Discovery on Damascus steel
De analyses van het staal door Jeffrey Wadsworth en Oleg D. Sherby, in hun zoektocht naar een superplastisch, onthulden eigenschappen die bijna identiek waren aan die welke zij later vonden in het Damascus-staal, hoewel hun eigen superplastisch staal werd geproduceerd met behulp van contemporary methods.
De opmerkelijke eigenschappen van Damascus-staal werden Europa bekend toen de kruisvaarders het Midden-Oosten bereikten, vanaf de 11e eeuw. Zij ontdekten dat zwaarden van dit metaal een veer in de lucht konden splijten, terwijl ze hun scherpte behielden tijdens vele gevechten tegen de Saracenen. De zwaarden waren gemakkelijk herkenbaar aan hun klingen, die een karakteristiek damascuspatroon hadden.
Door de eeuwen heen – misschien vanaf de tijd van Alexander de Grote in de 4e eeuw voor Christus.C. – waren de wapenmakers die van dit staal zwaarden, schilden en harnassen maakten zeer geheimzinnig over hun methoden. Met de komst van vuurwapens ging het geheim verloren en het is nooit volledig herontdekt, ondanks de inspanningen van mannen als P. Anossoff, de Russische metallurg, die staal kende als de bulat.
In 1841 verklaarde Anossoff: “Onze krijgers zullen spoedig gewapend zijn met bulatmessen, onze landarbeiders zullen de grond omploegen met bulatploegen. … De bulat zal al het staal vervangen dat nu wordt gebruikt voor de vervaardiging van voorwerpen van bijzondere fijnheid en sterkte. Maar een levenslange inspanning om deze droom te verwezenlijken is tevergeefs geweest.
Dr. Wadsworth en Dr. Sherby realiseerden zich dat ze misschien op het goede spoor zaten toen een zwaardventer tijdens een van hun presentaties erop wees dat Damascusstaal, net als hun eigen product, een hoog koolstofgehalte had. Dit bracht hen ertoe vergelijkende analyses uit te voeren van hun staalsoorten en die van oude wapens.
Dr. Wadsworth blijft weliswaar verbonden aan Stanford, maar werkt nu in het nabijgelegen onderzoekslaboratorium Lockheed Palo Alto. Dr. Sherby, een Stanford-professor, is een autoriteit op het gebied van misvormbare metalen.
Bij matige verhitting kan superplastisch staal worden gevormd tot complexe vormen zoals tandwielen voor een auto, met minimale noodzaak voor machinale bewerking, wat resulteert in significante besparingen bij de productie. Hun onderzoek, zei Dr. Wadsworth onlangs, heeft aangetoond hoe het staal nog gemakkelijker kan worden gevormd dan de Damascus-variant.
Een basisvereiste, zoals vermoed door een aantal vroege metaalbewerkers, is een zeer hoog koolstofgehalte. Wadsworth en Sherby menen dat het 1-2% moet zijn, vergeleken met slechts een fractie van 1% in gewoon staal. Een ander belangrijk element in de productie van Damascus klingen lijkt het smeden en hameren bij een relatief lage temperatuur – ongeveer 1700 graden Fahrenheit te zijn geweest. Na het vormen werden de klingen blijkbaar opnieuw verhit tot ongeveer dezelfde temperatuur en dan snel afgekoeld, als door het blussen in een vloeistof. Weken in “drakenbloed”.
De geheimen van Damascusstaal werden gedeeld door wapenmakers in vele delen van de oude wereld, waaronder Perzië, waar enkele van de mooiste exemplaren werden geproduceerd. Het was tijdens het uitsterven dat velen geloofden dat het magische eigenschappen kreeg. Volgens Dr. Helmut Nickel, curator van de Afdeling Wapens en Pantsers in het Metropolitan Museum of Art in New York, zouden de beste klingen volgens de legende gedoopt zijn in “drakenbloed”.
In een recente brief aan het museum vertelde een Pakistaanse man dat een zwaard dat al verschillende generaties in zijn familie was, door de Afghaanse makers in ezelurine was gedrenkt. Sommige middeleeuwse smeden adviseerden de urine van roodharige jongens of die van een “drie jaar oude geit die drie dagen lang alleen varens eet“.
