Чего хочет современный пользователь купленного только что ножа? А хочет он, чтобы его ножик, удачно взятый за смешные деньги, изумительно резал, брил волосы на мохнатых предплечьях и снимал стружку с только что перерубленного металлического прута. Ну и, естественно, чтобы клинок не ржавел, не трещал от каждого сгибания в дугу после резки стекла. Отдельные извращенцы-эстеты желают, чтобы нож «был красивый» и не «как у всех».
Современная промышленность давно уже в состоянии выпускать самые разнообразные по свойствам и составам стали. И некоторые из них вполне можно использовать для изготовления клинков ножей. К сожалению, в нашей стране «специальные клинковые» стали в промышленных объёмах не выпускают. А тут ещё такие требования… Как быть добросовестному изготовителю? Можно добывать правдами и неправдами вожделенные «отрезы». А можно и самому создавать необходимый клинковый материал. Вот несчастные производители мелкосерийной или штучной продукции и крутятся в надежде угодить потребителю и заработать на хлеб, желательно с маслом.
Но этим благим попыткам сильно мешают законы физики. Ведь для того чтобы нож хорошо резал и долго держал заточку, он должен быть закалён до высокой твёрдости. Однако тут же всплывает иная неприятность: сталь при закалке, набирая твёрдость, теряет упругость. Повышаем упругость отпуском клинка? И тут же снижаем твёрдость… Углеродистые стали имеют более качественный рез, но быстро ржавеют, порой приводя владельца в исступление. Нержавейки выглядят пресно и бедно рядом с красавцами-дамасками и булатами. Круг проблем кажется неразрывным, но человек уже давным-давно научился эти трудности преодолевать, через что и слывёт «существом достаточно разумным». И были им изобретены составные, то есть композитные, клинки…
Конечно, побудительным мотивом к такому устройству клинков у древних служил поначалу бесконечный дефицит и дороговизна хороших сталей. Потому и начали её совмещать на клинке с простым железом. Добротный металл ставили именно на лезвие, убивая, таким образом, сразу нескольких саблезубых зайцев. И сталь экономили, и прочную режущую кромку получали. Да и прочность на излом-изгиб становилась повыше. Соответственно новому качеству продукции рос и авторитет кузнецов, способных такое сотворить. Да и кошелёк пополнялся быстрей. Дальше – больше. Неистощимая фантазия наших предков, подстёгиваемая насущной необходимостью, привела к изобретению целой массы способов и технологий для обмана законов физики и улучшения материального положения рабочего класса. Попытаюсь эти способы и технологии описать.
Кузнецы Древней Руси применяли пять основных технологических приёмов в изготовлении ножевых клинков.
- Сварка клинка ножа из трёх полос: в середине стальная, а по бокам железные.
- Наварка стального лезвия на железную основу клинка.
- Комбинированная сварка: узорчатое составное из нескольких пластин стали и железа тело клинка, стальное лезвие и железный обух.
- Цементация железного клинка.
- Ковка цельностального клинка.
(Последние два способа к композитным клинкам не относятся.)
Японские кузнецы применяли сходные техники, но со своими особенностями. Так, мягкий сердечник они оборачивали твёрдой сталью. Или изготавливали сложносоставные клинки из нескольких частей (тоже, в свою очередь, многослойных) с разным содержанием углерода и различным расположением волокон. Применяли они и зонную закалку: при помощи специальных обмазок покрывали клинок, и где толщина обмазки была меньше (на лезвии), там сталь закаливалась сильнее и имела большую твёрдость.
В целом кузнецы различных стран и эпох имели свои любимые конструкции и способы получения клинков. Общее в подходах было одно: все они направлены на повышение эксплуатационных свойств клинка, а в дальнейшем – и на повышение декоративно-художественных свойств изделия.
Ну а как обстоят дела с композитами в клинковом производстве сегодня? Давайте узнаем. Современные композиционные материалы можно разделить на четыре основные группы.
