De sleutelrol van onzuiverheden in antieke Damascus stalen klingen: J.D. Verhoeven, A.H. Pendray, en W.E. Dauksch
De kunst van het maken van de beroemde klingen uit damascusstaal uit de 16e-18e eeuw die in veel musea te vinden is, is lang verloren gegaan. Recent onderzoek heeft echter sterke aanwijzingen opgeleverd die de theorie ondersteunen dat de verschillende oppervlaktepatronen op deze klingen het resultaat zijn van een carbidemarkeringsfenomeen dat wordt veroorzaakt door de microsegregatie van kleine hoeveelheden carbidevormende elementen die aanwezig zijn in de wootz blokken waaruit de klingen werden gesmeed. Verder is het waarschijnlijk dat dewortelzwaarden met damastpatronen alleen geproduceerd zijn uit wortelzblokken uit gebieden in India met wortelafzettingen die geschikte onzuiverheden bevatten.
Inleiding
In
de afdeling wapens en wapenrustingen van de meeste grote musea staan voorbeelden van damaststalen wapens. Deze stalen zijn van twee verschillende types:
- de Damascus gelast door gesmeed
- de Damascus wootz
Ze werden blijkbaar allebei voor het eerst geproduceerd ongeveer 500 jaar voor Christus.C. Deze stalen delen een aantrekkelijk oppervlaktepatroon van wervelende patronen van licht geëtste gebieden tegen een bijna zwarte achtergrond. De gelaste gesmede staalsoorten werden geproduceerd door het smeden en lassen van afwisselend platen hoog en laag koolstofstaal. Dit composiet werd vervolgens gebogen en aan elkaar gesmeed, en de buig/smeed cyclus werd herhaald totdat een groot aantal lagen was verkregen.
Dit artikel richt zich op het tweede type Damascusstaal, dat soms “Eastern Damascus“, Wootz of Bulat wordt genoemd, afhankelijk van de herkomst. De meest voorkomende voorbeelden van dit staal zijn zwaarden en dolken, hoewel er ook voorbeelden van lichaamspantsers bekend zijn. De naam Damascus is blijkbaar afgeleid van deze stalen. Het staal zelf werd niet in Damascus geproduceerd, maar in India en stond in het begin van de 19e eeuw in de Engelse literatuur bekend als wootzstaal, zoals het hier wordt genoemd.
Gedetailleerde afbeeldingen van vele wootz Damascus zwaarden van dit type worden gepresenteerd in het boek van Figiel en de metallurgie van deze zwaarden wordt besproken in het boek van Smith.
De techniek van het maken van wootz Damascus stalen zwaarden is helaas een verloren kunst. De datum van de laatste klingen die met damascuspatronen van de hoogste kwaliteit zijn vervaardigd is onzeker, maar waarschijnlijk rond 1750; het is onwaarschijnlijk dat klingen met damascuspatronen van lage kwaliteit later dan het begin van de 19e eeuw zijn vervaardigd. De afgelopen 200 jaar is er in de metallurgische gemeenschap een voortdurende discussie geweest over hoe deze klingen werden gemaakt en waarom het oppervlaktepatroon verscheen.6-8 Onderzoek heeft in de loop der jaren beweerd methoden te hebben ontdekt om Damascus wootz stalen klingen te reproduceren,9-12 maar al deze methoden kampen met hetzelfde probleem – moderne klingenmakers zijn niet in staat geweest de methoden te gebruiken om de klingen te reproduceren. Een succesvolle reproductie van Damascus wootz klingen vereist dat de geproduceerde klingen overeenkomen met de chemische samenstelling, het karakteristieke Damascene oppervlaktepatroon bezitten en dezelfde interne microstructuur hebben die aanleiding geeft tot het oppervlaktepatroon.
DAMAS STAAL
Wootz staal werd geproduceerd als blokken van ongeveer 2,3 kg, algemeen bekend als cakes, die gestold werden in een gesloten smeltkroes. Het was een relatief zuiver ijzerstaal met 1,5% koolstof. De koeken werden verscheept naar Damascus, Syrië, waar snijders ze leerden smeden tot zwaarden met een prachtig oppervlaktepatroon. Het hypereutectoïde koolstofgehalte in deze staalsoorten speelt een sleutelrol bij het produceren van het karakteristieke oppervlaktepatroon, aangezien het patroon het resultaat is van de uitlijning van Fe3C-deeltjes die zich in deze staalsoorten vormen tijdens het afkoelen. Toen de West-Europeanen deze wapens met patroon voor het eerst tegenkwamen, namen zij de naam Damascusstaal aan. Wootz Damascus klingen met de hoogste kwaliteit Damascus patronen werden geproduceerd in de 16e en 17e eeuw.
