Ковка клинков является довольно увлекательным занятием, но с чего
начать?
К сожалению в нашей стране практически отсутствует специальная
литература на эту тему. Данная статья является своеобразным сборником
информации из множества источников: это и книги по кузнечному
делу, публикации в Интернете, личный опыт. Поэтому претензии типа
"а я это где-то читал" - не принимаются. Статья писалась для людей
не имеющих возможности перелопатить весь печатный материал, но
очень сильно жаждущих сделать ножик.
С чего начать? Для этого мы должны определиться, для чего нам кузница. Если время от времени, раз в полгода, выковывать маленький клиночек, то иметь много громоздкого оборудования нам ни к чему, это вариант минимум. Если вы решили посвящать ковке много времени и надеетесь достичь определенных результатов, имеет смысл постепенно обрастать профессиональным оборудованием. Экономить на этом нельзя. Это вариант максимум.
ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНОЙ МАСТЕРСКОЙ
Кузница может быть построена из любого вида строительного материала: переплетенных прутьев, обмазанных глиной, бревен, различного вида камня и кирпича, шлакоблоков, бетона, а также сварена из железа. Раньше были кузницы и в землянках, и в пещерах. Крыши делались как односкатными, так и двух- и четырехскатными и покрывались дерном, соломой, дранкой, досками, черепицей, толью, шифером и железом. Но лучше, конечно, подобрать для строительства огнеупорный материал: кирпич, камень, а крышу покрыть железом, шифером или черепицей. Размеры кузниц могут быть самыми различными от 2X1,5 и до 10X5 м и более, а по высоте от 2 до 4 м.
Если есть возможность построить на даче небольшую
кузницу, то это, конечно, очень хорошо - она будет вам служить
долгие годы. Но если такой возможности нет, то не отчаивайтесь,
можно обойтись простым навесом или организовать кузнечный участок
под открытым небом. Площадку для кузницы выбирают побольше - не
менее 12-15 м2. Растительность на ней удаляют и землю хорошо утрамбовывают.
В дальнейшем после установки оборудования можно устроить глиняный
пол или забетонировать его. Навес лучше сделать у глухой стены
дома. Для этого надо установить два (или четыре) столба, а на
них положить наклонную крышу. Для строительства кузницы можно
использовать строительные материалы, имеющиеся в продаже. Несущие
столбы, на которые будут уложены балки перекрытия, должны быть
из негорючих материалов - асбоцементных или стальных труб, а также
кирпичной кладки. Высота их не менее 2,6 м. Боковые стены выполняют
из плоских или волнистых асбоцементных листов. Изнутри их белят.
Над горном устанавливают вытяжной зонт. Летом в таком помещении
не жарко, так как вентиляция происходит за счет естественной циркуляции
воздуха через щели и зазоры в конструкции и вытяжной зонт, а зимой
оно прогревается теплом, выделяемым горном. Однако сварочные работы
необходимо проводить на открытом воздухе.
Помещение для любительской кузницы желательно располагать подальше
от жилых строений. Если это не представляется возможным, мастерскую
можно организовать на двух участках: слесарный разместить в жилой
части дома или сарае, а "горячий" - под навесом в некотором удалении.
В таком случае не требуется устройство вентиляции и лучше обеспечивается
пожарная безопасность.
При устройстве и оборудовании слесарной мастерской
необходимо руководствоваться требованиями наибольшего удобства
с учетом материальных возможностей. Помещение мастерской площадью
не менее 10 м2 должно быть сухим и светлым. При отсутствии естественного
освещения оборудуют хорошее освещение лампами дневного света,
а в рабочей зоне - местное лампами накаливания. Основное оборудование
слесарной мастерской -слесарный верстак размером 60-70X120-150Х
X 80-85 см с тисками и выдвижными ящиками для хранения инструмента,
электроточило с набором сменных кругов, электродрель, электросварочный
аппарат, а также комплект слесарного инструмента.
Основное оборудование кузницы состоит из горна, наковальни, кузнечных
тисков, емкости для воды и правильной плиты. Плиту размером 50X50
см изготавливают из листовой стали толщиной не менее 25 мм. Устанавливают
ее на башмаке, сваренном из уголка, желательно, чтобы один из
углов составлял 90°. Емкость для воды вкапывают в землю - так
она будет быстрее охлаждаться.
Нагревательные устройства.
Для нагревания металла до ковочной температуры нам потребуется нагревательное
устройство. В классическом варианте - это кузнечный горн.
Основа стационарного горна- постамент (лежанка,
постель, стол), который служит для размещения очага и нагреваемых
заготовок. Обычно постамент горна устанавливается по центру задней
от входа (основной) стены кузницы. Высота постамента определяется
ростом кузнеца исходя из удобства переноса заготовки из горна
на наковальню и обратно и принимается равной 700--800 мм, а площадь
горизонтальной поверхности "стола" обычно равна 1X1,5 или 1,5x2
м. Постамент горна может выкладываться из кирпича, пиленого камня
или железобетона, в виде ящика, стенки которого сложены из бревен,
досок, кирпича или камня, а внутренность заполнена битым мелким
камнем, песком, глиной и горелой землей. Верхняя горизонтальная
часть стола выравнивается и, если есть возможность, выкладывается
огнеупорным кирпичом.
Постамент также можно делать литым (рис. 46), сварным или сборным,
а поверхность стола выкладывать огнеупорным кирпичом и окантовывать
металлическим уголком.
Центральное место стола занимает очаг, или горновое гнездо, которое
может размещаться как в центре, так и у задней или боковой стенки
горна.
Очаг - место, где развивается наиболее высокая температура, поэтому
его стенки обычно выкладывают огнеупорным кирпичом и обмазывают
огнеупорной глиной. Размеры гнезда определяются назначением горна
и размерами нагреваемых заготовок. Центральное гнездо обычно в
плане имеет круглую или квадратную форму Размером 200x200 или
400X400 и глубиной 100- 150 мм. Для создания пламени различного
вида следует применять несколько колосниковых решеток с разнообразными
формами отверстий для прохода воздуха. Равномерно расположенные
круглые отверстия (рис. 47, б) способствуют образованию факельного
пламени, щелевые отверстия (рис. 47, в, г) - узкого и удлиненного.
Над стационарным горном для сбора и отвода из кузницы дыма и газов
устанавливается зонт, который может иметь различное конструктивное
исполнение. Размеры нижнего входного отверстия зонта обычно равны
размерам стола горна. В качестве задней стенки зонта используется
стена здания. Зонты обычно изготовляют из листового железа толщиной
0,5-1,5 мм.
Для лучшего улавливания дыма и газов зонты устанавливают над горном
на высоте Н = 400-^800 мм (см. рис. 46), а точная высота уже определяется
на месте в зависимости от индивидуальных особенностей горна- силы
дутья, высоты и размеров вытяжной трубы и других параметров. В
некоторых случаях зонты оснащаются опускающимися крыльями. Недостаток
металлических зонтов в том, что они довольно быстро прогорают,
а их ремонт сложен и трудоемок.
Более надежны и долговечны зонты, сложенные из огнеупорного кирпича
(рис. 48). Однако кирпичные зонты значительно тяжелее металлических
и для их поддержки необходима жесткозаделанная металлическая рама
из уголков или швеллеров, а иногда и дополнительные подпорки по
углам. Несмотря на широкое применение открытых горнов при кузнечных
работах их коэффициент полезного действия (отношение количества
теплоты, требуемой для нагрева заготовки, к общему количеству
теплоты, получаемой в результате сгорания топлива) очень низкий
и составляет 2-5%. Установлено, что для нагрева 1 кг металла до
ковочной температуры требуется 1 кг каменного угля. Кроме того,
в результате непосредственного соприкосновения металла с каменным
углем происходит насыщение серой поверхности нагреваемого металла,
что ухудшает механические свойства кованых изделий. Поэтому кузнецы
начинают закладывать заготовки в горн, когда уголь хорошо разгорится
и сера выгорит. Для повышения КПД открытого горна кузнецы, используя
способность каменного угля спекаться под действием высокой температуры,
устраивают над очагом куполообразную "шапку" из спекшегося угля,
в которую и закладывают заготовки. В результате этого заготовки
нагреваются быстрее и окисляются меньше.
Кроме "шапки" кузнецы обычно делают над очагом печурку из нескольких
кирпичей.
К сожалению часто условия не позволяют установить стационарный
горн, но мы можем изготовить переносной. Переносные горны - это
цельнометаллические сварные или сборные конструкции, применяемые
для нагрева заготовок небольшого размера и клинков. Переносной
горн может быть небольшого размера и изготовлен из подручных материалов.
Топливо.
Для нагрева заготовок кузнецы используют различные виды топлива:
твердое, жидкое и газообразное Наиболее широко применяется в небольших
кузницах твердое топливо- дрова, торф, уголь и кокс.
Древесный уголь
был основным видом топлива вплоть до середины XVIII в., а в настоящее
время его изготовляется настолько мало, что для нагрева заготовок
он практически не применяется. Однако если необходим умеренный нагрев
заготовок небольших размеров, то лучше всего сделать это все же
на древесном угле, который должен быть хорошо выжжен, быть плотным,
твердым, сгорать не слишком быстро, иметь блестящий излом и "звонкость".
Масса 1 м3 хорошего древесного угля в рыхлой насыпке равна: дубового
и букового - 330 кг, березового -215 кг, соснового - 200 кг, елового-
130 кг.
Кокс
наиболее широко применяется в кузнечных цехах
для нагрева заготовок, так как имеет относительно низкий процент
содержания серы и фосфора и высокую теплотворную способность.
Каменный уголь
используется в том случае, когда необходимо нагревать заготовки
до высокой температуры. Уголь хорошего качества должен при горении
давать короткое пламя и хорошо спекаться. Плотность угля равна 1,3
т/м3, а масса 1 м3 в рыхлой насыпке - 750- 800 кг. Уголь должен
быть черного с блеском цвета размером с грецкий орех. Кузнецы называют
такой уголь "орешек".
Жидкое топливо
- это нефть, продукты ее перегонки (бензин, керосин и т. п.) и остаточные
масла. Наиболее широко в кузнечном деле применяются мазуты, которые
относительно дешевы и имеют высокую теплотворную способность.
Газообразное топливо
(природный газ) все шире начинают использовать в кузнечных горнах,
так как оно относительно дешево, имеет высокую теплотворную способность,
легко смешивается с воздухом, полностью сгорает и, самое главное,
в нем отсутствует ядовитый оксид углерода.
Для тех кузнецов и любителей кузнечного дела, кто не имеет возможности
использовать для нагрева заготовок жидкое или газообразное топливо,
а также купить каменный уголь или кокс, рассмотрим способы получения
древесного угля.
Получение древесного
угля
"Кучи" (рис.
42) устраивают в лесу возможно ближе к месту рубки деревьев, на
участке, защищенном от ветра и недалеко от воды. Вначале выравнивают
площадку, очищают ее от дерна и утрамбовывают землю. Затем посередине
вколачивают три кола и распирают их планками, в результате чего
образуется вертикальная труба. На земле вокруг трубы насыпают горку
из легко воспламеняющихся материалов (стружек, сухих веточек, бересты),
на вторую устанавливают поленья высотой 1 -1,5 м. Над этим рядом
устанавливается второй, а сверху - горизонтальные поленья и сучья
образуют так называемый "чепец". Затем всю кучу покрывают слоем
листьев, мхом и дерном и сверху засыпают песком и землей с угольным.мусором. При этом необходимо следить, чтобы покрышка не доходила
до земли. Далее у основания кучи с наветренной стороны укладывают
сухие ветки и поджигают их. Когда низ поленьев разгорится - основание
кучи плотно засыпают и горение продолжается с очень незначительным
доступом воздуха. Все время необходимо смотреть за исправностью
покрышки. Процесс горения длится 15-20 ч и считается законченным,
когда из отдушин покажется голубой дым. После этого закрывают все
отдушины и в течение нескольких часов куча охлаждается. Затем разбирают
покрышку и разбивают крупные куски. Следует иметь в виду, что по
объему древесного угля получается в 2 раза меньше, чем было дров,
а по массе - в 4 раза. Можно устраивать "кучи" и как показано на
рис. 43. На ровной, защищенной от ветра, площадке укладывают параллельно
на расстоянии 30-40 см друг от друга два полена длиной 1 м и толщиной
12-15 см и заполняют пространство между ними сухими стружками и
щепками (а). Затем оформляют "кучу" (б, в). Постепенно "куча" принимает
форму полусферы (г). Затем дрова со всех сторон обкладывают влажной
соломой и засыпают слоем земли и обкладывают дерном толщиной 10
см, оставив снизу незасыпанный поясок высотой 20 см. После этого
расчищают окно между нижними параллельными бревнами и поджигают
стружки. Как только дрова разгорятся, окно плотно закрывается соломой
и засыпается землей. Если где-нибудь в процессе горения начнет пробиваться
пламя, то необходимо это место обложить соломой и засыпать землей.
Через 10-12 ч дрова сгорают и всю кучу засыпают до основания тонким
слоем земли, чтобы дальнейшее горение шло без доступа воздуха. Спустя
3-4 ч уголь готов. Кучу разгребают, уголь поливают водой для прекращения
горения и собирают. Более простой способ получения древесного угля
"в траншеях". В траншею длиной 1,5-2 м и глубиной примерно 0,5 м
плотно укладывают поленья. Внизу под поленьями необходимо разложить
мелкие щепки и стружки. Затем траншею закрывают железными листами,
сверху насыпают песок и землю. С одной стороны траншеи оставляют
окно, через которое поджигают щепки, а с другой - окно для выхода
дыма. После того как Дрова разгорятся, окна прикрывают и горение
продолжается без доступа воздуха. Следует иметь в виду, что для
нагрева заготовок лучше использовать древесный уголь из дуба, клена,
бука, березы.
Разжигают кузнечный горн следующим образом. В горнило на подовую доску насыпают тонкий слой угля, сверху кладут слой стружек и мелких древесных щепок, смоченных керосином. Сверху укладывают немного сухих дров. На горящие дрова насыпают еще один слой угля и начинают дутье. Как только угль раскалится докрасна, можно начинать нагрев заготовок. Периодически уголь сбрызгивают водой, чтобы сверху образовалась корочка, удерживающая внутри горящей массы высокую температуру. Зола от перегоревших дров и угля просыпается в фурму. Периодически фурму очищают от золы. Для этого дно фурмы оснащают так называемой донной крышкой.
Воздуходувные устройства. Горячая ковка металлов и сплавов стала возможной только тогда, когда появились надежные воздуходувные устройства. Первыми такими "устройствами" были рабы, которые через тростниковые или деревянные трубки дули в костер. Со временем, человек начал применять для подачи воздуха в костер шкуру (мех) животного - козла или барана, снятую "чулком", т. е. целиком. Все отверстия, кроме двух, в шкуре заделывались, в одно отверстие вставлялась глиняная трубка - сопло, а другое отверстие служило для засасывания воздуха внутрь шкуры. Человек за край отверстия поднимал часть шкуры и воздух входил во внутрь шкуры. После этого он ладонью закрывал отверстие и, надавливая на шкуру, выпускал воздух в огонь. Так появились первые воздуходувные устройства - мехи, которые с различными изменениями просуществовали вплоть до XX в. В наше время хорошие "воздуходувные" рабы дороги, но мы можем использовать для этих целей пылесос, компрессор или электровентиллятор.
Для нагрева заготовок можно использовать и паяльную лампу.
Ее устанавливают в заранее приготовленную ямку, а рядом складывают
небольшую печь из огнеупорного кирпича. Можно соорудить конструкцию,
в которой паяльная лампа будет располагаться под печью, давая кузнецу
больше свободы в перемещениях. Для этого кирпичи ставят на торец,
укладывают на них колосниковую решетку, а на нее устанавливают в
виде печи четыре кирпича. В это углубление засыпают уголь. Паяльную
лампу с помощью патрубка подводят под колосниковую решетку. Заготовки
в этом случае закладывают в щель между кирпичами.
КУЗНЕЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ И ПРИСПОСОБЛЕНИЯ
Основным опорным кузнечным инструментом является наковальня массой 100-150 кг, изготавливаемая из углеродистой стали. Наковальни подразделяют на безрогие, однорогие и двурогие. Наиболее удобной является двурогая.
Верхняя поверхность наковальни называется наличником, или лицом,
а нижняя - основанием. Верхняя часть и наличник должны быть закалены
и отшлифованы, не иметь трещин и вмятин. Иначе на горячей заготовке
могут оставаться следы. На лицевой поверхности наковальни имеется
квадратное сквозное отверстие размером обычно ЗОХ30 мм для установки
инструмента и приспособлений. Заостренная часть наковальни (рог)
используется для гибочных работ и разгонки колец, а противоположная
плоская часть (хвост) - для гибки под прямым углом.
Кроме всего наковальни можно использовать и по непрямому назначению.
Существует несколько способов крепления наковален.
Традиционным является крепление на деревянной колоде - стуле.
Для этого используют заготовки диаметром 500-600 мм твердых пород
дерева - дуба, березы и др. Высота стула вместе с наковальней
составляет около 75 см, т. е. лицо наковальни должно быть на уровне
большого пальца опущенной руки кузнеца. Если нет возможности приобрести
цельную колоду, то стул можно выполнить из отдельных брусков,
скрепленных стальными обручами.
Если настоящую наковальню приобрести не удалось, можно воспользоваться
любой подходящей стальной болванкой с плоской поверхностью, куском
рельса или двутавра.
Кузнецы имеют дело с раскаленным металлом. При обработке раскаленную
заготовку нужно удерживать в определенном положении. Если для
работы каким-либо инструментом, достаточно одной руки, заготовку
можно удерживать другой рукой с помощью клещей. Чтобы клещи плотно
облегали изделия различной конфигурации, их губкам придают различные
формы. Например, держать заготовку цилиндрической формы удобнее
клещами с губками в виде полуколец.
По форме губок клещи делятся на продольные, поперечные, продольно-поперечные
и специальные. Если размер губок клещей оказывается несколько
больше размера заготовки, применяют такую хитрость. Губки клещей
нагревают в горне, захватывают ими заготовку и обжимают губки
по форме заготовки ударами ручника. Кузнечные клещи должны быть
легкими, с длинными пружинящими рукоятками. Для надежного удержания
заготовок во время работы мастера стягивают рукоятки клещей специальным
зажимным кольцом (шпандырем). Как правило приобрести настоящие
клещи невозможно, но из можно сделать самому, с изготовления собственных
клещей начинается кузнец, работа эта непростая, но после клещей
ковка ножа покажется детской забавой.
Для работы с инструментом обе руки кузнеца должны быть высвобождены,
поэтому для зажима раскаленных заготовок используют стуловые тиски.
Крепят такие тиски массивными болтами или шурупами к основной
опоре слесарного верстака. Слесарный верстак необходим в любой
кузне, так как для доведения кованого изделия до завершенного
вида над ним нередко приходится поработать слесарным инструментом.
Удобнее всего расположить тиски так, чтобы расстояние между полом
и верхним уровнем губок равнялось 90-100 см.
К ударному инструменту
относятся молотки - ручники, боевые молоты и кувалды. Ручник -
основной инструмент кузнеца, с помощью которого он кует небольшие
изделия. Кузнецов, работающих без помощников (молотобойцев), называли
"однорукими" и ковали, в этом случае, "в одну руку". Обычно ручники
имеют массу 0,5-2 кг, но часто кузнецы применяют и более тяжелые
ручники, массой до 4-5 кг. Ручники имеют разнообразные формы головок.
Так, для управления процессом ковки при работе с молотобойцами
кузнецы применяют ручники с легкой головкой, у которой задок имеет
шарообразную форму. Для ковки изделий кузнецы применяют ручники
с тяжелой головкой с клинообразным продольным или поперечным задком.
Такая форма головки ручника более универсальна, так как кроме
работы бойком кузнецы работают и задком - разгоняя металл. Головки
ручников изготовляются ковкой из углеродистых и легированных сталей
(стали 45, 50, 40Х), рабочие поверхности (бой и задок) термически
обрабатывают до твердости 48-52. Рукоятки делают из тонкослойных
пород дерева (граба, клена, кизила, березы, рябины, ясеня) длиной
350-600 мм. Рукоятки должны быть гладкими, без трещин, удобно
лежать в руке. Боевые молоты - тяжелые двуручные молоты массой
10-12 кг. Головки боевых молотов бывают трех типов: с односторонним
клиновидным задком, с двусторонним продольным или поперечным задком.
Нижняя рабочая поверхность головки - бой - предназначена для основной
ковки, а верхний клиновидный задок - для разгона металла вдоль
или поперек оси заготовки. Материал головки молота - стали 45,
50, 40Х, У7, твердость боя и задка -48-52 на глубину 20-30 мм.
Рукоятка молота изготовляется из тех же пород дерева, что и у
ручника, а длина рукоятки подбирается в зависимости от массы головки
молота и от роста молотобойца и равна 70-95 см. Про кузнеца, работающего
с одним или двумя молотобойцами, говорят "двурукий> или "трехрукий".
