CeROArt

Forfatteren vil gerne takke Patrick Storme, professor og leder af afdelingen for konservering og restaurering af metaller ved Artesis University College, Seerp Visser, Dirk Anthierens, Gotscha Lagidse og Zaqro Nonikashvili for deres værdifulde kommentarer, ideer, praktiske viden og hjælp i forbindelse med den forskning, der er opsummeret her.

Indledning

1Jern har spillet en meget vigtig rolle i menneskets udvikling, siden det blev brugt for første gang. Udviklingen af den metallurgiske videnskab og den viden, som vores forfædre havde om jern og stål, var afgørende for nationers opkomst og fald. Blandt de mest berømte og fascinerende historiske former for dette materiale er Damaskus- eller Damaskusstålet det mest kendte. Damaskusstål blev berømt på grund af dets egenskaber, som man mente var tæt på magiske. Det moderne, mere almindeligt accepterede navn for dette stål er digelstål, da stålet blev smeltet i relativt små digler, før det blev smedet til genstande af højeste kvalitet.

2 Kort sagt er digelstål hårdt og alligevel fleksibelt og har et særligt udseende. Dets fysik kan forklares ved dets specifikke mikrostrukturer, som er beskrevet mere detaljeret i 2.1 i denne artikel. Udseendet er kendetegnet ved et mønster, der dannes på overfladen af det polerede og ætsede stål, og som udgøres af disse mikrostrukturer. Ill.2, Damask af sabel af smeltestål i ill.1 viser et typisk mønster af digelstål på sabelens overflade.

3Den lange og interessante historie om digelstål er dækket af en omfattende litteratur. Det er almindeligt accepteret, at dette legendariske stål stammer fra Indien (Verhoeven, 2003) eller Pakistan (TR Anantharamu, 1999), hvor det først blev produceret omkring begyndelsen af vor tidsregning. Senere blev det også fremstillet i nogle områder i Centralasien, f.eks. i det nuværende Turkmenistan og Usbekistan. Det er almindeligt antaget, at teknikken til fremstilling af digelstål gik tabt et sted i det 20. århundrede (Fedosov, 2007). Ifølge forfatternes viden skulle de første personer, der med succes genskabte stålet, efter at teknikken var gået helt tabt, have boet i det tidligere Sovjetunionen: V.I. Basov fra Rusland (Fedosov, 2007) og professor dr. Badri Amaglobeli fra Georgien (Amaglobeli, 1984). Sidstnævnte skrev en meget detaljeret, men i de vestlige lande ukendt ph.d.-afhandling om emnet i 1984. Blot kort tid senere blev dr. John Verhoeven og smed Alfred Pendray, der sandsynligvis ikke kendte til forskningen i Sovjetunionen, deres egen forskning om emnet, med stor succes (Verhoeven og Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998).

5Gennem en intensiv undersøgelse af de historiske beviser for digelstål kunne man konkludere, at mange oplysninger om de oprindelige produktionsmetoder enten var falske, ufuldstændige eller upålidelige. Visse kendsgerninger, som vi i dag kender til produktionsteknikkerne, stammer hovedsagelig fra nogle få historiske beretninger, som er udarbejdet af rejsende fra det 19. århundrede som Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) og Voysey (Voysey, 1832), og fra den enorme mængde forskning om emnet, som blev udført af de vestlige videnskabsmænd John Verhoeven og Alfred Pendray (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven og Pendray, 1992). De førstnævnte rejsende beskriver alle de processer, som stålet blev fremstillet i Indien, og så vidt forfatterne ved, findes der kun én personlig beskrivelse af de fremstillingsmetoder, der blev anvendt i Centralasien, nemlig Masalaskis beskrivelse fra 1841 (Khorasani, 2006). Andre oplysninger findes i udbredte metallografiske (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov og Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) og arkæologiske (TR Anantharamu, 1999; Rehren og Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994) undersøgelser.

6Denne undersøgelse udforsker nogle afgørende trin i fremstillingsprocessen for digelstål i dybden. Til denne arkæo-metallurgiske forskning blev der anvendt historiske, observerende og eksperimentelle praktiske teknikker.

