CeROArt
Författaren vill tacka Patrick Storme, professor och chef för avdelningen för konservering och restaurering av metaller vid högskolan Artesis, Seerp Visser, Dirk Anthierens, Gotscha Lagidse och Zaqro Nonikashvili för deras värdefulla kommentarer, idéer, praktiska kunskaper och hjälp i den forskning som sammanfattas här.
Introduktion
1Järn har spelat en mycket viktig roll i människans utveckling sedan det användes för första gången. Utvecklingen av den metallurgiska vetenskapen och den kunskap som våra förfäder hade om järn och stål var avgörande för nationers uppgång och fall. Bland de mest kända och fascinerande historiska sorterna av detta material är Damast- eller Damaskusstålet det mest kända. Damaskusstålet blev känt för sina egenskaper som ansågs vara nära magiska. Det moderna, mer allmänt accepterade namnet på detta stål är degelstål, eftersom stålet smältes i relativt små deglar innan det smiddes till föremål av högsta kvalitet.
2 Kort sagt är degelstål hårt men ändå flexibelt och har ett specifikt utseende. Dess fysik kan förklaras av dess specifika mikrostrukturer, som beskrivs närmare i 2.1 i denna artikel. Utseendet kännetecknas av ett mönster som bildas på ytan av det polerade och etsade stålet och som utgörs av dessa mikrostrukturer. Ill.2, Damast på sabel av degelstål i ill.1. visar ett typiskt mönster av degelstål på sabelens yta.
Fig. 1 Sabel från KLM-MRA:s samling tillverkad av degelstål
Bilden visar en kozakisk shamshir, ett typiskt vapen av degelstål från KLM-MRA:s samling i Bryssel.
Credits : Klaas Remmen
Fig. 2 Damast på degelstål
Det vågiga mönstret på den polerade och etsade ytan av sabeln som visas i bild 1. Mönstret består av grupper av cementit (vita linjer) och stålmatrixen (svarta linjer)
Krediter: Klaas Remmen
3Historien om degelstål är lång och intressant och omfattas av en omfattande litteratur. Det är allmänt accepterat att detta legendariska stål har sitt ursprung i Indien (Verhoeven, 2003) eller Pakistan (TR Anantharamu, 1999) där det producerades för första gången omkring början av vår tideräkning. Senare tillverkades det också i vissa områden i Centralasien, t.ex. i nuvarande Turkmenistan och Uzbekistan. Det anses allmänt att tekniken för att tillverka degelstål gick förlorad någonstans under 1900-talet (Fedosov, 2007). Enligt författarnas kunskap skulle de första personer som lyckades återskapa stålet efter att tekniken tros ha gått helt förlorad ha bott i det forna Sovjetunionen: V.I. Basov från Ryssland (Fedosov, 2007) och professor dr Badri Amaglobeli från Georgien (Amaglobeli, 1984). Den sistnämnde skrev 1984 en mycket detaljerad, men i västländerna okänd, doktorsavhandling i ämnet. Bara en kort tid senare tog dr. John Verhoeven och smeden Alfred Pendray, som förmodligen inte kände till forskningen i Sovjetunionen, gjorde sin egen forskning i ämnet, med stor framgång (Verhoeven och Pendray, 1992; J.D. Verhoeven, 1996; J.D. Verhoeven, 1998).
- 1 Detta mönster kallas ”Damast” och beskrivs mer i detalj senare i detta dokument
4Trots denna mängd bevis finns det fortfarande många frågor kvar. Det finns till exempel osäkerheter om hur och i vilken utsträckning produktionsstegen påverkar det vågiga mönstret på det etsade stålet1, och det finns bristfälliga förklaringar till vissa arkeologiska fynd. Vissa teorier skulle vara mycket mer trovärdiga med starka empiriska bevis. Om vi till exempel kunde få en bättre insikt i mönsterbildningens fysik skulle detta kunna vara fördelaktigt för bestämning av artefakter, eftersom typen av mönster var ett vanligt sätt att bedöma kvaliteten på degelstålprodukter (Panseri, 1965). Denna information skulle kunna vara av stort värde för historiker och konservatorer.
