Локомотивом научно-технической революции ХХ века выступило производство стали – сплава железа с углеродом. Сталь оказала решающее влияние на развитие всех областей науки и техники. Не исключено, что именно производство клинкового оружия послужило в древности главным толчком развития технологий получения и обработки металлов. Эти технологии, постепенно развиваясь и совершенствуясь, вынесли приговор и своему прародителю – клинковому оружию, уступившему место более эффективным и мощным средствам ведения боевых действий. В центре внимания металловедения – науки о металлах – оказались интересы крупного промышленного производства, в то время как производство клинков осталось на обочине на долгие годы.
Основные характеристики металлов зависят от силы сцепления составляющих их атомов. Однако знания атомной структуры недостаточно, чтобы понять свойства состоящих из них металлических тел. Все металлы имеют кристаллическое строение – в пространстве атомы металлов, расположенные в строгом порядке, образуют своеобразную решетку. Теоретическая прочность идеального «бездефектного» кристаллического железа составляет значительную величину – 13000 МПа. На практике, однако, железо имеет прочность намного меньшую. Так, у наиболее чистого поликристаллического железа она составляет всего 20-30 МПа. Это происходит потому, что реальный кусок металла представляет собой не единый правильный кристалл (т.н. «монокристалл»), а конгломерат из бесчисленных крохотных кристалликов, которые металловеды называют зернами, сцепление между которыми носит почти целиком механическую природу.
Путем длительных экспериментов древние металлурги пришли к необходимости использовать не железо, а сталь – твердый раствор углерода в железе. Фосфор, бывший популярным средством упрочнения железа на ранних стадиях становления металлургии, увеличивал прочность железа всего в семь раз. Углерод же дал рост прочности более чем в сорок пять раз!
Износостойкость РК сталей и сплавов до сих пор в популярной литературе оценивается только по их твердости. Сущность измерения твердости по наиболее популярному методу (по Роквеллу) заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом или стального шарика в испытуемый образец воздействием двух последовательно прилагаемых нагрузок (предварительной и основной) и измерением длины остаточного приращения глубины внедрения наконечника после снятия основной нагрузки.
«Рабочий диапазон» твердостей подавляющего большинства клинковых сталей лежит в интервале от 42 до 61 HRC. Это не значит, что клинки не
могут иметь значений твердости выше или ниже этого интервала. Просто повышение твердости большинства традиционных материалов свыше 61 HRC приводит к повышенной хрупкости РК нормальной для ножей толщины, в то время как задание твердости ниже 42 HRC не обеспечивает достаточной износостойкости РК, необходимой для разрезания традиционного ассортимента материалов и веществ. Ограниченное применение клинки с низкими показателями твердости находят в ряде спортивных дисциплин (метание ножей), в изготовлении исторических реконструкций, сувенирной продукции и ряде специальных моделей. Клинки, имеющие высокую твердость (61-63 HRC), используются на поварских ножах в японской традиции в связи с особой техникой работы ими и применением пакетной технологии при изготовлении, заключающейся в помещении твердой сердцевины в обкладки из мягкой стали, препятствующей механическим повреждениям клинка.
Поговорим о самых распространенных материалах в ножевом производстве.
Нержавеющая сталь — сложнолегированная сталь, стойкая против коррозии в атмосфере и агрессивных средах. Именно это свойство нержавеющей стали обеспечило ей возможность занять доминирующее положение в производстве клинков в ХХ веке.
Несмотря на их эффектное наименование, на нержавеющей стали могут образовываться пятна и она может подвергаться коррозии при неправильном обращении.
Причиной высокой коррозионной стойкости этой группы сталей является образование очень тонкой, невидимой глазом, пленки оксида, которая формируется на поверхности стали в окисляющей среде, например на воздухе или в воде. Эта пленка является богатым хромом оксидом, которая и защищает сталь от воздействия агрессивных сред.
Когда в сталь добавляется хром, наблюдается резкое снижение скорости коррозии благодаря образованию данной пленки. Для того, чтобы получить плотную и непрерывную пленку, требуется содержание хрома не менее 11 %. Защищенность увеличивается довольно быстро при увеличении содержания хрома вплоть до 17%.
