Konkrete Frage zu Kohlenstoffdiffusion

1. Die Such-Funktion habe ich schon bemüht.

Also, hier mein Beispiel:

Lagendicke: 0,1mm
Kohlenstoffgehälter: 1,2%C (Feile) und 0,1%C (Baustahl)
Temperaturen: insgesamt 15min Schweißtemperatur und 1,5h normales Schmieden zwischen 800 und 1000°C

Ist der Kohlenstoffgehalt jetzt komplett ausgeglichen?
Wenn nicht, wieviel Kohlenstoff wird jetzt der Baustahl haben?

Die Frage kann man nicht wirklich präzis beantworten.
Die Angaben zur Diffusionsgeschwindigkeit sind -soweit man dazu überhaupt etwas findet- schon per se sehr allgemein gehalten.
Hans Berns spricht von Schweißen bei niedriger Temperatur, um die Diffusion in Grenzen zu halten, Michael Pohl gibt klugerweise auch keine exakten Zahlen an, Verhoeven geht davon aus, daß bei den hohen Schweißtemperaturen der amerikanischen Schmiede in den dünnen Damastschichten der Ausgleich in Sekundenbruchteilen stattfindet.
Als Faustregel hat man sich in etwa auf die Formel verständigt, daß bei 1000 Grad der Kohlenstoff in 2o sec 1 my weit wandert.
Auch diese Festlegung halte ich für willkürlich.
In der Praxis wird Dir das überhaupt nicht helfen, da Du eine Menge von Variablen hast, die nicht wirklich festgelegt werden können, jedenfalls nicht im Schmiedefeuer.
Die Temperatur des Feuers ist sicher nicht exakt festzulegen. Sie wird je nach der Lage im Feuer zwischen 1600 aufwärts und 1000 Grad liegen.
Das führt wieder dazu, daß unterschiedliche Teile des Pakets zu bestimmten Zeiten, etwa beim Aufheizen, auf unterschiedlichen Temperaturen sind.
Wenn alles schön durchgewärmt ist, kann man die Temperatur des Pakets bei einiger Erfahrung und gleichbleibenden Lichtverhältnissen ganz gut einschätzen, sicher aber nicht auf 10 Grad genau.
Die Diffusionsgeschwindigkeit steigt aber mit höherer Temperatur nicht linear, sondern erhöht sich mit zunehmender Temperatur.
Legierungselemente, die den Kohlenstoff in stabilen Karbiden binden, können die Diffusion verzögern-und-und und....
Um zu zeigen, daß man nicht wirklich rechnen kann-geh in Deinem Beispiel mal von der Faustformel von 1 mm pro 20 sec bei 1000 Grad aus:
Schon bei den 1,5 Stunden Ausschmieden zwischen 800 und 1000 Grad hast Du Zeiten fast ohne Diffusion- 800 Grad- und Zeiten einer recht schnellen Diffusion-1000 Grad. Von einem Mittelwert kann man wegen der starken Steigung der Diffusionskurve nicht ausgehen.
Gehst Du nun von einer Temperatur von 1000 Grad für 10 Min der Gesamtzeit aus, so hättest Du in dieser Zeit bereits eine Diffusion von ca 30 my, die ja nicht nur von einer Seite, sondern von zwei Seiten auf den höher c-haltigen Stahl einwirkt.
15 Min auf Schweißtemperatur ( ???-das halte ich für viel zu lang ! ), würden nach der Faustregel schon eine vollständige Diffusion selbst bei den noch recht dicken Einzellagen bewirken.
Geringe Änderungen in den eingesetzten Temperaturen und Zeiten würden zu völlig anderen Ergebnissen führen.
Deshalb: ein mathematisches Modell mag für eine Prüfung an der Uni und Laborbedingungen wünschenswert und möglich sein, in der Praxis bringt das nichts.
Anhaltswerte, wie die Sache sich bei der persönlichen Arbeit verhält, kann man aber trotzdem gewinnen. Beim Fertigen von Dreilagenklingen hat man es in der Regel nur mit einer Schweißung-bei längeren Klingen mit 2-3 Schweißungen zu tun, bei denen Zeit und Temperatur ganz gut zu kontrollieren sind. Beim Anschleifen und Ätzen sieht man zwischen noch c-armem Mantel und der Schneidlage eine aufgekohlte Schicht, die wegen der Mangananteile im Mantel oft deutlich dunkler ist, als die Schneidleiste. Die Dicke und Breite dieser Schicht gibt einen guten Anhaltspunkt über die Diffusion u n t e r d i e s e n B e d i n g u n g e n.
Ich fürchte, das war nicht das, was Du eigentlich wissen wolltest, aber unter den Bedingungen des Schmiedefeuers ist mehr als eine Näherung nicht möglich.
MfG U. Gerfin