5 Genom att intensivt studera de historiska bevisen för degelstål kunde man dra slutsatsen att mycket information om de ursprungliga tillverkningsmetoderna var antingen falsk, ofullständig eller opålitlig. Vissa fakta som vi i dag känner till om produktionsteknikerna härstammar huvudsakligen från ett fåtal historiska redogörelser, gjorda av 1800-talsresenärer som Buchanan (Buchanan, 1829), Percy (Percy, 1864) och Voysey (Voysey, 1832), och från den enorma mängd forskning i ämnet som gjordes av de västerländska vetenskapsmännen John Verhoeven och Alfred Pendray (J.D. Verhoeven, 1998; J.D. Verhoeven, 2001; John Verhoeven, 1998; Verhoeven, 2001; Verhoeven och Pendray, 1992). De förstnämnda resenärerna beskriver alla processerna för hur stålet tillverkades i Indien, och såvitt författarna vet finns det endast en personlig beskrivning av de tillverkningsmetoder som användes i Centralasien, nämligen den av Masalaski 1841 (Khorasani, 2006). Annan information finns i omfattande metallografiska (Piaskowski, 1978; Schastlivtsev, Gerasimov och Rodionov, 2008; Alan Williams, 2007; Williams, 2007) och arkeologiska (TR Anantharamu, 1999; Rehren och Papachristou, 2003; Srinivasan, 1994) studier.
6I den presenterade studien undersöks några viktiga steg i tillverkningsprocessen för degelstål på djupet. För denna arkeo-metallurgiska forskning användes historiska, observerande och experimentella praktiska tekniker.
Experimentell arkeo-metallurgisk forskning
7Inom experimentell arkeologi är arkeo-metallurgisk forskning en relativt ny disciplin. Den använder vanligtvis experiment för att besvara en forskningsfråga. Genom att utföra experiment kan ny information om hur våra förfäder måste ha levt, arbetat och tänkt fastställas. Det är viktigt att betona att dessa tekniker ofta inte ger faktiska bevis eller hårda data för en viss teori, men de kan ge nya insikter. Med andra ord kan experimenten ge en reflektion över historiska berättelser.
8Av de akademiska institutioner som använder sig av experimentella arkeometallurgiska tekniker är University of Hull och Exeter University i Storbritannien, Universidad Autonoma de Madrid i Spanien och Royal University of Groningen i Nederländerna.
Krucielstål och experimentell forskning
9Stål i sin renaste form är inget annat än en kombination av järn och kol och kallas därför för ”kolstål”. Kolet har en särskild effekt på stålets hårdhet och seghet och generellt kan man säga att ju mer kol, desto hårdare (och sprödare) stålet, upp till gränsen vid 6,76 % kol. Efter denna punkt skulle legeringen spricka och pulveriseras; den har ingen konsistens längre (Budinsky och Budinsky, 2005). Gjuteristål är ett anmärkningsvärt rent stål med hög kolhalt med en kolhalt på 1-2 viktprocent och användes företrädesvis till högt värderade vapen, rustningar och verktyg. På ill.1: Sabel från KLM-MRA:s samling tillverkad av degelstål (Klaas Remmen) visar en ”Shamshir”, ett vapen som ofta tillverkades av degelstål. Denna typiska hypereutektoida sammansättning kan bilda specifika mikrostrukturer som är ansvariga för både stålets enastående skärförmåga och det estetiska utseendet på den etsade ytan.