- Волокнистые материалы, то есть композиты, состоящие из волокон прочного материала, распределённых в более вязкой матрице (а).
- Дисперсно-упрочнённые материалы, состоящие из матрицы с равномерно распределёнными в ней дисперсными частицами твёрдых и высокопрочных фаз (б).
- Слоистые материалы, представляющие собой чередующиеся слои пластичного и прочного компонентов (в).
- Естественно-композиционные материалы, получающиеся путём направленной кристаллизации эвтектических сплавов или направленного формирования эвтектоида (г).
Ко второй группе можно отнести современные кобальтовые и титановые сплавы типа Talonite, высокая стойкость режущей кромки клинка которых обеспечивается выделениями сверхтвёрдых карбидов, выступающих в роли «микропилы». Но основное внимание мне хочется уделить рассмотрению именно третьей группы слоистых композитов, как наиболее интересных для производителя штучной продукции. Начнём с минимума слоёв – с трёх.
Эта технология известна издревле, но распространение и возможности современных материалов заставили взглянуть на неё с надеждой на новые перспективы. Какого улучшения свойств помогает добиться такая компоновка клинка? Использование мягкой нержавеющей стали для наружных слоёв (обкладок) и высокоуглеродистой, с великолепными режущими свойствами стали для центрального слоя позволяют получить клинок, мало подверженный коррозии и обладающий более качественным резом, нежели простые нержавейки.
Этот клинок будет практически невозможно сломать в ходе эксплуатации, ведь мягкие обкладки играют роль своеобразного демпфера, удерживающего от излома твёрдый центральный слой. Такой клинок просто согнётся. И это не радует? Что же, он сможет быть опять выправлен... Согласитесь, что это куда как более предпочтительный вариант, чем невесёлая перспектива остаться с обломком клинка из моностали один на один с дикой природой… Не на заднем плане стоит и фактор экономии качественной высоколегированной стали, ведь толщина центрального слоя составляет всего 1–2 мм.
Самая распространённая российская сталь для этого слоя (как и цельных клинков) – это Х12МФ. Содержащиеся в ней 1,4–1,6% углерода и 11–12,5% хрома позволяют добиться получения клинков с хорошей режущей способностью и высокой стойкостью к износу. Помимо эксплуатационного «позитива» есть и ещё такое немаловажное обстоятельство: эту сталь практически невозможно термообработать плохо, она терпима к ошибкам в закалке и отпуске. За что её иногда и называют «ленивой сталью». На обкладки можно поставить практически любую сталь или композит, здесь всё определится личной фантазией и техническими возможностями мастерской.
На центральный слой сейчас стало модно ставить различных «порошковых монстров», стали импортные и дорогие. Тонкий центр позволяет существенно сэкономить. На обкладки идёт всё, от мягкой «пищевой нержавейки» и 20Х13 до всевозможных дамасков, включая нержавеющие. Получаются очень колоритные графические решения. Высокая декоративность дамасских обкладок подчёркивается суровой рабочей простотой твёрдого центрального слоя. Простор для экспериментов просто безграничный!
Но самый яркий и характерный представитель замечательного класса слоистых композитов – дамасская сталь. Для изготовления дамаска применяются разные стали: инструментальные, конструкционные, коррозионностойкие… Железо, никель, другие цветные металлы… в составе дамаска одним из компонентов может быть даже булат! В основном потоке практической работы пока применяются углеродистые стали. В последнее время часто используют никель, он даёт яркий белый слой и высокую декоративность. Клинки с никелем очень яркие, нарядные и идут на дорогие подарочные ножи-«полочники».