Работа с молотобойцами в три руки проводится при сложной ковке
крупных изделий. Кувалда-тяжелый (до 16 кг) молот с плоскими бойками,
применяется при тяжелых кузнечных работах, где требуется большая
ударная сила. Все ударные инструменты должны быть максимально
надежны, при работе особое внимание уделяется креплению рукоятки
с головкой. Форма отверстия в головке молота - "всад", куда вставляется
рукоятка, должна быть элипсообразной и иметь уклон 1: 10 от середины
к боковым граням. Это облегчает всаживание рукоятки и обеспечивает
надежное ее закрепление после забивки клина. Практикой установлено,
что самые надежные металлические "заершенные" клинья, которые
входят на глубину, равную 2/3 ширины головки молота, а забивать
клин следует наклонно к вертикальной оси, что позволяет распирать
древесину в 2-х плоскостях.
При работе боевыми молотами используют три вида удара: легкие,
или локтевые (а), средние, или плечевые (удар "с плеча") (б),
сильные, или навесные, когда молот описывает в воздухе полный
круг (в).
Навесными ударами работают молотобойцы при проковке большой массы
металла и при кузнечной сварке массивных частей.
Ковка клинка.
Ковка стали - начальная стадия процесса термообработки,
при которой не меньше внимания, чем ковке, должно быть уделено
рабочей температуре болванки. Особое внимание следует уделить
тому, чтобы не опуститься ниже температурного предела, когда из-за
переохлаждения в стали начнут развиваться внутренние напряжения.
Существует техника, которую японцы именуют "мокрой ковкой". Она
предусматривает увлажнение поверхности наковальни и молота водой
в ходе ковки. Вода при этом не охлаждает заготовку, а содействует
отделению с поверхности окалины, предотвращая ее "вбивание" внутрь
клинка. В отличие от горячей стали, окалина не ковка и оставляет
на поверхности следы ("кратеры").
Начинать ковку удобнее с формирования хвостовика. Но для начала
нужно получить предварительную заготовку, если у вас есть пруток,
то переведите его в прямоугольник (квадрат), а затем разгоните
в полосу нужной толщины с припуском на мехобработку. Удобно перед
очередным помещением клинка в горн на подогрев произвести его
выравнивание и проверку, чтобы не тратить время на это после доставания
его из горна. Особое внимание должно быть уделено позиционированию
заготовки - она должна располагаться строго параллельно плоскости
наковальни. Боек молота должен воздействовать на поверхность всей
плоскостью: в противном случае в клинке формируются неравномерно
деформируемые области, которые в последствие упрочняются (с формированием
внутренних неоднородностей). Далее взяв полосовую заготовку, отступите
нужное расстояние
и выполните "перебивку", с двух сторон заготовки по ребру наносятся
удары для получения ступенчатого перехода тела клинка в хвостовик.
Это можно сделать или острым носком молотка или при помощи подкладного
инструмента. Потом отделенную под хвостовик часть оттягиваете
на конус.
Все, хвостовик готов и теперь за него можно браться клещами, а
в дальнейшем доработать электроточилом.
Теперь приступаем к формированию непосредственно тела клинка.
Для этого нужно сначала оформить острие, это можно сделать как
ковкой, так и просто отрубив лишнее зубилом.
Скруглив острые углы и выровняв линии, мы получаем готовую контурную
заготовку клинка.
В принципе, на этом можно и остановится, а спуски сформировать
на наждаке. Но можно пойти дальше и оттянуть кромку и оформить
спуски ковкой. Здесь нужно учесть расширение металла и ширину
изначальной заготовки брать меньше, чем планируется получить на
готовом ноже. Общая ошибка при формировании плоскости заточки
- приподнимание заготовки над наковальней. Эту плоскость надо
ковать на заготовке, лежащей на наковальне - противоположная ковке
сторона остается плоской, в то время как вы молотом формируете
плоскость заточки.
Полезно начинать работу с профилирования "неудобной" стороны,
по завершению чего перевернуть заготовку на другую сторону. Очень
важно подвергнуть равномерной ковке обе стороны клинка. В противном
случае из-за неравномерной структуры клинок "поведет" или вообще
будет сформирован асимметричный профиль. Другой часто встречающейся
проблемой является продольный изгиб заготовки. Старая присказка
насчет того, что нельзя бить по лезвию, ошибочна. Вы можете бить
по лезвию, но для этого необходима особая техника. Для этого используют
полную длину наковальни, помещают изогнувшийся участок на него
и легкими ударами устраняют кривизну. Если лезвие уже сформировано,
удары наносятся киянкой на деревянном блоке - лезвие и обух при
этом не страдают. После всех трудностей и неудач вы получили заготовку
клинка отдаленно напоминающую нож вашей мечты, чем меньше потребуется
обдирочных работ в дальнейшем тем лучше.
После ковки и обдирки должны быть сформированы контур и спуски,
но толщина самой режущей кромки (РК) должна быть не меньше 1мм,
во избежание ее поводки "волной" при закалке, общая симметричность
всех частей так же является важным моментом и влияет на возможные
закалочные деформации. В кованом клинке имеется большое количество
внутренних напряжений, которые при закалке могут привести к его
искривлению. Для уменьшения этого, клинок перед закалкой следует
отжечь. Поместите клинок обухом вниз в горн, нагрейте клинок до
красного цвета при слабом дутье, далее выключив дутье, оставьте
клинок остывать вместе с горном на ночь, а сами идите отдыхать.
Следующим этапом изготовления ножа будет термообработка клинка,
остановимся на ней поподробнее.
Виды и режимы термической обработки сталей.
В зависимости от химического состава сталей, размеров
поковок и требований, предъявляемых к готовым деталям, в кузницах
возможно применение следующих видов термической обработки сталей.
Отжиг состоит в нагреве сталей до определенной температуры, выдержке
и затем очень медленном охлаждении, чаще всего вместе с горном
или печью.
Нагрев стали для отжига проводится в кузнечном горне или печи.
Для того чтобы при нагреве в горне не допустить выгорания углерода
с поверхности стали, поковки укладывают в металлические ящики,
пересыпают их сухим песком, древесным углем или металлической
стружкой и нагревают до температуры, необходимой для отжига данной
марки стали. Продолжительность нагрева принимают в зависимости
от размеров поковок, примерно по 45 минут на каждые 25 мм наибольшей
толщины поперечного сечения. Нагрев выше температуры для отжига
и длительная выдержка при этой температуре недопустимы, так как
возможно образование крупнозернистой структуры, что резко уменьшит
ударную вязкость металла. Охлаждение поковок можно осуществлять
несколько быстрее, чем вместе с горном и печью, если воспользоваться
следующими рекомендациями. Углеродистые качественные конструкционные
стали следует охлаждать приблизительно до 600 °С на воздухе с
целью получения мелкозернистой структуры, а затем, чтобы избежать
возникновения внутренних напряжений, охлаждение осуществлять медленно
в печи или в ящике с песком или золой, установленном в горне.
Инструментальные углеродистые стали следует охлаждать в печи или
горне до 670 °С, а затем скорость охлаждения можно ускорить, открыв
заслонки печи и удалив топливо из горна.
В зависимости от цели изменения структурных превращений (диаграмма
состояния показана на рис)
применяют следующие разновидности отжига.
Поковки из углеродистых сталей охлаждают со скоростью 50... 150
градус/ч, а из легированных сталей - 20.. .60 градус/ч. В результате
в металле снимаются внутренние напряжения, он становится более
мягким и пластичным, но менее твердым. Низкий отжиг состоит в
нагреве поковок до температуры, немного превышающей критическую
723 °С (примерно до 740...780 °С), с периодическим изменением
температуры ниже и выше точки 5 и медленном охлаждении до 670
°С, после чего охлаждение можно ускорить. Такой отжиг применяют
для уменьшения твердости, увеличения пластичности и улучшения
обрабатываемости поковок из инструментальных сталей. Рекристаллизационный
отжиг состоит в нагреве сталей до температуры 650...700 °С и охлаждении
на воздухе. С помощью этого отжига снимают наклеп и исправляют
структуру сталей, нарушенную во время ковки при низких температурах.
Нормализационый отжиг (нормализация) состоит в нагреве поковок
до температуры 780... ...950°С, непродолжительной выдержке при
ней и последующем охлаждении на воздухе. Нормализацию, как правило,
применяют для устранения крупнозернистой структуры, образовавшейся
в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения
заготовок в печи для исправления структуры перегретой стали (перегрева),
измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой резанием и
получения при резании более чистой поверхности, а также общего
улучшения структуры перед закалкой. В результате нормализации
сталь получается несколько тверже и менее пластичной, чем после
низкого отжига. Нормализация по сравнению с отжигом более экономичная
операция, так как не требуется охлаждения вместе с горном или
печью.
Закалку применяют для увеличения твердости, прочности и износостойкости
деталей, получаемых из поковок. Нагрев стали под закалку осуществляют
в горнах или нагревательных печах. Детали в горны укладывают так,
чтобы холодное дутье воздуха не попадало непосредственно на сталь.
Нужно следить, чтобы нагрев происходил равномерно. Чем больше
углерода и легирующих элементов содержит сталь, чем массивнее
деталь и сложнее ее форма, тем медленнее должна быть скорость
нагрева под закалку. Продолжительность выдержки при закалочной
температуре ориентировочно принимается равной 0,2 от времени нагрева.
Слишком длительная выдержка при закалочной температуре не рекомендуется,
так как при этом интенсивно растут зерна и сталь теряет прочность.
Охлаждение является исключительно важной операцией закалки, так
как от него практически зависит получение требуемой структуры
в металле. Для качественной закалки необходимо, чтобы в процессе
охлаждения детали температура жидкости оставалась почти неизменной,
для чего масса жидкости должна быть в 30-50 раз больше массы закаливаемой
детали. Для достижения равномерной закалки нагретую деталь надо
быстро погрузить в охлаждающую жидкость и перемешать ее в жидкости
до полного охлаждения. Если закаливают только конец или часть
изделия (например лезвие топора), то его опускают в закалочную
жидкость на требуемую глубину и перемещают вверх-вниз, так чтобы
не было резкой границы скорости остывания между закаливаемой и
незакаливаемой частями изделия и не появились трещины в переходной
части. Клинки погружают или строго вертикально или под углом лезвийной
частью вниз.
Выбор охлаждающей среды зависит от марки стали, величины сечения
детали и требуемых свойств, которые должна получить сталь после
закалки. Стали с содержанием углерода от 0,3 до 0,6% обычно охлаждают
в воде, а с большим содержанием углерода - в масле. При этом следует
учитывать конфигурацию деталей и их сечение. При закалке стали
сложным является получение желаемого двухскоростного охлаждения
ее. В интервале температур 650...450 °С требуется быстрое охлаждение
со скоростью 20...30°С/с. Это позволяет избежать коробления и
трещин.
Понятно, что лучшей закалочной средой была бы двухслойная жидкость,
в которой верхний слой - вода с температурой 18...28°С, а нижний
- машинное масло. Но, к сожалению, такую двухслойную жидкость
получить нельзя, потому что масло всплывает на поверхность. При
определенном навыке можно применять следующий режим охлаждения.
На несколько секунд погрузить деталь в воду, а затем быстро перенести
ее в масло. Ориентировочное время охлаждения в воде до переноса
в масло составляет 1...1,5с на каждые 5...6 мм сечения детали.
Такой способ охлаждения получил название "через воду в масло"
или прерывистой закалки. Ее применяют для закалки инструмента
из углеродистой стали.
При большом сечении детали наружные слои охлаждаются быстрее,
чем внутренние, и поэтому твердость на поверхности получается
больше, чем в середине. Углеродистые стали, например стали 40
и 45, закаливаются на глубину 4...5 мм, а глубже будут частично
закаленная зона и незакаленная сердцевина. Легирующие элементы
- марганец, хром, никель и др. способствуют более глубокой закалке.
Некоторые клинки нуждаются в большой прочности на поверхности
при сохранении мягкой и вязкой сердцевины. Такие клинки рекомендуется
подвергать поверхностной закалке. Один из самых простых способов
такой закалки состоит в загрузке детали в печь с высокой температурой
(950...1000 °С), быстром нагреве поверхности до закалочной температуры
и охлаждении с большой скоростью в проточной охлаждающей среде.
Часто закалку выполняют сразу после ковки без дополнительного
нагрева, если температура поковки после ковки будет не ниже закалочной
температуры.
Закалка может быть сильной,
умеренной и слабой
. Для
получения сильной закалки в качестве охлаждающей среды применяют
воду при 15...20 °С до погружения в нее детали и водные растворы
поваренной соли и соды (карбоната натрия). Умеренная закалка получается
при использовании воды со слоем масла толщиной 20...40 мм, нефти,
мазута, мыльной воды, жидкого минерального масла, а также горячей
воды. Слабая закалка получается, если применять в качестве охлаждающей
среды струю воздуха или расплавленный свинец и его сплавы.
Закалка требует внимания и умения. Плохая закалка может испортить
почти готовые детали, т. е. привести к образованию трещин, перегреву
и обезуглероживанию поверхности, а также к желоблению (короблению),
которое в значительной степени зависит от способа и скорости погружения
детали в охлаждающую жидкость.
Закалка-не окончательная операция термической обработки, так как
после нее сталь становится не только прочной и твердой, но и очень
хрупкой, а в поковке возникают большие закалочные напряжения.
Эти напряжения достигают таких значений, при которых в поковках
появляются трещины или детали из этих поковок разрушаются в самом
начале их эксплуатации. Например, только что закаленный кузнечный
молоток нельзя использовать, так как при ударах им о металл от
него будут откалываться кусочки металла. Поэтому для уменьшения
хрупкости, внутренних закалочных напряжений и получения требуемых
прочностных свойств стали после закалки поковки подвергают отпуску.
Отпуск состоит в нагревании закаленной стали до определенной температуры,
выдержке при этой температуре некоторое время и быстрого или медленного
охлаждения, как правило, на воздухе. В процессе отпуска в металле
структурных изменений не происходит, однако уменьшаются закалочные
напряжения, твердость и прочность, а пластичность и вязкость увеличиваются.
В зависимости от марки стали и от предъявляемых к детали требований
по твердости, прочности и пластичности применяют следующие виды
отпусков.
Высокий отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры
450...650 °С, выдержке при этой температуре и охлаждении. Углеродистые
стали охлаждаются на воздухе, а хромистые, марганцовистые, хромо-кремниевые
- в воде, так как медленное охлаждение их приводит к отпускной
хрупкости. При таком отпуске почти полностью ликвидируются закалочные
напряжения, увеличивается пластичность и вязкость, хотя заметно
уменьшается твердость и прочность стали. Закалка с высоким отпуском
по сравнению с отжигом, создает наилучшее соотношение между прочностью
стали и ее вязкостью. Такое сочетание термообработки называют
улучшением.
Средний отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры
300...450 °С, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе.
При таком отпуске увеличивается вязкость стали и снимаются внутренние
напряжения в ней при сохранении достаточно большой твердости.
Низкий отпуск состоит в нагреве закаленной детали до температуры
140...250 °С и охлаждении с любой скоростью. При таком отпуске
почти не уменьшается твердость и вязкость стали, но зато снимаются
внутренние закалочные напряжения. После такого отпуска детали
нельзя нагружать динамическими нагрузками. Чаще всего его используют
для обработки режущего инструмента из углеродистых и легированных
сталей.
При изготовлении слесарного, кузнечного или измерительного инструмента
ручной ковкой кузнецы часто применяют закалку и отпуск с одного
нагрева. Такую операцию называют самоотпуском и выполняют следующим
образом. Нагретую под закалку поковку охлаждают в воде или масле
не полностью, а до температуры несколько выше температуры отпуска,
которую можно определить при извлечении поковки из закалочной
среды, по цвету побежалости на предварительно обработанной на
наждачном круге поверхности поковки. После этого поковку окончательно
охлаждают путем погружения ее в воду или масло.
При отсутствии измерительных приборов температуру нагрева поковки
определяют по цвету побежалости. Для этого перед нагревом поковки
для отпуска на ней, в нужном месте, зачищают небольшой участок
наждачной бумагой или другим абразивом. Нагревают поковку и наблюдают
за изменением цвета металла по зачищенной поверхности. При этом
цвета побежалости будут соответствовать следующим приблизительным
температурам нагрева поковки:
Цвета побежалости Температура,°С
Серый_____________330
Светло-синий_______314
Васильковый_______295
Фиолетовый________285
Пурпурно-красный___275
Коричнево-красный__265
Коричнево-желтый___255
Темно-желтый_______240
Светло-желтый______220
Ниже приведены рекомендуемые температуры отпуска для некоторых
инструментов и деталей (в градусам Цельсия):
Резцы, сверла, метчики из углеродистых сталей. . . 180-200
Молотки, штампы, метчики, плашки, малые сверла. . 200-225
Пробойники, чертилки, сверла для мягкой стали. . 225-250
Сверла и метчики для меди и алюминия, зубила для стали и чугуна. 250-280
Инструмент для обработки древесины. . . . . . . 280-300
Пружины. . . . . . . . . . . . . . . . . 315-330
При более высокой температуре поверхность стали темнеет и остается
такой до температуры 600 °С, когда появляются цвета каления. Режимы
термообработки сталей необходимо соблюдать очень строго, так как
только правильная термообработка позволяет получать клинки с заданной
прочностью, износостойкостью, обрабатываемостью, пластичностью
и т. п.
После термообработки пришло время окончательной механической обработки,
ее можно провести на нехитром приспособлении
или воспользоваться электроточилом, но это тема для отдельного
разговора.
КУЗНЕЧНАЯ СВАРКА.
Операцию получения неразъемного соединения ручной
или машинной ковкой называют кузнечной сваркой. Этот метод относится
к сварке давлением и состоит в сближении соединяемых поверхностей
путем пластического деформирования на расстояния (2-М) -10"8 см,
при которых возникают межатомные силы притяжения. Получить высококачественное
неразъемное соединение можно только при условии удаления с соединяемых
поверхностей окисленных и других загрязняющих пленок. При сварке
давлением это достигается приложением к свариваемым поверхностям
давлений, достаточных для_ разрушения и удаления загрязняющих
пленок и снятия всех неровностей на поверхностях заготовок. Таким
образом, для осуществления кузнечной сварки металл заготовки должен
обладать высокой пластичностью, низким сопротивлением деформированию,
а соединяемые поверхности должны быть тщательно очищены в момент
пластического деформирования.
Кузнечная сварка не обеспечивает высокой надежности сварного соединения,
она малопроизводительна, пригодна для ограниченного числа сплавов,
требует высокой квалификации рабочего и реже применяется на заводах,
где всегда имеются другие, более современные методы сварки (дуговая,
газовая, контактная и др.) -Однако в полевых условиях, при ремонте
неответственных деталей машин, при ковке сложных поковок ручной
ковкой часто применяют кузнечную сварку.
Получение неразъемного соединения кузнечной сваркой состоит из
следующих основных операций: подготовка заготовок к сварке, нагревание
свариваемых частей заготовок, сварка заготовок пластическим деформированием,
отделка заготовки в месте сварки и правка.
Сведения о сплавах, подвергаемых кузнечной сварке. Чаще всего
кузнечной сварке подвергают низкоуглеродистые конструкционные
стали. Для кузнечной сварки рекомендуют стали с содержанием углерода
до 0,3%, не более 0,2% кремния, 0,6-0,8% марганца и не более 0,05%
серы и фосфора каждого. При необходимости сварки сталей с повышенным
содержанием углерода (больше 0,3%) рекомендуют добавлять к сварочному
флюсу опилки из мягкой стали, в которой очень мало углерода. При
обработке нагретой под сварку части заготовки такими опилками
металл обезуглероживается, что повышает свариваемость поверхностного
o слоя заготовки.
Подготовка заготовок к сварке состоит в придании соединяемым концам
определенной формы. Подготавливаемые концы, как правило, подвергают
высадке, их форма зависит от метода сварки. Увеличение сечения
свариваемых концов необходимо для выполнения пластической деформации
при сварке и придании сварной части поковки требуемой формы.
Режим нагрева заготовок для сварки. Температура нагрева сталей
под сварку зависит от содержания в них углерода. Чем больше углерода
в стали, тем ниже температура нагрева. Мягкую низкоуглеродистую
сталь нагревают до температуры 1350-1370^0. При этой температуре
свариваемые концы приобретают ослепительно белый цвет. При сварке
стали с повышенным содержанием углерода (например, при сварке
лезвия топора из стали У7) заготовку нагревают до температуры
1150° С. Заготовка при.такой температуре имеет цвет белого каления
с желтоватым оттенком. Хорошее качество сварки возможно при выполнении
пластической деформации без понижения температуры металла. Поэтому
сварку следует вести быстро, свариваемые концы должны быть тщательно
очищены от окалины и шлака.
Температура нагрева заготовок под сварку превышает температуру
начала ковки Тн. Как известно, при температуре выше Тн происходит
не только интенсивное образование окалины, но и возможен пережог
металла. Для уменьшения образования окалины и - удаления с поверхности
перед сваркой, а также с целью предохранения металла от пережога
заготовку посыпают флюсом. В качестве флюса используют кварцевой
песок, смешанный с бурой, или поваренную соль, Так как марганец
повышает свариваемость стали, то иногда к флюсу добавляют немного
марганца. Флюс посыпают на заготовку в период нагрева, когда ее
температура достигает 950-1050° С. Под действием высокой температуры
флюс соединяется с окалиной, образуя шлак, который обволакивает
заготовку и защищает ее поверхность от окисления при дальнейшем
нагреве.
Для нагрева свариваемых концов используют горны и сварочные печи.
