Stahl aus Eisenerz herstellen - Historische Stahlherstellung. - Historische Schwertschmiede, Stahl aus Eisenerzen

Wie wird aus Eisenerz Stahl?

Eisenerz ist nicht selten in der Natur und kommt in kleineren und grösseren Lagerstätten meist unterirdisch, aber auch oberirdisch vor. Wie man weiss, rostet Eisen und wird zu Eisenoxid. Deswegen kann Eisen eigentlich nicht in den Erdschichten, in gediegener Form vorkommen. Eisenerz, ist wie viele Metalle mit Sauerstoff gebunden und muss getrennt werden. Die Reduktion von Sauerstoff wird bei Metallen allgemein im glühenden Zustand in Kontakt mit Holzkohle erreicht. Es ist eine uralte Technik, die bereits bei Kupfererzen verwendet wurde. Glühende Holzkohle gibt Kohlenmonoxid ab, das ein Sauerstoffatom aus dem Erz an sich bindet und zu Kohlendioxid wird. Das Kohlendioxid entweicht als Gas, das reduzierte Eisen setzt sich unterhalb der heissen Zone ab.

In einem solchen Reduktionsofen kann man oxidische Verbindungen durch die Holzkohle trennen. Man könnte auch erfolgreich aus Kupfererzen, Zunder, Rost oder anderen Oxidverbindungen ein gediegenes Metall herstellen.

Eisenerz und Holzkohle als Ausgangsmaterial.

Eisenerze unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht:

Es gibt unterschiedlichste Vorkommen. Als Sand, Granulat oder gediegener Stein, in unterschiedlichsten Farben.
Die Vorkommen sind „gewachsen“. Es ist meist ein natürliches Gemisch aus unterschiedlichen Schichten.
Eisenerze haben unterschiedliche Eisengehalte.
Es gibt unterschiedliche Oxidationsstufen. Das Eisenerz, welches dem Eisen am nächsten steht, ist magnetisch: Magnetit.
Ab etwa 40%Fe rentiert der Abbau von Eisenerzen. Der höchste Wert, den ich je verarbeitet habe, lag bei 72%Fe.
Es kann unterschiedlich viel taubes Gestein enthalten sein.
In Eisenerzen können in unterschiedlichen Mengen andere Elemente enthalten sein. Schwefel, Phosphor, Mangan, Silizium, usw..

Bei der Verarbeitung von Eisenerzen muss man sein Wesen berücksichtigen. Beherrscht man das Handwerk, kann man aus den unterschiedlichsten Erzen nicht nur einen brauchbaren Rohstahl herstellen, sondern auch noch die Qualitäten und Eigenschaften steuern. Meines Wissens kann man bis heute, durch die Untersuchung eines Rennofenstahls, nicht das Eisenerz bestimmen, aus welchem er hergestellt wurde. Das grundsätzliche Produkt ist immer das Element Eisen, egal aus welchem Erz. Dazu später noch.

Eisenerze können unterschiedlichste Formen und Farben aufweisen. Die Rohstahlherstellung im Rennofen ist annähernd gleich. Man muss bei der Rohstahlherstellung die Eigenschaften der jeweiligen Erzen berücksichtigen. Das schlussendlich entstehende Eisen ist grundsätzlich das gleiche Element Eisen. Die einzigen nennenswerten Beimengungen sind Phosphor, Schwefel und Kohlenstoff.

Es gibt auch sehr unterschiedliche Holzkohlen:

Die Holzart bestimmt sowohl den Brennwert als auch die höchste zu erreichende Temperatur.
Die Qualität des Holzes bestimmt die Qualität der Holzkohle.
Die Temperatur beim Köhlern des Holzes bestimmt den Brennwert der Holzkohle.
Beim Köhlern kann eine kompakte oder gerissene Holzkohle entstehen.
Man kann feine, bis hin zu sehr grober Holzkohle verwenden.
Holzkohle kann mehr oder weniger stark beim Verbrennen Funken bilden, „explodieren“.

Holzkohle passt beeindruckend perfekt zur Stahlherstellung aus Eisenerzen. Fossile Kohlen (ab 18. Jhdt.) sind zu heiss und verunreinigt. Die Holzkohle war regional sogar weit über das 18. Jahrhundert hinaus der effizienteste Brennstoff der Menschheit. Früher wurde viel mehr unterschieden, welche Holzkohle wofür am geeignetsten ist. Beim Schmieden und auch beim Kochen.