Arabische zwaardmakers wisten acht eeuwen lang hun technieken te verbergen voor hun concurrenten – en voor het nageslacht. Die in Europa onthulden alleen dat ze uitdoofden in “rode geneeskunde” of “groene geneeskunde”. Een minder brute vorm van afkoeling werd volgens één verslag bereikt wanneer de kling, nog steeds roodgloeiend, werd “gedragen door een ruiter op een snel paard”.
In in Klein-Azië gevonden geschriften staat dat om een Damascus-zwaard te tempereren, het blad moet worden verhit totdat het glanst “als de zon die opkomt in de woestijn“. Dan moet het worden afgekoeld tot de kleur van koninklijk purper en in het lichaam van een gespierde slaaf worden gestoken, zodat zijn kracht op het zwaard wordt overgebracht.
In oude verslagen wordt meer dan eens verwezen naar dit soort moorddadige uitroeiing. In een recent interview wees Dr. Nickel erop dat, hoewel veel smeedtechnieken gebaseerd waren op bijgeloof, zij wellicht hebben bijgedragen tot het succes van het proces, zoals het toevoegen van stikstof aan de legering.
Het meeste, zo niet alle, Damascus staal was afgeleid van blokken van “wootz”, een vorm van staal geproduceerd in India. Een mysterie voor degenen die de techniek proberen te achterhalen, is de eigenschap van wootz die dergelijke klingen voortbracht – kneedbaar bij verhitting, maar buitengewoon sterk bij afkoeling.
Volgens Dr. Wadsworth en Dr. Sherby zocht Michael Faraday, zelf de zoon van een smid, voordat hij zijn historische werk over magnetisme deed, J. Stodart, een snijder, op. Stodart, een slijper, om de samenstelling van wootz te bepalen. Zij concludeerden ten onrechte dat het silica- en aluminiumgehalte de sleutelfactor was.
De verslagen van hun bevindingen, gepubliceerd in 1820 en 1822, brachten Jean Robert Breant, inspecteur van proeven bij de Parijse Munt, ertoe meer dan 300 experimenten uit te voeren om de eigenschappen van wootz gedurende zes weken te reproduceren.
Hij probeerde elementen als platina, goud, zilver, koper, tin, zink, lood, bismut, mangaan, uranium, arsenicum en boor toe te voegen aan gewoon staal. Anossoff probeerde zelfs diamant. Geen van deze pogingen was succesvol.
De Wootz, zo lijkt het, werd blijkbaar bereid in kroezen die poreuze ijzeren wafeltjes bevatten plus hout of houtskool om het te verrijken met koolstof. Een kritische factor, zegt Dr. Wadsworth, lijkt het feit te zijn geweest dat de wootz werd verwerkt bij temperaturen tot 2.300 graden. Nadat het daar dagenlang was opgeslagen, werd het een dag lang gekoeld tot kamertemperatuur. Daarna werd het verscheept naar het Midden-Oosten voor productie bij relatief lage temperaturen.
Deze gematigde hitte zorgde voor genoeg carbide (waarin drie ijzeratomen zijn gekoppeld aan één koolstofatoom) om de bladen een grote sterkte, te geven, maar niet genoeg om ze broos te maken. De grote carbidekorrels gaven de bladen hun typische waterige uiterlijk.
Het superplastische staal dat bij Stanford is ontwikkeld is
- Houden bij hoge temperaturen voor slechts een paar uur.
- Gevormd tijdens het koelen
- Verwarmd tot een gematigde temperatuur voor verdere bewerking
- en kan dan gedoofd worden om extreme hardheid te bereiken.
Dit proces, legt Dr Wadsworth uit, produceren zeer kleine korrels carbide en dus een nog grotere hardheid en taaiheid dan in Damascus staal.
Volgens dr. Nickel werden de lemmeten van Damascusstaal, nadat ze door hameren ontvet waren, geslepen tot een fijne rand. Toen ze voornamelijk aan één kant werden gehamerd, kregen ze een gebogen vorm – de oorsprong van het zwaard, zegt hij.
De beste zwaarden ooit gemaakt, voegt hij eraan toe, zijn die van de Japanse samuraizwaarden, waarvan de zwaarden een miljoen lagen staal kunnen bevatten. Deze lagen zijn het resultaat van het hameren van een staaf tot het dubbele van zijn oorspronkelijke lengte en het vervolgens tot 32 keer buigen.