Hallo Bernhard, hallo Ulrich,

sehr interessantes Thema!

Ich möchte mal bei dem o.g. Beispiel bleiben, und zwei Fragen anschliessen:

1.) Wenn ich aus S235 und 1.2008 ( z.B.) einen Raffinierstahl mit 1000 rechnerischen Lagen aufwärts schmiede, diesen dann zu einer 4mm starken Klinge forme ( Lagendicke also kleiner/gleich 4/1000mm), kann ich davon ausgehen daß sich die Legierungen angeglichen haben, oder? ( Ich rechne jetzt fest mit einem Ja)

2.) Nehmen wir ein Paket aus z.B. 2842 und 75Ni8, sagen wir wenige ( 5 bis 10) Ausgangslagen, das doppele ich dann 6 oder 7 mal ( je nach Anzahl Lagen im Ursprung), erhalte somit rechnerisch 640 Lagen. Ich war also recht oft auf Schweisstemperatur. Der Nickel im 75Ni8, der die helle Zeichnung macht, diffundiert der auch? Gleichen sich die "Farben" nach dem ätzen dann an, desto öfter ich schweisse ( also desto mehr Lagen ich habe)? Bei einem fein polierten Stahl mit 2000 Lagen sehe ich den Unterschied noch recht deutlich, aber.... warum? Bei der Lagenzahl in einer 4mm Klinge sind die Lagen doch wirklich dünn, und müssten eigentlich doch durchdiffundiert sein, oder? Oder macht Nickel das einfach nicht mit?

Wäre toll, wenn Du eine Deiner kompetenten Antworten hättest, Ulrich

Konkrete Frage zur Kohlenstoffdiffusion

siebenstern said:

.....2.) Nehmen wir ein Paket aus z.B. 2842 und 75Ni8, sagen wir wenige (5 bis 10) Ausgangslagen, das doppele ich dann 6 oder 7 Mal (je nach Anzahl der Lagen im Ursprung), erhalte somit rechnerisch 640 Lagen. Ich war also recht oft auf Schweißtemperatur. Der Nickel im 75Ni8, der die helle Zeichnung macht, diffundiert der auch? Gleichen sich die "Farben" nach dem Ätzen dann an, je öfter ich schweiße (also desto mehr Lagen ich habe)? Bei einem fein polierten Stahl mit 2000 Lagen sehe ich den Unterschied noch recht deutlich, aber.... warum? Bei der Lagenzahl in einer 4mm-Klinge sind die Lagen doch wirklich dünn, und müssten eigentlich doch durchdiffundiert sein, oder? Oder macht Nickel das einfach nicht mit?....

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Ich bin nicht Ulrich, weiß aber von ihm, dass Nickel und andere Metalle nicht diffundieren.

Gruß

sanjuro

Hallo, siebenstern
wenn du deinen Raffineriestahl oft genug faltest kannst braucht du keine Diffusion um die Elemente auszugleichen.

