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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft die Herstellung von rostfreiem Damaststahl.
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Damaststahl, auch Damaszener Stahl genannt, bezeichnet einen Schweißverbundstahl, der aus mehreren Lagen unterschiedlicher Stahlsorten besteht.
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Traditionell wird Damaststahl durch Feuerverschweißen hergestellt. Als Ausgangsmaterial dienen mehrere Stahlbleche bzw. Stahlplatten; meist werden 3–8 Stahlbleche verwendet. Diese ordnet man so an, dass ein Stapel entsteht, wobei die Stahlbleche jeweils auf einem Stahlblech einer unterschiedlichen Stahlsorte zu liegen kommen.
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Zum Verschweißen der Stahlbleche dient ein Schmiedefeuer oder -ofen. Dieser erwärmt den Stapel auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts der verwendeten Stahlsorten, d. h. auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts der Stahlsorte mit dem niedrigsten Schmelzpunkt (etwa 1200 bis 1300°C).
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Eine Verbindung der Stahlbleche kommt zu Stande, wenn der erwärmte Stapel mit hohem Druck beaufschlagt wird. Der Druck kann beispielsweise von Hammerschlägen herrühren. In der Regel findet heute ein Feder- oder Lufthammer oder ein einfacher Schmiedehammer Verwendung. Dieses Verfahren bezeichnet man als „Feuerverschweißen”.
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Bei der Bearbeitung mit einem Hammer verformt sich der Stahl und wird flacher. Durch geeignete Platzierung der Hammerschläge kann ein Schmied erreichen, dass das Paket sich etwa auf die doppelte Länge reckt, ohne dass die Breite des Stapels sich nennenswert ändert.
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Nach der Bearbeitung mit dem Hammer wird der Stapel gedoppelt. Dazu erhitzt man den Stapel in der Mitte, bringt dort eine Kerbe ein und faltet den Stapel entlang dieser Kerbe. Der gefaltete Stapel wird erneut erhitzt und mit dem Hammer bearbeitet. Infolgedessen verbinden sich die beiden aufeinander gefalteten Hälften des Stapels.
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Durch wiederholtes Doppeln entsteht schließlich ein Rohling, der aus zahlreichen sehr dünnen Stahlschichten aufgebaut ist.
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Für Damaststahl, der nach traditionellem Verfahren hergestellt werden soll, eignet sich kein rostfreier Stahl. Rostfreier Stahl, auch nichtrostender Stahl genannt, ist eine Bezeichnung für eine Gruppe korrosions- und säurebeständiger Stahlsorten. Diese zeichnen sich durch einen Masseanteil von mehr als 10,5% Chrom, häufig mehr als 12% Chrom, aus.
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Bei Kontakt mit der Luft bildet das in dem Stahl enthaltene Chrom eine oberflächliche Chromoxid-Schicht. Diese schirmt die darunter liegenden Stahlschichten gegenüber der Luft ab und verhindert so weitere Oxidation. Allerdings verhindert die Chromoxid-Schicht auch, dass sich rostfreier Stahl feuerverschweißen lässt.
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Stand der Technik
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Zur Herstellung von Damaststahl aus rostfreien Stahlsorten sind pulvermetallurgische Verfahren bekannt. Dabei wird Stahlpulver in einem Behälter so vermischt, dass sich Muster bilden.
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Nach dem Verschließen des Behälters wird die darin enthaltene Luft evakuiert. Durch Erhöhung von Druck und Temperatur sintert das Stahlpulver, d. h. die in dem Pulver enthaltenen Stahlpartikel verbinden sich zu einem zusammenhängenden Block. Der so erzeugte Werkstoff ist unter der Bezeichnung „Damasteel” bekannt.
