Originele artikel door JOHN D. VERHOEVEN vertaald uit het Engels van SCIENTIFIC AMERICAN – “The Mystery of Damascus Blades” p74-79
Vanaf de Bronstijd tot de 19e eeuw gebruikten krijgers het zwaard als wapen. Legers met betere versies hadden een
duidelijk tactisch voordeel.
En die met zwaarden van Damascus – die westerlingen voor het eerst tegenkwamen in de kruistochten tegen moslimlanden – hadden wat sommigen beschouwen als het beste zwaard van allemaal.
Deze klingen, waarvan oorspronkelijk gedacht werd dat ze gemaakt waren in Damascus (nu in Syrië), hadden twee kwaliteiten die niet gevonden werden in de Europese varianten. Een golvend patroon, tegenwoordig bekend als damast of damascene, versierde hun oppervlak.
Een dolk met een Damascus stalen lemmet, afkomstig uit Mughal India, werd gemaakt rond 1585. Het hoogwaardige lemmet is verdikt bij de punt van de doorborende schacht; het gouden handvat is bezet met smaragden en robijnen.
En, het allerbelangrijkste, de rand kon ongelooflijk scherp zijn. De legende vertelt dat Damascus zwaarden door een zijden zakdoek konden snijden die in de lucht zweefde, een prestatie die geen enkel Europees wapen kon evenaren.
Dankzij de faam en het nut van deze zwaarden, hebben westerlingen nooit kunnen achterhalen hoe het staal – ook gebruikt voor dolken, bijlen en speerpunten – werd gemaakt.
De meest bekwame Europese metaalbewerkers en smeden konden het niet reproduceren, zelfs niet nadat ze monsters mee naar huis hadden genomen en in detail hadden geanalyseerd.
De productiekunst is zelfs in het land van herkomst verloren gegaan; deskundigen zijn het er algemeen over eens dat de laatste Damascus zwaarden van hoge kwaliteit niet later dan begin 1800 zijn gemaakt.
Recentelijk echter hebben een ingenieuze smid en ik, volgens ons, het geheim ontdekt.
We zijn niet de eersten die een oplossing claimen, maar we zijn wel de eersten die het bewijzen door getrouwe replica’s te maken van deze vereerde wapens.
Om een theorie over het maken van Damascus zwaarden en dolken te valideren, moeten de replica’s gemaakt zijn van dezelfde materialen als de originelen. De afgewerkte wapens moeten ook hetzelfde Damascus patroon dragen en dezelfde chemische en microscopische structuur hebben.
Wat is echt Damascus staal?
Het is bekend dat in deze stad – en later elders in het islamitische Midden-Oosten en Oosten – echte Damascusbladen zijn gemaakt van kleine blokken staal (een mengsel van ijzer en koolstof) die uit India zijn verscheept; deze grondstoffen worden blokken of koeken genoemd wootz sinds ongeveer 1800.
Ze hadden de vorm van hockey pucks, ongeveer vier inches in diameter en iets minder dan twee inches hoog.
Eerdere Engelse waarnemers in India stelden vast dat Damascus wootz zwaarden werden gemaakt door het rechtstreeks smeden van deze bladvormige staven door talrijke herhaalde verhittings- en hamerbewerkingen.
Het staal bevat ongeveer 1,5% koolstof in gewicht, evenals lage niveaus van andere onzuiverheden zoals silicium, mangaan, fosfor en zwavel.
Het aantrekkelijke oppervlaktepatroon op Damascus zwaarden kan echter op andere manieren worden gemaakt. Moderne smeden kunnen platen van hoog en laag koolstofstaal afwisselend ‘smeden’ tot een complex composiet.
Deze vorm van smeden, of “Damas wrought“, heeft een traditie in het Westen die teruggaat tot het oude Rome, en soortgelijke technieken worden gevonden in Indonesië en Japan.
De interne structuur die het resultaat is van deze technieken is echter geheel anders dan die van wootz zwaarden. Om verwarring tussen de twee soorten vervaardiging te voorkomen, zal ik de gesmede klingen Corroyage Damascus noemen en ik reserveer de term “wootz” Damascus voor de wapens die in dit artikel van belang zijn.
Vroeg in 1824 maakten Jean Robert Bréant in Frankrijk en even later Pavel Ano- soff in Rusland bekend dat zij erin geslaagd waren het geheim van de moslimsmeden te doorbreken en beweerden de originelen te hebben nagemaakt.
