Metallographic preparation of a composite of meteorite iron, steel, pure iron, and nickel manufactured by the Damascus technique

1.1 Krises – Indonesian daggers

Krises are still manufactured according to the traditional model. They are characterized by two different shapes in the blade area, straight or wavy, and a typically asymmetrical blade base (Figure 1).

The decorative pattern of the blades manufactured by master blacksmiths performing a fold forging process are obtained using different iron alloys [1, 2]. Steel, iron, meteorite iron containing nickel, and/or nickel are used as raw materials and joined by forge welding. Nickel provides a good contrast to the Damascus surface [3].

Figure 1a to e

kris from the Vienna World Museum: (a) straight kris with handle; (b) wavy kris with handle; (c) straight handle, overall view; (d) detail of the straight area of the blade; (e) detail of the asymmetrical blade base.

Bild 1a bis e:Kris aus dem Weltmuseum Wien: (a) Gerader Kris mit Griff; (b) gewellter Kris mit Griff; (c) gerader Griff, Gesamtansicht; (d) Detail des geraden Klingenbereichs; (e) Detail der asymmetrischen Klingenbasis.

1.2 Damascus technique

The earliest descriptions of Damascus blades date from 540 AD. Europeans encountered these weapons during the crusades [4, 5].

Blades of outstanding quality were brought to Europe from the trading center Damascus. The term Damascus blade became a concept encompassing brand, quality, and type. The Indonesian term “pamor” can be heard in the context of manufacturing krises. It means welding, designates the welding pattern of the blade, and is synonymous with damascening [6]. Different iron and steel types (which may also contain nickel) are welded together, initially generating lines. Several layers are created by folding or cutting up and performing another forge welding step. Indonesian blades typically have 60 or 120 layers. More complicated patterns are created by twisting the heated material. Only etching reveals the formed structures. A long etching process creates a relief (relief etching). In Indonesia, arsenic is ground with lemon juice and the mixture is brush-applied on the blade [6].

In any case, Western travelers reported on krises at the beginning of the 16^th century. The oldest specimens found their way into European collections including Vienna, Oxford, Florence, etc., during the colonial era [7].

2.1 Raw materials and forging

The composite under examination was manufactured by welding together eleven sheets made of different iron alloys and Ni with an initial height of 6 mm and a length of 100 mm, respectively. The iron alloys are composed of pure iron with slag inclusions, steel with 0.1 wt.% C, and meteorite iron. The forging temperature was approx. 1100 °C. Figure 2 shows the sequence of layers. Composites with more than 50 layers could be manufactured by cutting the first composite, assembling the sections, and forging. Hence, the individual layers will considerably be thinned down [8, 9, 10].

Figure 2

Composite material after forging the initial sheets. Overview image in the LOM including the individual materials’microhardness values (HV 0.1) and their acronyms, Nital etching. Scale see Figure 3.

Bild 2: Verbundwerkstoff nach dem Schmieden der Ausgangsbleche. Übersichtsbild im LOM mit Kennzeichnung der einzelnen Materialien und ihrer Mikrohärte HV 0,1, Nitalätzung. Maßstab siehe Bild 3.

2.2 Metallography

The samples forged applying the described Damascus technique were available for metallographic examinations. First, suitable pieces were taken by cutting. These pieces were cold embedded and metallographically prepared (plane grinding, polishing using 9, 3, and 1 μm diamond suspension).

Etchants commonly used for steel (Klemm, Nital) cannot be used to reveal the nickel microstructure. We have therefore ion etched the released samples and subjected them to an additional heat tinting and Nital etching step.

Ion etching: accelerating voltage: 100 V; current: 10 mA; Ar pressure: 9 × 10^-4 bar; time: 90 min.

Heat tinting in air: the released sample is placed on a heating plate, heating plate temperature approx.: 300 °C; time: 3–11 min (until the sample surface has a brown-violet appearance).

2.3 Microscopy and hardness measurement

The examinations were carried out using a Light Optical Microscope (LOM). Imaging was done using Backscattered Electrons (BSE) in a Scanning Electron Microscope (SEM), while the composition was determined by Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDS).

The microhardness was measured according to Vickers (HV 0.1) (Figure 2).

3.1 The central meteorite iron layer

Meteorite iron is incorporated into the center of the workpiece. It is a sheet manufactured from the meteorite “Campo del Cielo” [11].

Next to the ferritic microstructures, various phases are arranged in lines. This structure results from manufacturing the sheet from the raw meteorite. Forging caused the phases contained in the meteorite to deform [12] (Figure 4). The SEM-EDS element distribution (Figure 5) of the meteorite iron reveals phosphorus, oxygen, and an increased Ni content. Note also the BSE image which depicts the grain structure even without etching.