10Den höga kolhalten bildar mycket hårda och spröda strukturer i stålet, som kallas cementit. Den höga kolhalten i degelstål ger upphov till bildandet av mycket cementit, vilket inte skulle vara så användbart för kantiga vapen eller verktyg, eftersom eggen skulle flisas av när en kraft utövas. Genom att använda komplicerade smidescykler kunde de antika smederna få de hårda cementitstrukturerna att bulta ihop och gruppera sig i linjer i den färdiga produkten, medan matrisen av mjukare stål runt denna hårda cementit blev hårdare. Den färdiga produkten var hård och kunde motstå slag, medan de linjerade cementitpartiklarna fungerade som en mikrosåg på föremålets skärkant. De grupper av cementitpartiklar som syns på den polerade och etsade ytan av antika föremål av degelstål utgör vita, slingrande linjer. Dessa linjer kallas ibland för stålets ”damast” (J.D. Verhoeven, 2001) och illustreras på ill.2 Damast på sabel av degelstål i ill.1.
11För att påbörja en serie experiment där degelstål tillverkades med hjälp av olika tekniker studerades olika steg och aspekter. En av teknikerna var den så kallade ”georgiska” degelstålstekniken. Denna teknik utvecklades av dr Zaqro Nonikashvili, en georgisk mästersmed som har experimenterat med degelstål i över tio år. I november 2010 visade han vänligt sin teknik på ett symposium om degelstål som hölls i Antwerpen, Belgien. Liksom de andra kända mekanismerna för att framställa degelstål använder denna teknik järn med lågt kolinnehåll och en kolkälla för att förenas under pyrokemiska förhållanden och bilda stål i en sluten degel. Det sätt på vilket den georgiska tekniken fungerar skiljer sig dock tydligt från andra kända degelstålstillverkningar. I denna artikel presenteras tekniken och görs några historiska reflektioner om arkeologiska fynd. Den följs av en beskrivning av den metodik som användes i den experimentella forskningen.
Georgisk degelstålsteknik
12I den georgiska degelstålstekniken delas en viss mängd järn med låg kolhalt upp i två lika stora delar. I experimenten användes rent järn. Den ena hälften av järnbitarna lades i en lergryta och täcktes med sand eller glas med en genomsnittlig smältpunkt på ca 1200°C. På detta läggs ett lager träkol. Den andra halvan av järnet laddas nu också i degeln, i omväxlande lager av järn och träkol, där det sista eller översta lagret måste vara träkol. Grytan försluts sedan med ett lock som hade ett litet hål i mitten. Hur degeln laddas är synligt ill.3: Sektion av degeln och dess laddning (Seerp Visser). De svarta delarna på illustrationen representerar träkolet, de röda delarna representerar järndelarna, medan de gröna delarna visar glaset eller sanden.
Fig. 3 Sektion av degel och dess laddning
Schemat visar tvärsnittet av degeln laddning av georgisk teknik. de svarta delarna representerar träkol, de röda delarna järn och den gröna delen sand eller glas.
Credits : Seerp Visser
13När degeln eldas i en kol- eller gasugn når temperaturen i degeln 1200 °C och sanden eller glaset börjar smälta och bildar en klibbig massa ovanpå den nedersta halvan av järnladdningen. Denna klibbiga massa, som i huvudsak bara är smält glas, skyddar den nedre halvan av järnet från att bli uppkolad av kolet ovanför. Den övre halvan av järnladdningen, ovanför glaset, börjar ta upp kol från det omgivande träkolet snabbare när temperaturen stiger, enligt Ficks lag (Ashby, Shercliff och Cebon, 2007).
14Under processen tar järnet i degeln upp mer och mer kol och den totala temperaturen stiger upp till +1500°C. Så småningom blir de ursprungliga järnbitarna med lågt kolinnehåll en legering med högt kolinnehåll inom gjutjärnsområdet. Eftersom smältpunkten för järn-kol-legeringen sjunker när legeringen består av mer kol, kommer dessa gjutjärnsbitar att smälta. När järnlegeringen väl är smält börjar den droppa ner genom bitarna av träkol och glas och vidare ner till botten av degeln. Till skillnad från det lättare kolet kan detta smälta gjutjärn gå genom ”filtret” av smält glas och sätter sig runt den nedre delen av järnladdningen. På grund av den höga temperaturen börjar den nedre delen av laddningen nu ta upp kol från det smälta gjutjärnet som omger den och kommer så småningom att smälta sig själv.