In deze eeuw zijn andere oplossingen voorgesteld, de meest recente door Jeffrey Wadsworth en Oleg D. Sherby. Maar in geen enkel geval zijn moderne ambachtslieden in staat geweest de voorgestelde methoden te gebruiken om bevredigende klingen te maken met het uiterlijk en de interne structuur van de oude originelen.
De pogingen om de chemische en microscopische kenmerken van moderne wootz klingen te vergelijken met hun oudere tegenhangers zijn lange tijd gehinderd door een merkwaardig obstakel.
Museum kwaliteit Damascus wapens zijn kostbare kunstvoorwerpen en worden zelden opgeofferd aan de wetenschap om hun interne structuur te onderzoeken.
In 1924, echter, schonk de Europese verzamelaar Henri Moser vier zwaarden aan metallurg B. Zschokke, die ze in stukken sneed voor chemische en microstructurele analyse. De andere stukken gingen naar het Berne Museum, in Zwitserland, waar ik er onlangs enkele van heb mogen bestuderen.
Maar ik besefte al snel dat ik moest samenwerken met iemand die bedreven was in de kunst van het smeden van gekante wapens. De meester smid Alfred H. Pendray had zelfstandig aan de Damascus puzzel gewerkt. Hij maakte kleine staven in een gasoven en smeedde die tot klingvormen, en hij had vaak microstructuren bereikt die heel dicht bij die van hoogwaardige antieke klingen lagen.
We begonnen samen te werken in 1988. In zijn jeugd had Pendray het vak van smid geleerd van zijn vader en had hij een diep en geduldig begrip van de kunst van het staalsmeden.
Maar om een techniek na te bootsen, moesten we onze theorieën onderbouwen met nauwkeurige wetenschappelijke gegevens en rigoureuze aandacht voor details in onze experimenten.
In 1993 gingen een van mijn studenten van de Iowa State University en ik naar de Pendray Forge Shop bij Gainesville, Florida, waar we computergestuurde infrarood thermokoppels en pyrometers installeerden om de temperaturen te registreren van de smelt- en smeedprocessen die we probeerden.
In eerste instantie probeerden we bladen te maken volgens de methode die Wadsworth en Sherby voorstelden, maar we slaagden er niet in de interne microstructuur of de damastpatronen aan het oppervlak te verkrijgen.
Daarna hebben we in de loop van enkele jaren een techniek ontwikkeld die Pendray regelmatig kan gebruiken om wootz damaststalen klingen te reconstrueren.
Het kan ook het patroon reproduceren dat bekend staat als de Mohammediale schaal, die te vinden is op enkele van de mooiste vroege islamitische voorbeelden. In dit patroon lopen de golvingen in een ladderachtig patroon over de lengte van het blad; het werd beschouwd als een symbool van hoe de gelovigen naar de hemel opstegen.
Onze techniek is vergelijkbaar met de algemene methode beschreven door eerdere onderzoekers, maar met cruciale verschillen. Wij produceren een kleine staaf staal van een specifieke samenstelling in een gesloten smeltkroes, en smeden die vervolgens tot een klingvorm.
Ons succes – en wat ons in staat stelt verder te gaan dan onze voorgangers – hangt voornamelijk af van de mix van ijzer, koolstof en andere elementen (zoals vanadium en molybdeen, die wij onzuiverheidselementen noemen) in het staal, de temperatuur en de vorm van het staal.
strong>de temperatuur en tijd van het bakken in de smeltkroes, en de temperatuur en vaardigheid bij herhaalde smeedbewerkingen.
Toen ik de kostbare specimens onderzocht, ontdekte ik dat ze banden van ijzercarbide deeltjes bevatten, Fe3C, bekend als cementiet. Deze deeltjes zijn typisch zes tot negen micron in diameter, goed afgerond en strak gegroepeerd in banden met een onderlinge afstand van 30 tot 70 micron, die parallel lopen aan het bladoppervlak, zoals de nerven van een houten
plank.
Wanneer het blad wordt geëtst met zuur, komen de carbiden tevoorschijn als witte lijnen in een donkere staalmatrix. Net zoals de golvende groeiringen van een boom de karakteristieke wervelende patronen van gesneden hout produceren, de golvingen van de carbide banden zorgen voor de ingewikkelde damastpatronen op het bladoppervlak. De carbidedeeltjes zijn extreem hard en men denkt dat de combinatie van deze harde staalbanden in een zachtere matrix van verenstaal damastwapens harde rand gecombineerd met taaie flexibiliteit geeft.