Камерные печи, предназначенные для нагрева заготовок под ковку,
в данном.случае неприменимы, так как они не обеспечивают нагрев
до высоких сварочных температур. Нагревание под сварку требует,
чтобы пламя в горне или печи не было окисленным, т. е. чтобы сгорание
топлива происходило при максимальном усвоении кислорода и в очаге
не было его излишка.
Наилучшим топливом для горна при нагреве заготовок под кузнечную
сварку является древесный уголь.
Нагретые заготовки извлекают из горна, ударами о наковальню или
ударами молотка сбивают образовавшийся шлак и окалину или счищают
их металлической щеткой. Затем, быстро сложив вместе свариваемые
концы заготовок, наносят сначала слабые, но частые удары по месту
сварки. При слабых ударах остатки шлака выдавливаются наружу,
поверхности стыка плотно прижимаются друг к другу, что защищает
их от окисления. Сварку заканчивают сильными ударами, подвергая
место сварки достаточно большим деформациям и придавая заготовке
нужную окончательную форму.
При проковке места соединения отдельные слои металла соединяемых
концов внедряются друг в друга, переплетаются, что дополнительно
увеличивает прочность соединения. В зависимости от окончательной
формы места сварки поковку правят, используя гладилки, обжимки,
подбойки и другой кузнечный инструмент.
Способы сварки. Подготовку концов свариваемых частей и их сварку
осуществляют разными способами.
Сварка нахлесточного соединения обеспечивает наибольшую прочность
сварному стыку. Повышенное качество сварного соединения объясняется
увеличенной поверхностью соприкосновения свариваемых частей и
возможностью подвергать "большим деформациям соединяемый участок.
Перед сваркой концы заготовок высаживают и им придают форму загнутых
утолщений (рис. 88, а), повернутых относительно продольной оси
на угол ~30°.
Подготовленные концы, предварительно подогрев до 1000° С и покрыв
флюсом, нагревают до сварочной температуры. Нагретые и очищенные
от флюса и окалины концы накладывают друг на друга и легкими,
но частыми ударами прижимают друг к другу, а затем сильными ударами
тщательно проковывают место соединения. Одновременно выполняется
операция протяжки для придания участку сварки первоначальных размеров.
После сварки поковке придают требуемую форму.
Достоинством этого способа сварки является также то, что форма
исходных свариваемых поверхностей обеспечивает хорошее удаление
остатков шлака с соединяемых поверхностей. Заготовки толщиной
или диаметром до 30 мм сваривают за один прием и с одного нагрева.
При толщине свариваемых концов более 30 мм операцию осуществляют
в два приема: с первого, нагрева сваривают тонкие участки утолщений,
со второго нагрева выполняют окончательную сварку. При диаметре
заготовок свыше 50-60 мм сварку осуществить ручной ковкой не удается,
ее выполняют на молоте.
Сварка вразруб требует более сложной подготовки свариваемых концов.
Один из них высаживают, разрубают вдоль продольной оси заготовки,
а образовавшиеся "лепестки" раздвигают. Конец второй заготовки
также высаживают и заостряют так, чтобы он входил в разруб первой
заготовки. Нагретые до сварочной температуры и очищенные от шлака
концы вставляют друг в друга и энергичными ударами, формируя металл,
производят сварку, а затем окончательную отделку заготовки.
Сварку стыкового соединения применяют в тех случаях, когда из-за
малых размеров заготовки невозможно подготовить соединяемые концы
для нахлесточного соединения. В одних случаях концы заготовок
просто закругляют, нагревают до сварочной температуры, стыкуют
друг с другом и ударами вдоль оси с двух сторон сваривают. Под
действием ударов нагретое место стыка осаживается, увеличивается
в диаметре. Поэтому после сварки место стыка протягивают до нужного
диаметра.
Сварка стыкового соединения без предварительной высадки соединяемых
концов по прочности уступает сварке такого же соединения с предварительным
утолщением концов заготовки. При этом способе нагретые концы высаживают,
а торцы скругляют. Подготовленные концы стыкуют и, нанося вдоль
оси заготовок по их холодным концам удары, выполняют сварку, а
затем окончательную отделку поковки.
Полосовые заготовки сваривают способом врасщеп. Концы заготовок
надрезают вдоль продольной оси и разводят, как показано на рисунке.
После нагрева до сварочной температуры концы стыкуют и проковывают
до получения прочного соединения и исходных размеров.
При сварке концов поковок типа колец или их ремонте применяют
сварку с помощью шашек (рис. 88, д). Свариваемые концы / и 2 перед
нагревом под сварку подвергают высадке и ковке-до получения формы,
представленной на рисунке. Из металла заготовки подготавливают
вспомогательные шашки 3. При температуре сварки шашки 3 укладывают
между концами 1 и 2 закрепленных заготовок и сильными ударами
подвергают совместной пластической деформации. Сваренное место
затем правят. Этот способ сварки, как правило, выполняют на молоте.
Дефекты при кузнечной сварке и контроль сварного соединения. Дефекты
при кузнечной сварке условно можно свести к двум видам: низкое
качество сварного соединения, несоответствие размеров и формы
поковки требуемой. Сварку считают выполненной хорошо, если прочность
сварного соединения не ниже 80-85% прочности металла свариваемых
заготовок. Прочность шва может быть проверена изгибом прутка в
месте сварки. При хорошем качестве сварки при изгибе шов не расходится
и на поверхности металла не появляются трещины.
Нарушение режимов кузнечной сварки может привести к следующим
дефектам.
Непровар появляется при недоброкачественной очистке соединяемых
поверхностей перед сваркой: стыкуемые поверхности плохо очищены
от окалины; после зачистки поверхностей нагретых заготовок задержалось
начало ковки и на соединяемых поверхностях образовалась вторичная
окалина; свариваемые поверхности недоброкачественно обработали
флюсом; при сварке стыкового соединения концы заготовок плохо
закруглили, в середине стыка остался шлак, препятствующий сварке
концов.
Пережог - неисправимый брак, который возникает в случае нагрева
концов заготовок до температуры, превышающей сварочную. Этот дефект
очень вероятен при выполнении кузнечной сварки, так как температура
сварки весьма близка к температуре пережога и при недостаточно
внимательном нагреве легко ошибиться и пережечь металл.
Низкая прочность сварного шва и околошовной зоны. Нагрев заготовок
до сварочной температуры сопровождается ростом зерен. В случае
малого набора металла при высадке свариваемых концов степень деформации
металла при сварке будет недостаточной, зерна не раздробятся и
металл шва будет иметь крупнозернистую структуру и пониженную
прочность.
Низкая прочность околошовной зоны возникает при нагреве концов
заготовки перед сваркой на большую длину. Крупнозернистая структура
металла в месте стыка прорабатывается (измельчается) в процессе
ковки утолщений, а зоны, прилегающие к концам и не имеющие утолщений,
такой деформации не подвергаются и сохраняют крупнозернистую структуру.
Поэтому при сварке следует нагревать только утолщенные концы соединяемых
заготовок.
Неточность размеров сечения поковки после сварки возникает "При
недостаточном наборе металла на свариваемых концах. При проковке
таких концов сечение поковки уменьшается и окончательные размеры
окажутся меньше требуемых по чертежу.
Правила безопасности труда при выполнении кузнечной сварки связаны
с высокой температурой нагрева металла и применением флюсов. При
перегреве металл начинает искриться, а на поверхности заготовки
образуется жидкий шлак. При работе с такими заготовками в момент
зачистки и ковки брызги шлака и искры могут вызвать ожоги, а также
возгорание легковоспламеняющихся материалов и одежды. Поэтому
при кузнечной сварке поковки нагрева следует аккуратно и тщательно
очищать от окалины и шлака, а рабочее место должно отвечать требованиям
пожарной безопасности.
Полезные советы.
1. В качестве заготовок для изготовления бородков, фасонных зубил
и т. п. можно использовать стандартные молотки, придав их рабочим
концам необходимую форму.
2. Горн закрытого типа можно изготовить из чугунной печки-буржуйки,
внутреннюю поверхность которой желательно зафутеровать огнеупорным
кирпичом. Воздух подается через поддувало, в дверцу которого вмонтирован
отрезок стальной трубы.
3. Используя для подачи воздуха в горн пылесос, его подключают в
сеть через лабораторный трансформатор. Изменяя питающее напряжение,
регулируют подачу воздуха. При этом двигатель пылесоса будет защищен
от перегрузки.
4.Хорошие колосники для горна получают из частей литых чугунных
решеток, используемых в дорожных и тротуарных водоприемниках.
5. Чтобы уберечь мелкие детали от перегрева и проваливания в топливо,
их нагревают в отрезке стальной или чугунной трубы, который помещают
в раскаленные угли.
6. При смачивании поверхности углей водой образуется спекшаяся корка,
хорошо удерживающая тепло в зоне нагрева.
7. Восстановить насечку старого напильника или надфиля можно, выдержав
его в смеси разбавленных серной и соляной кислот в соотношении 1:1.
При этом размер насечки станет несколько меньшим.
8. Используя в качестве источника тепла паяльные лампы, их защищают
от перегревания экраном из листового асбеста с отверстием для сопла
или используют для этого металлическую сетку, обмазанную глиной.
9. Чтобы увеличить срок службы нихромовых спиралей, их аллитируют,
т. е. насыщают поверхность алюминием. Для этого спирали выдерживают
в расплаве алюминия с добавкой около 1 % хлористого аммония при
температуре 950-1150 °С.
Сложно назвать изобретение, которое бы оказало такое значительное влияние на развитие нашей цивилизации, каким может похвастать меч . Его нельзя рассматривать, как банальное орудие убийства, меч всегда был чем-то большим. В разные исторические периоды это оружие представляло собой символ статуса, принадлежности к воинской касте или благородному сословию. Эволюция меча как оружия неразрывно связана с развитием металлургии, материаловедения, химии и горного дела.
Практически во все исторические периоды меч был оружием элиты. И дело здесь не столько в статусности этого оружия, сколько в его высокой стоимости и сложности производства качественных клинков. Изготовление меча, которому можно было доверить свою жизнь в бою, было не просто трудоемким процессом, а настоящим искусством. А кузнецов, занимавшихся этой работой, можно смело сравнить с виртуозами-музыкантами. Недаром с древнейших времен у разных народов существуют предания о выдающихся мечах с особыми свойствами, изготовленных настоящими мастерами кузнечного дела.
Цена даже среднего клинка могла достигать стоимости небольшого крестьянского хозяйства. Изделия известных мастеров стоили еще дороже. Именно по этой причине наиболее распространенным видом холодного оружия эпохи Античности и Средневековья является копье, но никак не меч.
На протяжении столетий в разных регионах мира сформировались развитые металлургические центры, продукция которых была известна далеко за их пределами. Они существовали в Европе, на Ближнем Востоке, в Индии, Китае и Японии. Труд кузнеца был почитаем и весьма хорошо оплачивался.
В Японии кадзи (это кузнец-оружейник, «мастер мечей») в общественной иерархии находился на одном уровне с самураями . Неслыханное дело для этой страны. Ремесленники, к которым, по идее, и должны относиться кузнецы, в японском табеле о рангах находились даже ниже крестьян. Более того, самураи иногда и сами не гнушались браться за кузнечный молот . Чтобы показать, насколько уважаемым Японии был труд оружейника, можно привести один факт. Император Готоба (правил в XII веке) объявил, что изготовление японского меча – это работа, которой могут заниматься даже принцы, никак не умаляя своего достоинства. Готоба и сам был не прочь поработать около горна, сохранились несколько клинков, которые он изготовил своими руками.
Сегодня в СМИ много пишут о мастерстве японских кузнецов и качестве стали, которая использовалась для создания традиционной катаны. Да, действительно, изготовление самурайского меча требовало огромного мастерства и глубоких познаний, но можно ответственно заявить, что европейские кузнецы практически ни в чем не уступали своим японским коллегам. Хотя о твердости и прочности катаны ходят легенды, но изготовление японского меча принципиально не отличается от процесса ковки европейских клинков.
Человек стал использовать металлы для изготовления холодного оружия еще в V тысячелетии до нашей эры. Сначала это была медь, которую довольно быстро заменила бронза, – прочный сплав меди с оловом или мышьяком.
Кстати, последний компонент бронзы очень ядовит и нередко превращал древних кузнецов и металлургов в калек, что нашло отображение в легендах. Например, Гефест, греческий бог огня и покровитель кузнечного дела, был хромым, в славянских мифах кузнецы также нередко изображаются увечными.
Железная эра началась в конце II – начале I тысячелетия до нашей эры. Хотя, оружие из бронзы использовалось еще многие сотни лет. В XII веке до н. э. кованое железо уже использовали для изготовления оружия и инструментов на Кавказе, в Индии и Анатолии. Примерно в VIII веке до н. э. сварное железо появилось в Европе, довольно быстро новая технология распространилась по континенту. Дело в том, что количество месторождений меди и олова в Европе сравнительно невелико, зато запасы железа значительны. В Японии железный век начался только в VII столетии новой эры.
Изготовление меча. От руды до крицы
Очень продолжительное время технологии получения и обработки железа оставались практически на одном месте, они не могли должным образом удовлетворить постоянно растущий спрос на этот металл, поэтому изделий из железа было мало и стоили они дорого. Да и качество инструментов и оружия из этого металла было крайне низким. Удивительно, но на протяжении практически трех тысяч лет металлургия не претерпела никаких принципиальных изменений.
Прежде чем перейти к описанию процесса изготовления холодного оружия в древности, следует дать несколько определений, связанных с металлургией.
Сталь – это сплав железа с другими химическими элементами, прежде всего с углеродом. Он определяет основные свойства стали: большое количество углерода в стали обеспечивает ее высокую твердость и прочность, снижая при этом пластичность металла.
Основным способом получения железа в эпоху Античности и в Средние века (до XIII века) был сыродутный процесс, названный так из-за того, что в печь вдували неподогретый («сырой») воздух. Главным методом обработки полученного железа и стали была ковка. Сыродутный процесс был очень неэффективным, большая часть железа из руды уходила вместе со шлаком. Кроме того, полученное сырье не отличалось высоким качеством, и было очень неоднородным.
Получение железа из руды происходило в сыродутной печи (сыродутный горн или домница), которая имела форму, напоминающую усеченный конус, высотой от 1 до 2 метров и диаметром основания 60-80 см. Такую печь делали из огнеупорного кирпича или камня, сверху обмазывали глиной, которую потом обжигали. В печь вела труба для подачи воздуха, его нагнетали с помощью мехов, а в нижней части домницы находилось отверстие для отвода шлаков. В печь загружали большое количество руды, угля и флюсов.
Позже для подачи воздуха в печь стали использовать водяные мельницы. В XIII веке появились более совершенные печи – штукофены, а затем блауофены (XV век). Их производительность была гораздо выше. Настоящий прорыв в металлургии состоялся только в начале XVI века, когда был открыт передельный процесс, в ходе которого из руды получалась качественная сталь.
Топливом для сыродутного процесса служил древесный уголь. Каменный уголь не использовали из-за большого количества вредных для железа примесей, которые он содержит. Коксовать уголь научились только в XVIII столетии.
В сыродутной печи происходит сразу несколько процессов: пустая порода отделяется от руды и уходит в виде шлаков, а оксиды железа восстанавливаются, вступая в реакции с угарным газом и углеродом. Оно сплавляется и образует так называемую крицу. В ее состав входит чугун. После получения крицы, ее разбивают на мелкие куски и сортируют по твердости, в дальнейшем с каждой фракцией работают отдельно.
Это сегодня чугун является важнейшим продуктом черной металлургии, раньше было иначе. Он не поддается ковке, поэтому в древности чугун считался бесполезным отходом производства («свиным железом»), непригодным к дальнейшему использованию. Он значительно снижал количество сырья, полученным в ходе плавки. Чугун пытались использовать: в Европе из него делали пушечные ядра, а в Индии гробы, однако качество этих изделий оставляло желать лучшего.
От железа к стали. Ковка меча
Железо, полученное в сыродутной печи, отличалось крайней неоднородностью и низким качеством. Нужно было приложить еще массу усилий, чтобы превратить его в прочный и смертоносный клинок. Ковка меча заключала в себе сразу несколько процессов:
- очистку железа и стали;
- сварку разных слоев стали;
- изготовление клинка;
- тепловую обработку изделия.
После этого кузнецу необходимо было изготовить крестовину, головку, рукоять меча, а также сделать для него ножны.
Естественно, что в настоящее время сыродутный процесс не используется в промышленности для получения железа и стали. Однако силами энтузиастов и любителей старинного холодного оружия он был воссоздан до мельчайших подробностей. Сегодня эта технология изготовления меча используется для создания «аутентичного» исторического оружия.
Полученная в печи крица состоит из низкоуглеродистого железа (0-0,3% содержания углерода), металла с содержанием углерода 0,3-0,6% и высокоуглеродистой фракции (от 0,6 до 1,6% и выше). Железо, в котором мало углерода, отличается высокой пластичностью, но оно очень мягкое, чем выше содержание углерода в металле, тем больше его прочность и твердость, но одновременно сталь становится более хрупкой.
Для придания нужных свойств металлу кузнец может либо насыщать углеродом сталь, либо же выжигать его избыток. Процесс насыщения металла углеродом называется цементацией.
Перед кузнецами прошлого стояла серьезная проблема. Если изготовить меч из высокоуглеродистой стали, то он будет прочным и хорошо держать заточку, но одновременно слишком хрупким, оружие из стали с низким содержанием углерода вообще не сможет выполнять свои функции. Клинок одновременно должен быть и твердым и эластичным. Именно это была ключевая проблема, которая стояла перед мастерами-оружейниками на протяжении многих сотен лет.
Существует описание использования длинных мечей кельтами, сделанное римским историком Полибиосом. По его словам, мечи варваров были изготовлены из такого мягкого железа, что становились тупыми и гнулись после каждого решительного удара. Время от времени кельтским воинам приходилось исправлять их клинки с помощью ноги или колена. Однако и очень хрупкий меч представлял огромную опасность для своего хозяина. Например, сломавшийся меч едва не стоил жизни Ричарду Львиное Сердце – английскому королю и одному и самых прославленных бойцов своего времени.
В ту эпоху сломавшийся меч означал примерно то же самое, что отказавшие автомобильные тормоза в наши дни.
Первой попыткой решить эту проблему было создание так называемых ламинированных мечей, в которых мягкие и твердые слои стали чередовались друг с другом. Клинок подобного меча представлял собой многослойный сендвич, что позволяло ему одновременно быть и прочным и эластичным (при этом, правда, большую роль играла правильная тепловая обработка оружия и его закалка). Однако с такими мечами была одна проблема: при затачивании поверхностный твердый слой клинка быстро стачивался и меч терял свои свойства. Ламинированные клинки появились уже у кельтов, по мнению современных экспертов, такой меч должен был стоить раз в десять дороже обычного.
Еще одним способом сделать прочный и гибкий клинок было поверхностное цементирование. Суть этого процесса заключалась в науглероживании поверхности оружия, изготовленного из сравнительно мягкого металла. Меч помещали в сосуд, наполненный органическим веществом (чаще всего это был уголь), который затем ставили в печь. Без доступа кислорода органика обугливалась и насыщала металл углеродом, делая его прочнее. С цементированными клинками была такая же проблема, как и с ламинированными: поверхностный (твердый) слой довольно быстро стачивался, и лезвие теряло свои режущие свойства.
Более продвинутыми были многослойные мечи, изготовленные по схеме «сталь-железо-сталь». Она позволяла создавать клинки отменного качества: мягкое железо «сердцевины» делало клинок гибким и упругим, хорошо гасило колебания при ударах, а твердая «оболочка» наделяла меч отличными режущими свойствами. Следует отметить, что вышеприведенная схема компоновки клинка является наиболее простой. В Средние века кузнецы-оружейники часто «строили» свои изделия из пяти или семи «пакетов» металла с различными характеристиками.
Уже в раннем Средневековье в Европе образовались крупные металлургические центры, в которых выплавлялось значительное количество стали и производилось оружие достаточно высокого качества. Обычно такие центры возникали около богатых месторождений железной руды. В IX-X столетии хорошие клинки делали в государстве франков. Карлу Великому даже пришлось издавать указ, согласно которому продавать оружие викингам строго запрещалось. Признанным центром европейской металлургии была область, где позже возник знаменитый Золинген. Там добывали железную руду отличного качества. Позже признанными центрами кузнечного дела стала итальянская Брешиа и испанский Толедо.
Любопытно, но уже в раннем Средневековье клинки известных оружейников нередко подделывали. Например, мечи знаменитого мастера Ульфбрехта (жил в IX веке) отличались великолепным балансом и были выполнены из отлично обработанной стали. Они отмечались личным знаком оружейника. Однако кузнец просто физически не мог сделать всех клинков, которые ему приписываются. Да и сами клинки уж очень сильно отличаются по качеству. В период позднего Средневековья золингенские мастера подделывали продукцию кузнецов из Пассау и Толедо. Остались даже письменные жалобы последних на такое «пиратство». Позже стали подделывать мечи самого Золингена.
Подобранные полосы нагревают, а затем с помощью ковки сваривают в единый блок. Во время этого процесса важно выдержать правильную температуру и не пережечь заготовку.
После сварки начинается непосредственно ковка клинка, в ходе которой формируется его форма, изготавливаются долы, выделывается хвостовик. Одним из основных этапов ковки является процесс уплотнения лезвий, который концентрирует слои стали и позволяет мечу дольше сохранять свои режущие свойства. На этой стадии окончательно формируется геометрия клинка, определяется расположение его центра тяжести, задается толщина металла у основания меча и у его острия.