Дамасская сталь различается по типу используемых материалов, по способу получения и по рисунку. Являясь в том числе и общепризнанным «художественным композитом», дамаск имеет ряд действительно уникальных свойств. Чередование волокон стали, получивших после термообработки высокую твёрдость и хрупкость, с волокнами стали мягкой, но упругой, образует на режущей кромке выраженную неоднородность. Это свойство дамаска и обуславливает его повышенные режущие свойства. Оно создаёт эффект, который можно очень условно назвать «самозатачиваемостью». Конечно, такой нож не точит сам себя (как порой думает пользователь), но мягкие волокна его клинка, срабатываясь быстрее, обнажают более твёрдые участки – нож при работе дольше сохраняет свою способность хорошо резать.
Хрупкость стали, получившей после закалки высокую твёрдость, компенсируется упругостью слоёв мягких. Такие клинки выдерживают большие динамические нагрузки на изгиб. Ну и немаловажную, а подчас и главную роль играют изумительные декоративные свойства дамасского узора! Способов получения этого узора существует великое множество – от относительно простых до самых сложных, требующих высокого уровня мастерства. Правда, уже многие годы репутация дамаска сильно страдает из за огромного количества низкокачественных клинков, изготавливаемых в мастерских Ворсмы. Им несть числа. Их имя – легион.
А есть ещё и «вечная легенда»… Булат – сталь, получаемая различными методами, связанными с полным или частичным расплавлением исходного материала. И если дамаск – это сталь, полученная методом кузнечной сварки, то булат – это технология получения литой, высокоуглеродистой, с особыми свойствами стали. В основе строения булатной стали лежит естественная дендритная кристаллизация с большими разновидностями протекания процесса. В структуре булата есть те же составляющие, что и в обычной стали: феррит, перлит и цементит, но они в корне отличаются своим строением и расположением.
Булат также различается по типу используемых материалов, по способу получения и по рисунку, но здесь уже и сам рисунок несёт в себе информацию о свойствах этого великолепного материала. Сейчас уже получены булаты с различными легирующими добавками, повышающими их эксплуатационные свойства. В частности, добавка хрома позволяет получить коррозионностойкий булат. Это не исторический булат прошлых веков, который состоял из железа и углерода с минимумом легирующих добавок, это современный авторский материал. Не стоит их путать и сравнивать.
А к какому классу композитов отнести булатную сталь? Вот что пишут в своей монографии «Булатная сталь» В.А. Щербаков и В.П. Борзунов: «На наш взгляд, булатную сталь нельзя отнести к волокнистым композитам. Во-первых, в булатной стали связь между сверхвысокоуглеродистыми волокнами и низкоуглеродистой матрицей реализована на основе одинаковой кристаллической решётки железа, а положение границы раздела «волокно – матрица» изменяется в процессе высокотемпературной пластической деформации вследствие изменения сечений волокон, их конфигурации и контрастности.
Нельзя исключать и обратного процесса при эксплуатации изделий из булатной стали. Во-вторых, температура плавления объёмов сверхвысокоуглеродистых волокон булатной стали ниже температуры плавления матрицы. В-третьих, физико-механические свойства составляющих композита типа булатной стали формируются в процессе получения, и эксплуатационные свойства композита не являются результатом только сформированной композиционности.
Булатную сталь нельзя отнести к группе композитов, включающей дисперсно-упрочнённые материалы. Во-первых, в композитах типа булатной стали отсутствует равномерное распределение упрочняющих частиц (выделений вторичного цементита) по объёму композита в целом, напротив, повышенные эксплуатационные свойства булатной стали достигаются в большой степени благодаря созданной макронеоднородности, в том числе и в распределении выделений вторичного цементита. Во-вторых, в основе отличительных признаков булатной стали лежит анизотропия различных свойств, что нехарактерно для композитов рассматриваемой группы.
Булатную сталь нельзя отнести также и к группе композитов, включающих слоистые материалы. Во-первых, сейчас во многом очевидно, что строгая слоистость в булатной стали в принципе бы не позволила реализовать возможную совокупность сверхсвойств этого композита, и сама „строгость“ недостижима в технологии производства настоящей булатной стали. Во-вторых, именно кривизна сверхвысокоуглеродистых волокон формирует в локальных объёмах булатной стали необходимые характерные градиенты упругих напряжений, воздействующие на те или иные процессы и явления.