Ik heb eerst geprobeerd de microstructuren van damascus wootz staal te evenaren binnen de grenzen van een universitair laboratorium.
Een staalverhaal
Als je een staal hebt met ongeveer 1,5% koolstof, voeg je een van de vele onzuiverheden toe (in verrassend lage gehaltes, rond 0,03%) en onderwerpt het aan vijf of zes cycli van verhitting binnen een bepaald temperatuurbereik en afkoeling tot kamertemperatuur, dan krijg je de vorming van clusters van geagglomereerde carbidedeeltjes.
Het zijn deze carbidedeeltjes die tijdens het smeden de karakteristieke oppervlaktepatronen produceren. Experimenten met oude en moderne bladen tonen aan dat de vorming van banden het gevolg is van de segregatie op microscopisch niveau van bepaalde onzuivere elementen tijdens het afkoelen en stollen van de vloeibaar gemaakte staaf.
Hier volgt hoe microsegregatie in staal optreedt. Als de hete staaf afkoelt en stolt, breidt een vast front van gekristalliseerd ijzer zich uit in de vloeistof, in de vorm van dennenachtige uitsteeksels diedendrieten worden genoemd.
In 1,5% koolstofstaal heet het type ijzer dat uit het vloeibare staal stolt austeniet. In de gebieden tussen deze dendrieten (interdendritische gebieden genoemd) zit het vloeibare metaal even opgesloten.
Solide ijzer kan minder koolstofatomen en andere elementen bevatten dan vloeibaar ijzer. Als het metaal dus stolt tot kristallijne ijzerdendrieten, hebben de koolstof- en onzuiverheidsatomen de neiging zich af te scheiden in de resterende vloeistof.
Als gevolg daarvan kan de concentratie van deze atomen zeer hoog zijn in de laatste interdendritische gebieden die bevriezen.
Als het ijzer stolt en de dendrieten groeien, blijven de interdendritische gebieden achter met een netwerk van bevroren onzuiverheidsatomen als een parelsnoer.
Later, wanneer de staaf meerdere malen wordt verhit en afgekoeld, zijn het deze onzuiverheidsatomen die de groei bevorderen van ketens van harde cementietdeeltjes die de lichtere banden van het staal vormen.
We kunnen aantonen dat dit netwerk verband houdt met de lichte en donkere banden van het wootz-staal. De afstand tussen de vertakkingen van de dendrieten is ongeveer een halve millimeter, en naarmate de staaf wordt gehamerd en de diameter wordt verkleind, wordt deze afstand ook kleiner. De uiteindelijke afstand tussen de dendrieten komt nauw overeen met de afstand tussen de stroken in Damascus-staal.
Tijdens het smeden is het belangrijk de temperatuur in het staal goed te krijgen om een mengsel van austeniet- en cementietdeeltjes te krijgen. Als de temperatuur van de staaf onder een kritisch punt zakt, beginnen zich ijzercarbidedeeltjes te vormen (dezelfde cementietdeeltjes die ik in de Moser bladen zag).
De laagste temperatuur waarboven al het koelstaal austeniet blijft, wordt de A-temperatuur genoemd. Bij staal dat meer dan 0,77% koolstof bevat, wordt de A-temperatuur de Acm temperatuur genoemd. Onder de Acm-temperatuur beginnen cementietdeeltjes te verschijnen, willekeurig verdeeld in het austenitische staal.
De truc voor bandvorming
De COOLING INGOT van Damascus-staal heeft op microscopisch niveau een bevroren metaalfront dat zich uitstrekt in het gesmolten staal en aanvankelijk kristalliseert in dennenachtige formaties die dendrieten worden genoemd. Atomen van onzuivere elementen (in rood) zoals vanadium scheiden zich snel af van het vaste ijzer in de gebieden tussen de dendrieten, waar zij op hun plaats bevriezen, uitgelijnd als kralen aan een ketting. Tijdens volgende verhittings- en afkoelingscycli vormen deze onzuiverheidsatomen de basis voor de groei van harde ijzercarbidedeeltjes (cementiet), die de heldere banden van het Damascuszwaard vormen. De bovenste microfoto toont lichte en donkere banden in een doorsnede van een origineel Damascus zwaard. De onderste microfoto toont een sectie van de moderne reconstructie van de auteur. De gelijkenis tussen de twee structuren geeft aan dat de moderne techniek een exacte replica is van het oorspronkelijke proces.