Наиболее важным элементом сплава, таким образом, является хром, но многие другие элементы, такие как никель молибден и азот, также вносят свой вклад в антикоррозионные свойства нержавеющей стали. Другие элементы также могут добавляться в сплав для увеличения коррозионной стойкости в особых средах.
Нержавеющая сталь должна окислиться для того, чтобы сформировать пассивную, богатую хромом пленку. Небольшого количества окислительного агента достаточно для пассивации на воздухе и в воде. Слой оксида спонтанно регенерируется при контакте с кислородом. Важным фактором, о котором следует помнить, является то, что пленка является самовосстанавливающейся; таким образом, если клинок подвергается заточке, химическим или механическим повреждениям, пассивный слой «самоизлечивается» или репассивируется в окисляющей среде — в отличие от лакокрасочных и иных протекторных покрытий на углеродистой стали.
Наиболее популярными коррозийностойкими сталями являются марки стали 440С, 420С и 425С.
На основе сталей 425 типа была разработана целая группа специальных сталей с повышенным содержанием углерода (до 1.05-1.15%), не имеющих иного назначения, чем ножевое производство.
К главному их достоинству следует отнести очень неплохое сочетание высокой коррозионной стойкости, прочности и износостойкости РК – динамической и ударной. Кроме того, на них заданы более жесткие рамки по процентному составу элементов. Если 440С допускает их серьезный разброс (например, углерода в 0.25% – от 0.95% до 1.20%), то новые стали типа VG10 и пр. имеют более жесткие рамки нормирования процентного состава – от 0.05% до 0.1%. Это позволяет не только достаточно быстро подобрать оптимальный режим термообработки независимо от партии материала, но и гарантирует высокую стабильность конечного результата.
В современном производстве кухонных ножей чаще всего используются стали марок AUS-8 и VG-10. Сравнивая эти стали, стоит для начала отметить, что есть между ними общего.
Итак, общими характеристиками для этих двух сталей являются
- мартенситная технология изготовления
- японское происхождение
- пригодность для производства кухонных ножей.
Тем не менее, посмотрев на состав сталей, можно заметить массу различий.
Давайте постараемся разобрать каждый пункт в отдельности и сравним преимущества и недостатки каждой стали.
Прежде всего, отметим более низкое содержание углерода (С) в составе стали AUS-8.
Углерод является одним из важнейших элементов стали. Он повышает ее прочность и твердость. Поэтому снижение количества углерода при выплавке стали ведет к ухудшению свойств ножа, к снижению его износостойкости.
Для производства недорогих ножей использование стали с таким небольшим содержанием углерода оправдано только тем, что ножи, не отличаясь высокими режущими свойствами, хотя бы не ржавеют.
Однако, далее мы увидим, что создать по-настоящему твердую сталь, не подверженную коррозии, возможно. И сделать это можно, использовав в сплаве хром (Cr).
Именно содержание хрома в стали влияет на сопротивляемость кислотной коррозии. Чем больше хрома в стали (в разумных пределах, конечно же), тем меньше у ножа из такой стали шансов «зацвести» ржавчиной. И в этом случае мы видим, что AUS-8 уступает по содержанию хрома стали VG-10. Кроме этого, хром также повышает твердость и прочность стали.
Перейдем к одному из самых интересных элементов стали – к молибдену (Mo). Именно с ним связаны удивительные свойства японских кухонных ножей, миролюбивых потомков самурайских мечей.
Долгое время никто из европейцев не мог раскрыть тайну большой остроты самурайских мечей. Многие поколения металлургов безуспешно пытались выплавить сталь, подобную той, из которой изготовляли холодное оружие японские мастера. Первые удачные попытки разгадать эту тайну были сделаны российским металлургом П. П. Аносовым (1797—1851). Секрет удалось раскрыть: загадочная сталь, наряду с другими элементами, содержала молибден, который “ухитрялся” одновременно повышать и твердость, и вязкость металла, в то время как обычно увеличение твердости сопровождается ростом хрупкости.
Сочетание высокой твердости с вязкостью крайне необходимо для броневой стали. Броня первых англо-французских танков, появившихся в 1916 году на полях сражений мировой войны, была выполнена из твердой, но хрупкой марганцевой стали. Увы, этот массивный панцирь толщиной 75 миллиметров снаряды немецкой артиллерии прошивали, как масло. Но стоило добавить к стали лишь 1,5—2% молибдена, как танки оказались неуязвимыми, несмотря на то, что толщина броневого листа была уменьшена втрое.