De interne microstructuur en chemische samenstelling van deze staalsoorten waren goed vastgesteld tegen het begin van deze eeuw. De interne microstructuur van een Damascus wootzwaard met een damascus oppervlaktepatroon van hoge kwaliteit is een unieke metallurgische microstructuur. Zij bestaat uit banden van kleine Fe3C (cementiet) deeltjes (gewoonlijk ongeveer 6 mm in diameter) gegroepeerd langs de middellijn van de band. De banden hebben een karakteristieke afstand van 30-70 mm en bevinden zich in een staalmatrix. De structuur van de staalmatrix varieert afhankelijk van de manier waarop de smid de kling heeft verhit, maar over het algemeen wordt pareliet gevonden. De strips lopen parallel aan het smeedvlak van de klingen. Door de hoek van het bladoppervlak ten opzichte van het vlak van de banden te manipuleren, kan de smid verschillende kronkelige snijpatronen van de banden met het bladoppervlak produceren. Tijdens het polijsten en graveren zorgen de Fe3C deeltjes ervoor dat de banden wit lijken en de staalmatrix bijna zwart; zo wordt het oppervlaktepatroon gecreëerd.
Reproductie van Wootz Damascus klingen
Recent werk heeft een techniek ontwikkeld om klingen te produceren die overeenkomen met de beste Wootz Damascus klingen van museumkwaliteit, zowel wat betreft het oppervlak als de interne microstructuur. Figuur 1 toont een lemmet dat onlangs door een van de auteurs, A.H. Pendray, is gemaakt en dat het karakteristieke patroon van het damastoppervlak laat zien. Het is speciaal geprepareerd met het beroemde Mohammedaanse schubbenpatroon dat op veel museumzwaarden en klingen van hoge kwaliteit voorkomt. Het cirkelvormige patroon tussen de schubben wordt vaak aangeduid als het rozenpatroon, en wordt soms ook aangetroffen op museumzwaarden van hoge kwaliteit.4 Een overlangse doorsnede van een aangrenzend stuk van deze kling wordt ook getoond, die de uitgelijnde banden van geagglomereerde cementietdeeltjes illustreert, typisch voor museumzwaarden van hogere kwaliteit.
Een gedetailleerde beschrijving van het productieproces van deze kling is onlangs gepubliceerd.14
Bovendien is de techniek uitvoerig beschreven in de literatuur,15-17 en is aangetoond dat klingen met damastpatronen van hoge kwaliteit herhaaldelijk kunnen worden geproduceerd met deze techniek. De techniek is in wezen een eenvoudige herhaling van de algemene methode die door eerdere onderzoekers is beschreven. Een klein staallichaam van de juiste samenstelling (Fe + 1,5C) wordt geproduceerd in een gesloten smeltkroes en vervolgens in de vorm van een kling gesmeed. Er zijn nu echter enkele belangrijke factoren gespecificeerd. Deze omvatten de registratie van de tijd/temperatuur van de voorbereiding van de staaf, de temperatuur van de smeedbewerkingen en het type en niveau van samenstelling van de onzuiverheidselementen in het Fe + 1,5C-staal. De belangrijkste factor blijkt het type onzuiverheidselementen in de stalen staaf te zijn. Recent werk17-18 heeft aangetoond dat banden van geagglomereerde Fe3C-deeltjes in bladen kunnen worden geproduceerd door de toevoeging van zeer kleine hoeveelheden (0,03% of minder) van een of meer carbidevormende elementen, zoals V, Mo, Cr, Mn en Nb. De elementen vanadium en molybdeen blijken het meest effectief te zijn in het veroorzaken van bandvorming. Deze resultaten roepen een voor de hand liggende vraag op: zijn deze elementen ook in kleine hoeveelheden aanwezig in de Damascus klingen van de 16-18e eeuw?