Eksperimentel arkæo-metallurgisk forskning

7I den eksperimentelle arkæologi er den arkæo-metallurgiske forskning en relativt ny disciplin. Den anvender typisk eksperimenter til at besvare et forskningsspørgsmål. Ved at udføre eksperimenter kan man finde frem til nye oplysninger om, hvordan vores forfædre må have levet, arbejdet og tænkt. Det er vigtigt at understrege, at disse teknikker ofte ikke giver egentlige beviser eller hårde data for en bestemt teori, men de kan give ny indsigt. Med andre ord kan eksperimenterne give en refleksion over historiske beretninger.

8Af de akademiske institutioner, der anvender eksperimentelle arkæo-metallurgiske teknikker, kan nævnes University of Hull og Exeter University i Storbritannien, Universidad Autonoma de Madrid i Spanien og Royal University of Groningen i Nederlandene.

Krucibelstål og eksperimentel forskning

9Stål i sin reneste form er intet andet end en kombination af jern og kulstof og kaldes derfor for “kulstofstål”. Kulstof har en særlig effekt på stålets hårdhed og sejhed, og generelt kan man sige, at jo mere kulstof, jo hårdere (og mere sprødt) stålet, op til grænsen ved 6,76% kulstof. Over dette punkt vil legeringen knække og pulveriseres; den har ikke længere nogen konsistens (Budinsky og Budinsky, 2005). Digelstål er et bemærkelsesværdigt rent stål med et højt kulstofindhold på 1-2 vægtprocent kulstof, og det blev fortrinsvis brugt til højt værdsatte våben, rustninger og værktøjer. På ill.1: Sabel fra KLM-MRA’s samling fremstillet af smeltestål (Klaas Remmen) viser en “Shamshir”, et våben, der ofte blev fremstillet af smeltestål. Denne typiske hypereutektoide sammensætning er i stand til at danne specifikke mikrostrukturer, som er ansvarlige for både stålets fremragende skæreegenskaber og for den æstetiske udseende af den ætsede overflade.

10Det høje kulstofindhold danner meget hårde og sprøde strukturer i stålet, kaldet cementit. Det høje kulstofindhold i digelstål giver anledning til dannelse af en masse cementit, som ikke ville være så anvendeligt til kantede våben eller værktøjer, fordi kanten ville flække af, når der blev anvendt en kraft. Ved at anvende komplicerede smedecyklusser var de gamle smede i stand til at få de hårde cementitstrukturer til at bule op og gruppere sig i linjer i det færdige produkt, mens matrixen af blødere stål omkring denne hårde cementit blev hårdere. Det færdige produkt var hårdt og i stand til at modstå slag, mens de linjeformede cementitpartikler fungerede som en mikrosav på genstandens skærekant. De grupper af cementitpartikler, der er synlige på den polerede og ætsede overflade af gamle smeltedigelstålgenstande, udgør hvide, slyngende linjer. Disse linjer kaldes undertiden for stålets “Damask” (J.D. Verhoeven, 2001) og er illustreret på ill.2 Damask på sablen af digelstål på ill.1.

11Ved at starte en række eksperimenter, hvor digelstål blev fremstillet ved hjælp af forskellige teknikker, blev forskellige trin og aspekter undersøgt. En af teknikkerne var den såkaldte “georgiske” smeltedigelstålsteknik. Denne teknik blev udviklet af dr. Zaqro Nonikashvili, en georgisk mestersmed, der har eksperimenteret med digelstål i over et årti. I november 2010 viste han venligt sin teknik på et symposium om digelstål, som blev afholdt i Antwerpen, Belgien. Ligesom de andre kendte mekanismer til fremstilling af digelstål anvender denne teknik jern med lavt kulstofindhold og en kulstofkilde til at forene sig under pyrokemiske forhold og danne stål i en lukket digel. Den måde, hvorpå den georgiske teknik fungerer, adskiller sig dog markant fra andre kendte smeltedigelproduktioner af stål. I denne artikel præsenteres teknikken og nogle historiske overvejelser om arkæologiske fund. Derefter følger en beskrivelse af den metodologi, der blev anvendt i den eksperimentelle forskning.