15Efter en och en halv timme är denna bränningsprocess avslutad och hela den övre delen av järnladdningen ligger i botten av degeln. Djuvladdningen består nu av en smält laddning av stål i botten av degeln, ovanpå vilken det finns ett lager smält glas, som fortfarande fungerar som ett lock som skyddar det smälta stålet från att reagera med det överblivna träkolet. Efter avkylning bildar stålet de typiska strukturerna för degelstål och består av en hypereutektoid kolprocent på över 0,8 viktprocent. På ill.4: Tvärsnitt av degelstål efter avkylning (Klaas Remmen)
Fig. 4 Tvärsnitt av degel efter avkylning
Bilden visar en degel efter bränning. De olika delarna är synliga, stål på botten, ett lager av mörkt svartaktigt glas och bitar av träkol på toppen.
Credits: Klaas Remmen
Prills och metallografiska studier
16Efter de första experimenten visade sig Nonikashvilis teknik vara relativt lätt att använda. De metallurgiska resterna från ståltillverkningen bestod av fem olika delar; rester från smältdegeln, rester av träkol, en solid stålkropp och ett slaggskikt, i vilket det fanns små droppar av en järnlegering. Grytan och träkolet kasserades, eftersom fokus främst låg på de andra delarna. Den erhållna stålgotten och järnprillorna undersöktes med hjälp av metallografi med avseende på strukturer och konsistens.
17Proverna kapades med hjälp av en kyld diamantsåg och bäddades in i ett vanligt inbäddningsharts. De polerades ner till en kvalitet på 1 µm med hjälp av standardmetallografiska tekniker, följt av etsning med Nital. Proverna från göt visade tydligt en hypereutektoid sammansättning med en pärlitmatris och nålformad Widmanstätten-cementit, vilket framgår av bild 5: Struktur av rått degelstål.
Fig. 5 Struktur av rått degelstål
Struktur av rått degelstål. De vita linjerna är kornbunden cementit och nålliknande Widmanstätten cementit. De fina fingeravtrycksliknande zonerna är pärlitkorn.
Credits: Dessa mikrostrukturer är typiska för rått degelstål och kan lätt jämföras med metallografiska studier av gammalt degelstål (M L Wayman, 1999), vilket framgår av bild 6: SEM-bild som visar gammalt degelstål från Sri Lanka (M L Wayman).
Fig. 6 SEM-foto från gammalt sri lankanskt degelstål
Struktur av gammalt sri lankanskt degelstål. Mikrostrukturen är mycket lik den i ill.5, och består av Widmanstätten cementit i en pärlitmatris. (G. J. M. L L Wayman, ”Crucible steelmaking in Sri Lanka”, Historical Metallurgy 33 (1999), 26-42.)
Credits: M. L. Wayman
19Efter att ha smittat några av proverna med denna struktur uppvisade stålet en bandning av cementit, (se fig. 7) som är orsaken till de vita markeringarna eller damasten på den etsade ytan (se fig. 8).
Fig. 7 Bandning av cementit i smittat degelstål
Struktur av smittat degelstål efter mindre reduktioner. Cementiten bryts upp i mindre partiklar och börjar ”bollas” till rundkantade bitar och små sfäriska strukturer. Dessa cementitpartiklar börjar gruppera sig till linjer.
Credits: Klaas Remmen
Fig. 8 Polerad och etsad yta av ett smittat stycke degelstål
Polerad och etsad yta av smittat degelstål. Grupperna av bollad cementit gör de vita fläckarna och linjerna tydliga.