Reduktion im Rennofen.

Umgangssprachlich ist der Rennofen in der historischen Stahlherstellung allgegenwärtig, er ist aber nur eine von vielen Möglichkeiten, um aus Eisenerzen und Holzkohle Stahl herzustellen. Das Rennfeuer zum Beispiel, wird seltener thematisiert. Der Renn – Ofen ist ein Schacht, während das Renn – Feuer eine offene Feuerstelle ist. In beiden wird mit glühender Holzkohle, deren Temperatur durch einen Luftstrom gesteigert wird, aus Eisenerzen ein Rohstahl hergestellt. Durch die andersartige Konstruktion hat man unterschiedliche Möglichkeiten, um gezielt Rohstahl, mit grundlegend anderen Eigenschaften herzustellen. Das ist aber alles Handwerk. Die Feuerung ist nur ein Werkzeug, das man unterschiedlich nutzen kann. Es ist immer der selbe chemisch‑physikalische Prozess, der stattfindet. Ob der Rennofen mehrere Düsen hat, wie in Japan, oder nur mit einer betrieben wird, ist sekundär. Weder Nationalität, Zeit noch Kontinent sind relevant. Nur die Umstände, unter welchen die Reaktion von Eisenerz und Holzkohle stattfindet, definieren den resultierenden Rohstahl. Korn für Korn und Schicht um Schicht.

Wie entsteht die Luppe.

Im Prinzip ist der Betrieb eines Rennofens fast so einfach wie Grillieren. Ein Feuer machen, die Glut mit Luftdruck nähren, Holzkohle und Eisenerze nachlegen. Unter dem heissesten Bereich, der Reduktionszone, setzt sich dann das erkaltende reduzierte Roheisen ab (Luppe, Eisenschwamm, Jap. Tamahagane). Wichtig ist zu wissen, dass dabei nicht die Schmelze des Eisens/Stahls erreicht wird. Der reduzierte Eisenwerkstoff setzt sich „teigig“, Stück um Stück nacheinander und aufeinander ab. Bildlich entspricht das schlussendlich einem „Sandhaufen“, in welchem jedes reduzierte Erz seinen Verlauf der Reduktion dokumentiert.

Der Rennofenprozess wird beeinflusst durch:

Der jeweilige Luftdruck beim Durchlauf vom Erz. Schwankungen, Aussetzer oder Luftdruckunterschiede. Alles hat Einfluss.
Die Bauart der Feuerung.
Die Höhe der Temperaturen.
Dauer der Reduktion.
Das Angebot an Kohlenmonoxid.
Die Eigenschaft des jeweiligen einzelnen Eisenerzkorns.
Feuchtigkeit in Holzkohle, Eisenerz oder der Wandung.
Die Wandung „frisst“ im Ofengang anfänglich viel Energie und wird heisser. Das Energieangebot für das Erz verändert sich.
Schlacke aus der Wandung und aus taubem Gestein kann für das Eisenerz isolierend sein.
Zuschlägen wie Kalkstein können zugegeben werden, um eine Schlacke zu bilden. Daher heisst es Rennofen – von Rinnen.
Unterschiedliche Qualität der Holzkohle.
Der Verlauf der Witterung. Hunderte Liter der jeweiligen Luft werden eingeblasen.

Man könnte die Liste weiterführen. Wenn man das Handwerk beherrscht, ist die Bandbreite, dass ein brauchbarer Stahl entsteht, recht gross. Die aufgeführten Punkte sind Möglichkeiten, um die entstehende Qualität des Roheisens fundamental zu beeinflussen. Wichtig: Ein magnetischer Klumpen Metall entsteht sehr schnell. Das heisst aber noch lange nicht, dass der Rohstahl brauchbar ist.

Warum ist die Luppe noch kein fertiger Klingenstahl?