Georgisk digelståleteknik

12I den georgiske digelståleteknik opdeles en vis mængde jern med lavt kulstofindhold i to lige store dele. I forsøgene blev der anvendt rent jern. Den ene halvdel af jernstykkerne blev lagt i en lerdigel og dækket med sand eller glas med et gennemsnitligt smeltepunkt på ca. 1200°C. Herpå er der lagt et lag trækul. Den anden halvdel af jernstykket lægges nu også i digelen, i skiftende lag af jern og trækul, hvor det sidste eller øverste lag skulle være trækul. Diglen forsegles derefter med et låg, der havde et lille hul i midten. Måden at fylde digelen på er synlig ill.3: Udsnit af digel og dens fyldning (Seerp Visser). De sorte dele på illustrationen repræsenterer trækulet, de røde dele repræsenterer jerndelene, mens de grønne dele viser glasset eller sandet.

13Når digelen brændes i en kul- eller gasovn, når temperaturen i digelen op på 1200 °C, og sandet eller glasset begynder at smelte og danner en klæbrig masse oven på den nederste halvdel af jernladningen. Denne klæbrige masse, som i bund og grund kun er smeltet glas, beskytter den nederste halvdel af jernet mod at blive opkradset af kulet ovenover. Den øverste halvdel af jernladningen, over glasset, begynder at optage kulstof fra det omgivende trækul hurtigere, efterhånden som temperaturen stiger, i overensstemmelse med Ficks lov (Ashby, Shercliff og Cebon, 2007).

14I løbet af processen optager jernet i digelen mere og mere kulstof, og den samlede temperatur stiger op til +-1500 °C. Til sidst vil de oprindelige jernstykker med lavt kulstofindhold blive til en legering med højt kulstofindhold i støbejernsområdet. Da smeltepunktet for jern-kullegeringen falder, efterhånden som legeringen består af mere kulstof, vil disse stykker støbejern smelte. Når jernlegeringen er smeltet, begynder den at dryppe ned gennem stykkerne af trækul og glas og videre ned til bunden af smeltediglen. I modsætning til det lettere trækul kan dette smeltede støbejern gå gennem “filteret” af smeltet glas og sætte sig omkring den nederste del af jernladningen. På grund af den høje temperatur begynder den nederste del af ladningen nu at opsamle kulstof fra det smeltede støbejern, der omgiver den, og vil til sidst smelte sig selv.

15Efter halvanden time er denne brændingsproces afsluttet, og hele den øverste del af jernladningen befinder sig i bunden af smeltediglen. Digelladningen består nu af en smeltet ladning af stål i bunden af digelen, hvorpå der ligger et lag smeltet glas, som stadig fungerer som et låg, der beskytter det smeltede stål mod at reagere med det resterende trækul. Efter afkøling danner stålet de typiske strukturer af digelstål, og det består af en hypereutektoid kulstofprocent på over 0,8 vægtprocent. På ill.4: Tværsnit af digelstål efter afkøling (Klaas Remmen)

Prills og metallografiske undersøgelser

16Efter de første eksperimenter viste det sig, at Nonikashvilis teknik var relativt nem at anvende. Den metallurgiske rest fra stålfremstillingen bestod af fem forskellige dele; rester fra diglen, rester af trækul, en massiv stålbarre og et slaggelag, hvori der var små dråber af en jernlegering. Diglen og trækulet blev kasseret, da fokus primært lå på de andre dele. Den opnåede stålbarre og jernprillerne blev undersøgt for strukturer og konsistens med metallografi.

17 Prøverne blev skåret med en afkølet diamantsav og indlejret i en almindelig indstøbningsharpiks. De blev poleret ned til en 1µm kvalitet ved hjælp af standard metallografiske teknikker, efterfulgt af ætsning med Nital. Prøverne fra ingots viste tydeligt en hypereutektoid sammensætning med en perlitmatrix og nåleformet Widmanstätten-cementit, som det ses på ill.5: Struktur af rå smeltedigelstål.