У средневековых кузнецов, естественно, не было термометров. Поэтому необходимая температура высчитывалась по цвету накала металла. Чтобы лучше определять эту характеристику, раньше кузницы обычно затемнялись, что еще больше добавляло мистики в ауру кузнецов.
Затем начинается тепловая обработка будущего меча. Этот этап крайне важен, он позволяет изменить молекулярную структуру стали и добиться от клинка необходимых характеристик. Дело в том, что кованая сталь, сваренная из различных кусков, имеет грубую зернистую структуру и большое количество напряжений внутри металла. С помощью нормализации, закаливания и отпуска кузнец должен максимально избавиться от этих недостатков.
Первоначально клинок нагревают примерно до 800 градусов, а затем подвешивают за хвостовик, чтобы металл не «повело». Этот процесс называется нормализация, для разных типов стали данную процедуру проводят несколько раз. После нормализации следует мягкий отжиг, в ходе которого меч нагревают до коричнево-красного цвета и оставляют остывать, завернув в изолирующий материал.
После нормализации и отжига можно приступить к наиболее важной части процесса ковки – закаливанию. Во время этой процедуры клинок нагревают до коричнево-красного цвета, а затем быстро охлаждают в воде или масле. Закаливание как бы замораживает структуру стали, полученную в ходе нормализации и отжига.
Дифференцированное закаливание. Это техника характерна для японских мастеров, она заключается в том, что разные зоны клинка получают различное закаливание. Чтобы добиться такого эффекта, перед закалкой на клинок наносились слои глины различной толщины.
Абсолютно понятно, что на любом этапе описанного выше процесса кузнец может допустить ошибку, которая будет фатальной для качества будущего изделия. В Японии любой кузнец, дорожащий своим именем, должен был безжалостно ломать неудавшиеся клинки.
Чтобы улучшить качество будущего меча нередко применяли метод нитрования или азотирования, то есть обработку стали соединениями, содержащими азот.
В саге о Виланде-кузнеце описан довольно оригинальный способ нитрования, который позволил мастеру создать настоящий «супермеч». Чтобы повысить качество изделия кузнец спилил меч в опилки, добавил их в тесто и скормил голодным гусям. После этого он собрал птичий помет и проковал опилки. Из них получился меч «…настолько твердый и крепкий, что трудно было на земле сыскать второй такой». Конечно, это литературное произведение, но подобный способ мог вполне иметь место. Современные «азотистые» стали имеют высочайшую твердость. Во многих исторических источниках сообщается, что мечи закаливали и в крови, что наделяло их особыми качествами. Вероятно, что подобная практика действительно имела место, и здесь мы имеем дело с еще одним способом нитрования.
Сразу после закалки клинок еще раз отпускают. После окончания процесса тепловой обработки начинается шлифовка, причем она проводится в несколько этапов. Во время этого процесса меч должен постоянно охлаждаться водой. Шлифовкой и полировкой меча, а также установкой на него крестовины, рукояти и навершия в Средние века обычно занимался не кузнец, а специальный мастер – швертфегером.
Естественно, что перед началом работы над мечом, кузнец до мелочей продумывал его будущий дизайн и конструкцию. Будет ли он боевым или предназначается больше для «представительских» целей? Как в основном будет сражаться его будущий владелец: в пешем или конном строю? Против каких доспехов предположительно будет использоваться? Ну и, конечно же, во время изготовления меча учитывались особенности самого воина: его рост, длина рук, излюбленная техника фехтования.
Дамасская сталь и булат
Каждому, кто хотя бы раз в жизни интересовался историческим холодным оружием, известно словосочетание «дамасская сталь». Оно и сегодня очаровывает своим налетом таинственности, экзотики и мужественности. На самом деле, дамасская сталь – это еще одна попытка решить вечное противоречие между хрупкостью стали и мягкостью железа. И надо сказать, что данная попытка получилась одной из самых удачных.
Неизвестно, кому первому пришла в голову мысль соединить воедино большое количество слоев мягкой и твердой стали, но этого человека можно смело назвать гением кузнечного дела. Хотя, сегодня историки считают, что подобная технология была независимо разработана в разных регионах мира. Уже в начале нашей эры оружие из дамасской стали изготавливали в Европе и Китае. Ранее считали, что этот вид стали был изобретен на Ближнем Востоке. Однако сегодня доподлинно известно, что он был придуман европейскими мастерами. Да и вообще, пока не найдено никаких доказательств, что Дамаск когда-либо был серьезным центром изготовления оружия.
Дикий дамаск получался, если исходную заготовку разрубывали пополам, половинки накладывали друг на друга и опять проковывали. Подобную операцию обычно проводили несколько раз, постоянно удваивая количество слоев металла, улучшая тем самым его свойства. Несложный математический расчет показывает, что заготовка, перекованная семь раз, получает 896 слоев высокоуглеродистой и низкоуглеродистой стали.
В Средние века в Европе был популярен так называемый крученый дамаск. Во время его получения бруски из разных сталей перекручивались спиралью и сваривались ковкой. Этот процесс повторялся несколько раз. Обычно из такой стали изготавливалась центральная часть клинка, на которую затем наковывались лезвия из обычной твердой стали.
Клинки из дамасской стали в средневековой Европе ценились так высоко, что их нередко дарили королям.
Булат или вутц – это сталь, изготовленная особым образом, благодаря которому она имеет своеобразную внутреннюю структуру, характерный узор на поверхности и высочайшие характеристики по прочности и упругости. Его изготавливали в Иране, Средней Азии и Индии. Эта сталь имела большое содержание углерода, близкое к чугуну (около 2%), но при этом сохраняла способность к ковке и значительно превосходила чугун по прочности.
Об этом материале существует множество легенд. Долгое время считалось, что секрет изготовления булат утрачен, хотя сегодня множество мастеров утверждают, что они владеют тайнами производства настоящего вутца. Одним из способов его получения основан на частичном расплавлении частиц железа или низкоуглеродистой стали в чугуне. Общее количество добавок должно составлять 50-70% от массы чугуна. В результате получается расплав, имеющий кашицеобразную консистенцию. После охлаждения и кристаллизации получается булат – материал с высокоуглеродистой матрицей, в которую вкраплены низкоуглеродные частицы.
Есть информация и о других способах получения булатных сталей в наши дни, вероятно, и древности их существовало несколько. Современные методы связаны с особыми способами ковки и термической обработки металлов.
Одним из достоинств любого меча из узорчатой стали, будь то дамаск или булат, специалисты называют микроволнистость его лезвия. Оно автоматически возникает из-за неоднородности слоев или волокон металла, из которых состоит клинок. По сути, режущая кромка такого оружия является «микропилой», что значительно повышает его боевые свойства.
О дамасской стали сложено огромное количество мифов. Первый из них связан с самим названием металла. Сегодня известно, что город Дамаск особого отношения к изобретению и производству этой стали не имел, хотя некоторые историки считают его важным торговым центром, где оружие из дамаска продавали. Также до сих пор бытует мнение, что дамасская сталь стоила «на вес золота» и резала доспехи словно бумагу. Это не соответствует действительности. Клинки из дамаска действительно прекрасно сочетают в себе твердость и упругость, но никакими необыкновенными свойствами они не обладают.
Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них
Кузнец-оружейник Василий Иванов, специализирующийся на традиционном японском оружии, по просьбе редакции «Популярной механики» взялся за проект исторической реконструкции европейского меча XIII века. Меч пришлось делать с нуля — начиная с выплавки стали из руды. Первая модель оказалась неудачной, и лишь вторая успешно прошла контрольные испытания
Для экономии времени нам пришлось несколько отступить от исторической аутентичности и заменить бригаду молотобойцев одним пневмомолотом. С его помощью многопакетному бруску придается первоначальная форма — его проковывают в полосу, формируют хвостовик клинка
Хотя пневмомолот позволяет экономить силы и время, некоторые операции можно сделать только вручную
Закалка — самая эффектная часть процесса термической обработки стальных сплавов, включающего отжиг, собственно закалку и отпуск. Во время закалки разогретую заготовку из углеродистой стали опускают в ванну с водой, солевым раствором или маслом
При быстром охлаждении в стали возникает мартенсит — кристаллическая структура, благодаря которой металл становится прочным, твердым и упругим (хотя теряет пластичность и приобретает хрупкость). Образовавшиеся неравномерности внутренних напряжений частично снимаются при последующем отпуске — нагревании до невысокой температуры и охлаждении
Для проковки долов используется специальный инструмент — шперак. Это Т-образные щипцы с круглыми губками, между которыми зажимается будущий клинок
При проковке шпераком пневмомолотом с обеих сторон клинка образуются полукруглые пазы — долы, которые затем шлифуются вручную с помощью мокрых абразивных камней. Долы часто ошибочно называют «кровостоками», но на самом деле они выполняют функцию ребер жесткости, а заодно позволяют уменьшить массу клинка
Последний, заключительный этап изготовления меча — это «одевание» клинка. Перекрестие мы отлили из бронзы, а затем кузнечным способом сварили две бронзовые планки между собой, оставив в центре отверстие для хвостовика клинка
Навершие («яблоко») тоже отлито из бронзы. Под замшу, которой обмотана деревянная рукоять мяча, вставлено металлическое кольцо — для лучшего удержания и контроля положения меча. Для придания исторически аутентичного вида мы прогрели бронзовые детали газовой горелкой, чтобы они покрылись патиной и не выглядели новыми
В февральском номере «ПМ» мы начали рассказ о нашем проекте исторической реконструкции средневекового меча под руководством известного кузнеца-оружейника Василия Иванова, руководителя мастерской традиционного японского оружия Ishimatsu. В первой статье мы описали, как получали нужные сорта стали из железной руды, и пообещали опубликовать продолжение в следующем номере. Однако нас поджидали технические трудности, которые задержали продолжение почти на два месяца. Впрочем, трудности эти тоже вполне исторически аутентичны — с ними встречались и средневековые кузнецы-оружейники.
От бруска к клинку
Итак, у нас есть стальной брусок, собранный из семи пакетов, — каждый из них имеет свою структуру и назначение в конструкции клинка. Первым делом нужно превратить этот брусок в собственно заготовку — проковать в стальную полосу заданных размеров с учетом запаса на проковку и оттяжку лезвия (для экономии времени мы немного отступили от исторической аутентичности, использовав для этой операции пневмомолот). На заключительной стадии этого этапа Василий, уже вручную, придает полосе первоначальную геометрию, формируя хвостовик, кончик и пятку клинка. С этого момента полоса по форме уже отдаленно напоминает будущий меч. После того как металл остыл, Василий еще раз внимательно осмотрел и измерил полученную заготовку, оставив небольшой запас металла на исправление будущих ошибок.
Следующая стадия — проковка долов. Долы — это продольные пазы, проходящие вдоль части длины клинка. Иногда их ошибочно называют «кровостоками», хотя на самом деле функция долов в конструкции клинка совершенно иная — они уменьшают массу клинка и играют роль ребер жесткости. Долы проковываются с помощью специального инструмента, называемого шпераком. Шперак представляет собой Т-образные щипцы с губками круглого сечения, заготовка зажимается между ними и проковывается, в результате с обеих сторон клинка появляются продольные пазы.
И наконец, заготовка приобретает более-менее окончательный вид после оттяжки (формирования) лезвия. «Это довольно кропотливый процесс, — объясняет Василий. — Если на предыдущих этапах можно использовать пневмомолот, то для оттяжки лезвия необходима высокая точность, которая достигается только ручной ковкой». На этой стадии окончательно задается геометрия будущего клинка, можно немного изменить расположение центра тяжести, варьируя толщину клинка у кончика или у основания. Толщина режущей кромки на этом этапе составляет 2−2,5 мм. Тоньше нельзя: можно перекалить сталь, да и запаса для каких-либо «маневров» не останется.
Но вот предварительные работы почти закончены. Василий еще раз проверяет соответствие размеров клинка нашему техзаданию, рихтует заготовку и переходит к следующему этапу — термообработке.
Термообработка
К закалке приступают не сразу. Сначала нужно избавиться от внутренних напряжений в материале, которые могли появиться во время ковки. Для этого клинок отжигают — нагревают до 950−970°С, а затем оставляют медленно остывать прямо в горне — этот процесс занимает 5−8 часов. Затем заготовку окончательно рихтуют, причем минимально, чтобы избежать переуплотнения материала в различных частях клинка.
Закалка — самая известная часть процесса термообработки. При закалке происходит быстрое охлаждение заготовки, углеродистая сталь становится прочной, твердой и упругой (снижается ее пластичность и вязкость).
Василий накладывает древесный уголь и разжигает горн, поясняя: «Древесный уголь горит более равномерно. К тому же он легче кокса, и поэтому вероятность повредить горячий пластичный клинок при разогреве меньше». Он нагревает клинок, стараясь добиться равномерного прогрева примерно до 890−900°С, затем вынимает заготовку из горна и опускает в ванну с солевым раствором на 7−8 секунд. Затем клинок нужно отпустить — снять внутренние напряжения, накопившиеся в металле во время закалки, сделать его менее хрупким и увеличить ударную вязкость: нагреть до невысокой (180−200°С) температуры и охладить до комнатной в воде (или воздухе — методики варьируются). Эту операцию производят обычно несколько раз (в нашем случае три) с перерывами в 15−20 минут. После этого клинок оставляют в покое на несколько дней, чтобы оставшиеся внутренние напряжения проявились и «устаканились». «Клинок желательно подвесить, а не просто положить на наковальню, — замечает Василий. — Иначе неравномерности в теплообмене могут нарушить геометрию, то есть клинок банально ‘поведет». Но даже в подвешенном состоянии по прошествии нескольких дней клинок, как правило, нуждается в небольшой щадящей холодной рихтовке.
После термообработки — очередной контроль качества. Василий тщательно осматривает клинок на предмет «непроваров», трещин, проверяет его на изгиб и кручение, бьет клинком по доске плашмя и вновь осматривает. Затем он зажимает клинок двумя пальцами и бьет по нему металлической палочкой, внимательно прислушивается к звону и скептически качает головой: «Когда звук звонкий, колокольный, по мечу идет долгая вибрация — это говорит о прокованности меча, отсутствии внутренних микротрещин и достаточно высокой степени закалки. Если звук хриплый, тусклый и недолгий — значит, есть какие-то дефекты. Здесь что-то не так: звук мне не нравится». Но объективных признаков вроде бы нет, так что переходим к следующему этапу.
Механическая обработка
Этот довольно монотонный процесс занимает почти две недели. За это время оружейник с помощью мокрых абразивных камней из песчаника снимает лишний металл, шлифует долы, формирует и затачивает режущую кромку. Но вот, наконец, работа близится к концу, и Василий приступает к окончательной проверке — вновь осматривает клинок, разрубает несколько деревянных брусков, мягкий стальной уголок, несколько раз изгибает клинок: «Похоже, закалился неравномерно — при изгибе основание образует дугу, а кончик почти прямой», — и в этот самый момент зажатый в тиски клинок с неприятным хрустом трескается. Его конец по‑прежнему зажат в тисках, а остаток — в руках у Василия, который пожимает плечами: «Я же говорил, что тут что-то не так! Вот поэтому мы при выплавке делали несколько заготовок. Ничего страшного — разберемся, почему это произошло, и попробуем еще раз».
Сломанный меч
Собственно, именно это и задержало выход данной статьи на два с лишним месяца — потребовалось разобраться в причинах произошедшего, провести несколько экспериментов, внести коррективы в процесс… и повторить весь путь от многопакетного бруска заново.
Почему же сломался наш первый меч? «Напомню, что мы использовали нестандартные стали, точный состав которых неизвестен, а значит, их характеристики сложно предсказать, — говорит Василий. — По-видимому, закалка была чрезмерно ‘жесткой" - слишком высокая температура и использование солевого раствора привели к образованию микротрещин в высокоуглеродистой стали. Это чувствовалось уже на этапе предварительной проверки после закалки — по звуку и гибкости, но окончательно подтвердилось только после мехобработки — стали видны микротрещины на поверхности».
Звонкий клинок
После ряда экспериментов процесс термообработки был модифицирован. Во‑первых, мы решили немного изменить геометрию клинка, увеличив толщину кончика, чтобы закалка стала более равномерной. Во‑вторых, уменьшили температуру нагрева до 830−850°С и саму закалку решили проводить не в солевой ванне, а в водно-масляной (слой масла толщиной 30 см поверх воды). После такой двухступенчатой (за счет масла, имеющего температуру кипения около 200°С) закалки, длящейся 7−8 секунд, клинок охлаждался в воздухе (на морозе в -5°С) до полного остывания (5 минут). Методика дальнейшей термообработки также была изменена: клинок отпускали для снятия внутренних напряжений в пять заходов, нагревая до температуры 280−320°С, а затем оставляя остывать в воздухе.
И вновь — перерыв в несколько дней, рихтовка, обдирка, шлифовка и заточка.
И вот, наконец, Василий вновь бьет металлической палочкой по клинку, прислушивается к долгому музыкальному звону, и на лице его появляется удовлетворенная улыбка: «Кажется, на этот раз все получилось!» Он зажимает клинок в тиски и тянет за хвостовик — клинок сгибается в почти идеальную дугу.
Остаются только всякие мелочи — протравить рисунок, чтобы на поверхности клинка появился красивый узор, подогнать деревянные ножны, установить на меч рукоять, обтянутую замшей, бронзовые перекрестие и навершие (так называемое яблоко). Меч, почти в точности такой, каким могли биться русские воины XIII века, полностью готов — остается только испытать его. Но об этом — в одном из следующих номеров.
Мало кого из ценителей оружия японский меч оставляет равнодушным. Одни считают, что это самый лучший меч в истории, недосягаемая вершина совершенства. Другие – что это посредственная поделка, не выдерживающая сравнения с мечами других культур.
Есть и более экстремальные мнения. Фанаты могут утверждать, что катана рубит сталь, что её невозможно сломать, что она легче любого европейского меча аналогичных габаритов и так далее. Ругатели говорят, что катана одновременно хрупкая, мягкая, короткая и тяжёлая, что это архаичная и тупиковая ветвь развития холодного оружия.
На стороне фанатов выступает индустрия развлечений. В аниме, кино и компьютерных играх мечи японского типа нередко наделяются особыми свойствами. Катана может быть лучшим оружием своего класса, а может быть мегамечом главного героя и/или злодея. Достаточно вспомнить пару фильмов Тарантино. Также можно вспомнить о боевиках про ниндзя из 80-х. Примеров слишком много, чтобы их всерьёз упоминать.
Проблема в том, что из-за массированного давления индустрии развлечений у некоторых людей фильтр, призванный отделять реальное от вымышленного, даёт сбой. Они начинают верить в то, что катана – это и правда самый лучший меч, «ведь все это знают». А дальше возникает естественное для человеческой психики желание подкрепить свою точку зрения. И, когда такой человек встречает критику объекта своего обожания, он воспринимает её в штыки.
С другой стороны, существуют люди, которые обладают знаниями о тех или иных недостатках японского меча. На фанатов, безудержно нахваливающих катану, такие люди нередко реагируют изначально вполне здоровой критикой. Чаще всего в ответ – помним про восприятие в штыки – эти критики получают неадекватный ушат помоев, нередко приводящий их в бешенство. Аргументация этой стороны также уходит в сторону абсурда: достоинства японского меча замалчиваются, недостатки раздуваются. Критики превращаются в ругателей.
Так и идёт непрекращающаяся война, с одной стороны подпитываемая незнанием, а с другой – нетерпимостью. В результате получается, что большая часть доступной информации о японском мече происходит либо от фанатов, либо от ругателей. Ни ту, ни другую нельзя воспринимать всерьёз.
Где же истина? Что такое, на самом деле, японский меч, в чём его сильные и слабые стороны? Попробуем разобраться.
Добыча железной руды
То, что мечи делаются из стали – не секрет. Сталь – это сплав железа с углеродом. Железо получается из руды, углерод – из дерева. Кроме углерода, сталь может содержать прочие элементы, одни из которых влияют на качество материала положительно, а другие – отрицательно.
Существует немало разновидностей железной руды, такие как магнетит, гематит, лимонит и сидерит. Отличаются они, по сути, примесями. В любом случае, руды содержат оксиды железа, а не железо в чистом виде, поэтому железо из оксидов всегда приходится восстанавливать. Чистое железо, не в виде оксидов и без значительного количества примесей, в природе встречается крайне редко, не в промышленных масштабах. В основном это фрагменты метеоритов.
В средневековой Японии железную руду получали из так называемого железного песка или сатецу (砂鉄), содержащего крупинки магнетита (Fe3O4). Железный песок и в современности является важным источником руды. Магнетит из песка добывают, например, в Австралии, в том числе и для экспорта в Японию, где железная руда давно закончилась.
Нужно понимать, что остальные виды руды не лучше, чем железный песок. Например, в средневековой Европе важным источником железа была болотная руда, bog iron, содержащая гётит (FeO(OH)). Там тоже имеется множество неметаллических примесей, и точно так же их нужно отделять. Поэтому в историческом контексте не слишком важно, какая именно руда использовалась для производства стали. Важнее то, как её обрабатывали до и после выплавки.
Преткновения о качестве японского меча начинаются с обсуждения руды. Фанаты утверждают, что руда из сатецу является очень чистой, и из неё изготавливается весьма совершенная сталь. Ругатели говорят, что в случае добычи руды из песка невозможно избавиться от примесей, и сталь получается низкого качества, с большим количеством включений. Кто прав?