Wenn man ein Paket aus zwei Stählen, jeder 5mm dick 26 mal doppelt (so dass immer zwei verschiedene Stähle aufeinanderliegen) und wieder aufs Anfangmaß (1cm) ausschmiedet, ist jede Lage in etwa nur noch so dick wie ein Eisenatom!!!! Nämlich ca. 150pm.
(hoffentlich richtig gerechnet)
Da ist jetzt alles gut gemischt.

Daran sieht man, wie unsinnig ein Schwert aus "200 fach gefaltetem Stahl" ist, vom Abbrand ganz zu schweigen.

Sanjuro - danke, ich hatte sowas vermutet. Das bedeutet ja aber dann, daß der Kohlenstoffgehalt homogen wird, die "Sonderlegierungselemente" allerdings mehr oder minder in den einzelnen Lagen unverändert vorliegen, richtig? Will heissen, wenn ich einen C-Stahl und einen Wolframlegierten hochfalte, daß die eine Schicht mit und die Andere ohne W ist ( gesetzt den Fall W diffundiert nicht so gut).

Mir ist klar, daß das Alles ziemlich hypothetisch ist, interessant finde ich es dennoch

Erstmal danke für eure Antworten.

Es ist wohl jedem klar geworden, dass man nicht sagen kann, ob es geklappt hat oder nicht.

Ich werde das Messer einfach demnächst härten und ein bischen auf Baustahl damit rumkloppen. Wenn die Klinge hart geworden ist, sollte sich kein Abdruck zeigen.

Die 15min Schweißtemperatur halte ich übrigens für realistisch, da das Packet ja öfters gefaltet wurde und immer gut durchgewärmt wurde.

Nochmal zu Beitrag 3:
Eisen ist kubisch aufgebaut-je nach Temperatur und Legierung kubisch raumzentriert- auf den Ecken des Würfels der Elementarzelle und in der Raummitte sitzt ein Eisenatom- oder kubisch flächenzentriert- auf den Würfelecken und in den Flächenmitten sitzen die Eisenatome.
Kohlenstoff und Stickstoff können in der kubisch raumzentrierten Modifikation so gut wie nicht gelöst werden, in der kubisch flächenzentrierten dagegen recht gut.
Sie sitzen dabei nicht auf Plätzen, auf denen sonst ein Eisenatom sitzt sondern auf frei gewordenen Lücken dazwischen. Man nennt das interstitiell (inter= zwischen, stitium= Platz). Die übrigen Legierungselemente sitzen dagegen auf Plätzen, die sonst ein Eisenatom einnehmen würde, ersetzen oder-substituieren- also ein Eisenatom.
Man kann sich nun bildlich vorstellen, daß die eigentlichen Gitterplätze auf den Ecken, den Flächenmitten oder der Raummitte bequemer sind, als die nur durch Temperaturerhöhung entstandenen Plätze. Die Folge ist, daß die substituierenden Elemente fest auf ihren "bequemen " Plätzen bleiben und kaum zum wandern zu veranlassen sind, während die auf den Zwischengitterplätzen recht wanderlustig sind.
Die einzelnen Damastschichten unterscheiden sich im C-Gehalt in der Regel also nicht, wohl aber in der sonstigen Legierung.
Exakt das ist der Grund für das Muster, das Damast auch bei gleichem C-Gehalt aller Schichten zeigt.
MfG U. Gerfin

Aha! Eben der Umstand daß nur Kohlenstoff in der Lage ist zu wandern ist mir neu. Wieder was gelernt, danke Ulrich.

Das bedeutet dann ja auch wiederum, daß ein "komplett" durchhomogenisierter Stahl erst erreicht ist wenn die Lagen wirklich dünn werden ( also an die Atomgrenze kommen -siehe Beitrag#5) und "aufreissen". (oder?)