18Disse mikrostrukturer er typiske for råt digelstål og kan let sammenlignes med metallografiske undersøgelser af gammelt digelstål (M L Wayman, 1999), som det ses ill.6: SEM-billede, der viser gammelt digelstål fra Sri Lanka (M L Wayman).

19Efter smedning af nogle af prøverne med denne struktur viste stålet et bånd af cementit, (som det ses på fig. 7), som er ansvarlig for de hvide markeringer eller damask på den ætsede overflade (som det ses på fig. 8).

20Overst på den størknede barre er der systematisk et lag glas, der findes i diglen, og som bevidst blev tilføjet, mens materialerne blev fyldt på. Dette glaslag klæber ofte til barren, mens den øverste del er dækket af aske og stykker af trækul, som hverken blev opbrugt af luften i digelen eller blev brugt til opkulning af stålet. Desuden blev der ved hvert forsøg med dr. Nonikashvilis teknik fundet sammenkuglede jernpriller fanget i glasset, som det ses på fig. 9.

21Disse dråber målte 0,1 til 5 mm i tværsnit og var placeret overalt og på toppen af slaggelaget. Prillerne fra forskellige dele i glaslaget blev undersøgt med metallografi. Strukturen af disse prillerne viste sig at være en jernlegering med højt kulstofindhold med en kulstofprocent, der ligger et godt stykke ind i området for støbejern. Strukturen af en prill ses på ill.10: Strukturen af en jernlegeringsprill fundet i slaggen (Klaas Remmen) viser grå grafitlameller, der er typiske for en støbejernsstruktur.

Diskussion

22Resultaterne af eksperimenterne efter Nonikashvili’s teknik viste sig at være særligt interessante. Der bemærkes en bemærkelsesværdig lighed med de arkæologiske fund fra et gammelt smeltedigelstålproduktionssted i Merv, Turkmenistan (Feuerbach, 2002). Der foretages en objektiv sammenligning, hvor argumenter tyder på, at det anses for muligt, at metallurgerne i det antikke Merv kunne have anvendt en teknik, der ligner Nonikashvili’s. Sammenligningen foretages med de data, som Feuerbach har leveret og som er tilgængelige i hendes Phd: ‘Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins’ (University College London, 2002).

The prills

23Udgravningsbeviser viser, at smeltediglerne i Merv var særligt store og havde et relativt tyndt lag glas oven på den størknede ingot. Det producerede stål viste en hypereutektoid mikrostruktur. Desuden viste resterne fra værkstedet, at den glasslagge, der blev fundet oven på ingottene, også indeholdt små prillerne af en jern-kullegering med en høj procentdel kulstof, der havde en struktur mellem hypereutektoid jern og støbejern.

24I betragtning af de meget få originale førstehåndsbeskrivelser, der findes om fremstillingen af digelstål, især i den centralasiatiske region, er det usikkert, hvilken teknik der kan have været anvendt til at fremstille digelstål i denne region. De gamle metallurger må have anvendt jern med en relativt lav kulstofprocent sammen med en eller anden kulstofkilde, der skal smeltes i den forseglede digel. Ifølge dr. A. M. Feuerbach er det yderst tvivlsomt, at man i modsætning til andre kendte teknikker til fremstilling af digelstål ville have anvendt støbejern med et højt kulstofindhold som kulstofkilde. Som en hypotese for det indespærrede jern beskriver Feuerbach, at de prills, der blev fundet i slaggelaget, muligvis blev indespærret i glaslaget under processen, efter at de var blevet slynget ud af det smeltede metal på grund af “CO-kogeprocessen i stålet”. Denne kogning er en velkendt og beskrevet reaktion, der opstår, når stål størkner og er mindre i stand til at binde sig med ilt. Når ilten binder sig til kulstof ved afkøling, danner den CO-bobler, som får det smeltede stål til at koge (Verhoeven, 2007). Stålstykker blev fanget i slaggelaget og på smeltediglens vægge. Mange videnskabsfolk og entusiaster af digelstål følger denne teori.