Eén van de belangrijkste mysteries van wootz Damascus klingen is hoe het eenvoudige smeden van kleine stalen staven in de vorm van een kling de carbiden in duidelijke banden kan laten uitlijnen.
We onderzochten systematisch de dwarsdoorsneden van de gesmede staven toen we ze van de vorm van een hockey puck in een kling veranderden.
Om deze verandering te bereiken hebben we een staaf verwarmd tot een temperatuur waarbij het staal een mengsel van cementiet- en austenietdeeltjes vormt en vervolgens gehamerd.
Tijdens het smeden koelde de staaf af van ongeveer 50 graden Celsius onder Acm tot ongeveer 250 graden C onder Acm. Tijdens deze afkoeling nam het aandeel cementietdeeltjes toe.
We onderwierpen de staaf vervolgens aan een andere verwarmings- en hamercyclus tussen dezelfde twee temperaturen. Proefondervindelijk hebben we vastgesteld dat er ongeveer 50 van deze smeedcycli nodig waren om een kling te maken die de afmetingen van de originelen benaderde – 45 millimeter breed en 5 millimeter dik.
Dit is hoe wij denken dat het fenomeen zich voordoet:
Tijdens de eerste ongeveer 20 cycli vormen de harde carbidedeeltjes zich min of meer willekeurig, maar bij elke volgende cyclus hebben ze de neiging zich sterker te richten langs het netwerk van puntjes dat zich vormt in de interdendritische gebieden.
Deze verbetering wordt verklaard door het feit dat bij elke verhitting van het staal een deel van de carbidedeeltjes oplost. Maar de atomen van de onzuiverheidselementen vertragen de oplossnelheid, zodat grotere carbidedeeltjes overblijven.
Bij elke verhittings- en afkoelingscyclus groeien deze deeltjes slechts licht, wat het hoge aantal cycli verklaart dat nodig is om afzonderlijke banden te vormen. Omdat de onzuiverheidselementen zich in de gebieden tussen de dendrieten bevinden, concentreren de carbidedeeltjes zich ook daar.
WIL JE WETEN HOE DAMAS STAAL TE MAKEN? Het staat
hier!
The good stuff
Hoewel we al lang vermoeden dat onzuiverheidselementen een sleutelrol speelden bij bandvorming, wisten we niet zeker welke het belangrijkst waren.
We stelden snel vast dat silicium, zwavel en fosfor, waarvan bekend is dat ze voorkomen in oudere wootz-stalen, geen belangrijke spelers leken te zijn.
Maar deze informatie loste het probleem niet op.
We hadden een gelukkige doorbraak toen we Sorel metaal als ingrediënt voor ingots gingen gebruiken. Het metaal is een zeer zuivere ijzer-koolstoflegering met 3,9-4,7% koolstof, geproduceerd uit een grote ilmenietafzetting bij Lake Tio aan de St Lawrence River in Quebec.
De ertsafzetting bevat sporen van vanadium; daarom bevat het metaal Sorel een vanadiumonzuiverheid van 0,003 tot 0,014 procent.
In eerste instantie hielden we geen rekening met deze onzuiverheid omdat we niet konden geloven dat zo’n lage concentratie significant was. Maar uiteindelijk beseften we (na twee jaar op een muur te zijn gestuit) dat zelfs lage concentraties significant konden zijn. Het toevoegen van vanadium in hoeveelheden van slechts 0,003% aan hoogzuivere ijzer-koolstoflegeringen gaf ons goede rollen.
Het molybdeen heeft ook het gewenste effect en in mindere mate chroom, niobium en mangaan. Elementen die carbide- en bandvorming niet bevorderen zijn koper en nikkel.
Elektronenprobe microanalyse bevestigde dat effectieve elementen, wanneer aanwezig met slechts 0,02% of minder in ingots, worden gemicrosegregeerd in interdendritische gebieden en daar veel meer geconcentreerd worden.
Om onze conclusie te controleren dat de banden ontstaan door de microsegregatie van onzuiverheidselementen die leiden tot de microsegregatie van cementietdeeltjes, hebben we experimenten uitgevoerd om aan te tonen dat als we de microsegregatie van onzuiverheidsatomen opheffen, we de banden kunnen opheffen.