Een groot probleem bij het uitvoeren van wetenschappelijke experimenten op Damascus wootz staal is de onmogelijkheid om monsters te verkrijgen voor onderzoek. Voor een dergelijke studie moeten de klingen in stukken worden gesneden voor microscopisch onderzoek, en moeten kleine hoeveelheden worden opgeofferd voor destructieve chemische analyse. Een zeldzaam voorbeeld van de schenking van Damascus klingen van museumkwaliteit aan de wetenschap voor onderzoek staat in het artikel van Zschokke uit 1924.13 Een beroemde ontdekkingsreiziger en verzamelaar, Henri Moser, verzamelde een collectie van ongeveer 2000 Damascus klingen en schonk twee dolken en vier zwaarden aan Zschokke voor onderzoek. De Moser collectie is nu te zien in het Historisch Museum in Bern, Zwitserland, en de resterende stukken van de vier zwaarden uit Zschokke’s studie worden daar bewaard. Onlangs schonk Ernst J. Kläy van het Bern Museum een klein monster van elk zwaard voor verdere studie.
Dit artikel presenteert de resultaten van een studie van deze vier monsters. Daarnaast zijn vier andere Damascus wootz zwaarden, alle vermoedelijk een paar honderd jaar oud, verworven en opgenomen. Alle hier bestudeerde klingen zijn dus meer dan twee eeuwen oud en waarschijnlijk gemaakt van wootz-staal. Deze klingen worden aangeduid als “echte Damascus wootz klingen” om ze te onderscheiden van de Damascus wootz klingen die gereconstrueerd zijn volgens de door de auteurs ontwikkelde techniek.
Zschokke zwaarden
Zschokke identificeerde de vier zwaarden in zijn studie als 7-10 zwaarden, en dezelfde code wordt hier gebruikt. De zwaarden hadden een oorspronkelijke breedte van ongeveer 30 mm. De verstrekte monsters waren ongeveer 18 mm breed bij 88 mm lang en bevatten de snijkant. Het oppervlak van de monsters werd bijgewerkt door polijsten met fijn SiC-papier en vervolgens etsen in ijzerchloride. Het contrast van het preparaatoppervlak werd versterkt door ferrichloride aan te brengen door herhaaldelijk te wrijven met een doek. Figuur 2 toont de macrografen van de vier sabelmonsters; sabel 9 vertoont het meest uitgesproken patroon.
Uit een uiteinde van elk monster werden met een fijne diamantzaag stukken gezaagd. Een lengte van 2 cm werd afgezaagd voor chemische analyse en een 8 mm lang monster werd gebruikt voor microstructuuranalyse. De chemische analyses werden uitgevoerd met emissiespectroscopie op een gekalibreerde machine van Nucor Steel Corporation. Tabel I toont de chemische analyses, samen met de door Zschokke gerapporteerde waarden. De overeenstemming tussen de door Zschokke in 1924 uitgevoerde analyses en de huidige gegevens is redelijk goed.
| Tabel I. Vergelijking van de huidige chemische analyses met die van Zschokke | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Sword 7 |
Zwaard 8 |
|||||||
| Materiaal | Current | Zschokke |
Actueel |
Current |
Zschokke |
Current |
Zschokke | |
| C | 1.71 | 1.87 | 0.65 | 0.60 | 1.41 | 1.34 | 1.79 | 1.73 |
| Mn | 150 | 50 | 1,600 | 1,590 | <100 | 190 | 300 | 280 |
| P | 1,010 | 1,270 | 1.975 | 2,520 | 980 | 1,080 | 1,330 | 1,720 |
| S | 95 | 130 | 215 | 320 | 60 | 80 | 160 | 200 |
| Als | 350 | 490 | 1,150 | 1,190 | 500 | 620 | 500 | 620 |
| * Analyses worden gegeven in gewichtsdelen per miljoen (PPM), behalve voor C, dat is in gewichtspercenten. |
||||||||
Zwaard 8 is hypoeutectoïde en kan daarom geen echt Damascus wootz staal zijn, omdat deze staalsoorten bij afkoeling geen Fe3C deeltjes vormen. Metallografisch onderzoek bevestigde deze verwachting en toonde aan dat het op dit zwaard waargenomen oppervlaktepatroon (figuur 2) te wijten was aan ferrietbanden in een parellietmatrix. Daarom zal
dit zwaard in de volgende discussie niet worden beschouwd als een echt wootz Damascus zwaard.
Microfoto’s van het oppervlak en dwarsdoorsneden van de andere drie zwaarden worden getoond in Figuur 3. De oppervlakte microfoto’s zijn in feite piekdoorsneden door de banden die te zien zijn in de doorsnede microfoto’s, en, zoals verwacht, zijn de bandbreedtes breder in de oppervlakte aanzichten.