Credits: Klaas Remmen
20Ovanpå den stelnade tackan finns systematiskt ett lager glas som hittats i degeln och som avsiktligt lagts till när materialet lastades. Detta glasskikt fastnar ofta på tackan, medan den övre delen är täckt av aska och bitar av träkol som inte förbrukades av vare sig luften i degeln eller användes för uppkolning av stålet. I varje försök med dr Nonikasjvilis teknik hittades dessutom bollade järnprillor som fastnat i glaset, vilket framgår av fig. 9.
Fig. 9 Ett slaggstycke med järnlegeringsprillor som fastnat i slaggen
Närbild på ett slaggstycke av den georgiska tekniken. Slaggen innehåller flera prills av järnlegeringar med hög kolhalt. Observera att korrosionen av prillerna skedde efter att de upptäcktes.
Credits: Klaas Remmen
21Dessa droppar mätte 0,1 till 5 mm i tvärsnitt och fanns överallt och ovanpå slagglagret. Prills från olika delar i glasskiktet studerades med metallografi. Strukturen hos dessa prills visade sig vara en järnlegering med hög kolhalt, med en kolprocent långt in i området för gjutjärn. Strukturen av en prill visas på bild 10: Struktur av en järnlegeringspril som hittats i slaggen (Klaas Remmen) och som visar grå grafitlameller, typiska för en struktur av gjutjärn.
Figur 10 Struktur av en prill av järnlegering som hittats i slaggen
Mikrostruktur av en prill som hittats i slagglagret. Den stora svarta linjen är en bit grafit och är i huvudsak rent kol. De mindre svarta kurviga linjerna är också grafit. De vita blockiga strukturerna är cementitformationer. Matrisen är svår att lösa upp i denna förstoring.
Credits: Klaas Remmen
Diskussion
22Resultaten av experimenten enligt Nonikashvilis teknik visade sig vara särskilt intressanta. En anmärkningsvärd likhet med de arkeologiska fynden från en gammal plats för produktion av degelstål i Merv, Turkmenistan (Feuerbach, 2002) noteras. En objektiv jämförelse görs, där argumenten tyder på att det anses möjligt att metallurgerna i det antika Merv kan ha använt en teknik som liknar Nonikashvilis. Jämförelsen görs med de uppgifter som Feuerbach tillhandahåller och som är tillgängliga i hennes Phd: ’Crucible steel in Central Asia: production, use, and origins’ (University College London, 2002).
The prills
23Utgrävningar visar att degeln i Merv var särskilt stor och hade ett relativt tunt lager glas ovanpå det stelnade tacklet. Det producerade stålet uppvisade en hypereutektoid mikrostruktur. Dessutom visade resterna från verkstaden att den glasslagg som fanns ovanpå tackorna också innehöll små prillor av en järn-kol-legering med en hög andel kol, som hade en struktur som låg mellan hypereutektoid järn och gjutjärn.
24Med tanke på de mycket få ursprungliga förstahandsbeskrivningar som finns tillgängliga om tillverkningen av degelstål, särskilt i den centralasiatiska regionen, är det osäkert vilken teknik som kan ha använts för att framställa degelstål i denna region. De antika metallurgerna måste ha använt järn med en relativt låg kolprocent tillsammans med någon kolkälla som skulle smältas i den förseglade degeln. Enligt dr A. M. Feuerbach är det högst tveksamt att man, till skillnad från andra kända tekniker för att framställa degelstål, skulle ha använt gjutjärn med hög kolhalt som kolkälla. Som en hypotes för det instängda järnet beskriver Feuerbach att de prills som hittats i slaggskiktet möjligen fastnat i glasskiktet under processen efter att ha slungats ut ur den smälta metallen på grund av ”stålets kokning i CO”. Denna kokning är en välkänd och beskriven reaktion som inträffar när stål stelnar och har sämre förmåga att binda med syre. När syret binder sig till kolet vid avkylning bildas CO-bubblor som får det smälta stålet att koka (Verhoeven, 2007). Stålbitar fastnade i slaggskiktet och på degelväggarna. Många forskare och degelstålsentusiaster följer denna teori.