We namen kleine stukjes van mooi gebandeerde oude en moderne bladen en verwarmden ze tot ongeveer 50 graden C boven de Acm temperatuur. Bij deze temperatuur zijn alle ijzercarbidedeeltjes opgelost in de austeniet.
We hebben de klingen vervolgens in water gedompeld. Door snelle afkoeling ontstond de martensietfase van het staal, die zeer hard en taai is, zonder carbidedeeltjes.
Om de cementietdeeltjes opnieuw te creëren, onderwierpen we de bladen aan verschillende cycli van verhitting tot 50 graden C onder de A-temperatuur, gevolgd door langzame afkoeling in lucht, waardoor de deeltjes de tijd kregen om terug te groeien en zich te scheiden.
Na de eerste cyclus verschenen de carbidedeeltjes weer, maar waren willekeurig verdeeld. Maar na nog een of twee cycli begonnen deze deeltjes zich in zwakke banden op te stellen, en na zes tot acht cycli werden de banden zeer duidelijk.
Bij één test verhoogden we de temperatuur tot ver boven de A cm waarde, tot 1200 graden C, net onder het smeltpunt van staal, en hielden dat 18 uur vol.
Uit
berekeningen blijkt dat deze behandeling bij hoge temperatuur de microsegregatie van onzuiverheidsatomen door diffusie volledig elimineert.
Pendray en ik hebben ook zorgvuldig gecontroleerde experimenten uitgevoerd waarbij we de onzuiverheidselementen volledig weglieten.
Zelfs na vele cycli van verhitting en langzame afkoeling produceerden deze ingots geen clusters van deeltjes of carbidebanden.
Wanneer we de onzuiverheidselementen aan dezelfde ingot toevoegden en deze aan verhittings- en koelcycli onderwierpen, verschenen de banden.
Onze reconstructie van het blad van Damascus helpt ons een andere vraag te beantwoorden: Hoe genereerden de oude smeden het patroon van de Mohammedaanse schaal?
Onze werkzaamheden bevestigen een in het verleden voorgestelde theorie, namelijk dat de laddersporten werden geproduceerd door het snijden van groeven in de klingen.
Het ladderpatroon op de onderste foto hierboven is gemaakt door kleine sleuven in de kling te snijden nadat deze was gesmeed tot de uiteindelijke dikte, en vervolgens te smeden om de sleuven op te vullen.
Dit soort smeden vermindert de afstand tussen de lichte en donkere banden op het uiteindelijke oppervlak, vooral langs de randen van de sleuven.
Het ronde patroon tussen de sporten, bekend als het rozenpatroon, is ook bekend van oudere kromzwaarden. Het komt van diepe gaten die tegelijkertijd met de groeven in de kling zijn geboord.
Waarom ging de kunst van het maken van deze wapens ongeveer twee eeuwen geleden verloren?
Misschien bevatten niet alle ijzerertsen in India de noodzakelijke elementen om carbiden te vormen. De vier oude Moser klingen die we bestudeerden bevatten allemaal vanadium onzuiverheden, wat waarschijnlijk de vorming van banden in deze staalsoorten verklaart.
Als ontwikkelingen in de wereldhandel ertoe zouden leiden dat ingots uit India niet langer de vereiste onzuiverheden bevatten, zouden smeden en hun draden niet langer in staat zijn de mooie ontwerpen van hun klingen te
realiseren en zouden zij niet noodzakelijkerwijs weten waarom. Als dit zo doorging, zou na een generatie of twee het geheim van het legendarische Damascuszwaard verloren zijn gegaan.
Alleen nu, dankzij een partnerschap tussen wetenschap en kunst, is de sluier van dit mysterie opgelicht.
Over de auteur:
JOHN D. VERHOEVEN is emeritus hoogleraar materiaalkunde en engineering aan de Iowa State University. Hij is
al sinds zijn afstuderen aan de Universiteit van Michigan geïnteresseerd in het mysterie van de Damascuswortelzwaarden.
In 1982 begon hij met onderzoeksexperimenten om Damascusstaal na te maken. Dit werk, dat vooral een hobby was, werd een serieuze onderneming door zijn samenwerking met smid Alfred H. Pendray gedurende vele jaren.