Парадоксально, но правы и те, и другие! Но не одновременно.
Современные методы очистки магнетита от примесей, действительно, позволяют получить очень чистый порошок оксида железа. Поэтому та же болотная руда коммерчески менее интересна, чем магнетитовый песок. Проблема в том, что эти методы очистки используют мощные электромагниты, которые появились сравнительно недавно.
Средневековым японцам приходилось либо обходиться хитрыми методами очистки песка с помощью прибрежных волн, либо отделять крупинки магнетита от песка вручную. В любом случае, если добывать и очищать магнетит истинно традиционными методами, чистой руда не получится. Там останется достаточно много песка, то есть диоксида кремния (SiO2), и прочих примесей.
Утверждение «в Японии была плохая руда, и поэтому сталь для японских мечей по определению низкого качества» неверно. Да, в Японии действительно было количественно меньше железной руды, чем в Европе. Но качественно она была не лучше и не хуже европейской. И в Японии, и в Европе для получения высококачественной стали металлургам приходилось особым образом избавляться от примесей, неизбежно остававшихся после выплавки. Для этого использовались очень похожие процессы, основанные на сварке ковкой (но об этом позже).
Поэтому утверждения типа «сатецу – очень чистая руда» верны лишь в отношении магнетита, отделённого от примесей современными способами. В исторические времена это была грязная руда. Когда современные японцы делают свои мечи «традиционным способом», они лукавят, так как руда для этих мечей очищается магнитами, а не вручную. Так что это уже не мечи из традиционной стали, поскольку используемое для них сырьё – более высокого качества. Оружейников, конечно, можно понять: нет никакого практического смысла использовать заведомо худшее сырьё.
Руда: вывод
Сталь для нихонто, произведённых до прихода в Японию промышленной революции, делалась из грязной по современным меркам руды. Сталь для всех современных нихонто, даже тех, которые куются в самых дальних и аутентичных японских деревнях, производится из чистой руды.
При наличии достаточно совершенных технологий выплавки стали качество руды не имеет особого значения, так как примеси будут легко отделены от железа. Однако исторически в Японии, как и в средневековой Европе, таких технологий не было. Дело в том, что температура, при которой плавится чистое железо, равна примерно 1539° C. Реально нужно достигать ещё более высоких температур, с запасом. «На коленке» это сделать невозможно, нужна доменная печь.
Без сравнительно новых технологий достичь температуры, достаточной для расплавления железа, очень непросто. Лишь немногим культурам это было под силу. Например, качественные стальные слитки производились в Индии, а купцы уже везли их вплоть до Скандинавии. В Европе научились нормально достигать нужных температур где-то в районе XV века. В Китае первые доменные печи были построены аж в 5 веке до нашей эры, но за пределы страны технология не вышла.
Традиционная японская сыродутная печь, татара (鑪), была достаточно совершенным устройством для своего времени. С задачей – получением так называемой тамахагане (玉鋼), «алмазной стали» – она справлялась. Однако температура, которую можно было достичь в татаре, не превышала 1500° C. Этого более чем достаточно для восстановления железа из оксидов, но недостаточно для полного расплавления.
Полное расплавление нужно в первую очередь для отделения нежелательных примесей, неизбежно содержащихся в руде, добытой традиционным образом. Например, песок при нагреве отпускает кислород и превращается в кремний. Этот кремний оказывается заточен где-то внутри железа. Если железо становится полностью жидким, то нежелательные примеси вроде того же кремния просто всплывают на поверхность. Оттуда их можно вычерпать ложкой или оставить так, чтобы впоследствии удалить с остывшей чушки.
Плавка железа в татаре, как и в большинстве аналогичных старинных печей, не была полной. Поэтому примеси не всплывали на поверхность в виде шлака, а оставались в толще металла.
Нужно упомянуть, что не все примеси одинаково вредны. Например, никель или хром позволяют получить нержавеющую сталь, ванадий используется в современной инструментальной стали. Это так называемые легирующие добавки, польза от которых будет при очень малом содержании, обычно измеряемом в долях процента.
Кроме того, углерод вообще не следует считать примесью, когда речь идёт о стали, ведь сталь – это сплав железа и углерода в определённой пропорции, как было отмечено ранее. Однако при плавке в татаре мы имеем дело не только и не столько с легирующими добавками типа упомянутых выше. В стали остаётся шлак, в основном в виде кремния, магния и так далее. Эти вещества, равно как и их оксиды, значительно хуже стали по твёрдостно-прочностным характеристикам. Сталь без шлака всегда будет лучше стали со шлаком.
Выплавка стали: вывод
Сталь для нихонто, выплавленная традиционными методами из традиционно добытой руды, обладает значительным количеством шлака. Это ухудшает её качество по сравнению со сталью, полученной с помощью современных технологий. Если взять современную, чистую руду, то полученная «почти традиционная» сталь окажется заметно выше качеством, чем действительно традиционная.
Японский меч изготавливается из традиционным образом полученной стали, называемой тамахагане. Клинок в разных областях содержит углерод в различной концентрации. Сталь складывается в несколько слоёв и обладает зональной закалкой. Это широко известные факты, о них можно прочитать практически в любой популярной статье о катане. Попробуем выяснить, что же это значит и какое влияние оказывает.
Для получения ответов на данные вопросы понадобится экскурс в металлургию. Излишне углубляться не будем. Многие нюансы в данной статье не упоминаются, некоторые моменты намеренно упрощаются.
Свойства материала
Почему вообще мечи делаются из стали, а не, скажем, из дерева или сахарной ваты? Потому, что для создания мечей сталь как материал обладает более подходящими свойствами. Более того, для создания мечей сталь обладает наиболее подходящими свойствами из всех доступных человечеству материалов.
От меча требуется не так уж и много. Он должен быть прочным, острым и не слишком тяжёлым. Но совершенно необходимы все эти три свойства! Недостаточно прочный меч быстро сломается, оставив своего владельца без защиты. Недостаточно острый меч окажется малоэффективным в нанесении противнику повреждений и тоже не сможет защитить своего владельца. Слишком тяжёлый меч в лучшем случае быстро вымотает владельца, в худшем – вообще окажется непригодным для ведения боя.
Теперь подробно разберёмся с этими свойствами.
В процессе эксплуатации мечи подвержены мощным физическим воздействиям. Что произойдёт с клинком, если ударить им по цели, какой бы она ни была? Результат зависит от того, что за цель и как ударить. Но также он зависит и от устройства клинка, которым мы бьём.
В первую очередь меч должен не сломаться, то есть он должен быть прочным. Прочность – это способность предметов не ломаться от внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. На прочность меча в основном влияют две составляющие: геометрия и материал.
С геометрией всё в общем понятно: лом сломать труднее, чем проволоку. Однако, лом сильно тяжелее, а это не всегда желательно, поэтому приходится идти на ухищрения, минимизирующие массу оружия при сохранении максимума прочности. Кстати, можно сразу же заметить, что все разновидности стали обладают примерно одной плотностью: приблизительно 7,86 г/см3. Поэтому уменьшение массы достижимо только геометрией. О ней поговорим позже, пока что займёмся материалом.
Помимо прочности, для меча важна твёрдость, то есть способность материала не деформироваться при внешнем воздействии. Недостаточно твёрдый меч может быть очень прочным, но он не сможет ни колоть, ни резать. Пример такого материала – резина. Меч, сделанный из резины, практически невозможно сломать, хотя и можно разрубить – опять сказывается недостаток твёрдости. Но, что более важно, его лезвие слишком мягко. Даже если изготовить «острый» резиновый клинок, то резать он сможет разве что сахарную вату, то есть ещё менее твёрдый материал. При попытке резать хотя бы дерево лезвие из острого, но мягкого материала просто согнётся вбок.
Но твёрдость не всегда полезна. Зачастую вместо твёрдости нужна пластичность, то есть способность тела деформироваться без саморазрушения. Для наглядности возьмём два материала: один с очень низкой твёрдостью – всё та же резина, а другой с очень высокой – стекло. В резиновых или кожаных сапогах, динамически изгибающихся вслед за ногой, можно спокойно ходить, а вот в стеклянных ну никак не получится. Стеклянным осколком можно резать резину, но резиновый мяч с лёгкостью разобьёт оконное стекло, не пострадав.
Материал не может одновременно обладать высокой твёрдостью и при этом быть пластичным. Дело в том, что при деформации тело из твёрдого материала не меняет форму, подобно резине или пластилину. Вместо этого оно сначала сопротивляется, а затем ломается, раскалываясь – так как ему необходимо куда-то деть энергию деформации, которая в нём накапливается, и оно не способно погасить эту энергию менее экстремальным образом.
При низкой твёрдости молекулы, составляющие материал, связаны не слишком жёстко. Они спокойно двигаются относительно друг друга. Некоторые мягкие материалы после деформации принимают оригинальную форму, другие – нет. Упругость – это свойство возврата первоначальной формы. Например, растянутая резина соберётся обратно, если только не переборщить, а пластилин сохранит ту форму, которую ему придадут. Соответственно, резина деформируется упруго, а пластилин – пластично. Кстати, твёрдые материалы скорее упруги, чем пластичны: они сначала не деформируются, потом слегка деформируются упруго (если здесь отпустить, то вернут форму), а затем ломаются.
Разновидности стали
Как уже говорилось выше, сталь – это сплав железа и углерода. Точнее, это сплав, содержащий от 0,1 до 2,14% углерода. Меньше – железо. Больше, вплоть до 6,67% – чугун. Чем больше углерода, тем выше твёрдость и при этом ниже пластичность сплава. А чем ниже пластичность, тем выше хрупкость.
На самом деле, конечно, всё не так просто. Можно получить высокоуглеродистую сталь, которая будет пластичнее низкоуглеродистой, и наоборот. Металлургия – это гораздо больше, чем одна диаграмма железо-углерод. Но мы уже договорились упрощать.
Сталь, содержащая очень мало углерода – это феррит. Что такое «очень мало»? Зависит от различных факторов, в первую очередь от температуры. При комнатной температуре это где-то до половины процента, но нужно понимать, что не следует искать излишней чёткости в аналоговом мире, полном плавных градиентов. Феррит близок по свойствам к чистому железу: он обладает низкой твёрдостью, деформируется пластично и является ферромагнетиком, то есть притягивается к магнитам.
При нагреве сталь меняет фазу: феррит превращается в аустенит. Самый простой способ понять, дошла ли нагретая стальная заготовка до аустенитной фазы – поднести к ней магнит. В отличие от феррита, аустенит не обладает ферромагнитными свойствами.
Аустенит отличается от феррита иной структурой кристаллической решётки: она шире, чем у феррита. Все же помнят про тепловое расширение, верно? Вот тут оно так и проявляется. Благодаря более широкой решётке, аустенит становится прозрачным для отдельных атомов углерода, которые могут до известной степени свободно путешествовать внутри материала, оказываясь прямо внутри ячеек.
Конечно, если разогреть сталь ещё выше, до полного расплавления, то в жидкости углерод будет путешествовать ещё свободнее. Но сейчас это не так важно, тем более что при традиционном для Японии методе получения стали полного расплавления не происходит.
При остывании расплавленная сталь сначала становится твёрдым аустенитом, а затем превращается обратно в феррит. Но это общий случай, для «обычных» углеродистых сталей. Если же добавить в сталь никель или хром в количестве 8-10%, то при охлаждении кристаллическая решётка останется аустенитной. Так делаются нержавеющие стали, фактически – сплавы стали с другими металлами. Как правило они проигрывают обычным сплавам железа и углерода по показателям твёрдости и прочности, поэтому мечи делают из «ржавеющей» стали.
С современными металлургическими технологиями вполне возможно получение нержавеющей стали, сравнимой по твёрдости и прочности с качественными образцами исторической углеродистой стали. Хотя современная углеродистая сталь всё равно будет лучше, чем современная нержавейка. Но, на мой взгляд, основной причиной отсутствия нержавеющих мечей является рыночная инерция: клиенты оружейников не хотят приобретать мечи из «слабой» нержавейки, плюс многие ценят аутентичность – несмотря на то, что это, по сути, фикция, о чём говорилось в предыдущей статье.
Получение тамахагане
Берём железную руду (сатецу-магнетит) и запекаем. Хотели бы полностью расплавить, но не получится – татара не справится. Но ничего. Нагреваем, доводим до аустенитной фазы и продолжаем греть до упора. Добавляем углерод, просто всыпая в печку уголь. Снова насыпаем сатецу и продолжаем запекать. Некую часть стали расплавить всё же удаётся, но не всю. Затем даём материалу остыть.
При остывании сталь пытается изменить фазу, превратившись из аустенита в феррит. Но мы же добавили значительное количество неравномерно распределённого угля! Атомы углерода, свободно перемещавшиеся внутри жидкого железа и нормально существующие внутри широкой аустенитной решётки, при сжатии и смене фазы начинают выдавливаться из более узкой ферритной решётки. С поверхности-то ладно, выдавиться есть куда, просто в воздух – и хорошо. Но в толще материала деваться особенно некуда.
В результате перехода железа из аустенита частью остывшей стали будет уже не феррит, а цементит, или карбид железа Fe3C. По сравнению с ферритом это очень твёрдый и хрупкий материал. Чистый цементит содержит 6,67% углерода. Можно сказать, что это «максимальный чугун». Если углерода в каком-то участке сплава окажется больше, чем 6,67%, то он не сможет разойтись в карбид железа. В этом случае углерод так и останется в виде вкраплений графита, не прореагировав с железом.
Когда татара остывает, на её дне образуется стальной блок весом около двух тонн. Сталь в этом блоке неоднородна. В тех областях, в которых сатецу граничит с углём, будет даже не сталь, а уже чугун, содержащий большое количество цементита. В глубине сатецу, вдали от угля, окажется феррит. В переходе от феррита к чугуну – различные структуры железоуглеродистых сплавов, которые для простоты можно определить как перлит.
Перлит – это смесь феррита и цементита. При охлаждении и фазовом переходе из аустенита в феррит, как уже говорилось, из кристаллической решётки выдавливается углерод. Но в толще материала выдавливать его особенно некуда, только из одного места в другое. Из-за различных неоднородностей при охлаждении получается, что часть решётки этот углерод выдавливает, превращаясь в феррит, а другая часть принимает, превращаясь в цементит.
На срезе перлит выглядит как шкура зебры: последовательность светлых и тёмных полосок. Чаще всего цементит воспринимается более белым по сравнению с тёмно-серым ферритом, хотя всё зависит от условий освещения и наблюдения. Если углерода в перлите достаточно мало, то полосатые области будут сочетаться с чисто ферритными. Но это всё тоже перлит, просто низкоуглеродный.
Стены печи разрушают, а стальной блок разбивается на куски. Эти куски постепенно дробятся до совсем небольших кусочков, придирчиво осматриваются, по возможности очищаются от шлака и лишнего углерода-графита. Затем они нагреваются до мягкого состояния и расплющиваются, получаются плоские слитки произвольной формы, напоминающие монетки. В процессе материал сортируется по качеству и содержанию углерода. Наиболее качественные кусочки-монетки идут на производство мечей, остальные – куда попало. С содержанием углерода всё достаточно просто.
Феррит, полученный из тамахагане, по-японски называется хочо-тецу (包丁鉄). Правильная англоязычная запись – “houchou-tetsu” или “hōchō-tetsu”, возможно без дефиса. Если искать как “hocho-tetsu”, то ничего хорошего не найдёте.
Перлит – это как раз и есть тамахагане. Точнее, словом «тамахагане» называется как вся полученная сталь в целом, так и её перлитная составляющая.
Твёрдый чугун из тамахагане называется набе-гане (鍋がね). Хотя названий для чугуна и его производных в японском несколько: набе-гане, сентецу (銑鉄), чутецу (鋳鉄). Если интересно, то вы сами можете разобраться, когда какое из этих слов правильно применять. Не самое важное в нашем деле, если честно.
Традиционный японский способ выплавки стали не является чем-то высокосовершенным. Он не позволяет полностью избавиться от шлаков, неизбежно присутствующих в традиционно добытой руде. Однако, с главной задачей – получением стали – вполне справляется. На выходе получаются маленькие кусочки железоуглеродистых сплавов, похожие на монетки, с различным содержанием углерода. В дальнейшем производстве меча участвуют различные сорта сплавов, от мягкого и пластичного феррита до твёрдого и хрупкого чугуна.
Композитная сталь
Практически все технологические процессы получения стали для производства мечей, в том числе и японский, дают на выходе сталь различных сортов, с разным содержанием углерода и так далее. Одни сорта стали скорее твёрдые и хрупкие, другие – мягкие и пластичные. Кузнецам-оружейникам хотелось совместить твёрдость высокоуглеродистой стали с прочностью низкоуглеродистой стали. Так, независимо друг от друга, в различных частях света, и появилась идея производства мечей из композитной стали.
В среде фанатиков японских мечей тот факт, что объекты их почитания традиционно делались таким образом, из «множества слоёв стали», превозносится как некое достижение, выгодно отличающее японский меч от других, «примитивных» видов оружия. Попробуем выяснить, почему этот взгляд на вещи неверен.
Элементы технологии
Общий принцип: берутся куски стали нужной формы, собираются тем или иным образом и свариваются ковкой. Для этого они раскаляются до мягкого, но не жидкого состояния, и вбиваются друг в друга кувалдой.
Сборка (piling)
Собственно формирование заготовки из кусков материала, чаще всего с различными характеристиками. Куски свариваются ковкой.
Обычно используются пруты или полосы во всю длину изделия, чтобы не создавать слабых мест по длине. А вот уже собрать можно по-разному.
Случайно-структурная сборка – самый примитивный способ, при котором куски металла произвольной формы собираются как попало. Случайно-структурная сборка обычно также является случайно-композиционной.
Случайно-композиционная сборка – у таких мечей не удаётся выявить осмысленную стратегию распределения полос материала с различным с содержанием углерода и/или фосфора.
О фосфоре ранее не упоминалось. Эта добавка одновременно и полезная, и вредная, в зависимости от концентрации и сорта стали. В рамках статьи свойства фосфора в сплавах со сталью особого значения не имеют. Но в контексте сборки важно, что наличие фосфора меняет видимый цвет материала, точнее – его отражающие свойства. Об этом позже.
Структурная сборка – противоположность случайно-структурной. Полосы, из которых собирается заготовка, имеют чёткие геометрические очертания. Наличествует определённый замысел в формировании структуры. Однако, такие клинки всё ещё могут быть случайно-композиционными.
Композиционная сборка – попытка разумно расположить различные сорта стали в разных областях клинка – например получив твёрдое лезвие и мягкую сердцевину. Композиционные сборки всегда структурны.
Следует упомянуть о том, какие именно структуры обычно формировались.
Самый простой вариант – три и более полосы складываются стопкой, при этом верхняя и нижняя полосы формируют поверхность клинка, а средняя – его сердцевину. Но была и полная его противоположность, когда заготовка собирается из пяти и более прутов, лежащих рядом. Крайние пруты формируют лезвия, а всё, что между ними – сердцевину. Промежуточные, более сложные варианты, тоже встречались.
Для японских мечей сборка является весьма распространённым приёмом. Хотя не все японские мечи были собраны одинаково, да и не все они вообще были собраны. В современности самым распространённым является следующий вариант: лезвие – твёрдая сталь, сердцевина и спина – мягкая сталь, боковые плоскости – средняя сталь. Этот вариант называется санмай или хонсанмай, и он может считаться своего рода стандартом. Говоря в дальнейшем о структуре японского меча, будем иметь в виду именно такую сборку.
Но, в отличие от современности, большинство исторических мечей имеют структуру кобусе: мягкая сердцевина и спина, твёрдые лезвие и боковые плоскости. За ними действительно следуют мечи санмай, далее с большим отрывом – мару, то есть мечи не из композитной стали, просто твёрдые. Остальные хитрые варианты, типа орикаещи санмай или сосю китае, приписываемого легендарному кузнецу Масамуне, существуют в гомеопатических дозах и в основном просто являются продуктами экспериментов.
Складывание (folding)
Представляет собой складывание пополам достаточно тонко расплющенной заготовки, раскалённой до мягкого состояния.
Этот элемент технологии вместе с его проявлением из следующего пункта, наверное, пиарится сильнее прочих как основа совершенства японских мечей. Все наверняка слышали про сотни слоёв стали, из которых японские мечи состоят? Так вот. Берём один слой, складываем вдвое. Уже два. Ещё раз вдвое – четыре. И так далее, по степени двойки. 27=128 слоёв. Ничего особенного.
Пакетирование (faggoting)
Гомогенизация материала посредством многократного складывания.
Пакетирование необходимо, когда материал далёк от совершенства – то есть при работе с традиционным образом полученной сталью. На самом деле под «особым японским складыванием» имеют в виду именно пакетирование, потому что именно для очистки от примесей и гомогенизации шлака заготовки японских мечей складывают около 10 раз. При десятикратном складывании получается 1024 слоя, настолько тонких, что их уже как бы и нет – металл становится однородным.
Пакетирование позволяет избавиться от примесей. При каждом истончении заготовки всё больше его содержимого оказывается частью поверхности. Температура, при которой всё это дело происходит, весьма высока. В результате часть шлаков выгорает, связываясь с кислородом воздуха. Не выгоревшие куски от многократной обработки кувалдой распыляются в сравнительно ровной концентрации по всей заготовке. А это лучше, чем иметь одну конкретную крупную слабину где-то в определённом месте.