И наконец, булатную сталь, по-видимому, нельзя отнести к так называемым естественным композиционным материалам. Во-первых, булатная сталь ни в волокнах, ни в прослойках матрицы не содержит эвтектики, которая могла бы существенным образом повысить прочностные свойства композита. Во-вторых, повышенные эксплуатационные свойства булатной стали достигаются не в результате существования двух состояний одной фазы, например высокоуглеродистого и низкоуглеродистого мартенсита. В-третьих, настоящая булатная сталь обладает, в отличие от естественных композитов, совершенно иной, более высокой энергетикой, и состояние металла в составе булата далеко не естественное и требует колоссальных затрат внешней энергии для его достижения. Более того, в отличие от других композитов формирование булатной стали сопровождается беспрецедентной аккумуляцией внешней прилагаемой энергии.
На наш взгляд, булатная сталь должна быть выделена в особый класс композитов».
Мнение специалистов лишний раз подчёркивает уникальность булата как клинкового материала. И эта потенциальная уникальность притягивает внимание многих экспериментаторов, старающихся освоить выпуск булата. Однако внятного, красивого, а самое главное, крупного узора добиться пока не получается. Похоже, но не то. Булатная сталь – это скорее технология, чем материал. Технология несложная, но какие-то нюансы воспроизвести пока не удаётся. Может быть, секрет в том, что булат производился массово, в больших печах, которые вмещали много тиглей.
Особый температурный режим большой печи позволял получать сразу несколько видов булатов в разных тиглях. Современные же булатовары используют маленькие печи на один тигель. Да и мало просто отлить булатный слиток, нужно его правильно термообработать, а потом определённым образом выковать клинок, правильно его закалить и отпустить и правильно протравить… Причём малейшая ошибка на любом этапе этого процесса ведёт к получению совсем другого результата, чаще всего с ухудшением свойств.
К сожалению, с булатами случилась та же история, что и с дамаском. Десятки мастерских и кузниц, имя которым – легион, ничтоже сумняшеся выдают за булат промышленные стали, имеющие структурную неоднородность. Чаще всего это Х12МФ: эта сталь при травлении в растворе слабых кислот демонстрирует на поверхности «булатоподобный» узор. Чтобы покупатель не сомневался, видя мелкий и невнятный узорчик, на клинке крупно выжигают лазером «Булат». Хороший крупный чёткий узор булата не нуждается в поясняющей подписи, он виден сразу. Но откуда ему взяться на промышленной стали?
Как только увидели эту аляповатую татуировку «Булат» на клинке, разворачивайтесь и уходите. Но не тем путём, что пошёл один предприниматель из Златоуста: он активно производит «булат» имени себя любимого и тоже пишет это на клинке. Клинки его производства отличались крупным узором из неровных полос, точек и пятен. Обман вскрылся, когда мастерскую посетили журналисты. На камеру попал техпроцесс получения этого «узора». Это были следы окалины и масло от грязной тряпки, которой протирали клинок перед травлением. Клинки были из Х12МФ, и после перешлифовки никакого «особого» узора не несли. Просто мелкий дендритный узорчик, характерный для Х12МФ. Секрет «именного булата» оказался в грязных руках во всех смыслах.
Так что на данный момент, как ни стараются современные булатовары, которых и так меньше десяти человек, но современного каратабана пока нет. И тигли есть, и печи есть, и даже пирометры с термопарами есть, даже диаграмма «железо – углерод» есть, а крупного булатного узора нет. Просто есть пока непонятные нам тонкости технологии, какие-то мелочи. И ускользают они от исследователей.
Однако, кроме дьявола, ещё и само Чудо кроется именно в мелочах. В тех самых мелочах, с помощью которых мы и сможем удивить и порадовать владельца отличного ножа из композитных материалов.
Все статьи номера: На острие клинка №12, 2023