Чем же объяснить такие свойства стали с добавлением молибдена? Дело в том, что молибден задерживает рост зерна в процессе кристаллизации стали и тем самым придает ей мелкую однородную структуру, обеспечивающую высокие свойства металла.
Посмотрев на таблицу составов двух сталей, сразу можно отметить, что содержание молибдена в стали AUS-8 минимум в 3 раза меньше, чем в стали VG-10. На практике это выражается в снижении режущих свойств ножей, выполненных из такой стали.
Следующим важным составляющим элементом стали является кобальт (Co). Из-за своей высокой стоимости этот элемент не используется в сталях низкого и среднего ценового сегмента. В этом и заключается их недостаток.
Дело в том, что сталь, содержащая кобальт, превосходит по режущим свойствам остальные стали, так как он повышает красностойкость. Красностойкость (или теплостойкость) - это способность стали сохранять при нагреве до температур красного каления высокую твёрдость и износостойкость, полученные в результате термической обработки. Стали с добавлением кобальта при высокотемпературной обработке не теряют своих свойств. AUS-8 не содержит кобальта вообще. Поэтому изделия из этой стали, являясь априори более «бюджетными», не обладают такими выдающимися характеристиками, как ножи из стали VG-10, содержащей до 1.5 % кобальта.
На этом различия между сталями не заканчиваются. В стали AUS-8 присутствует никель (Ni), повышающий прочность стали. Но эта же прочность достигается путем добавления в сталь хрома, и в случае со сталью VG-10 отсутствие никеля компенсируется именно этим элементом.
Наконец, последним элементом, входящим в состав стали AUS-8 (но отсутствующим в стали VG-10) является кремний (Si). Кремний вводится в состав стали с целью повышения коррозийной стойкости и упругости, но, к сожалению, достигается это только за счет снижения пластичности стали. Ножи из более пластичных сталей легче поддаются правке, чем ножи из стали AUS-8 с добавлением кремния.
Резюмируя вышесказанное, можно заключить, что VG-10 – это специализированная сталь для производства прочных и износостойких профессиональных и полупрофессиональных ножей. Более дорогая и сложная в обработке, эта сталь используется преимущественно японскими производствами. Характеризуется повышенными в сравнении с AUS-8 показателями износостойкости и прочности без ухудшения коррозионной стойкости. Великолепные прочностные свойства обусловили выбор этой стали не только на профессиональные поварские ножи, но и на ножи для тяжелых работ.
Металлокерамика. Оксид циркония - ZrO2 (диоксид циркония), бесцветные кристаллы, tпл = 2715 °C.
Диоксид циркония проявляет аморфные свойства, нерастворим в воде и водных растворах большинства кислот и щёлочей, однако растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах, расплавах щелочей и стёклах.
В ножевой отрасли диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YTZAP - иттриевый поликристаллический оксид титана-циркония-алюминия), используется для изготовления клинков (от поварских ножей до медицинских скальпелей).
Дополнительное достоинство керамики - абсолютная химическая нейтральность: любители сыроедения уже давно с удовольствием используют это свойство керамических клинков для нарезки овощей и фруктов. Ведь керамические ножи вообще не оставляют после себя какого-либо следа на разрезанных продуктах.
Титановые сплавы.
Преимущество титановых сплавов перед другими конструкционными материалами заключается в том, что их высокая удельная прочность при комнатной и высоких температурах сочетается с коррозионной стойкостью на воздухе, в морской воде и многих
химически активных средах. Титановые сплавы имеют довольно высокий предел прочности и могут выдерживать высокие упругие напряжения. У титана отсутствует склонность к коррозионному растрескиванию в ряде водных сред, вызывающих повреждения других металлов, например нержавеющих сталей. Главным потребителем титановых сплавов в настоящее время является промышленность, производящая летательные аппараты, где вопрос снижения веса конструкции и её теплостойкости имеет первостепенное значение. Эти сплавы применяются для основных деталей (лопаток, дисков, колец) компрессора реактивных двигателей, для изготовления деталей планера самолетов, шасси, фюзеляжа, деталей управления, оперения и др. Также титановые сплавы широко применяются в судостроении. В первую очередь из титановых сплавов изготовляются детали, соприкасающиеся с морской водой: обшивка, ходовые винты и узлы их крепления, детали морских помп и гидронасосов, теплообменников и др.