25Hvis disse priller imidlertid stammede fra det flydende digelstål, skulle de øge deres kulstofindhold for at få støbejernsstruktur, efter at de var blevet slynget ud af den flydende masse. Det betyder, at atmosfæren inde i smeltediglen skulle være af en reducerende art, mens slaggelaget siges at være tilsat for at forhindre det flydende stål i at oxidere. I alle andre kendte digelstålmetoder beregnes den mængde kulstof, der tilføres digelen i en hvilken som helst form, desuden til at blive fuldt ud forbrugt af stålet. Teoretisk set skulle der kun være lidt kulstof tilbage, som prillerne kunne reagere med, når de blev skudt ind i denne del af digelen. På den anden side er de arkæologiske prills meget små og ville ikke have brug for så meget kulstof til at omdanne kulstofholdigt stål til støbejern. De prills, der blev fanget i slaggen, ville ikke have været i stand til at reagere med atmosfæren ovenover i det hele taget.

26De prills, der blev fundet i slaggelaget fra eksperimenterne, havde sandsynligvis en anden oprindelse. Logisk antages det, at disse prills stammer fra den øverste del af smeltediglens ladning og ikke var i stand til at bevæge sig gennem det smeltede glas, før processen var afsluttet og helt størknet.

Slaggen

27Slaggen, der blev fundet ved udgravninger viste sig at være meget lig slaggen fra jernsmeltningsrester fra nærliggende jernsmelterier. Dette tyder på, at det jern, der blev brugt til at fremstille digelstålet, blev fremstillet i det nærliggende smelteområde og indeholdt slaggen som en forurening, der blev udskilt under processen. Et andet svar kunne være, at slaggen bevidst blev tilsat til smeltediglen for at fungere som et flusmiddel eller måske som et filter i en selvstændig proces som beskrevet ovenfor. Slagge tappes regelmæssigt fra de skaktovne, der var i brug på den tid. Genbrug af slagge fra skaktovne ville være en fordel, da den er tæt og fylder mindre i smeltediglen, når den tilsættes, i modsætning til brugen af sand. Desuden ligger slaggens smeltepunkt i det rigtige område til at fungere som det beskrevne filter, da det blev tappet fra ovnen, da jernet indeni var i en halvsmeltet tilstand ved ca. 1200-1250 °C (Ouden, 1988).

Simplicitet

28Alle kendte teknikker til fremstilling af digelstål kræver beregninger eller empirisk viden om mængder for at få kulstofniveauet i den ønskede ingot i det rigtige område. Det er kun en forskel på få vægtprocenter af kulstof, der udgør forskellen mellem digelstål af høj kvalitet og ubearbejdeligt støbejern (2 % kulstof eller mere) (Budinsky og Budinsky, 2005). Dr. Nonikashvilis selvregulerende system er ret simpelt i brug og kræver ikke nøjagtige beregninger for at kulstofniveauet er effektivt. Udført på den rigtige måde er der kun en lille chance for at ende med for meget kulstof i strukturerne.

Slutning

29De eksperimentelle resultater viser en simpel teknik til fremstilling af digelstål, som er velegnet til at opnå det højtprismede materiale. Resterne af de metallurgiske aktiviteter fra eksperimenterne stemmer meget godt overens med de arkæologiske fund i Merv. Denne observation giver indtryk af, at en lignende selvreguleret teknik kan have været anvendt i det antikke Merv.

30Da den fremlagte forskning blev udført som en del af et etårigt masterprojekt og startede som et pilotprojekt, var der ikke tid eller ressourcer nok til at foretage en mere omfattende sammenligning mellem de forskellige teknikker. Vi ved f.eks., at også typer af smeltedigler og fyringsteknikker spiller en afgørende rolle i processen og har stor indflydelse på materialets kvaliteter (både fysisk og æstetisk). Fremtidig forskning kan helt sikkert give mere solide fakta om de forskellige teorier.