Eine Luppe sieht von weitem meist recht gediegen aus, ist sie aber überhaupt nicht. Abhängig vom Reduktionsverlauf im Rennofen ist es ein Eisenschwamm voller sehr feiner, kleiner Löcher und grösseren. Teils ist der Rohstahl so luftig, dass der Hammer beim ersten Schmieden tief einsinkt. Natürlich ist er auch voller Verunreinigungen von Schlacke und Holzkohleresten, die möglichst entfernt werden müssen. Dafür verwendet man die Feuerverschweissung, die so alt ist wie der Stahl selbst und zur Stahlherstellung erfunden wurde. Das ist jedenfalls die gängige Annahme. Es gibt aber andere, eigentlich viel wichtigere Gründe für das mehrfache Ausschmieden und Feuerverschweissen. Eine direkt aus dem Rohstahl geschmiedeten Klinge hat keine Festigkeit und ist „unreif“. Unsere Vorfahren brauchten Stahl für das tägliche Leben, um zu überleben. Wer will schon mit einem Schwert kämpfen, dass zerbricht, wenn es auf den Boden fällt? Warum sollte man eine wertvolle, teure Axt erwerben, wenn die Schneide bereits nach wenigen Schlägen abbricht? Das wäre dumm. Absolut primär und einzig wichtig ist der Gebrauchswert von Werkzeugen und Waffen.

Aus dem grossen Volumen der Luppe wird eine kleinere aber kompakte Platte:

Aufbereitung durch Schmieden und feuerverschweissen.

Anhand der erhaltenen alten Stähle kann man sehen, dass bereits bei den ersten Stählen der Eisenzeit erkannt wurde, dass die Qualität des Rohstahls durch mehrfaches Ausschmieden, Zusammenfalten und Feuerverschweissen immer besser wird. Voraussetzung für die notwendige Weiterverarbeitung ist ein brauchbarer Rohstahl. Es gibt bei uns seit Jahrzehnten unzählige Rennofen-Vorführungen, aber praktisch keine brauchbaren, gehärteten Klingen aus diesem Stahl. Der gesamte Bereich von Beginn der Weiterverarbeitung eines brauchbaren Rohstahls bis zur gehärteten Klinge wird in Europa kaum beherrscht.

Eigenschaften des direkt aus Eisenerzen hergestellten Rohstahls:

Unbrauchbarer Rohstahl/Luppen zerfallen nach einiger Schmiedezeit und können nicht weiterverarbeitet werden.
Beim Schmieden ist der brauchbare Rohstahl erst zäh und brüchig und wird aber nach jeder Faltung besser plastisch formbar.
Erst nach einigen Faltungen lässt sich der Stahl glühend biegen, ohne dass er bricht.
Man kann den brauchbaren Rohstahl auch nicht tordieren (in sich verdrehen), er reisst morsch.
Selbst kurze Klingen, direkt aus einem brauchbaren Rohstahl hergestellt, brechen bei geringer Belastung.
Die Schneiden von direkt aus dem Rohstahl hergestellten Klingen haben keine brauchbare Qualität.

Der Rohstahl aus dem Rennofen ist wie ein Sandhaufen aufgebaut. Es sind Körner, die nur geringe Kontaktflächen zueinander haben. Erst durch das mehrfache Ausschmieden, Falten und Feuerverschweissen entstehen im Stahl belastbare, dehnbare Phasen. Gleichzeitig wird die Stahlmatrix durch die langen, hohen Temperaturen und den Kohlenstoff noch weitgehender reduziert. Der Stahl wird „reift“. Bei der Aufbereitung verändert sich der Stahl laufend. Im Altertum war es ein enormer Aufwand, bei geringem Ertrag. Trotzdem wurde der Rohstahl allgemein mehrfach gefaltet. Die traditionellen japanischen Schwertschmiede falten ihren Stahl bis zu 13 Mal. Das sind Zehntausende von Schichten. Ein Zentimeter Rohstahl wird zu über 10 m Länge ausgeschmiedet. Eisenerze in einem Feuer zu „grillen“, ohne Sinn, ist eine Verhöhnung der Leistungen unserer Vorfahren.

Diese Strukturen sind repräsentativ für Stähle, welche direkt aus Eisenerzen im Rennofen hergestellt wurden. Ganz natürlich entstehen weisse Trennlinien aus oxidischen Linien, die durch eine Kunstpolitur ersichtlich gemacht werden können. Der Stahl besteht aus tausenden Schichten. Wie man anhand der Härtung sehen kann, ist der Kohlenstoffgehalt gleichmässig. Die sichtbaren Farbunterschiede in den Schichten, sind die Eigenschaften jedes einzelnen Eisenerz Korns.

Kohlenstoff im Rennofenstahl.