U. Gerfin said:

Die einzelnen Damastschichten unterscheiden sich im C-Gehalt in der Regel also nicht, wohl aber in der sonstigen Legierung.
Exakt das ist der Grund für das Muster, das Damast auch bei gleichem C-Gehalt aller Schichten zeigt.
MfG U. Gerfin

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Ulrich, das ist die einfachste und exakteste Antwort auf die in unzähligen Beiträgen gestellte Frage wie man einen doll bunten Damast bekommt.
Den sollte man in die Nutzungsbedingungen schreiben.

AW: Konkrete Frage zur Kohlenstoffdiffusion

sanjuro said:

Ich bin nicht Ulrich, weiß aber von ihm, dass Nickel und andere Metalle nicht diffundieren.

Gruß

sanjuro

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Das ist allerdings so falsch wie nur was. Ich glaube auch nicht, das Ulrich das mal irgendwo gesat hat. Wahr ist, das eigentlich alle Legierungselemente diffundieren, nur ist die Geschwindigkeit bei Metallen deutlich langsamer als beim Kohlenstoff.

Wahrscheinlich wurde da was missverstanden: Reinnickel verhindert/blockiert die Kohlenstoffdiffusion.

Konkrete Frage zur Kohlenstoffdiffusion

AchimW said:

Das ist allerdings so falsch wie nur was. Ich glaube auch nicht, das Ulrich das mal irgendwo gesagt hat. Wahr ist, dass eigentlich alle Legierungselemente diffundieren, nur ist die Geschwindigkeit bei Metallen deutlich langsamer als beim Kohlenstoff.

Wahrscheinlich wurde da was missverstanden: Reinnickel verhindert/blockiert die Kohlenstoffdiffusion.

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Ich habe dummes Zeug erzählt, tut mir leid! Es ging in der Tat um Reinnickel und seine Eigenschaft als "Diffusionsbremse" für C!

Es bleibt aber für mich die Frage, ob die tiefere Diffusion von Metallen nicht sehr von der Temperatur abhängt, die dann wohl nahe beim Schmelzpunkt liegen müsste, damit eine atomare Wanderung stattfinden kann. Oder täusche ich mich auch hier?

Die sog. kalte Verschweißung von Metallen an Grenzflächen durch galvanische Korrosion oder durch perfekte Planheit und Oxidfreiheit gehört dann wohl auch zum Thema Diffusion von Metallen, ich nahm aber bisher an, dass es sich hier ausschließlich um ein oberflächliches Phänomen handele.

Gruß

sanjuro

Ein kleines Beispiel für die Zeit und Temperatur, die erforderlich sind, um substituierende Elemente zum wandern zu bringen:
Ich hatte mir ganz am Anfang meiner Beschäftigung mit der Wärmebehandlung von Stählen einen Keramikofen zugelegt, der auch bei gehöriger Überwachung seinen Dienst gut erfüllte.
Die Temperaturanzeige war einigermaßen korrekt und ich habe mit dem Ofen lange gearbeitet.
Was er leider nicht hatte, war eine Temperaturwahl und eine Zeitbegrenzung.
Wenn man ihn also einschaltete, erhitzte er immer weiter und weiter und weiter, bis...
Exakt das ist dann mit einem Damastpaket aus 1.2842 und 1.2206 passiert, das ich eigentlich nur zum Weichglühen hineingelegt und dann vergessen hatte.
Als ich am nächsten Tag wieder in die Werkstatt kam, war der Ofen unrettbar durchgebrannt und das vorher quaderförmige Damastpaket hatte etwa die Form einer länglichen Kartoffel. Die Ecken und Kanten waren einfach weggeschmolzen.
Ich habe das Paket mehr aus Neugier ausgeschmiedet und zur ursprünglich angedachten Lagenzahl hochgefaltet. Selbst in dem Zustand, in dem es teilweise- an den Kanten- auf Schmelztemperatur war und das solange, bis der Ofen durchgebrannt war, zeigte es ein deutliches Muster, wie es eben von dieser Kombination zu erwarten war.
Das war eine recht lehrreiche Erfahrung, wiederholen möchte ich sie aber nicht. Wer mir allerdings nicht glauben will, ist herzlich zu einer Probe-mit seinem Ofen- eingeladen.
MfG U. Gerfin

Hallo da draußen!