25Om dessa prillor emellertid hade sitt ursprung i det flytande degelstålet skulle de behöva öka sin kolhalt för att få gjutjärnsstrukturen, efter att de slungats ut ur den flytande massan. Detta innebär att atmosfären i smältdegeln måste vara reducerande, medan slaggskiktet sägs vara tillsatt för att förhindra att det flytande stålet oxiderar. I alla andra kända degelstålsmetoder beräknas dessutom den mängd kol som fylls på i degeln, oavsett form, förbrukas helt och hållet av stålet. Teoretiskt sett borde det inte finnas mycket kol kvar som prillerna kan reagera med när de skjuts in i denna del av degeln. Å andra sidan är de arkeologiska prillorna mycket små och skulle inte behöva så mycket kol för att omvandlas från stål med högt kolinnehåll till gjutjärn. De prills som fastnade i slaggen skulle inte ha kunnat reagera med atmosfären ovanför överhuvudtaget.
26De prills som hittades i slagglagret från experimenten hade förmodligen ett annat ursprung. Logiskt sett antas det att dessa prills har sitt ursprung i den övre delen av degellasten och att de inte kunde färdas genom det smälta glaset innan processen var avslutad och helt stelnad.
Slaggen
27Slaggen, som hittades vid utgrävningar visade sig vara mycket lik slaggen från närliggande järnsmältningsrester. Detta tyder på att järnet som användes för att tillverka degelstålet kom från det närliggande smältområdet och innehöll slaggen som en förorening som separerades under processen. Ett annat svar skulle kunna vara att slaggen avsiktligt tillsattes i degeln för att fungera som flussmedel, eller kanske som ett filter i en självständig process enligt beskrivningen ovan. Slagg tappas regelbundet från de schaktugnar som användes vid den tiden. Återvinning av slagg från schaktugnar skulle vara fördelaktigt eftersom den är tät och skulle ta mindre plats i smältdegeln när den tillsätts, till skillnad från sand. Dessutom ligger slaggens smältpunkt i rätt intervall för att fungera som det beskrivna filtret, eftersom den tappades från ugnen när järnet inuti var i halvsmält tillstånd, vid cirka 1200-1250 °C (Ouden, 1988).
Simplicity
28Alla kända tekniker för att tillverka degelstål kräver beräkningar eller en empirisk kunskap om kvantiteter för att få kolhalten i den önskade götdelen i rätt intervall. Det är endast en skillnad på några få viktprocent kol som utgör skillnaden mellan degelstål av hög kvalitet och obearbetbart gjutjärn (2 % kol eller mer) (Budinsky och Budinsky, 2005). Dr Nonikashvilis självreglerande system är ganska enkelt att använda och kräver inga exakta beräkningar för att kolnivåerna ska vara effektiva. Utfört på rätt sätt finns det bara en liten chans att hamna med för mycket kol i strukturerna.
Slutsats
29De experimentella resultaten visar på en enkel teknik för att tillverka degelstål som är lämplig för att erhålla det högt prisade materialet. Resterna av den metallurgiska verksamheten från experimenten stämmer mycket väl överens med de arkeologiska fynden i Merv. Denna observation ger intryck av att en liknande självreglerad teknik kan ha använts i det antika Merv.
30Med tanke på att den presenterade forskningen gjordes som en del av ett ettårigt masterprojekt, och började som ett pilotprojekt, fanns det inte tillräckligt med tid eller resurser för att göra fler jämförelser mellan de olika teknikerna. Vi vet t.ex. att även typerna av deglar och bränningstekniker spelar en viktig roll i processen och har stor inverkan på materialets kvaliteter (såväl fysiskt som estetiskt). Framtida forskning kan säkert ge mer solida fakta om de olika teorierna.
Leave a Reply