Den grössten und wichtigsten Einfluss auf Eisenerze und das Eisen hat der Kohlenstoff. Er wird für die Stahlherstellung wie auch für die Härtung benötigt. Für gehärtete Werkzeuge und Waffen ist die gesamte Stahlherstellung auf die spätere Härtung ausgerichtet. Man stellt einen Stahl selbst her und muss auch den Kohlenstoffgehalt optimieren und steuern. Auch da gibt es unterschiedlichste Möglichkeiten und Techniken. Der Kohlenstoff im Rennofenstahl ist nur leicht gebunden, weil die Stahlschmelze in Rennofen nicht erreicht wird und es keine Legierungselemente gibt. Nicht vergleichbar mit unserem heutigen modernen Industriestahl. Der Kohlenstoff gleicht sich im glühenden Rennstahl schnell aus. Auch das ist bisher weitgehend unbekannt, ist aber für jeden, der das historische Handwerk aus Eisenerzen beherrscht, Normalität. Aus Rennofenstahl, können keine klaren Grenzen aus härtbaren und nicht härtbaren Schichten erstellt werden. Der Kohlenstoff „wandert“, es entstehen Verläufe, Wolken. Deswegen wurden grosszügige Maserungen mit phosphorhaltigen Stählen erzeugt. Der Phosphor hält seine Position selbst nach längere Schmiedezeit im glühenden Zustand. Dadurch kann eine klar abgrenzende grosszügige Maserung erstellt werden. Der seit Jahrzehnten als historisch europäisch bezeichnete „Damaszenerstahl“ kann mit dem Rennstahl nicht hergestellt werden. Wie so vieles, ist es jahrzehntelange Verarsche.

Die Diffusion in einem aus Eisenerzen hergestellten Stahl.

In dieser römischen Pflugschaufel ist das Wandern des Kohlenstoffs im Stahl gut zu sehen. Es waren ursprünglich einzelne Schichten, mit höherem Kohlenstoffgehalt. Der Kohlenstoff ist nur als Wolke, mit einem langen Auslauf zu erkennen. Das ist eine gegebene Normalität. Klare Abgrenzungen zwischen Kohlenstoffgehalten wie beim „Damaszenerstahl“ sind absolut unrealistisch und reine Fantasie bei Rennstählen.

Vom Rohstahl zur Klinge.

Die Aufbereitung des brauchbaren Rohstahls durch Schmiedearbeit und Feuerverschweissungen, ist in Japan die hohe Kunst und Arbeit der Schwertschmiede. Um hohe Qualitäten herstellen zu können, lernen die Schmiede das Handwerk über Jahre hinweg bei einem Meister. Allgemein wird in den qualifizierten Fachkreisen auf viele weitere Jahre nach der Lehrzeit hingewiesen, in denen das sehr schwierige Kunsthandwerk zur Beherrschung weiter studiert werden muss. In Japan ist das Bewusstsein gegenüber der historischen Stahlherstellung und den Qualitäten massiv weiter entwickelt als bei uns. Das Wissen und die Fähigkeiten der historischen japanischen Schmiedekunst sind auch für das historische europäische Schmiedehandwerk absolut verbindlich. Wer das historische europäische Handwerk beherrscht, der kann auch traditionelle japanische Schwerter schmieden. Es ist eine Variante von vielen Möglichkeiten, die aber bei Beherrschung des Handwerks umsetzbar ist. Bei uns hat man von Qualitäten kaum Ahnung, Hauptsache, man kann behaupten, aus Eisenerzen gearbeitet zu haben. In Europa präsentiert man sich als Experte, in Japan wäre man lediglich eine Witzfigur. Verbindlich sind Bewertungen aus japanischen Fachkreisen.

Härten des fertigen Stahls.

Die Härtung einer Klinge die fast 8 mm dick ist.

Das Härten von Stahl und seine Chemie.