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Gesintertes Metall weist generell eine Reihe von Nachteilen auf. So ist es prinzipbedingt porös und damit weniger stabil als monolithisches Metall. Die Herstellung des benötigten Pulvers ist vergleichsweise teuer. Weiterhin werden spezielle Pressen benötigt, um das Pulver mit dem erforderlichen Druck zu beaufschlagen. Daher ist die Herstellung von „Damasteel” nur in industriellem Maßstab wirtschaftlich. So wird „Damasteel” gewöhnlich in Blöcken von ca. 1,5 t produziert. „Damasteel” findet daher vor allem bei Anhängern traditioneller Schmiedekunst kaum Anerkennung.
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Aufgabe
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Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung rostfreier Stahlsorten qualitativ hochwertigen Damaststahl herzustellen, der die obengenannten Nachteile nicht aufweist.
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Lösung
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
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Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Herstellung von Damaststahl unter Verwendung mindestens zweier Stahlbleche. Mindestens eins dieser Bleche besteht aus rostfreiem Stahl. Vorzugsweise bestehen aber sämtliche verwendeten Stahlbleche aus rostfreiem Stahl. Je nach herzustellender Damastsorte und angestrebter Erzeugnisqualität können austenitische oder martensitische Bleche verwendet werden.
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Der Begriff Stahlblech bezeichnet hier ein beliebiges aus Stahl bestehendes Halbzeug, das mindestens zwei parallel zueinander verlaufende ebene Flächen aufweist. Genau zwei dieser Flächen werden im Folgenden als Grundflächen bezeichnet. Die übrigen Flächen des Stahlblechs bilden dessen Kanten und werden entsprechend als Kantenflächen bezeichnet.
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Vorzugsweise ist das Stahlblech so dimensioniert, dass der Abstand je zweier Punkte je einer von zwei sich nicht berührenden Kantenflächen größer ist als der Abstand der beiden Grundflächen. Der Abstand der beiden Grundflächen wird im Folgenden als Dicke des Stahlblechs bezeichnet.
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Die Dicken der verwendeten Bleche können grundsätzlich frei gewählt werden. Als besonders geeignet haben sich Stahlbleche einer Dicke von 0,2 mm bis 50 mm erwiesen. Die weiteren Abmessungen der Stahlbleche sind ebenfalls weitestgehend frei wählbar und hauptsächlich durch die verwendeten Gerätschaften beschränkt.
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Vorzugsweise sind die Grundflächen der mindestens zwei verwendeten Stahlbleche kongruent. Dabei kann die Dicke der mindestens zwei Stahlbleche variieren, d. h. die Dicke eines ersten der mindestens zwei Stahlbleche kann sich von der Dicke eines zweiten der mindestens zwei Stahlbleche unterscheiden. Auch ist es möglich, dass die mindestens zwei Stahlbleche geometrisch übereinstimmen, d. h. die geometrische Form der mindestens zwei Stahlbleche ist gleich.
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Verwendung finden üblicherweise quaderförmige Stahlbleche mit rechteckförmiger Grundfläche, deren Länge und Breite entsprechend obigen Ausführungen größer als die Dicke ist.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens ein Teil der Chromoxid-Schicht des mindestens einen aus rostfreiem Stahl bestehenden Stahlblechs entfernt. Um einen möglichst großflächigen Verbund der mindestens zwei Stahlbleche zu gewährleisten, wird vorzugsweise mindestens eine der beiden Grundflächen des mindestens einen aus rostfreiem Stahl bestehenden Stahlblechs vollständig von der Chromoxid-Schicht befreit.
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Das mindestens eine aus rostfreiem Stahl bestehende Stahlblech kann nur mit einem weiteren Stahlblech verbunden werden, wenn die Kontaktflächen der beiden Bleche blank sind. Daher wird mindestens ein Teil der Chromoxid-Schicht mindestens eines weiteren der mindestens zwei Stahlbleche entfernt. Vorzugsweise wird mindestens eine der beiden Grundflächen dieses Stahlblechs vollständig von der Chromoxid-Schicht befreit. Insbesondere kann dass mindestens eine weitere der mindestens zwei Stahlbleche nicht nur aus rostfreiem Stahl, sondern auch aus herkömmlichem, nicht rostfreiem Stahl bestehen.
