Eisen und Stahl

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

Gediegenes Eisen kommt in der Natur nicht vor, ausgenommen als Meteoreisen. 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 bodennahen Anstich „rennt“ 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 (0,1% bis 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 bestehen aus „Kohlenstoffstahl (1059)“ mit 1% Kohlenstoff, 0,5% Mangan sowie weniger als 0,04% Phosphor und 0,05% Schwefel (natürliche Verunreinigungen). Chrom, Mangan und andere Metalle bilden mit Stahl Legierungen und beeinflussen dessen Eigenschaften. Ein höherer Phosphorgehalt macht das kalte Eisen spröde, 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. Vgl: Vajra

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

Die chemische Zusammensetzung ist eine Voraussetzung, jedoch werden die Materialeigenschaften erst 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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