann; Metallographie, 13. Auflage, Stuttgart 1990. S. 426, 326, 489 entnommen. 85 Dubbel Taschenbuch für den Maschinenbau, 17. Auflage. In: Beitz, Wolfgang; Küttner, Karl- Heinz (Hg.), Berlin 1990 E 32. Lehrveranstaltung Experimentelle Archäologie 2006 - Eisenverarbeitung Seite 31 von 48 Bainit Bei einer Umwandlung (Abkühlung) im mittleren Temperaturbereich entsteht das Gefüge Bainit (nach E. C. Bain, amerikanischer Werkstoffkundler der dieses, auch Zwischenstufengefüge genannte Gefüge als erster erkannte). Bei seiner Bildung diffundiert zwar noch Kohlenstoff, die Eisenatome sowie die Atome der Legierungselemente jedoch nicht mehr. Die Umwandlung läuft teilweise diffusionslos ab. Bei hohen Temperaturen gebildeter Bainit ähnelt eher dem Perlit, bei niedrigen ­ Temperaturen eher dem Martensit. Bainit entsteht sowohl durch diffusionsgesteuerte Prozesse als auch durch diffusionslose Vorgänge einer Umwandlung durch Umklappen des Gitters des - Eisens in das des - Eisens. Primärgefüge Das Primärgefüge ist gekennzeichnet durch die Phosphorseigerung und ist entwickelbar durch das Ätzmittel nach Oberhoffer86 . Sekundärgefüge Das Sekundärgefüge besteht aus Ferrit, Perlit, Zementit87 . Neumannsche Bänder Sie entstehen in schlagartig bei niederen Temperaturen umgeformtem - Eisen. Es handelt sich dabei um Zwillingslamellen. Unter der Wirkung von Schubspannungen klappt ein Kristallteil längs einer Zwillingsebene spiegelsymetrisch zu dem restlichen Kristall um. Dieser umgeklappte Kristallteil wird dann als Zwilling oder Zwillingslamelle bezeichnet.88 Ferrit Neumannbänder 86 Schumann, Hermann; Metallographie, 13. Auflage, Stuttgart 1990, S. 454 87 Schumann, Hermann; Metallographie, 13. Auflage, Stuttgart 1990. S. 454 88 Schumann, Hermann; Metallographie, 13. Auflage, Stuttgart 1990. 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