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Als praktikabel hat es sich erwiesen, die Chromoxid-Schicht mechanisch abzutragen. Vorzugsweise wird die Chromoxid-Schicht abgeschliffen. Geeignet erscheinen darüber hinaus weitere, dem Fachmann bekannte spanende Verfahren. Auch wäre es denkbar, die Chromoxid-Schicht mittels chemischer Behandlung zu entfernen.
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Neben dem mindestens einen Teil der Chromoxid-Schicht sollten auch Verunreinigungen, wie zum Beispiel anhaftende Fette, entfernt werden. Vorzugsweise werden die Chromoxid-Schicht und die Verunreinigungen in einem einzigen Arbeitsgang entfernt. Der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens entfernt daher vorzugsweise nicht nur den mindestens einen Teil der Chromoxid-Schicht, sondern auch die Verunreinigungen. Alternativ kommt nach dem ersten Schritt zur Entfernung der Verunreinigungen ein Reinigungsmittel zum Einsatz.
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Ein zweiter Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die mindestens zwei Stahlbleche zu einem Stapel anzuordnen. Dabei werden die mindestens zwei Stahlbleche so aufeinander gelegt, dass sie sich in ihren Grundflächen berühren. Vorzugsweise berühren die Grundflächen sich dort, wo im ersten Schritt die Chromoxid-Schicht entfernt wurde. So berühren sich etwa die mindestens eine vollständig von der Chromoxid-Schicht befreite Grundfläche des mindestens einen aus rostfreiem Stahl bestehenden Stahlblechs und die mindestens eine vollständig von der Chromoxid-Schicht befreite Grundfläche des mindestens einen weiteren der mindestens zwei Stahlbleche.
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Bevorzugt wird weiterhin, dass die Grundflächen der mindestens zwei Stahlbleche im zweiten Schritt zur Deckung gebracht werden, d. h. dass jeweils zwei Grundflächen sich vollständig berühren. Die Fläche, in der die Berührung stattfindet, ist dabei identisch mit den zwei Grundflächen. Die Kanten zweier sich berührender Stahlbleche berühren einander entlang einer geschlossenen, in einer Ebene liegenden Kurve.
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Der Stapel wird in einem dritten Schritt mit einem Druck beaufschlagt. Dieser Druck presst die mindestens zwei zu einem Stapel angeordneten Stahlbleche aufeinander. Hierzu muss der Druck mindestens teilweise senkrecht zu den Grundflächen der mindestens zwei Stahlbleche wirken. Vorzugsweise wirkt der Druck ausschließlich senkrecht zu den Grundflächen der mindestens zwei Stahlbleche.
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Als zielführend hat sich ein konstanter, d. h. über mindestens einen Zeitabschnitt gleichbleibender Druck erwiesen. Ein konstanter Druck kann etwa mittels einer Presse oder ähnlichen Vorrichtungen aufgebracht werden.
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Der Druck bewirkt, dass die zwischen den mindestens zwei Stahlblechen enthaltene Luft aus dem Stapel entweicht. Dies bereitet einen vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vor.
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Während dieses vierten Schritts ist der Stapel weiterhin mit dem Druck beaufschlagt. Dabei wird eine luftdichte Versiegelung der durch die Kanten der mindestens zwei Stahlbleche gebildeten Seitenflächen des Stapels erzeugt. Diese Versiegelung kapselt das Innere des Stapels gegenüber der Umgebungsluft. Insbesondere ist die Versiegelung derart beschaffen, dass die im dritten Schritt entwichene Luft auch dann nicht zurück in den Stapel gelangen kann, wenn der Druck, mit dem der Stapel beaufschlagt ist, abgebaut wird. Dazu ist die Versiegelung nicht nur luftdicht, sondern bevorzugt auch zugfest.