The microhardness of this layer was 201 HV 0.1.

It is uniformly connected with the adjacent iron and no cracks or oxide layers can be observed at the interface (Figure 4b, d, f).

Figure 4a to f

Meteorite iron in the center of the sample: (a, b) 3 % Nital etching; (c, d) ion etched and heat tinted; (e, f) SEM-BSE images.

Bild 4a bis f:Meteoriteneisen im Zentrum der Probe: (a, b) 3 % Nital Ätzung; (c, d) ionen- und anlassgeätzt; (e, f) REM-BSE Aufnahmen.

Figure 5

SEM-EDS element distribution of the central meteorite region.

Bild 5:REM-EDX Elementverteilung des mittleren Meteoritenbereichs.

3.2 The iron-nickel-iron composite

The pure iron layers are characterized by a ferritic microstructure without cementite precipitations. Oxide and slag inclusions are also recognizable (Figure 6a, b). The SEM-EDS element distribution (Figure 5) reveals increased manganese concentrations in the oxides contained in the pure iron.

The different coloring of the layers after heat tinting is quite interesting: colors (purple, violet, blue) are darker and more intensive at the edge, while they are dark yellow to brownish towards the core (Figure 3c). A microhardness value of 102 HV 0.1 was measured.

Since iron acts as a protective anode, the microstructure of the more noble nickel cannot be revealed next to the pure iron using the usual solutions. Ion etching was performed instead (Figures 6a–c). Additional heat tinting hardly introduced any changes in the Ni (Figures 6d–e). Nickel is characterized by a coarse grain microstructure with twins. Interestingly, the grain boundaries of the nickel are clearly recognizable in the SEM-BSE image even without etching (Figure 6f). A microhardness of 98 HV 0.1 was measured.

Presomably as a result of diffusion processes, a thin, approximately 10–15 μm layer (Figure 6e) formed between Ni and pure iron on the one hand, and, on the other hand, an oxidized zone with fine grain. Oxygen possibly penetrated the material during forge welding and oxides formed (Figure 6c).

The joints between both materials can nevertheless be described as uniform. The welding was thus successful.

Figure 6a to f

Iron-nickel-iron area, LOM: (a–c) ion etched; (d, e) ion etched/heat tinted; (f) SEM-BSE, unetched.

Bild 6a bis f:Bereich Eisen-Nickel-Eisen, LOM: (a – c) ionengeätzt; (d, e) ionen – anlassgeätzt; (f) REM-BSE, ungeätzt.

3.3 The iron-steel-iron composite

The sheets of unalloyed steel containing 0.1 wt.% C, briefly referred to as C10, are also characterized by a mainly ferritic microstructure with some pearlite due to the presence of C (Figure 7).

Figure 7a to h

Iron-steel-iron area: (a) SEM-BSE, unetched; LOM: (b, c) 3 % Nital etched; (d–h) ion etched/heat tinted.

Bild 7a bis h:Bereich Eisen-Stahl-Eisen: (a) REM-BSE, ungeätzt; LOM: (b, c) 3 % Nital geätzt; (d–h) ionen – anlassgeätzt.

Ion etching/heat tinting does not reveal the pearlite (Figure 7f, h). Pearlite can, however, be recognized after Nital etching (Figure 7b, c). The microhardness was 142 HV 0.1.

The interface Fe/C10 is very homogeneous. Thus, after ion etching and heat tinting, the different layers can only be distinguished owing to the slag inclusions in the Fe and the somewhat brighter grain in the C10 (Figure 7f, h). Next to the Nital etched interface, a 30–40 μm thick zone is clearly recognizable. It cannot be said whether it is a zone with fine oxides or carbides (Figures 7b, c). The grains of both ferrous materials are recognizable in the SEM-BSE even without etching; on the left side of the image, it appears as if oxide is enriched at the interface, whereas on the right, the interface is very homogeneous (Figure 7a).

3.4 Further processing into a finer, multilayer Damascus composite

Figure 8a shows the cross section of the forging for which 5 initial sheets (Figure 2) were stacked and forged again. The indi-

vidual layers are thus considerably thinned down, the microstructures of the individual layers and their transitions, however, are comparable to the initial microstructures (Figure 8b, c).

Figure 8a to c

Multilayer Damascus composite in the LOM, heat tinted: (a) overview image with more than 50 layers; (b, c) detailed images of (a).

Bild 8a bis c: Mehrlagiger Damastverbund im LOM, anlassgeätzt: (a) Überblicksbild mit über 50 Lagen; (b, c) Detailbilder von (a).

1.1 Krise – indonesische Dolche

Auch heute werden Krise nach traditionellem Vorbild hergestellt. Kennzeichnend sind zwei unterschiedliche Formen des Klingenbereiches, gerade oder gewellt, und typisch ist eine asymmetrische Klingenbasis (Bild 1).