Tabel II geeft een samenvatting van de microstructurele waarnemingen van de stalen. De drie Damascus Wootz zwaarden vertonen alle een bandafstand van 40-50 mm. Zwaard 7 bevat grafietbanden die niet op de microfoto’s te zien zijn. Zwaard 10 bevat een mengeling van grote en kleine deeltjes in de banden. Zwaard 9 heeft de duidelijkste banden op de microfoto’s en lijkt ook het aantrekkelijkste damastpatroon te geven (figuur 2). De banden zijn het meest uitgesproken omdat dit zwaard de kleinste hoeveelheid Fe3C-deeltjes bevat die tussen de carbidbanden liggen. Het is echter interessant op te merken dat Zschokke de damastkwaliteit van alle vier de zwaarden heeft beoordeeld en meldt dat zwaard 10 “het mooiste en waardevolste van de vier” is. Drie andere klingen van museumkwaliteit werden doorgesneden8 en de carbidebanden lijken op zwaard 9, maar zijn duidelijker dan bij de zwaarden 7 en 10 en zonder de grote cementietdeeltjes van zwaard 10.
Rockwell C hardheidsgegevens werden genomen langs de middellijn van de dwarsdoorsneden van alle vier zwaarden om ze vollediger te karakteriseren. Er werd een grote variatie in hardheid gevonden en deze is weergegeven in tabel II. De hardheid correleert met de microstructuur van de matrix. De matrixstructuur van de zwaarden onderging een overgang van parelliet aan het dunne uiteinde naar een gescheiden eutectoïde ferriet + cementiet aan het dikke uiteinde (dikte = 3-4 mm). Deze structuren komen overeen met recente kinetische studies van de eutectoïde reactie in hypereutectoïde staalsoorten.19-20 De studies tonen aan dat in tweefasige staalsoorten (austeniet + Fe3C) de gescheiden eutectoïde transformatie (DET) domineert bij lage koelsnelheden en de parelietreactie bij hogere koelsnelheden; DET wordt begunstigd naarmate de dichtheid van Fe3C-deeltjes in het transformerende austeniet toeneemt. De microstructuren van de matrix geven dus aan dat de bladen luchtgekoeld waren, waarbij het pareliet overheerst in de buurt van de sneller koelende snijkant. De dominantie van de DET matrix structuur in zwaarden 7 en 10 is waarschijnlijk het gevolg van de grotere hoeveelheid interband Fe3C aanwezig in deze zwaarden.
| Tabel II. Microstructuur en hardheidsgegevens van Zschokke’s Wootz zwaarden | ||
|---|---|---|
| Zwaard | Microstructuur | Hardheidsbereik |
| 7 | Diffuse banden van langwerpige Fe3C deeltjes in matrix. |
Rc = 32, Pearlite matrix Rc = 8, DET matrix* |
9 | Zeer duidelijke banden van Fe3C deeltjes in matrix. |
Rc = 23, Pearliet matrix Rc = 9, DET matrix* |
10 | Distinct bands of Fe3C particles in matrix. |
Rc = 37, Pearliet matrix Rc = 5, DET-matrix* |
| * Getransformeerde matrix van gescheiden eutectoïden die Fe3C-deeltjes in ferriet geven. | ||
Wegens de unieke historische waarde van deze klingen werd een vrij zorgvuldige studie uitgevoerd om de morfologie te karakteriseren van de carbidedeeltjes die de banden vormen die aanleiding gaven tot de damastpatronen. De oppervlakken van de 2 cm lange specimens die voor de emissiespectrografische analyse werden gebruikt, werden gemonteerd, gepolijst en picraal geëtst. Deze oppervlakken, samen met de dwarsdoorsneden en lengtedoorsneden van de zwaarden die met soortgelijke metallografie waren geprepareerd, werden vervolgens onderzocht met een digitale camera met hoge resolutie. Software voor beeldanalyse werd gebruikt om de gemiddelde oppervlakte, de maximale diameter en de minimale diameter van de Fe3C-deeltjes te bepalen (tabel III). Voor elke gerapporteerde meting werden drie gebieden onderzocht. In elk gebied werd een gemiddelde bepaald van de 20 grootste niet-aangesloten deeltjes in een steekproefveld van 500-600 deeltjes, en de tabel bevat het gemiddelde van de drie gemiddelde metingen. De resultaten geven een kwantitatieve maat voor de anisotropie van de deeltjesvorm, die zichtbaar is in figuur 3.