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Weiterhin sollte zwischen der Versiegelung und den Kanten der mindestens zwei Stahlbleche eine kraftschlüssige, formschlüssige oder materialschlüssige Verbindung bestehen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine materialschlüssige Verbindung erwiesen.
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In einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stapel erwärmt. Auch hierbei sollt die luftdichte Versiegelung verhindern, dass die aus dem Stapel entwichene Luft zurück in den Stapel gelangen kann. Die luftdichte Versiegelung ist daher bevorzugt temperaturbeständig, insbesondere gegenüber den Temperaturen, die der Stapel im Verlaufe des fünften Schritts annimmt.
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Vorzugsweise wird der Stapel vorgewärmt. Im Verlaufe des fünften Schritts erreicht die Temperatur des Stapels ein Maximum, dass knapp unterhalb des Schmelzpunkts jeder der Stahlsorten liegt, aus denen die mindestens zwei Stahlbleche bestehen. Je nach verwendeter Stahlsorte liegt das Maximum entsprechend in einem Bereich zwischen 1150°C und 1220°C. Diese Temperatur wird für eine gewisse Zeitspanne gehalten. Je größer der Querschnitt des Stapels, desto großzügiger muss diese Zeitspanne bemessen sein. Eine Zeitspanne von einer Stunde pro 10 cm der kürzesten Abmessung (z. B. Breite oder Höhe) des Querschnitts des Stapels hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Nach dem Erwärmen des Stapels können die mindestens zwei Bleche durch erneutes Beaufschlagen des Stapels mit einem Druck verschweißt werden. Bezüglich der Richtung dieses Drucks gilt das obenstehend zur Wirkrichtung des im dritten Schritt aufgebrachten Drucks Gesagte.
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Es zeigte sich allerdings, dass sowohl ein statischer, gleichmäßig verteilter Druck, wie ihn etwa eine Presse erzeugt, als auch ein Druckimpuls, etwa durch einen Hammer induziert, zu einer minderwertigen Werkstückqualität führt. So war insbesondere die Verbindung der mindestens zwei Stahlbleche unzureichend. Bei der anschließenden Weiterverarbeitung des Stapels lösten sich einzelne Stahlbleche voneinander ab.
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Eine dauerhaft stabile Schweißverbindung der mindestens zwei Stahlbleche ist hingegen zu erzielen, indem der Stapel erfindungsgemäß gewalzt wird. Dabei beaufschlagen zwei entgegengesetzt rotierende Walzen den Stapel mit dem Druck. Der Abstand zwischen den beiden Walzen muss dazu geringer sein, als die Höhe des Stapels. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand 75–80% der Höhe des Stapels, so dass die Höhe des Stapels durch das Walzen um 20–25% reduziert wird.
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Der Stapel durchläuft die Walzen vorzugsweise der Länge nach. Dabei sind die Grundflächen der mindestens zwei Stahlbleche parallel zur Bewegungsrichtung des Stapels ausgerichtet. Die Walzen rollen auf der oberen Grundfläche des in dem Stapel zuoberst befindlichen der mindestens zwei Stahlbleche und auf der unteren Grundfläche des in dem Stapel zuunterst befindlichen der mindestens zwei Stahlbleche ab.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens werden die Kanten der mindestens zwei Stahlbleche verschweißt, so dass das Schweißgut bzw. Schmelzgut (das beim Schweißen aufgeschmolzene Material) die Versiegelung der Seitenflächen des Stapels bildet. Dazu muss das Schweißgut die Seitenflächen des Stapels vollständig bedecken. Die Seitenflächen des Stapels müssen mithin vollständig verschweißt werden.
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Im einzelnen werden die Kanten jedes der mindestens zwei Stahlbleche, das sich innerhalb des Stapels befindet, d. h. dass sich von dem zuoberst in dem Stapel befindlichen der mindestens zwei Stahlbleche und von dem zuunterst in dem Stapel befindlichen der mindestens zwei Stahlbleche unterscheidet, vollständig bzw. umlaufend mit den Kanten des oberhalb in dem Stapel befindlichen Stahlblechs und mit den Kanten des unterhalb in dem Stapel befindlichen Stahlblechs verschweißt.