Die dekorativen Muster der Klingen werden durch Verwendung verschiedener Eisenlegierungen erhalten, die Meisterschmiede mit einer Falt-Schmiedetechnik herstellen [1, 2]. Als Ausgangsmaterialien werden Stahl, Eisen, Nickel haltiges Meteoriteneisen und/oder Nickel verwendet und durch Feuerverschweißen zusammengefügt. Durch das Nickel entsteht ein guter Kontrast an der Damaszeneroberfläche [3].

1.2 Damaszenertechnik

Die frühesten Beschreibungen von Damaszenerklingen stammen aus 540 n. Chr., und während der Kreuzzüge kamen die Europäer in Kontakt mit diesen Waffen [4, 5].

Aus dem Handelszentrum Damaskus gelangten Klingen hervorragender Qualität nach Europa. Die Bezeichnung Damaszenerklinge wurde zu einem Marken-, Qualitäts- und Typenbegriff. Im Zusammenhang mit der Krisherstellung taucht der Indonesische Begriff „pamor“ auf. Er bedeutet „schweißen“, bezeichnet das Schweißmuster der Klinge und ist mit „Damaszieren“ gleichzusetzen [6]. Unterschiedliche Eisen- und Stahlsorten, die auch Nickel enthalten können, werden zusammengeschweißt und es zeigen sich zunächst Linien. Durch Falten oder Zerschneiden und neuerlichen Zusammenschmieden entstehen mehrere Lagen. Typisch für indonesische Klingen sind 60 bzw. 120 Lagen, kompliziertere Muster entstehen durch Verdrehen des erhitzten Materials. Die entstandenen Strukturen werden erst durch Ätzen sichtbar gemacht. Durch langes Ätzen entsteht ein Relief (Reliefätzung). In Indonesien werden Arsenik und Zitronensaft gerieben und das Gemisch mit einer Bürste auf die Klinge aufgetragen [6].

Jedenfalls berichten westliche Reisende Anfang des 16. Jhd. von Krisen. Die ältesten Stücke gelangten während der Kolonialzeit in europäische Sammlungen, so z. B. in Wien, Oxford, Florenz u. a. [7].

2.1 Ausgangsmaterialien und Schmieden

Durch Zusammenschmieden von elf Blechen aus verschiedenen Eisenlegierungen und Ni mit einer Ausgangshöhe von jeweils 6 mm und einer Länge von 100 mm wurde der zu untersuchende Verbundwerkstoff hergestellt. Bei den Eisenlegierungen handelt es sich um Reineisen mit Schlackeneinschlüssen, einem Stahl mit 0,1 Gew.% C und Meteoriteneisen. Die Schmiedetemperatur lag bei etwa 1100 °C. Die Schichtabfolge ist in Bild 2 gezeigt. Durch Zerschneiden des ersten Verbundes und Zusammenfügen der Teilstücke sowie Schmieden konnten Verbunde mit über 50 Lagen hergestellt werden. Die einzelnen Lagen werden dadurch wesentlich dünner [8, 9, 10].

2.2 Metallographie

Die nach dieser beschriebenen Damaszenertechnik geschmiedeten Proben standen für metallographische Untersuchungen zur Verfügung. Zunächst wurden durch Trennen geeignete Stücke entnommen, kalt eingebettet und metallographisch präpariert (Planschleifen, Politur mit 9, 3 und 1 μm Diamantsuspension).

Das Nickelgefüge kann mit typischen Ätzmittel für Stahl (Klemm, Nital) nicht entwickelt werden. Deshalb erfolgte nach dem Ausbetten der Proben eine Ionenätzung, zusätzlich wurden eine Anlass- und eine Nitalätzung durchgeführt.

Ionenätzung: Beschleunigungsspannung: 100 V; Strom: 10 mA; Ar-Druck: 9 × 10^-4 bar; Zeit: 90 min.

Anlassätzung an Luft: die ausgebettete Probe wird auf eine Heizplatte gelegt, Heizplattentemperatur ca.: 300 °C; Zeit: 3–11 min (bis die Probenoberfläche braun-violett erscheint).

2.3 Mikroskopie und Härtemessung

Für die Untersuchungen wurde ein Lichtmikroskop (LOM) verwendet. Im Rasterelektronenmikroskop (REM) wurde mit den Rückstreuelektronen gearbeitet (BSE) sowie mit energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) die Zusammensetzung bestimmt.

Die Mikrohärtemessungen erfolgten nach Vicker’s HV 0,1 (Bild 2).