Stahl ist aufgrund seiner Härtbarkeit eines der wichtigsten Produkte der Menschheit. Eigentlich müsste es primäres Fachwissen sein, welches Härteverhalten das Element Eisen mit dem Element Kohlenstoff aufweist. Das ist einer der wichtigsten chemischen Grundsätze für Eisenwerkstoffe in der Metallurgie. Erschreckend wenige „Experten“ wissen, dass die Durchhärtbarkeit eines reinen Eisen- Kohlenstoff- Gemischs auf eine Stahldicke von etwa 4 mm beschränkt ist. Sämtlicher Stahl in grösseren Abmessungen kann nicht schnell genug abgeschreckt werden, um eine Härtung (Martensit) bilden zu können. Bei hohen Stahlqualitäten, perfektem Kohlenstoffgehalt und optimaler Abschreckung kann zusätzlich noch eine sehr dünne, auslaufende, oberflächliche Härtung entstehen. Der restliche Stahl wird aber nicht gehärtet, er bleibt weich. Deswegen werden praktisch alle härtbaren modernen Industriestähle mit Legierungselementen hergestellt, um diese bedingte Härtbarkeit zu verbessern. Stähle ohne Legierungselemente, wie der Rennofenstahl direkt aus Eisenerzen, müssen in extrem schroff und schon fast brutal abkühlendem Wasser abgeschreckt werden, damit die Abschreckung schnell genug ist, um eine Härtung zu erreichen. „Kritische Abkühlgeschwindigkeit“ ist der Fachausdruck. Durch Legierungselemente wird die Härtbarkeit erweitert, sodass man im weniger schroff abschreckenden Öl eine Härtung erreicht. Rennstähle ohne Legierungselemente nehmen in Öl abgeschreckt keine Härtung an, weil die Wärmeableitung zu gering ist. Historische Stähle haben deswegen eine abgesetzte Härtung. Ein berühmtes Beispiel sind die japanischen Blankwaffen.

Beispiele fertig hergestellter Klingen.

Weil in diesem Fachbereich viel suggeriert und gelogen wird, werden auf dieser Website hauptsächlich neue Klingen veröffentlicht, deren Herstellung aus Eisenerzen im Rennofen dokumentiert ist.

Unterschied zu modernem Industriestahl.

Rennstähle aus Eisenerzen und moderner Industriestahl sind die Eisenwerkstoffe, mit den grössten Unterschieden unter allen schmiedbaren Stählen. Der eine bildet den Anfang, der andere das Ende. Dazwischen liegen Jahrtausende, in denen der Stahl weiterentwickelt wurde. Selbst heute noch glauben viele, dass man mit modernem Industriestahl die historische europäische Stahlherstellung abhandeln kann. Es ist eine absolute Katastrophe. Mein Fazit nach so vielen Jahrzehnten ist klar und eindeutig.

Warum wir in Europa einen enormen wissenschaftlichen Rückstand haben:

Kaum jemand ist wirklich wissenschaftlich interessiert.
Waffe gleich Macht, Schwert gleich Held, das ist es, was die meisten anzieht.
Das Bewusstsein gegenüber historischer Stähle ist unter dem des gesunden Menschenverstands (z.B. Industriestahl- historisch?).
Alles muss möglichst einfach und überschaubar sein. Vom Handwerk, über „Wissenschaft“ bis hin zu Maserungen.
Man will sich selbst verwirklichen und sucht sich den entsprechenden Bereich aus. Es muss einfach bleiben.
Der Rennofen als Show für Publikum, ohne brauchbares Ergebnis, ist sehr verbreitet. Eigentlich eine Verhöhnung unserer Ahnen.
Der realistische Fachbereich ist hundertmal schwieriger als bisher angenommen. In allem.
Die historische Realität europäischer Stähle entspricht nicht dem bisherigen Wissen. Wie will man das der Öffentlichkeit erklären?
Das Wissen fehlt. Es wurde kaum Wissen geschaffen und ist auf der bisherigen Basis gar nicht möglich.
Es wird weiterhin suggeriert, behauptet und gelogen, der Laie glaubt alles.

Bereits die Aussage, dass man das Können traditioneller japanischer Schwertschmiede haben muss, für das historische europäische Schmiedehandwerk, ist fatal für den Fachbereich. Viel bleibt da nicht mehr. Wenn man vermehrt versteht, dass die Antworten schon immer hauptsächlich im identischen Handwerk lagen, könnte das für die Wissenschaft Folgen haben. Jetzt im Nachhinein versucht man, die ganzen Versäumnisse herunterzuspielen. Es ist aber bereits Teil der Geschichte und auf unterschiedlichste Weise klar dokumentiert. Der verursachte Schaden ist riesig. Es wird noch Generationen dauern, bis dieser eigentlich wichtige Fachbereich des historischen europäischen Stahls sich auf einem vernünftigen Niveau befindet.