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Zum Versiegeln der Seitenflächen des Stapels kommen vorzugsweise das WIG-Schweißverfahren (Wolfram-Inertgasschweißen) oder das MAG-Schweißverfahren (Metallschweißen mit aktiven, d. h. reaktionsfähigen, Gasen) oder das Elektrodenschweißverfahren zum Einsatz.
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Nach dem Walzen des Stapels wird die Versiegelung von dessen Seitenflächen in einem bevorzugten weiteren Verfahrensschritt entfernt. Dies kann durch Fräsen, Sägen, Schleifen, Stanzen oder Schneiden erfolgen.
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Es entsteht ein Schweißverbundstahl, der für eine Weiterverarbeitung je nach Bedarf und gewünschten Abmessungen ausgewalzt oder ausgeschmiedet werden kann.
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Beansprucht wird weiterhin Damaststahl, der nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens hergestellt wurde.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt:
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1 Stahlbleche;
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2 die Entfernung von Chromoxid;
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3 die Erzeugung einer luftdichten Versiegelung;
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4 die Erwärmung in einem Schmiedeofen; und
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5 einen Walzvorgang.
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1 zeigt verschiedene Bleche 102 aus rostfreiem Stahl.
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Diese dienen als Ausgangsmaterial zur Herstellung von rostfreiem Damaststahl.
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Die Chromoxid-Schicht, die sich bei Kontakt mit der Umgebungsluft auf der Oberfläche von rostfreiem Stahl bildet, würde verhindern, dass sich die Bleche 102 beim Schweißvorgang stoffschlüssig verbinden. Daher kommt, wie in 2 dargestellt, ein Schleifwerkzeug 202 zum Einsatz, um die Chromoxid-Schicht zu entfernen.
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3 zeigt die zu einem Stapel 302 angeordneten Stahlbleche 102. Ein Druck 304, der auf den Stapel 302 ausgeübt wird, lässt einen Großteil der Luft, die sich innerhalb des Stapels 302 zwischen den einzelnen Stahlblechen 102 befindet, entweichen.
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Ein Schweißwerkzeug 306 dient dazu, sämtliche Seitenflächen die des Stapels 302 luftdicht zu versiegeln. Hierzu zählen neben den in 3 sichtbaren Seitenflächen 308a und 308b auch zwei Seitenflächen, die in dieser Figur von dem Stapel 302 verdeckt sind. Das Schweißwerkzeug 306 wird an sämtlichen Seitenflächen des Stapels 302 entlanggeführt, bis das entstehende Schweißgut 310 diese Seitenflächen vollständig überdeckt.
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Ein Schmiedeofen 402, dargestellt in 4, erwärmt den verschweißten Stapel 302 so stark, dass die enthaltenen Stahlbleche 102 nachfolgend an ihren Grundflächen verschweißt werden können.
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Den Schweißvorgang zeigt 5. Zwei Walzen 502a und 502b dienen dazu, die in dem Stapel 302 enthaltenden Stahlbleche 102 zu verpressen. Aufgrund der Erwärmung des Stapels 302 in dem Schmiedeofen 402 entsteht dabei eine stoffschlüssige Verbindung der Stahlbleche 102. Chromoxid-Schichten konnten sich nach dem Abschleifen der Stahlbleche 102 aufgrund der luftdichten Versiegelung durch das Schweißgut 310 nicht mehr bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- Stahlblech
- 202
- Schleifwerkzeug
- 302
- Stapel
- 304
- Druck
- 306
- Schweißwerkzeug
- 308a
- Seitenfläche
- 308b
- Seitenfläche
- 310
- Schweißgut
- 402
- Schmiedeofen
- 502a
- Walze
- 502b
- Walze