Ein sehr interessantes Thema, muss ich sagen!
Da ich mich zur Zeit auch mit Damast beschäftige, habe ich hier noch eineige offene Fragen:

1.) Bisher habe ich immer angenommen, dass eine Kombination aus hartem und weichem Stahl sinnvoll wäre, da ja der Theorie nach der weiche Stahl den harten vor Bruch schützt; Wenn jetzt aber der ganze Kohlenstoff diffundiert, dann habe habe ich doch so zusagen nur einen Monostahl mit Muster, oder?

2.) Wenn man den Stahl schleift und poliert, kommt meistens schon dabei die Damaststruktur heraus, und das oftmals recht deutlich: Daraus schließe ich, dass die beiden Stähle noch unterschiedlich hart sind, da die Zeichnung meines Erachtens nach nur durch die unterschiedlichen Lichtspiegelungen/brechungen auf der Oberfläche des Stahls und somit letzenendes mit der Eindringtiefe des Schleifmittels in den Stahl zusammenhängen. Und die Härte lässt sich ja bekanntlicherweise über den C-Gehalt regulieren, dass heißt für mich, dass noch nicht der ganze Kohlenstoff im Stahl diffundiert sein kann.

Das sind beides nur Annahmen, die mir durch den Kopf geganen sind.
Natürlich kann das, was ich da oben geschrieben habe auch kompletter Schwachsinn sein und wenn dies der Fall ist, dann korrigiert mich bitte!

Euch noch einen schönen Abend,

Ich hatte mir den thread früher schonmal durchgelesen, und genau die Aussage von Herr Gerfin, weil oben auch schonmal zitiert, ist mir dabei hängen geblieben:

U. Gerfin said:

Die einzelnen Damastschichten unterscheiden sich im C-Gehalt in der Regel also nicht, wohl aber in der sonstigen Legierung.
Exakt das ist der Grund für das Muster, das Damast auch bei gleichem C-Gehalt aller Schichten zeigt.

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Mit meinem bescheidenen Wissen würde ich das Ganze jetzt so zusammenfassen:
- Diffusion ist nicht zu verhindern
- Vollständige Diffusion ist nicht erwünscht (Genau aus Deinen genannten Gründen), kommt aber wohl vor
- Vollständige Diffusion ergibt trotzdem ein ausgeprägtes Damastmuster

(Korrigiert mich, falls ich das jetzt falsch verstanden haben sollte.)

Bleibt die Frage: Wie wirkt sich eine vollständige Diffusion auf die Stabilität/Eigenschaft der Klinge aus?

Wieso sollte eine vollständige Diffusion nicht erwünscht sein? Es ist doch viel besser einen durch und durch harten und gut schneidenden Werkstoff zu bekommen als ein Material, das an der Schneidkante an manchen Stellen nicht hart wäre.

Vergesst doch bitte endlich das Ammenmärchen von den harten und den weichen Schichten. So was funktioniert nur bei sehr speziellen Zusammensetzungen des Paketes, etwa mit Reinnickel. Und dann bekommt man einen, zumindest für die Schneidkante, unerwünschten Werkstoff.

Zudem waren auch die Altvorderen schon ausschließlich hinter der Musterbildung her und nicht hinter den Werkstoffeigenschaften. Denn letztere konnten sie schon ganz gut über die Verarbeitung und Zusammensetzung der Raffinierstähle sowie die grobe Konstruktion der Klinge und die WB regeln.

Zu den Beiträgen 14 und 15:
Die Kohlenstoffdiffusion ist eine wissenschaftlich erwiesene Tatsache-im übrigen auch so naheliegend, daß man auch ohne wissenschaftliche Untersuchungen darauf kommen kann.