Однако, у пакетирования есть и негативные стороны.
Во-первых, шлак, состоящий из оксидов, не выгорает – он уже сгорел. Такой шлак частично так и остаётся внутри заготовки, избавиться от него нельзя.
Во-вторых, вместе с нежелательными примесями при складываниях из стали выгорает углерод. Это можно и нужно учитывать, используя в качестве сырья для будущей твёрдой стали чугун, а для будущей мягкой стали – твёрдую сталь. Однако, уже здесь понятно, что бесконечно пакетировать нельзя – получится железо.
В-третьих, помимо шлака, при температурах, на которых идёт складывание и пакетирование, горит, то есть окисляется, и само железо. Необходимо удалять появляющиеся на поверхности чешуйки оксида железа, прежде чем складывать заготовку, иначе получится брак.
В-четвёртых, железа при каждом последующем складывании становится всё меньше. Часть сгорает, уходя в оксид, а часть с краёв просто отваливается, либо нуждается в отрезании. Поэтому необходимо сразу же рассчитать, на сколько больше понадобится материала. А он не бесплатный.
В-пятых, поверхность, на которой производится пакетирование, не может быть стерильной, да и воздух в кузнице тоже. С каждым складыванием в заготовку попадают новые примеси. То есть до какого-то момента пакетирование снижает процент загрязнения, но затем начинает его повышать.
Принимая во внимание вышесказанное, можно понять, что складывание и пакетирование – это не какая-то супертехнология, позволяющая получить от металла какие-то невиданные свойства. Это всего лишь способ до известной степени избавиться от дефектов материала, присущих традиционным способам его получения.
Почему мечи не отливаются
Во множестве фентезийных фильмов красивым монтажом показан процесс производства меча, обычно для главного героя или, наоборот, для каких-нибудь злобных антагонистов. Обычная картинка из этого монтажа: расплавленный металл оранжевого цвета заливается в открытую форму. Рассмотрим, почему так не бывает.
Во-первых, расплавленная сталь имеет температуру около 1600° C. Это значит, что она будет светиться не мягким оранжевым, а весьма ярким желтовато-белым цветом. В кино в формы заливают какие-то сплавы мягких и более легкоплавких металлов.
Во-вторых, если залить металл в открытую форму, то верхняя сторона останется плоской. Бронзовые мечи действительно отливались, но в закрытых формах, состоящих как бы из двух половинок – не плоское блюдце, а глубокий и узкий стакан.
В-третьих, в кино имеется в виду, что после застывания меч уже имеет финальную форму и, в общем, готов. Однако, материал, полученный таким образом, без дальнейшей обработки ковкой окажется слишком хрупким для оружия. Бронза пластичнее и мягче стали, с отлитыми бронзовыми клинками всё нормально. Но стальную заготовку придётся долго и упорно ковать, радикально изменяя её размеры и форму. Это значит, что заготовка для дальнейшей ковки не должна иметь форму готового изделия.
В принципе можно расплавленную сталь влить в форму заготовки с расчётом на дальнейшую деформацию от ковки, но в этом случае распределение углерода внутри клинка получится весьма однородным или, по крайней мере, трудно управляемым – сколько было в застывшем участке жидкости, столько и останется. Кроме того, вспомним, что вообще полностью расплавить сталь – задача весьма нетривиальная, мало кем в доиндустриальные времена решённая. Поэтому так никто не делал.
Композитная сталь: вывод
Технологические элементы производства композитной стали не являются чем-то сложным или секретным. Главное преимущество применения этих технологий – компенсация недостатков исходного материала, позволяющая получить вполне годный меч из низкокачественной традиционной стали. Существует много вариантов сборки меча, более и менее удачных.
Разновидности композитной стали
Композитная сталь – это отличное решение, позволяющее из посредственных исходных материалов собрать весьма качественный меч. Существуют и иные решения, но о них поговорим позже. Сейчас разберёмся, где и когда применялась композитная сталь, и насколько эта технология эксклюзивна для японских мечей?
До современности дошло достаточно много образцов древних стальных мечей из Северной Европы. Речь о действительно старинном оружии, изготовленного за 400-200 лет до нашей эры. Это времена Александра Македонского и Римской республики. В Японии начинался период Яёй, в ходу были бронзовые клинки и копейные наконечники, появлялась социальная дифференциация и возникали первые протогосударственные образования.
Исследование этих древних кельтских мечей показало, что сварка ковкой использовалась уже тогда. При этом распределение твёрдого и мягкого материала было достаточно разнообразным. По видимому, это была эпоха эмпирических экспериментов, так как не совсем ясно было, какие варианты более полезны.
Например, один из вариантов совершенно дик. Центральная часть меча представляла собой тонкую полосу стали, на которую со всех сторон приковывались полоски железа, формирующие плоскости поверхности и сами лезвия. Таки да, твёрдая сердцевина с мягкими лезвиями. Объяснить это можно разве что тем, что мягкое лезвие легко выправить молотком на привале, а твёрдая сердцевина, сделанная из стали со всё ещё не слишком большим содержанием углерода, удерживает меч от деформации. Или тем, что кузнец был не в себе.
Но чаще кельтские кузнецы просто как попало складывали полосы железа и мягкой стали, или же вообще не заморачивались многослойностью. В те времена было накоплено слишком мало знаний для формирования конкретных традиций. Например, не обнаружено следов закалки, а это очень важный момент в производстве качественного меча.
В принципе, по вопросу эксклюзивности композитной стали для японских мечей можно было бы тут и заканчивать. Но продолжим, тема-то интересная.
Римские мечи
Римские писатели насмехались над качеством кельтских мечей, утверждая, что их отечественные гораздо круче. Наверняка не все эти утверждения базировались только лишь на пропаганде. Хотя, конечно, успехи военной машины Рима в основном были обязаны не качеству снаряжения, а общему превосходству в подготовке, тактике, логистике и так далее.
Композитная сталь в римских мечах, разумеется, использовалась, при этом гораздо более упорядоченно, чем в кельтских. Уже имелось понимание того, что лезвие должно быть скорее твёрдым, а сердцевина – скорее мягкой. Кроме того, многие римские мечи были закалены.
Как минимум один из кузнецов, работавший около 50 года нашей эры, использовал в своём производстве все компоненты совершенной композитной стали. Он отбирал различные сорта стали, гомогенизировал их многослойной отбивкой, разумным образом собирал полоски твёрдой и мягкой стали, хорошо сковывал её в одно изделие, умел закаливать и либо применял отпуск, либо закаливал очень точно, не перебарщивая.
В Японии продолжался период Яёй. До появления там самобытных традиций производства стальных мечей известного нам японского типа прошло ещё около 700-900 лет.
Традиции же производства римских мечей, несмотря на наличие всех необходимых знаний, в начале нашей эры не были совершенны. Не хватало некоей системности, объяснения результатам эмпирических наблюдений. Это была не инженерная работа, а почти биологическая эволюция с мутациями и отбраковыванием неудачных результатов. Тем не менее, принимая всё это во внимание, римляне несколько веков подряд производили весьма качественные мечи. Варвары, покорившие Римскую Империю, переняли и впоследствии улучшили их технологии.
Где-то между 300 и 100 годами до нашей эры кельтские кузнецы разработали технологию так называемой узорной сварки, pattern welding. До нас дошло множество мечей из Северной Европы, изготовленных в 200-800 годах нашей эры в Северной Европе с применением этой технологии. Узорной сваркой пользовались как кельты и римляне, так и, позже, практически все жители Европы. Лишь с наступлением эпохи «викингов» данная мода закончилась, уступив место простым и практичным изделиям.
Выглядят мечи, скованные узорной сваркой, очень необычно. Достаточно легко в принципе понять, как добиться подобного эффекта. Берём несколько (много) тонких прутьев, состоящих из различных сортов стали. Они могут различаться по количеству углерода, но лучший визуальный эффект даёт добавление фосфора в некоторые из прутьев: такая сталь получается белее обычной. Собираем это дело в пучок, нагреваем и скручиваем его в спираль. Затем делаем второй такой же пучок, но спираль запускаем в другую сторону. Обрезаем спирали до параллелепипедных брусков, свариваем их ковкой и придаём нужную форму, сплющивая. В результате после полировки на поверхности меча будут выходить части прутьев то одного сорта, то другого – соответственно, разного цвета.
А вот на самом деле сделать такую штуку – очень сложно. Особенно если вас интересует не хаотичная полосатость, а какой-нибудь красивый орнамент. На самом деле используются не какие-то там прутья, а предварительно пакетированные (с десяток раз сложенные и прокованные) тонкие слои разносортной стали, аккуратно собранные в эдакий слоёный пирог. По бокам итоговой конструкции приковываются прутья из обычной твёрдой стали, формирующие лезвия. В особо запущенных случаях делалось несколько плоских пластин с орнаментом, которые приковывались к сердцевине клинка из средней стали. И так далее.
Выглядело это весьма пёстро и радостно. Технических нюансов, не важных для понимания общей сути, но необходимых для производства реального изделия – очень много. Одна ошибка, один элемент металла не в нужном месте, один лишний удар молотком, портящий рисунок – и всё пропало, художественный замысел загублен.
Но полторы тысячи лет назад как-то справлялись.
Влияние узорной сварки на свойства меча
Сейчас считается, что эта технология не даёт никаких преимуществ по сравнению с обычной качественной композитной сталью, помимо эстетических. Однако, существует один существенный нюанс.
Очевидно, что создание меча, украшенного узорной сваркой, значительно более дорого и трудоёмко, чем изготовление просто обычного меча, пусть даже обладающего полноценной композиционной сборкой, но без всех этих декоративных наворотов. Так вот, это усложнение и удорожание изделия приводило к тому, что кузнецы при изготовлении оружия с узорной сваркой вели себя гораздо более осторожно и вдумчиво. Сама по себе технология никаких преимуществ не несёт, но факт её применения приводил к повышенному контролю на всех стадиях процесса.
Испортить обычный меч не особенно страшно, на производстве всякое бывает, какой-то процент брака допустим и неизбежен. А вот запороть работу, ушедшую в клинок с узорной сваркой – это обидно. Именно поэтому мечи с узорной сваркой в среднем были более качественными, чем обычные мечи, и сама технология узорной сварки к качеству имела лишь косвенное отношение.
Этот же нюанс следует держать в уме, когда речь идёт о любой подобной навороченной технологии, волшебным образом улучшающей качество оружия. Чаще всего секрет не в декоративных хитростях, а в повышенном контроле качества.
Не секрет, что люди часто употребляют те или иные слова, не понимая их смысла. Например, так называемая «дамасская» или «дамаскская» сталь не имеет ничего общего со столицей Сирии. Кто-то неграмотный когда-то что-то для себя решил, а другие повторили. Версия «клинки из стали такой разновидности пришли в Европу из Сирии» не выдерживает критики, так как сталью такой разновидности в Европе никого не удивишь.
Что же имеется в виду под «дамаском»?
В большинстве случаев – вариации на тему узорного плетения. Совсем необязательно останавливаться на «слоёном тесте» из тонких слоёв стали с различным содержанием углерода и фосфора. Кузнецы в разных частях света придумывали весьма разнообразные способы добиться красивого визуального эффекта на поверхности дорогих клинков. Например, в современности, когда хотят получить «дамаск», обычно не используют фосфорную сталь и мягкое железо, так как эти материалы не слишком-то хороши. Вместо них можно взять нормальную углеродистую сталь и подмешать туда марганец, титан и другие легирующие добавки. Сталь, легированная с пониманием дела и/или по грамотному рецепту, не будет хуже обычной углеродистой, но может отличаться визуально.
Говоря про качество оружия, сделанного из такой стали, вспоминаем про причины высокого качества мечей с узорной сваркой. Дорогие красивые мечи делались внимательно и осторожно. Можно было бы сделать такой же качественный меч из «обычной» стали, без всех этих красивых узоров, но его было бы сложнее продать за очень большие деньги.
Булат
С булатной сталью связано, наверное, не меньше легенд, чем с японскими мечами. А то и больше. Ей приписываются совершенно немыслимые свойства, и считается, что никому не известны секреты её изготовления. Неподготовленный разум при столкновении с подобными россказнями затуманивается и начинает мечтательно блуждать, в особо тяжёлых случаях доходя до идей из разряда «а вот бы научиться делать булатную сталь и изготовить из неё танковую броню!»
Булат – это тигельная сталь, изготовленная в стародавние времена с применением различных хитростей, позволяющих довести железоуглеродную смесь до расплавления и не превратить её в чугун. Тигельная – значит полностью расплавленная в тигеле, керамическом горшке, изолирующем её от продуктов разложения топлива и прочих загрязнений внутри печи.
Это важно. Булатная сталь, в отличие от «обычной», не просто является кое-как восстановленной из оксидов длительным запеканием, как то же тамахагане и прочие старинные разновидности стали из сыродутных печей, а именно доведённая до жидкого состояния. Полное расплавление позволяет легко избавиться от нежелательных примесей. Почти всех.
Здесь не обойтись без диаграммы железо-углерод. Вся она нас сейчас не интересует, смотрим только на верхнюю часть.
Кривая линия, идущая от A до B, а затем до C, указывает на температуру полного расплавления железо-углеродной массы. Не просто железа, а именно железа с углеродом. Потому что, как видно из диаграммы, при добавлении углерода вплоть до 4,3% (эвтектика, «лёгкое плавление») температура плавления падает.
Древние кузнецы не могли разогреть свои печки до 1540° C. Но до 1200° C – вполне. А ведь достаточно разогреть железо с 4,3% углерода примерно до 1150° C, чтобы получилась жидкость! Но, к сожалению, при застывании эвтектичная смесь совершенно не годится для производства мечей. Потому что получится не сталь, а хрупкий чугун, из которого даже ковать ничего нельзя – он просто разбивается на куски.
Но посмотрим более внимательно на сам процесс застывания жидкой стали, то есть кристаллизацию. Вот у нас есть горшок, закрытый крышкой с небольшой дырочкой для отвода газов. В нём плещется расплавленная смесь железа и углерода в пропорции, близкой к эвтектической. Мы вынули горшок из печи и оставили его остывать. Если чуть-чуть задуматься, то станет очевидным то, что застывание пойдёт неравномерно. Сначала охладится сам горшок, затем – прилегающая к его стенкам часть расплава, и лишь постепенно застывание и формирование кристаллов дойдёт до центра смеси.
Где-то возле внутренней стенки горшка возникает неравномерность и начинает образовываться кристалл. Это происходит сразу же во множестве точек, но нас сейчас волнует какая-то одна, любая из них. Легче всего застывает именно эвтектическая смесь, но распределение углерода в смеси не совсем равномерно. А процесс застывания делает его ещё менее равномерным.
Снова смотрим на диаграмму. От точки C линия плавки идёт как направо, к D – точке плавления цементита – так и налево, к B и A. Когда некоторая область застыла первой, можно предположить, что застыла именно эвтектическая пропорция. Кристалл начинает распространяться, «поглощая» легко застывающую смесь с 4,3% углерода.
Но помимо эвтектических областей, в нашем расплаве находятся и области с иной пропорцией, более тугоплавкие. И, если мы не переборщили с углеродом, то скорее это будут именно более тугоплавкие области с меньшим содержанием углерода, чем наоборот. Более того: застывающий кристалл «ворует» углерод из соседних областей расплавленной смеси. Поэтому в результате чем дальше от стенок сосуда, тем меньше углерода будет в застывшей чушке.
К сожалению, если всё сделать вот так как есть, то всё равно получится чугун, из которого не представляется возможным вычленить возможные небольшие области подходящей для ковки стали. Но можно хитрить дальше. Существуют так называемые флюсы или плавни, вещества, которые при добавлении в смесь снижают её температуру плавления. Причём некоторые из них, такие как марганец, в разумной пропорции являются добавкой, улучшающей свойства стали.
Теперь затеплилась надежда! И правильно. Итак, берём железо, полученное до этого в сыродутной печи типа той же татары, которая была у всех подряд. Максимально мелко дробим его. В идеале – доведение до состояния пыли, но этого очень трудно добиться древними технологиями, поэтому как есть. Добавляем в железо углерод: можно использовать как готовый уголь, так и ещё не пережжёную растительную массу. Не забываем правильное количество флюса. Определённым образом распределяем всё это внутри горшка-тигеля. Как именно – зависит от рецепта, могут быть разные варианты.
С применением этих и некоторых других хитростей после расплавления и правильного остывания в центральной части тигельной массы содержание углерода можно довести до 2%. Строго говоря, это всё ещё чугун. Но с помощью определённых хитростей, о которых здесь уже совершенно точно говорить излишне, древние металлурги получали интересные структуры распределения кристаллов в этом 2%-м материале, позволяющие с определёнными сложностями и предосторожностями, но всё же ковать из него мечи.
Это и есть булатная сталь – очень твёрдая, весьма хрупкая, но гораздо более прочная, чем чугун. Не содержащая практически никаких излишних примесей. В сравнении с сыродутной сталью типа той же тамахагане – да, булат обладал определёнными интересными свойствами, и специально обученный кузнец мог создать из него впечатляющее оружие. Причём это оружие, как и практически все мечи с кельтских времён, было композитным, включало в себя не только тигельную булатную сталь, но и старые добрые полоски сравнительно мягкого материала.
Более совершенные процессы плавки, с помощью которых можно разогреть печь до 1540° C и выше, просто убирают нужду в булате. Ничего мифического в нём нет. В XIX веке в России его какое-то время производили, из исторической ностальгии, а потом забросили. Сейчас тоже можно его производить, но никому особенно не нужно.
Мечи каролингского типа, часто называемые мечами викингов, были распространены по всей Европе в период с 800 до примерно 1050 года. Название «меч викингов», ставшее общеупотребительным термином в современности, не верно передаёт происхождение данного оружия. Викинги не являлись авторами дизайна данного меча – он логичным образом эволюционирует от римского гладиуса через спату и так называемый меч вендельского типа.
Викинги не являлись единственными пользователями оружия этого типа – оно было распространено по всей Европе. И, наконец, викинги не были замечены ни в массовом производстве таких мечей, ни в создании каких-то особо выдающихся экземпляров – лучшие «мечи викингов» ковались на территории будущей Франции и Германии, и викинги предпочитали как раз импортные мечи. Импортировали, понятное дело, грабежом.
Но термин «меч викингов» распространён, понятен и удобен. Поэтому и мы будем им пользоваться.
Узорная сварка в мечах этой эпохи не использовалась, так что композиционная сборка стала проще. Но это была не деградация, а наоборот. Викингские мечи целиком производились из углеродистой стали. Не использовалось ни мягкое железо, ни сталь с большим содержанием фосфора. Технологии ковки уже в период узорной сварки уже достигли совершенства, и в этом направлении развиваться было некуда. Поэтому развитие пошло в сторону улучшения качества исходного материала – развивались технологии получения самой стали.
В эту эпоху получила повсеместное распространение закалка оружия. Ранние мечи тоже закаливались, но не всегда. Проблема была в материале. Цельностальные клинки из качественно подготовленного металла уже могли гарантированно выдержать закалку по каким-то разумным рецептам, тогда как в более ранние времена несовершенство металла могло подвести кузнеца в самый последний момент.
Клинки мечей викингов отличались от более старого оружия не только материалом, но и геометрией. Повсеместно использовался дол, облегчающий меч. Клинок имел латеральное и дистальное сужение, то есть он был уже и тоньше возле острия и, соответственно, шире и толще вблизи крестовины. Эти геометрические приёмы в совокупности с более совершенным материалом позволяли сделать твёрдый цельностальной клинок достаточно прочным и при этом лёгким.
В дальнейшем композитная сталь в Европе никуда не девалась. Более того, периодически из небытия всплывала давно забытая узорная сварка. Например, в XIX веке возник своего рода «ренессанс раннего средневековья», в рамках которого узорной сваркой выполнялось даже огнестрельное оружие, не говоря о клинковом.
Так что же в Японии? Да ничего особенного.
Из кусочков-монеток стали с различным содержанием углерода пакетируются фрагменты будущей заготовки. Затем собирается заготовка той или иной композиции, ей придаётся нужная форма. Далее клинок закаливается, а потом полируется – об этих шагах мы поговорим позже. Более того, если меряться технологичностью, то по «технологическому уровню» материала булатная сталь уделывает всех, включая японцев. По совершенству сборки узорная сварка выступает не хуже, а то и лучше.
На этапе сборки и собственно ковки меча нет никакой специфики, позволяющей выделить японские клинки на фоне оружия прочих культур и эпох.
Композитная сталь: ещё один вывод
Пакетирование стали, позволяющее добиться однородного материала с приемлемым количеством и распределением шлака, применялось во всём мире чуть ли не с самого начала железного века. Продуманная композиционная сборка клинка в Европе появилась не позднее двух тысяч лет назад. Именно сочетание этих двух приёмов и даёт легендарную «многослойную сталь», из которой, конечно, сделаны японские мечи – как и многие другие мечи со всех концов света.
Закалка и отпуск
После того, как клинок из той или иной стали выковали, работа над ним не завершается. Существует очень интересный способ получить значительно более твёрдый материал, чем обычный перлит, из которого сделано лезвие более-менее совершенного меча. Этот способ называется закалкой.
Наверняка вы видели в кино, как раскалённый клинок опускают в жидкость, она шипит и вскипает, а клинок быстро остывает. Вот это и есть закалка. Теперь попробуем понять, что при этом происходит с материалом. Можно снова взглянуть на уже привычную диаграмму железо-углерод, на сей раз нас интересует левый нижний угол.