Сплавы титана можно разделить на три группы: сплавы с альфа-структурой; с альфа+бета-структурой и сплавы с бета-структурой. Именно бета-сплавы, содержащие до 25% ванадия, 15% хрома, 2% алюминия, до 0.15 кислорода и от 0.1 до 0.3 % углерода
используются для изготовления клинков ножей, которые сочетают хорошую пластичность с очень высокой прочностью и имеют твердость до 48 HRC. Бета-фаза имеет объемно-центрированную кристаллическую решетку, что обуславливает его повышенную (в сравнении с иными модификациями) прочность и износостойкость. Причем этот материал поддается закалке. В ходе термообработки сплава получается материал, представляющий собой матрицу из титанового сплава с равномерно внедренными карбидами (с твердостью HV ~ 3000), выполняющими при резке роль зубьев микропилы.
Достоинства таких клинков - высокая коррозионная стойкость, низкий вес (на 40 меньший, чем у стали), высокая упругость, повышенная износостойкость режущей кромки при динамической нагрузке. Клинки из бета-титана легко правятся и затачиваются, не требуя при этом дорогих и экзотичных абразивных инструментов. Режущие свойства - примерно на уровне 420НС. Имея матрицу твердостью около 40 - 44 HRC, РК из такого материала не очень хорошо воспринимает точечные ударные нагрузки при умеренных значениях толщины спуска у РК. Основное применение такие материалы (сплавы Ti-13V-11Cr-3Al, Ti-15V-3Cr-3Al и Ti-8V-6Cr-3Al-4Mo-4Zr) нашли на поварских ножах (Boker, Fujitora) и моделях дайверской направленности - для боевых пловцов, одним из основных требований к которым является немагнитность клинка (модель Multi Purpose Knife (MPK) от американской фирмы Mission Knives & Tools).
При выборе моделей из титановых сплавов следует иметь в виду, что ряд производителей из Юго-Восточной Азии использует на клинки и сплавы с альфа+бета-структурой типа 6Al-4V (ASTM B348 Gr 5 - 6% алюминия и 4% ванадия). На сегодняшний день это наиболее популярный материал для изготовления плашек и пружин для престижных складных моделей. Он более легок чем сталь и имеет хорошие прочностные характеристики, превосходящие стали или сплавы алюминия, хотя и более трудоемок в механической обработке.
Дамасская сталь.
Кузнечная сварка является ключевой операцией в создании дамасской стали.
Этот процесс требует температуры и давления для создания прочного сварного соединения. Наиболее популярный метод изготовления дамасской стали заключается в компоновке из контрастных слоев стали пакета, его нагрева и непосредственной сварки составляющих при определенной температуре. При этом необходимо, чтобы сопрягаемые поверхности составляющих пакета были очищены от оксидных пленок и шлаков. Отлично отполированные и плотно подогнанные бруски металла «прилипают» друг к другу (как в случае с калибрами) и в идеальных условиях могут быть скованы и без нагрева. При нагреве металла электроны внешних атомных слоев поверхности переходят в возбужденное состояние, приобретают подвижность и при правильно выбранной температуре и давлении мигрируют в прилегающие поверхности соседних т сопряженных металлов, формируя прочный сварочный шов.
Проиллюстрировать это можно так. Набранный блок из восьми слоев металла с различным уровнем содержания углерода в них сковывается воедино. По завершению кузнечной сварки блок изгибается. Если сварка произведена с надлежащим качеством, между слоями не происходит растрескивание и расслаивание – весь пакет ведет себя как цельный брус стали. Зашлифовав его торец и протравив его раствором хлорного железа, можно увидеть простейший узор – параллельные полоски. После этого пакет расковывается и режется на две или более частей, собирается вновь и сваривается.
Качественные японские ножи вы можете приобрести на сайте
https://www.tojiro.ru/catalog/kukhonnye_nozhi/
Общее число слоев в законченном пакете зависит от количества слоев в исходном и от количества сворачиваний и сварок.
Понравилась статья, ставь +
Подписывайтесь на наш канал впереди много интересного