3.1 Die zentrale Lage aus Meteoriteneisen

Im Zentrum des Werkstücks ist ein Meteoriteneisen eingearbeitet. Es handelt sich um ein Blech, das aus dem Meteorit „Campo del Cielo“ hergestellt wurde [11]. Neben dem ferritischen Gefüge sind linienartig verschiedene Phasen angeordnet. Diese Struktur stammt aus der Herstellung des Blechs aus dem ursprünglichen Meteoriten. Die im Meteoriten enthaltenen Phasen wurden beim Schmieden verformt [12] (Bild 4). Die REM-EDX Elementverteilung (Bild 5) zeigt den erhöhten Ni-Gehalt im Meteoriteneisen sowie Phosphor und Sauerstoff. Man beachte auch das BSE Bild, in dem die Kornstruktur auch ohne Ätzung erkennbar ist.

Die Mikrohärte dieser Lage betrug 201 HV 0,1.

Der Verbund zum benachbarten Eisen ist gleichmäßig und es sind keine Risse oder Oxidschichten an der Grenzfläche festzustellen (Bild 4b, d, f).

3.2 Der Eisen-Nickel-Eisen Verbund

Die Reineisenlagen zeigen ferritisches Gefüge ohne Zementitausscheidungen. Des Weiteren sind Oxid- und Schlackeneinschlüsse erkennbar (Bild 6a, b). In der REM-EDX Elementverteilung (Bild 5) ist zu sehen, dass die im Reineisen enthaltenen Oxide erhöhte Mangankonzentrationen enthalten.

Interessant ist die unterschiedliche Färbung der Lagen nach dem Anlassätzen: Am Rand sind sie dunkler und intensiver (purpur, violett, blau) und gegen die Mitte dunkelgelb bis bräunlich gefärbt (Bild 3c). Es wurde eine Mikrohärte von 102 HV 0,1 gemessen.

Das Gefüge des edlen Nickels kann neben dem Reineisen mit den üblichen Lösungen nicht entwickelt werden, weil Eisen wie eine Schutzanode wirkt. Deshalb erfolgte eine Ionenätzung (Bild 6a–c). Durch zusätzliches Anlassätzen wird das Ni kaum verändert (Bild 6d–e). Nickel zeigt ein Grobkorngefüge mit Zwillingen. Interessanterweise sind die Korngrenzen des Nickels im REM-BSE Bild auch ohne Ätzung deutlich zu sehen (Bild 6f). Es wurde eine Mikrohärte von 98 HV 0,1 gemessen.

Vermutlich durch Diffusionsvorgänge entstand einerseits zwischen Ni und Reineisen eine dünne, etwa 10–15 μm breite Schicht (Bild 6e), andererseits eine oxidierte Zone mit Feinkorn. Möglicherweise ist beim Feuerverschweißen Sauerstoff in den Werkstoff eingedrungen und es kam zur Oxidbildung (Bild 6c).

Trotzdem können die Verbindungsstellen zwischen beiden Werkstoffen als gleichmäßig bezeichnet werden und somit war die Verschweißung erfolgreich.

3.3 Der Eisen-Stahl-Eisen Verbund

Die Bleche aus unlegiertem, 0,1 Gew.-% C-haltigem Stahl, kurz als C10 bezeichnet, zeigen ebenso ein überwiegend ferritisches Gefüge und daneben tritt, aufgrund des Vorhandenseins von C, Perlit auf (Bild 7).

Der Perlit ist nach der Ionen-Anlassätzung nicht erkennbar (Bild 7f, h) – im Gegensatz zur Nitalätzung (Bild 7b, c). Die Mikrohärte betrug 142 HV 0,1.

Die Grenzfläche Fe/C10 ist sehr homogen und nach der Ionen- und Anlassätzung sind die unterschiedlichen Lagen nur durch die Schlackeneinschlüsse im Fe und durch das etwas hellere Korn im C10 zu unterscheiden (Bild 7f, h). Bei der mit Nital geätzten Grenzfläche ist eine 30–40 μm dicke Zone deutlich erkennbar. Ob es sich hier um feine Oxide oder Karbide handelt, kann nicht gesagt werden (Bild 7b, c). Im REM-BSE Bild sind die Körner beider Eisenwerkstoffe auch ohne Ätzung erkennbar; links im Bild scheint Oxid an der Grenzfläche angereichert sein, rechts hingegen ist die Grenzfläche wiederum sehr homogen (Bild 7a).

3.4 Weiterverarbeitung zu einem feinerem, mehrlagigen Damastverbund

In Bild 8a ist der Querschnitt durch das Schmiedestück gezeigt, bei dem 5 Ausgangsbleche (Bild 2) gestapelt und abermals geschmiedet wurden. Die einzelnen Lagen werden dadurch deutlich dünner, die Gefüge der einzelnen Lagen und deren Übergänge sind jedoch mit den Ausgangsgefügen vergleichbar (Bild 8b, c).