Для дальнейшей закалки сталь клинка нужно разогреть до аустенитного состояния. Линия от G до S обозначает температуру перехода в аустенит обычной стали, без слишком большого количества углерода. Видно, что дальше от S до E линия растёт круто вверх, то есть при излишнем добавлении углерода в состав задача усложняется – но это уже почти в любом случае излишне хрупкий чугун, так что речь идёт о меньших концентрациях углерода. Если же сталь содержит от 0 до 1,2% углерода, то переход в аустенитное состояние достигается при температуре до 911° C. Для состава с содержанием углерода от 0,5 до 0,9% достаточно температуры в 769° C.
В современных условиях измерить температуру заготовки достаточно легко – есть термометры. Кроме того, аустенит, в отличие от феррита, не магнитит, поэтому можно просто прикладывать к заготовке магнит и, когда он перестанет прилипать, станет ясно, что перед нами сталь в аустенитном состоянии. Но в средние века кузнецы не обладали ни термометрами, ни достаточными знаниями о магнитных свойствах различных фаз стали. Поэтому приходилось измерять температуру на глаз в буквальном смысле слова. Тело, разогретое до температуры выше 500° C, начинает излучать в видимом спектре. По цвету излучения вполне можно приблизительно определить температуру тела. Для стали, разогретой до аустенита, цвет будет оранжевым, подобно солнцу во время заката. В связи с этими тонкостями, закалка, включающая в себя предварительное нагревание, часто проводилась ночью. В отсутствии лишних источников освещения легче на глаз определить, достаточна ли температура.
Про то, чем отличаются кристаллические решётки аустенита и феррита, уже говорилось в одной из предыдущих статей цикла. Вкратце: аустенит – гране-центрированная решётка, феррит – объёмно-центрированная. С учётом теплового расширения аустенит позволяет атомам углерода путешествовать внутри своей кристаллической решётки, тогда как феррит – нет. Также уже обсуждалось, что происходит при медленном охлаждении: аустенит спокойно переходит в феррит, при этом имеющийся внутри материала углерод расходится полосками цементита, в результате получается перлит – обычная сталь.
И вот мы наконец добрались до закалки. Что же произойдёт, если не дать материалу времени на медленное охлаждение с обычным расходом углерода на полоски цементита в перлите? Возьмём, значит, нашу раскалённую до аустенита заготовку, и опустим в ледяную воду, прям как в кино!..
…Скорее всего, результатом будет расколотая заготовка. Особенно если мы используем традиционную сталь, то есть несовершенную, с кучей примесей. Причина – экстремальные напряжения в результате теплового сжатия, с которыми металл просто не справится. Хотя, конечно, если материал достаточно чист, то можно и в ледяную воду. Но традиционно чаще использовали либо кипящую воду, чтобы не опускать температуру слишком низко, либо вообще кипящее масло. Температура кипящей воды – 100° С, масла – от 150° до 230° C. И то и другое весьма прохладно по сравнению с температурой аустенитной заготовки, так что ничего парадоксального в охлаждении такими горячими субстанциями нет.
Так вот, представим, что всё у нас хорошо с качеством материала, да и вода не слишком холодная. В этом случае произойдёт следующее. Аустенит, внутри которого путешествует углерод, немедленно превратится в феррит, при этом никакого расслоения на перлитные полосы не произойдёт, углерод на микроуровне будет распределён достаточно равномерно. Но кристаллическая решётка получится не обычной для феррита ровной кубической, а дико изломанной из-за того, что она одновременно формируется, сжимается от охлаждения и имеет внутри углерод.
Полученная разновидность стали называется мартенсит. Этот материал, полный внутренних напряжений из-за особенностей формирования решётки, более хрупок, чем перлит с таким же содержанием углерода. Но мартенсит значительно превосходит все остальные разновидности стали по твёрдости. Именно из мартенсита делается инструментальная сталь, то есть инструменты, предназначенные для работы по стали.
Если присмотреться к цементиту в составе перлита, то можно заметить, что его вкрапления существуют отдельно и не касаются друг друга. В мартенсите же линии кристаллов перепутаны как провода от наушников, пролежавших в кармане целый день. Перлит обладает гибкостью, потому что области твёрдого цементита, растворённые в мягком феррите, при изгибе просто сдвигаются относительно друг друга. Но в мартенсите ничего подобного не происходит, области цепляются друг за друга – поэтому он не склонен к изменению формы, то есть обладает высокой твёрдостью.
Твёрдость – это хорошо, но хрупкость – это плохо. Существует несколько способов компенсации или снижения хрупкости мартенсита.
Зональная закалка
Даже если закалять меч в точности как описано выше, то клинок не будет весь целиком из однородного мартенсита. Лезвие (или лезвия, для обоюдоострого меча) остывают быстро из-за своей тонкости. Но клинок в более толстой части, будь то спина или середина, не может остыть с той же скоростью. Поверхность – вполне, а вот внутри уже нет. Впрочем, одного этого мало, всё равно оружие, закалённое таким образом без дополнительных хитростей, получается излишне хрупким. Но, раз уж охлаждение идёт неоднородно, то можно попробовать контролировать его скорость. И именно это делали японцы, применяющие зональную закалку.
Берётся заготовка – понятно, уже с правильной композиционной сборкой, сформированным лезвием и так далее. Затем, перед нагревом для дальнейшей закалки, заготовка обмазывается специальной термостойкой глиной, то есть керамическим составом. Современные керамические составы выдерживают в твёрдом состоянии температуры в тысячи градусов. Средневековые были попроще, но и температура нужна пониже. Никакой экзотики не требуется, это почти обычная глина.
Глина наносится на клинок неравномерно. Лезвие либо остаётся вообще без глины, либо покрывается очень тонким слоем. Боковые плоскости и спина, которым не нужно превращаться в мартенсит, напротив, обмазываются от души. Далее всё как обычно: раскаляем и охлаждаем. В результате лезвие без термоизоляции остынет очень быстро, превратившись в мартенсит, а всё остальное спокойно сформирует перлит или даже феррит, но это уже зависит от применённых в сборке развновидностей стали.
Получившийся клинок обладает очень твёрдым лезвием, таким же, как если бы он весь был сделан из мартенсита. Но, благодаря тому, что большая часть оружия состоит из перлита и феррита, оно значительно менее хрупко. При неточном ударе или при столкновении с чем-то чрезмерно твёрдым чисто мартенситовый клинок может разлететься напополам, ведь внутри него слишком много напряжений, и если слегка переборщить, то материал просто не выдержит. Меч же японского типа просто согнётся, возможно с появлением выщербины на лезвии – кусочек мартенсита всё-таки сломается, но клинок в целом сохранит свою структуру. Согнувшимся мечом сражаться не очень удобно, но лучше, чем сломанным. А потом его можно выправить.
Развеем миф об эксклюзивности зональной закалки: она встречается ещё на древнеримских мечах. Эта технология была известна вообще повсеместно, но пользовались ей не всегда, потому что была альтернатива.
Хамон
Отличительной особенностью японских мечей, изготовленных и отполированных традиционным образом, является линия хамон, то есть видимая граница между различными сортами стали. Профессионалы зональной закалки умели и умеют делать хамон различной красивой формы, даже с орнаментами – вопрос лишь в том, как налепить глину.
Не каждый хороший меч и даже не каждый японский меч имеет видимый хамон. Его невозможно увидеть без конкретной процедуры: особенной «японской» полировки. Её суть заключается в последовательной полировке материала камнями различной твёрдости. Если просто отполировать всё чем-то очень твёрдым, то никакого хамона различить будет нельзя, так как вся поверхность будет гладкой. Но если после этого взять камень, более мягкий, чем мартенсит, но более твёрдый, чем феррит, и полировать поверхность клинка им, то стачиваться будет только феррит. Мартенсит останется нетронутым, а в перлите могут сохраниться выпуклыми линии цементита. В результате поверхность клинка на микроуровне перестаёт быть идеально гладкой, создавая игру света и теней, эстетически приятную.
Японская полировка в целом и хамон в частности не оказывают вообще никакого влияния на качество меча.
Отпуск и пружинная сталь
В мартенсите из-за его структуры имеется большое количество внутренних напряжений. Есть способ сбросить эти напряжения: отпуск. Отпуск – это разогрев стали до гораздо меньшей температуры, чем та, при которой она превращается в аустенит. То есть примерно до 400° C. Когда сталь становится синей, она разогрета достаточно, отпуск произошёл. Далее ей дают медленно остыть. В результате напряжения частично уходят, сталь приобретает пластичность, гибкость и пружинистость, но теряет твёрдость. Поэтому пружинная сталь не может быть такой же твёрдой, как инструментальная сталь – это уже не мартенсит. И, кстати, поэтому перегретые инструменты теряют свою закалку.
Пружинная сталь называется таковой из-за того, что из неё делают пружины. Её главное отличительное свойство – упругость. Клинок, сделанный из качественной пружинной стали, при ударе гнётся, но тут же возвращает свою форму.
Гибкие, пружинящие мечи являются моностальными – то есть они целиком состоят из стали, без вставок чистого феррита. Более того, они целиком закаляются до состояния мартенсита, а затем целиком отпускаются. Если в структуру клинка до закалки входят фрагменты не из мартенсита, то пружину сделать не получится.
У японского меча такие фрагменты обычно есть: перлит по плоскостям и феррит в середине клинка. Он вообще в основном сделан из железа и мягкой стали, мартенсита там достаточно мало, только на лезвии. Так что как катану ни закаливай и не отпускай, пружинить она не будет. Поэтому японский меч либо гнётся и остаётся согнутым, либо ломается, но не пружинит, подобно европейскому моностальному клинку из отпущенного мартенсита. Слегка согнутую катану можно разогнуть без значительных последствий, но нередко куски мартенситового лезвия просто откалываются при изгибах, образуя зазубрины.
Катана, в отличие от европейского клинка, не подвергается по крайней мере полному отпуску, поэтому на её лезвии сохраняется твёрдая мартенситовая сталь, твёрдостью эдак 60 по Роквеллу. А сталь европейского меча может быть в районе 48 по Роквеллу.
Существует несколько традиционных способов формирования слоёной структуры японского меча. В двух из них феррит не используется. Первый – мару, просто твёрдая высокоуглеродистая сталь по всему клинку. Конечно, для такого меча необходима местная закалка, иначе он сломается при первом же ударе. Второй – вариха тецу, где тело клинка, за исключением острия, состоит из стали средней твёрдости, то есть из перлита.
Почему мару и вариха тецу не делали пружинистыми? Точно неизвестно. Может быть, в Японии вообще не знали про свойства отпуска стали. Или просто не считали нужным делать мечи пружинистыми. Не стоит забывать, что для Японии даже больше, чем для всего остального мира, было важно следование традициям. Значительное количество вариаций в конструкции японских (и не только) мечей не имеет никакого смысла с практической точки зрения, чистая эстетика. Например, широкий дол на одной стороне клинка и три узких дола на другой стороне, или вообще мечи с асимметричной геометрией на срезе. Не всё можно и нужно объяснять рационально, применительно сугубо к битве.
Современные кузнецы делают мечи японского типа с пружинной основой клинка и мартенситовым лезвием. Наиболее известен американец Говард Кларк, использующий сталь L6. Основа его мечей состоит из бейнита, а не из перлита и феррита. Лезвие, конечно, мартенситовое. Бейнит – не выявленная до 1920 года структура стали, имеет высокую твёрдость и прочность при высокой пластичности. Пружинная сталь – это бейнит или что-то близкое к нему. При всей внешней схожести с нихонто такое оружие уже нельзя считать традиционным японским мечом, оно значительно качественнее, чем исторические прототипы.
В моностальном мече также можно получить дифференциацию по зонам твёрдости. Если после закалки мартенситовую заготовку подвергнуть отпуску не равномерно, а разогревая только плоскость клинка напрямую, то тепло, дошедшее до граней, будет недостаточным для превращения мартенситовых лезвий в пружинную сталь. По крайней мере в современном производстве ножей и некоторых инструментов подобные трюки применяются. Неизвестно, как скажется на практике увеличение хрупкости лезвий такого оружия.
Что же лучше: высокая твёрдость без гибкости или снижение твёрдости с приобретением гибкости?
Главным преимуществом твёрдого лезвия является то, что оно лучше держит заточку. Главным преимуществом гибкого клинка является повышенная вероятность его выживания при деформациях. При ударе по слишком твёрдой цели лезвие катаны с большой вероятностью отколется, но благодаря мягкости остальной части клинка меч не сломается, скорее просто согнётся. Моностальной гибкий клинок если уж ломается, то обычно напополам – но сломать его при адекватной эксплуатации весьма непросто.
Теоретически твёрдая сталь должна иметь возможность прорубить больше материалов, чем мягкая, но на практике кости нормально рубятся и европейскими мечами, а сталь доспехов никаким рубящим мечом пробить всё равно не получится.
Если говорить о работе клинком против латных доспехов, то рубить там никто ничего не будет: будут колоть в незащищённые латами участки тела, которые всё равно прикрыты как минимум гамбезоном, а то ещё и кольчугой. Для укола очень высокая гибкость пружинного клинка не годится, но специальные европейские мечи для борьбы против латных доспехов не были гибкими. Их, наоборот, снабжали дополнительными рёбрами жёсткости. То есть специальные противодоспешные мечи всегда были негибкими, неважно из какой стали их делали.
На мой взгляд, в бою лучше иметь более прочный меч, который трудно испортить. Не так важно, что он рубит чуть хуже более твёрдого. Твёрдый клинок с зональной закалкой может быть более удобным в спокойных, управляемых ситуациях, например при тамесигири, когда есть достаточно времени для прицеливания и никто не пытается ударить в меч со слабой стороны.
Закалка и отпуск: вывод
Японцы обладали технологией закалки, которая также была известна в Древнем Риме с начала нашей эры. Ничего экстраординарного в зональной закалке нет. В средневековой Европе использовали иную технологию борьбы с хрупкостью стали, сознательно отказавшись от зональной закалки.
Лезвие японского меча твёрже, чем у большинства европейских – то есть его не надо так часто точить. Однако, при активной эксплуатации с большой вероятностью японский меч придётся ремонтировать.
Дизайн и геометрия
С практической точки зрения важно, чтобы меч был достаточно хорош. Он должен выполнять задачи, для которых создан – будь то приоритет на силу рубящего удара, улучшенные уколы, надёжность, прочность и так далее. И когда он достаточно хорош, то не так важно, как именно он сделан.
Утверждения типа «настоящая катана должна быть сделана именно традиционным образом» несправедливы. У японского меча есть определённые характеристики, в том числе и преимущества. И неважно, каким образом удаётся достичь этих преимуществ. Да, бейнитовые мечи японского типа от Говарда Кларка не являются традиционным образом изготовленными катанами. Но они безусловно являются катанами в широком смысле слова.
Пришло время перейти к более привычным для обсуждения аспектам меча, таким как геометрия клинка, баланс, эфес и так далее.
Эффективность рубящего удара
Катана славится тем, что она хорошо рубит предметы. Разумеется, на основе этого простого факта фанатики накручивают целую мифологию, но мы им уподобляться не будем. Да, правда – катана хорошо рубит предметы. Но что вообще значит это «хорошо», почему нихонто рубит предметы хорошо, в сравнении с чем?
Начнём по порядку. Что такое «хорошо» – вопрос в чём-то философский, от него веет субъективизмом. На мой взгляд, вот из чего складываются хорошие рубящие качества:
Оружием достаточно просто нанести результативный удар, даже человек без подготовки сможет разрубить цель невысокой сложности.
Разрубание не требует огромной силы и/или энергии удара, оно основано на остроте боевой части и именно на разделении цели на две части, а не на разрыве.
При правильной эксплуатации выход оружия из строя маловероятен, то есть оно достаточно прочное. Желательно, конечно, иметь запас прочности и на не слишком правильную эксплуатацию. Когда с мечом носятся как с писаной торбой – это не так впечатляет, как когда с его помощью несколькими небрежными ударами срубают дерево.
Японским мечом действительно очень просто рубить. Причины будут рассмотрены ниже, а пока что лишь запомним этот факт. Замечу, что значительная доля мифологизации японских мечей проистекает именно из него. Неопытному, но старательному человеку при прочих равных будет проще разрубить цель катаной, чем европейским длинным мечом, просто потому, что катана более терпелива к небольшим ошибкам. Опытный практик не заметит особенной разницы.
Для самого разрубания, а не разрыва цели, нужно иметь достаточно острую режущую кромку. Здесь у японского меча всё в полном порядке. Заточка традиционными японскими методами весьма совершеннна. К тому же мартенситовое лезвие, будучи заточенным, сохраняет свою остроту достаточно долго, хотя это скорее относится уже к следующему пункту. Однако, надо заметить, что меч даже без мартенситового лезвия можно наточить и сделать его очень острым. Просто затупится он быстрее, то есть перезатачивать понадобится раньше. В любом случае, количество ударов, после которых меч нужно затачивать, измеряется десятками и сотнями, поэтому с практической точки зрения в отдельно взятом эпизоде твёдость мартенситового лезвия ничего особенного не даёт, так как на гипотетическое сравнение пойдут два свежезаточенных меча.
А вот с прочностью у японского меча дела обстоят значительно хуже, чем у европейских аналогов. Во-первых, от достаточно сильного удара по чрезмерно твёрдой поверхности мартенситовое лезвие просто отломится, оставив на клинке зарубку. Во-вторых, при сочетании чрезмерной силы и невысокой точности удара можно без особых проблем погнуть меч даже при ударе по достаточно мягкой цели. В-третьих, напряжения внутри материала таковы, что японский меч имеет всё-таки высокую прочность при ударе лезвием вперёд, но вот при ударе в спину имеет все шансы сломаться, даже если удар будет казаться очень слабым.
Напряжения
Чтобы понять, что такое напряжения, проведём мысленный эксперимент. Можно также посмотреть на его схематическое отображение на иллюстрации. Представим себе прут из не очень важно какого материала – пусть это будет упругое дерево. Расположим его горизонтально, закрепим концы и оставим середину висеть в воздухе. Эдакая буква «Н», где горизонтальная перемычка – наш прут. Вертикальные колонны при этом закреплены не слишком жёстко, они могут нагибаться в сторону друг друга. (Позиция 1).
Если пренебречь гравитацией, что можно сделать, так как прут весьма лёгок, то известные нам напряжения в материале прута невелики. Они, если и есть, то явно уравновешивают друг друга. Прут находится в стабильном состоянии.
Попробуем согнуть его в разные стороны. Колонны, между которыми он закреплён, будут нагибаться в сторону прута, но если его отпустить, то он вернётся в стартовое положение, растолкав колонны в стороны. Если не сгибать его слишком сильно, то ничего особенного от таких деформаций не произойдёт, и, что более важно, мы не ощущаем никакой разницы между тем, в какую сторону сгибаем прут. (Позиция 2).
Теперь подвесим к середине прута значительный груз. Под его весом прут вынуженно согнётся в сторону земли и останется в таком состоянии. Вот теперь в нашем пруте есть очевидное напряжение: его материал «хочет» вернуться в прямое состояние, то есть разогнуться от земли, в сторону, противоположную изгибу. Но не может, груз мешает. (Позиция 3).
Если приложить достаточное усилие в эту сторону, противоположную грузу и соответствующую направлению напряжений, то прут может разогнуться. Однако, как только усилие будет прекращено, он вернётся в предыдущее согнутое состояние. (Позиция 4).
Если же приложить сравнительно небольшое усилие в сторону груза, противоположную направлению напряжений, то прут может сломаться – напряжениям надо будет куда-то вырваться, прочности материала уже не хватит. При этом такое же или даже гораздо более мощное усилие в сторону направления напряжений не приведёт к повреждениям. (Позиция 5).
С катаной то же самое. Воздействие в направлении от лезвия к спине идёт в сторону напряжений, «поднимая груз» и, можно сказать, временно расслабляя материал клинка. Воздействие от спины к лезвию идёт против напряжений. Прочность оружия в этом направлении весьма низка, поэтому оно легко может сломаться, как прут, на который подвесили слишком большой груз.
Опять эффективность рубящего удара
Вернёмся к предыдущей теме. Попробуем теперь разобраться, что в принципе нужно для разрубания цели.
Необходимо нанести правильно ориентированный удар.
Лезвие меча должно быть достаточно острым, чтобы рассечь цель, а не просто промять и сдвинуть её.
Нужно придать клинку достаточное количество кинетической энергии, иначе придётся не рубить, а именно резать.
Нужно вложить в удар достаточно силы, что достигается как ускорением клинка, так и его утяжелением, в том числе и через оптимизацию баланса для рубки, возможно даже в ущерб прочим качествам.
Ориентация клинка при ударе
Если вы когда-нибудь пробовали тамесигири, то есть рубку предметов острым мечом, то вам должно быть понятно, о чём речь. Ориентация клинка при ударе – это соответствие плоскости клинка и плоскости удара. Очевидно, что если хлопнуть по цели плоскостью, то разрублена она точно не будет, верно? Так вот, гораздо меньшие отклонения от идеально точной ориентации уже приводят к проблемам. То есть при атаке мечом необходимо следить за ориентацией клинка, иначе удар не будет эффективным. С дубинками этот вопрос не стоит, там всё равно, какой стороной бить – но удар получится ударно-дробящим, а не рубяще-режущим.
