Eisen und Stahl

Der Metallurgie von terrestrischem Eisen ging die Verarbeitung von sieben anderen prähistorischen Metallen voraus, siehe Schmiede und Wanderschmiede.

Gediegenes Eisen ¹⁾ kommt in der Natur nicht vor, ausgenommen als Meteoreisen mit hohem Nickelanteil, das jedoch zum Schmieden ungeeignet ist.

Raseneisenerz (=Sumpferz, kein Limonit) ist in Feuchtgebieten (Moore, Flussauen) oberflächennah zu finden und abzubauen. Zudem erfordert es tiefere Temperaturen beim Verhütten (Reduktionsaufwand) als Gesteinserze. So wurde es zur Hauptquelle der Eisenzeit in Mittel- und Nordeuropa. Raseneisenerz enthält rund 30 bis 70 % Eisen. Verhüttet wurde es in 1-2 Meter hohen Rennöfen, die mit Holzkohle und Erz schichtweise gefüllt wurden, die Luftzufuhr kann durch Blasebälge gesteuert werden, dabei sind Temperaturen um 1100 Grad Celsius im Ofen möglich. Aus dem Anstich „rinnt“ flüssige Schlacke aus dem Ofen. Das darin verbleibende Eisen ist zunächst teigartig (Luppe), nach dem Erkalten fest. Die Ausbeute beträgt dabei rund 25%, für 1 kg Eisen sind 15 bis 30 Kilogramm Holzkohle erforderlich. Je nach Verfahren, Ofengröße, Rohstoffgehalt können in einem Durchgang bis zu 50 kg Eisen erzeugt werden. Geschmiedet wird die Luppe.

• Stenvik, L. F.
  Iron production in scandinavian archaeology.
  Norwegian Archaeological Review, 36.2 (2003) 119–134. DOI
  Ein Review der archäologischen Fachliteratur der letzten 100 Jahre mit 75 Quellen zur Eisenproduktion.

Reines Eisen ist als Werkstoff ungeeignet, da es sehr spröde ist und durch den hohen Schmelzpunkt schwer zu verarbeiten. Kohlenstoff mit bis zu 1,7% Anteil bildet mit Eisen schmiedbaren Stahl. Werkzeugstahl mit mindestens 0,2% Kohlenstoffanteil bildet ein feinkörniges Gefüge und ist härtbar sowie gut schärfbar. Damastklingen enthalten 1% Kohlenstoff, 0,5% Mangan sowie weniger als 0,04% Phosphor und 0,05% Schwefel (natürliche Verunreinigungen). Ein höherer Phosphorgehalt macht das kalte Eisen spröder, erhöht aber dessen Härte. Weil es auch das Fließverhalten beim Schmieden verbessert, wurden in der frühen Eisenzeit oft Knochen mit verhüttet, die den Phosphorgehalt erhöhten. Dass Knochen das Eisen verbesserten, wussten die damaligen Schmiede durch Erfahrung, siehe auch Vajra sowie van Vliet, 2013.

• Preßlinger, H., Eibner, C.
  Phosphorlegierter keltischer Stahl – hart, zäh und korrosionsbeständig
  Berg Huettenmaenn Monatsh 154 (2009) 534. DOI

Die Materialeigenschaften werden zudem durch die Wärmeführung und die Bearbeitungsschritte beeinflusst, erfordern also handwerkliches Know-How:

• Schmieden macht das kristalline Gefüge homogener und feinkörniger.
• Härten wird durch Erhitzen auf bestimmte Temperaturen zwischen 800 und 1.000 °C sowie anschließendes Abschrecken, also mehr oder weniger schnelles Abkühlen mit Luft, Öl oder Wasser erreicht. Auch dies verändert die Kristallstruktur.
• Anlassen durch Erhitzen auf bestimmte Temperaturen zwischen 180 und 300 °C und mit bestimmter Dauer vermindert die Härte, dafür wird der Stahl zäher und bruchfester.

→ »Peripatetische Gruppen«: Bernsteinstraße und Schwarzmeerroute
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