In zwaarden 7 en 10 zijn de deeltjes overwegend plaatvormig, met de dunne richting uitgelijnd in het smeedvlak van de zwaardbladen. Daarom is de oppervlakte van de deeltjes op het zwaardvlak over het algemeen groter dan op de doorsneden. De standaardafwijking van de gegevens lag steeds in het bereik van 20-25%, zodat de verschillen in oppervlakte op de drie vlakken problematisch zijn, terwijl de verschillen in minimale en maximale diameter significant zijn. Voor schoepen 7 en 10 is de maximale/minimale deeltjesaspectverhouding gemiddeld ongeveer drie op de dwars- en langsdoorsneden en ongeveer twee op de zwaardvlakken. De verhoudingen zijn iets lager voor blad 9, wat de meer bolvormige vorm van de deeltjes weerspiegelt en de observatie dat de langwerpige deeltjes hun brede vlakken niet goed uitgelijnd hebben in het smeedvlak, zoals het geval is bij de bladen 7 en 10.
| Table III. Een overzicht van Fe3C-deeltjesgrootte metingen* | ||||
|---|---|---|---|---|
| Sectie | ||||
| Woord | Dimension | Face | Longitudinal | Transverse |
| 7 | Diameter (max./min.) Area |
13/7.4 88 |
16/4.6 69 |
10/3.230 |
| 9 | Diameter (max./min.) Area |
11/5.7 59 |
12/5.6 65 |
11/3.9 41 |
| 10 (small) | Diameter (max./min.) Area |
13/6.6 76 |
16/4.8 62 |
15.4.9 63 |
| 10 (large) | Diameter (max./min.) Area |
54/27 1,300 |
44/14 590 |
46/15 640 |
| The Kard Blade | Diameter (max./min.) Area |
8.0/4.0 30 |
||
| * Diameter wordt gemeten in mm; oppervlakte in mm2. | ||||
De grove deeltjes in blad 10 hebben een aanzienlijk groter oppervlak op het bladoppervlak en zouden het damastpatroon kunnen verbeteren. Deze verbetering werd niet gevonden op het opnieuw gepolijste monster voor deze studie. Het is echter moeilijk om de matrix donker te maken op de platen 7 en 10 vanwege de grote hoeveelheid ferriet die de DET-structuur van de matrix in deze platen produceert. Met picraal etsen vertonen de oppervlakken van de glaasjes een zeer vaag patroon als gevolg van dit probleem, in tegenstelling tot een helder patroon op glaasje 9 met zijn parelmoeren matrix. Met ijzerchloride wrijvend etsen is de matrix donkerder, maar nog steeds niet zo donker als bij lemmet 9, zoals te zien is in figuur 2. Het is mogelijk dat Zschokke, die de klingen had geretoucheerd voor zijn studie van 1924, een superieure etstechniek heeft gebruikt waardoor de DET matrix van lemmet 10 donkerder kon worden geëtst en er dus duidelijker banden ontstonden, wat leidde tot de conclusie dat zijn damascus patroon superieur was aan dat van lemmet 9. Vier Wootz Damascus platen Om een betere statistische steekproef te verkrijgen van het gehalte aan onzuiverheden in echte wootz Damascus platen, werden vier extra platen geanalyseerd. Drie van de plaatjes waren al eerder bestudeerd; de dwarsdoorsneden toonden goed uitgelijnde banden van Fe3C-deeltjes met een morfologie die lijkt op die van Zwaard 9. Bovendien vertoonden de oppervlakken van alle plaatjes uitstekende damastpatronen. Alle drie de klingen werden geïdentificeerd als Voigt,21 Figiel,8 en Old B.15 Alle drie werden voor deze studie opnieuw geanalyseerd op dezelfde emissiespectrometer die voor de Zschokke-zwaarden werd gebruikt. De resultaten van de analyses, samen met de volledige analyses van de vier Zschokke-zwaarden, zijn weergegeven in tabel IV.
| Table IV. Chemische analyse van zeven Wootz Damascus messen* | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Element | 7 | 9 | 10 | Old B | Figiel | Voigt | Kard |
| C | 1.71 | 1.41 | 1.79 | 1.51 | 1.64 | 1.00 |
|