Вообще давайте сравним клинковое и ударно-дробящее оружие, не привязываясь к конкретным образцам. В чём их взаимные преимущества и недостатки?
Преимущества меча:
Рубящий удар по незащищённой доспехами части тела значительно опаснее, чем просто дубинкой. Хотя палица (дубинка с шипами) и булава (металлическая дубинка с развитой боевой частью) и наносят значительные повреждения, но меч всё равно опаснее.
Обычно имеется сколько-то развитый эфес, защищающий руку. Даже крестовина или цуба лучше, чем полностью гладкая рукоять.
Геометрия и баланс вкупе с остротой позволяют делать оружие сравнительно более длинным без переутяжеления или потери ударной силы. Рыцарский меч и булава одной массы различаются по длине в полтора-два раза. Можно сделать длинную лёгкую дубинку, но удар ей будет гораздо менее опасен, чем удар мечом.
Значительно лучшие возможности для нанесения колющих ударов.
Преимущества дубинки:
Простота изготовления и низкая стоимость. Особенно это касается примитивных дубин и палиц.
Развитые разновидности ударно-дробящего оружия (булава, шестопёр, боевой молот) специально заточены для борьба с противниками в доспехах. Рыцарский или длинный меч против латника значительно менее эффективен, чем шестопёр.
В общем случае, исключая узкоспециализированные боевые молоты и клевцы – дубинкой или булавой проще нанести результативный удар по достаточно близкой цели. Отсутствует необходимость следить за ориентацией клинка при ударе.
Снова обратим внимание на последнее из перечисленных преимуществ ударно-дробящего оружия, которое, соответственно, является недостатком оружия клинкового.
Что же можно сказать про ориентацию клинка при нанесении удара катаной? То, что с ней всё отлично.
Небольшой изгиб несколько увеличивает парусность поверхности: вести японский меч вперёд плоскостью, а не лезвием или спиной чуть более затруднительно, чем прямой клинок таких же габаритов. Благодаря этой парусности сопротивление воздуха при ударе помогает клинку правильно развернуться. Справедливости ради следует заметить, что этот эффект очень слаб и легко может быть сведён к ничтожности применением принципа «сила есть – ума не надо». Но если ум всё-таки применять, то следует сначала поработать японским мечом по воздуху – медленно, затем быстро, затем снова медленно. Это поможет почувствовать, когда он идёт вообще без ощутимого сопротивления, рассекая воздух, а когда что-то ему слегка мешает.
Японский меч обладает одним лезвием, а толщина клинка у спины достаточно велика. Эти геометрические характеристики, равно как и используемые в нихонто материалы, увеличивают ригидность, то есть «не-гибкость». Катана – меч, который не гнётся так же легко, как европейские аналоги, которые в какой-то момент вообще стали делаться из пружинной стали (бейнита) для увеличения прочности.
Высокая ригидность вкупе с очень твёрдым лезвием приводит к интересному эффекту, который как раз и делает рубку катаной настолько простой. Понятно, что при ударе вероятны отклонения от идеальной ориентации. Если отклонения совсем или почти отсутствуют, то японский и европейский мечи разрубают цель одинаково хорошо. Если отклонения значительны, то ни тот, ни другой мечи не смогут разрубить цель, при этом вероятность испортить японский меч выше.
А вот если отклонения уже есть, но они не слишком велики, то японский мартенситно-ферритный и европейский бейнитный мечи ведут себя по-разному. Европейский меч согнётся, спружинит и отскочит от цели, практически не повредив её – так, как если бы отклонение было более высоким. Японский же меч в этом случае разрубит цель как ни в чём ни бывало. Лезвие, вошедшее в цель под углом, не может спружинить и отскочить из-за твёрдости и ригидности, поэтому оно вгрызается под тем углом, под каким может, и даже до некоторой степени исправляет ориентацию клинка.
Ещё раз: срабатывает этот эффект только при небольших ошибках. Совсем плохой удар лучше уж нанести европейским мечом, чем японским – он с большей вероятностью выживет.
Заточка лезвия
Острота лезвия зависит от того, под каким углом сформирована режущая кромка. И здесь японский меч имеет потенциальное преимущество над европейским обоюдоострым – впрочем, как и любой другой односторонний клинок.
Взгляните на иллюстрацию. На ней изображены срезы профилей различных клинков. Все они (за очевидными исключениями) могут быть вписаны в прямоугольник 6х30 мм, то есть клинки в месте среза и анализа имеют максимальную толщину в 6 мм и ширину в 30 мм. В верхнем ряду расположены срезы односторонних клинков, например – нихонто или какой-нибудь сабли, а в нижнем – обоюдоострых мечей. Теперь давайте вникать.
Посмотрите на мечи 1, 2 и 3 – какой из них острее? Совершенно очевидно, что 1, ведь угол его режущей кромки является наиболее острым. Почему так? Потому, что кромка сформирована аж за 20 мм до лезвия. Это очень глубокая заточка, и используется она достаточно редко. Почему? Потому что это острое лезвие становится слишком хрупким. При закалке мартенсита получится больше, чем хотелось бы иметь на мече, рассчитанном более чем на один удар. Конечно, можно скорректировать образование мартенсита с помощью керамической изоляции при закалке, но всё равно такая режущая кромка будет менее прочной, чем более тупые варианты.
Меч 2 – уже нормальный, более прочный вариант, за который не нужно переживать при каждом ударе. Меч 3 – совсем хорошо, надёжный инструмент. Недостаток один: он всё-таки достаточно тупой и с этим ничего не поделаешь. Точнее, поделать-то можно, заточкой, но надёжность как раз и уйдёт. Мечами 2 и особенно 1 хорошо рубить цели на соревнованиях по тамесигири, а мечом 3 – тренироваться перед соревнованиями. Тяжело в ученье – легко в «бою», где под боем имеются в виду соревнования. Если же говорить о сражении на боевом оружии, то меч 3 опять предпочтительнее, так как он гораздо прочнее, чем 2 и особенно 1. Хотя меч 2, возможно, можно считать чем-то универсальным, но надо проводить гораздо более серьёзные исследования, прежде чем такое утверждать.
Самое интересное в мече 3 – это обозначенные голубым линии сужения клинка, ещё не являющиеся режущей кромкой. Если бы их не было, а кромка осталась такой же короткой, в 5 мм, то её угол равнялся бы 62°, а не более-менее приличным 43°. Очень многие японские и не только мечи сделаны с применением подобного сужения, переходящего в «затупленное» лезвие, так как это отличный способ сделать оружие одновременно достаточно лёгким, надёжным и не слишком уж тупым. Клинок с длиной кромки не в 5, а хотя бы в 10 мм, как у меча 2, с таким же сужением до 4 мм у начала лезвия уже будет обладать остротой в 22° – совсем неплохо.
Меч 4 – абстракция, геометрически максимально острый клинок в заданных габаритах. Обладает всеми проблемами меча 1 в более тяжёлой форме. Острый, да, этого не отнять, но хрупкий донельзя. Вряд ли мартенситно-ферритная конструкция выдержит такую геометрию. Если брать пружинную сталь, то возможно и выдержит, но тупиться будет очень быстро.
Перейдём к обоюдоострым клинкам. Меч 6 – это выполненный в заданных выше габаритах клинок викингского типа, имеющий профиль сплющенного шестиугольника с долами. Долы не оказывают никакого влияния на остроту лезвия, отображены на иллюстрации для некоей цельности образов. Так вот, по остроте этот клинок соответствует одностороннему мечу 2. Что не так уж и плохо. А ещё лучше то, что исторически мечи викингского типа имели совсем другие пропорции, будучи более тонкими и широкими – что видно по мечу 7, который по остроте соответствует аж мечу 1. Почему так? Потому что вместо мартенситно-ферритной конструкции здесь используются другие материалы. Меч 6 будет быстрее тупиться, чем меч 1, но он с меньшей вероятностью сломается.
Недостатком меча 6 является очень низкая ригидность – это самый гибкий из представленных здесь клинков. Чрезмерная гибкость мешает при рубящем ударе, но с ней можно жить, а вот при колющем она вообще ни к чему. Поэтому в позднем средневековье профиль клинка сменился на ромбический, как у меча 7. Он более-менее острый, хотя и не дотягивает до мечей 1 и 6. Однако, в отличие от меча 6, он гораздо менее гибок. Максимальная толщина клинка в 6 мм делает его более ригидным, что замечательно при уколе. По сравнению с мечом 6, в мече 7 очевидна жертва рубящей возможности в пользу колющей.
Меч 8 обладает чисто колющим клинком. Несмотря на остроту в 17°, нормально рубить таким оружием уже не выйдет. После проникновения в цель на глубину в 13 мм удар затормозится рёбрами жёсткости, имеющими угол аж в 90°. Зато масса у этого клинка явно меньше, чем у меча 7, а ригидность ещё выше.
В итоге имеем следующее соображение: да, катана в принципе может обладать весьма острым лезвием благодаря геометрии одностороннего клинка, позволяющей начинать заточку или сужение не от середины, а от спины, при этом не теряя ригидность. Однако, мартенситно-ферритные клинки японских мечей не обладают достаточными прочностными качествами для реализации максимума того, на что способна геометрия одностороннего клинка. Можно сказать, что по остроте японский меч не превышает европейский – особенно если учесть, что в Европе тоже были односторонние клинки, зачастую из более подходящих для острой заточки материалов.
Кинетическая энергия
E=1/2mv2, то есть кинетическая энергия линейно зависит от массы и квадратично от скорости удара.
Масса у катаны обычная, может быть, чуть выше, чем у европейских мечей таких же габаритов (а не наоборот). Конечно, при общей внешней схожести, существуют японские мечи очень разной массы, чего на картинках не видно. Но катана – преимущественно двуручное оружие, поэтому повышенная масса не особенно мешает разгонять клинок до высокой скорости.
Кинетическая энергия – вопрос не меча, а его владельца. При наличии хотя бы базовых навыков работы с оружием всё будет в порядке. Здесь японский меч не имеет никаких ощутимых преимуществ или недостатков по сравнению с европейскими аналогами.
Сила удара: баланс
F=ma, то есть сила линейно зависит от массы и от ускорения. Про массу уже говорилось, но нужно добавить кое-что про баланс.
Представьте себе предмет в форме увесистой гири на рукояти длиной в 1 метр, эдакую булаву. Очевидно, что если взять этот предмет за дальний от гири конец рукояти, хорошенько размахнуться и врезать разогнанной на конце рукояти-рычага гирей, то удар получится сильным. Если же взять этот предмет за рукоять сразу возле гири и ударить пустым концом, то сила удара будет совсем не та, несмотря на то, что используется предмет той же массы.
Всё потому, что при ударе ручным оружием не вся масса оружия переходит в силу, а лишь определённая её часть. Значительное влияние на то, каковой будет эта часть, оказывает баланс оружия. Чем ближе точка баланса, центр тяжести оружия, к противнику, тем больше массы удастся вложить в удар. Растёт m, растёт и F.
Однако, обычно в обиходе «хорошо сбалансированными» называют мечи с балансом, близким к владельцу оружия, а не к противнику. Дело в том, что хорошо сбалансированным мечом гораздо более удобно фехтовать. Вернёмся мысленно к нашей гире на рукояти. Понятно, что при первом варианте хвата совершать скоростные и непредсказуемые движения данным орудием будет весьма проблематично из-за чудовищной инерции. При втором же – никаких проблем, массивную булаву практически не придётся двигать, она будет лишь слегка крутиться возле кулаков, а лёгким пустым концом размахивать нетрудно.
То есть оптимальный баланс для рубки и для фехтования отличается. Если нужно наносить повреждения, то баланс должен быть ближе к противнику. Если необходима манёвренность, а поражающая способность оружия непринципиальна или, в случае современного нелетального моделирования, нежелательна, то баланс лучше иметь ближе к владельцу.
У катаны с балансом для рубки всё в полном порядке. Нихонто, как правило, имеют весьма массивный клинок без значительного дистального сужения, типичного для многих европейских мечей. Кроме того, у них нет массивного яблока и увесистой крестовины, а эти части эфеса очень сильно смещают баланс к владельцу. Поэтому фехтовать японским мечом несколько сложнее, так как он ощущается более тяжёлым и инерционным по сравнению с европейским аналогом идентичной массы. Однако, если вопрос о тонких манёврах не ставится и надо просто мощно рубануть, то баланс катаны оказывается более удобным.
Изгиб клинка
Все знают, что для японских мечей характерна небольшая изогнутость, но не все знают, откуда она берётся. Поскольку при закалке клинок охлаждается неравномерно, тепловое сжатие с ним происходит тоже неравномерно. Сначала охлаждается лезвие, и оно сразу же сжимается, поэтому в первые секунды процесса закалки клинок будущего японского меча имеет обратный изгиб, подобно кукри и прочим кописам. Но через несколько секунд охлаждается и остальная часть клинка, и она тоже начинает изгибаться. Понятно, что лезвие тоньше, чем остальная часть клинка, то есть материала в середине и на спине больше. Поэтому в итоге спина клинка сжимается сильнее, чем лезвие.
Кстати, этот эффект как раз и распределяет напряжения внутри клинка японского меча так, что удар со стороны лезвия он держит нормально, а вот со стороны спины уже нет.
При закалке обоюдоострого клинка кривизна сама собой не появляется, потому что на всех фазах данного процесса сжатие с одной стороны компенсируется сжатием с другой стороны. Сохраняется симметрия, меч остаётся прямым. Катану тоже можно сделать прямой. Для этого перед закалкой заготовке нужно придать компенсирующий обратный изгиб. Такие мечи встречались, их, правда, было не слишком много.
Пришло время сравнить прямые и изогнутые клинки.
Преимущества прямых клинков:
При одной и той же массе большая длина, при одной и той же длине меньшая масса.
Значительно проще и лучше колоть. Кривыми клинками можно колоть по дуге, но это не такое быстрое и общеупотребительное действие, как прямой укол.
Прямой меч часто является обоюдоострым. Если эфес не специализирован под одно направление хвата, то при повреждении лезвия легко взять меч «задом наперёд» и продолжить сражаться.
Преимущества изогнутых клинков:
При нанесении рубящего удара по боковой поверхности цилиндрической цели (а человек – это совокупность цилиндров и подобных им фигур) чем клинок более изогнут, с тем большей лёгкостью удар переходит в режущий. То есть с помощью кривого меча можно нанести ранящий удар, вложив меньше силы, чем требуется для прямого меча.
При контакте несколько меньшая поверхность лезвия входит в соприкосновение с целью, что увеличивает давление и позволяет врубиться, преодолев поверхность. Для глубины проникновения данное преимущество не играет роли.
Благодаря чуть большей парусности кривой клинок проще вести лезвием вперёд, правильно ориентируя его при ударе.
Кроме того, и те и другие клинки обладают специфическими фехтовальными возможностями. Например, изогнутым клинком удобнее прикрываться в некоторых стойках, а его вогнутой спиной можно интересным образом воздействовать на оружие противника. Прямой же клинок обладает возможностью удара ложным лезвием и несколько более интуитивно управляется. Но это уже детали, можно сказать, уравновешивающие друг друга.
Существенны следующие отличия: преимущество прямых клинков по массе/длине, оптимизация нанесения уколов и, соответственно, преимущество кривых клинков по простоте нанесения результативного режущего удара. То есть если вам нужно именно наносить повреждения рубяще-режущими ударами, то кривой клинок лучше прямого. Если же вы скорее фехтуете в нелетальном моделировании, где «повреждения» учитываются весьма условно, то удобнее будет работать прямым клинком. Замечу, что это не значит, что прямой клинок – оружие игровое-тренировочное, а кривой – настоящее боевое. И тем и другим можно и сражаться и тренироваться, просто их сильные стороны проявляют себя в различных ситуациях.
Японский меч обычно имеет очень небольшой изгиб. Поэтому, как ни странно, он в некотором смысле может вообще считаться прямым. Колоть по прямой им вполне удобно, хотя рапирой, конечно, лучше. Заточки на обратной стороне обычно нет, но так её и у разного рода палашей может не быть. Масса – ну да, она довольно большая, так и меч всё-таки с рубящим балансом.
Существует мнение, что прямой вариант японского меча был бы лучше, чем традиционные кривые. Я это мнение не разделяю. Аргументация защитников данного мнения не учитывала главное преимущество изгиба – усиление рубящей возможности клинка. Точнее, учитывала, но руководствуясь неверными предпосылками. Даже небольшой изгиб меча уже помогает наносить рубяще-режущие удары с большей лёгкостью, а для специализированно рубящего меча, которым является катана, это и нужно. При этом особенных потерь возможностей, присущих прямым мечам, при таком небольшом изгибе нет. Не хватает разве что обоюдоострой заточки, но с ней это уже была бы не катана. Хотя, кстати, некоторые нихонто имеют заточку полуторную, то есть спина на первой трети клинка сведена в режущую кромку и заточена – подобно поздним европейским саблям. Почему это не стало стандартом – не знаю.
Эфес
У японского меча очень плохая гарда. Фанатики начинают кричать «но ведь техника работы не подразумевает защиту гардой, надо парировать удары клинком» – ну да, конечно не подразумевает. Точно так же отсутствие бронежилета не подразумевает готовность к принятию пули в живот. Техника такова, потому что нет нормальной гарды.
Если взять катану и прикрутить вместо традиционной приблизительно овальной цубы эдакую «цубовину», с выступами-кийонами, то уже получится лучше, проверено.
У большинства мечей гарда гораздо лучше, чем у японского. Крестовина защищает руку надёжнее, чем цуба. Про дужку, витой эфес, чашку или корзинку вообще молчу. Существенных недостатков у развитого эфеса объективно нет.
Можно назвать парочку притянутых за уши. Например, цена – да, конечно развитый эфес дороже примитивного, но по сравнению со стоимостью самого клинка это копейки. Ещё можно что-то сказать про изменение баланса – но большинству японских мечей это не повредит, только фехтовать ими проще станет. Слова про то, что развитый эфес будет мешать выполнению некоторых приёмов, являются бредом. Если такие приёмы и есть, то их всё равно можно будет выполнить с крестовиной. Кроме того, отсутствие развитого эфеса мешает выполнению значительно большего числа приёмов.
Почему у японских мечей, за исключением короткого периода подражания саблям западного образца (кю-гунто, конец XIX и начало XX века), так и не появилось развитого эфеса?
Во-первых, отвечу вопросом на вопрос: а почему в Европе развитые эфесы появились так поздно, лишь в XVI веке? Мечами-то там махали значительно дольше, чем в Японии. Кратко – не успели раньше додуматься, просто не было сделано соответствующего изобретения.
Во-вторых, традиционализм и консерватизм. Японцы видели европейские мечи, но не сочли нужным копировать идеи этих круглоглазых варваров. Национальная гордость, символизм и всё такое. Правильный меч в понимании японца выглядел как катана.
В-третьих, нихонто, как и большинство других мечей – оружие вспомогательное, вторичное. В бою меч использовался в мощных перчатках. В мирное же время, когда катана как раз появилась из более древних тати – смотрите пункт два. Самурай, додумавшийся бы до развитого эфеса, был бы не понят собратьями по сословию. Последствия можно додумать самостоятельно.
Интересно, что после короткой эпохи кю-гунто, конструктивно более совершенного оружия, чем обычные нихонто, японцы вернулись к мечам традиционного типа. Вероятно, причиной этому был всё тот же второй пункт. Страна с крепнущим нездоровым национализмом и империалистическими замашками не могла позволить себе отказ от столь значимого символа, как традиционная форма меча. К тому же в эту эпоху меч на поле боя уже ничего не решал.
Ещё раз: у японского меча очень плохая гарда. Против этого факта объективно нельзя возражать.
Дизайн и геометрия: вывод
Японский меч обладает весьма неплохими характеристиками, обусловленными его дизайном. Он отлично и легко рубит цели, более терпим к небольшим несовершенствам ударов. Рубящий баланс, мартенситовое лезвие и кривизна клинка – отличная комбинация, позволяющая при контролируемом ударе достигать очень высоких результатов.
К сожалению, в конструкции японского меча также имеется несколько ощутимых недостатков. Цуба защищает руку лишь немногим лучше полного отсутствия гарды. Прочность клинка при отклонениях от идеального удара оставляет желать лучшего. Баланс таков, что именно фехтовать японским мечом не слишком удобно.
Заключение
Если считать катаной исключительно традиционно сделанный японский меч, со всеми этими включениями в тамахагане, с мартенситно-ферритным лезвием и цубой, то катана – это очень старый и, говоря начистоту, довольно ущербный меч, не выдерживающий сравнения с более новыми аналогичными заточенными железками, которые могут выполнять все её функции и даже больше. Катана - весьма далёкое от совершенства оружие, несмотря на высокие рубящие свойства её клинка.
С другой стороны – меч как меч. Рубить хорошо, прочность достаточная. Не идеал, но и не полный отстой.
Напоследок, можно взглянуть на катану с ещё одной стороны. В том виде, в котором она существует – с этой маленькой цубой, с лёгким изгибом, с хамоном, видимым при традиционной полировке, со шкурой ската и грамотной оплёткой на рукояти – она смотрится очень красиво. Чисто эстетически, приятный глазу предмет, выглядящий не слишком утилитарно. Наверняка в значительной мере её популярность связана именно с внешним видом. Стесняться этого не стоит, люди вообще любят всякие красивые штуки. А катана – в любом виде – действительно красива.