Sie bedeutet nicht, daß Damast Monostahl mit Muster ist.
Wenn sich die einzelnen Schichten des Damasts durch die Legierung mit substituierenden Elementen unterscheiden, ergeben sich dadurch auch unterschiedliche Eigenschaften.

Hinzu kommt die Wirkung der Übergangszonen- möglicherweise mit mehr oder weniger Einschlüssen.
Größere wissenschaftliche Untersuchungen dazu sind mir nicht bekannt, man kann aber schon das eine oder andere Ergebnis festhalten.

Bei einer Untersuchung in Luxemburg an der schweißtechnischen Lehranstalt in Esch sur Alzette (so habe ich den Namen jedenfalls im Gedächtnis) ergaben sich bei einer Prüfung der Schweißzonen bei einem an sich weichen Damast aus Baustahl und C 45 (!!) erstaunlich hohe Härtewerte. Ob das Zufall war, weil man bei der Prüfung gerade auf besonders harte Einschlüsse gestoßen ist oder ob in den Übergangszonen spezielle Spannungszustände die Härte erhöhen, ist nicht geklärt.
Man sollte auch nicht die Wirkung möglicherweise schwächerer Bindung zwischen einzelnen Damastschichten gegenüber der Bindung in der Matrix eines Monostahls unterschätzen.
Entgegen den Erwartungen kann eine solche- schwächere- Bindung die Bruchfestigkeit deutlich erhöhen, weil das Rißausbreitungsverhalten verändert wird, beginnende Mikrorisse also nach der Seite abgelenkt werden können und damit weitgehend unschädlich gemacht werden.

Da gibt es also sicher noch eine ganze Reihe von Gründen, weshalb sich eine Beschäftigung mit Verbundstählen außer wegen der Optik lohnt.

Freundliche Grüße
U. Gerfin

Danke ihr Beiden, wie immer sehr lehrreich!

Hallo alle zusammen, wie schon von Degraf gesagt, sehr lehrreich!

Aber ich habe noch einmal über gesagtes nachgedacht, was ihr gesagt habt, und mir sind noch einige Sachen dabei durch den Kopf geganen:

1. Der Stahl gibt ein Muster ab, weil er sich äzen lässt, bzw. NICHT äzen lässt; das nicht äzen hat meiner ansicht nach damit zu tun, dass der Stahl hart und weich ist, und somit sich äzen, bzw. nicht äzen lässt.
Auch daraus lässt schließen, dass der Stahl meiner Meinung nach unterschiedlich hart sein muss.

2. Wenn schon unsere Vorfahren nur dem Muster hinterher waren, dann müsste das meiner Meinung nach meine erste Theorie beweisen, denn unsere Vorfahren hatten noch keine Legierungselemente wie Chrom, Mangan, Nickel,... zur Verfügung, bzw. wussten nicht, diese zu benutzen.
Wenn sie also nur dem Muster hinterher waren, dann mussten sie dieses über den Kohlenstoffgehalt des Stahls regeln.
Soweit meine Theorien.
Es kann natürlich sein, dass ich mal wieder kompletten Müll rede, aber im Moment sieht es einfach so für mich aus.

Hallo Marius,

früher kamen die Erze/Stähle aus unterschiedlichen Regionen, je nach Abbaugebiet gab es leichte Unterschiede bei den Legierungen, bzw. der Zusammensetzung des Erzes.

Sicher lässt sich ein Unterschied auch beim Ätzen zweier Stähle mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten erkennen. Bei Damast ist dies aber nur bei sehr dicken Schichten möglich, da hier die Kohlenstoffdiffusion nicht vollständig abgeschlossen ist, bzw. sehr lange dauert. Vorallem lasst sich die Grenze der Schichten, durch den Unterschiedlichen Kohlenstoffgeahlt, ob auf- oder abgekohlt gut erkennen.