Разбираемся, что есть что, какие имеют свойства, утерянный рецепт. Ну и актуальность тоже рассмотрим.
Терминология.
Происходит много путаницы между понятиями "дамаск", "булат", "настоящий дамаск" и бывают ещё вариации. Так же есть путаница и между различными языками. Поэтому постараюсь объяснить различия и определить термины, которые сам буду использовать в этом тексте.
- Настоящий дамаск, древний дамаск, вутц (wootz) - это тигельная технология производства слитков стали. Родом из Индии. Слиток уже готов к ковке, из него можно сразу ковать нож, меч или что-то ещё. Чтобы не путаться, будем называть это Вутц.
- Современный дамаск, сварочный дамаск (pattern-welded damascus) - это сварочная технология. Берется несколько кусков разной стали (в виде пластин или прутков) и сваривается вместе. Ковка - это тоже тип сварки. Для получения необходимых свойств (механических или эстетических) полученную пластину снова складывают и снова сваривают с собой. Или нарезают на кусочки и сваривают. В итоге можно получить довольно тонкие, перемежающиеся слои разной стали. И получить самые разные, причудливые (или нет) узоры. Это мы будем называть Сварочный Дамаск.
- Булат - тоже тигельная технология. До смешения похожа на Вутц. По крайней мере многие путают (да и я путал, но постарался углубиться, чтобы различать). Но в производстве отличается. Происхождение тоже отличается - (скорее всего) это регионы Ближнего Востока, Средней Азии, возможно Кавказ. Но это всё не точно. Будем называть это Булат.
Происходит достаточно путаницы, потому что англоязычные называют дамаском и Вутц и Сварочный Дамаск. Но при этом различают, но не всегда легко можно понять, о чем речь. И практически не упоминают булат, а если упоминают, то считают полным аналогом Вутца. Русскоязычные источники зачастую особенно выделяют Булат, а дамаском называют только Сварочный Дамаск. И точно так же не проводят особых различий между Вутцем и Булатом.
А из-за чего весь этот движ вокруг дамаска произошёл? Откуда растут корни легенд, которые его окружают. Для этого придется обратиться к истории черной металлургии.
Предыстория железного века.
Каменный, бронзовый, железный век - называются так, потому в соответствующие исторические эпохи именно этот материал был важным для изготовления различных орудий, инструментов. Когда говорится "век" - это не означает, что есть четкая дата. Так же это не одновременно происходит по всей планете. Условно, и сейчас могут быть изолированные общины людей где-нибудь в Меланезии, у которых до сих пор каменный век.
Каменный век наиболее продолжительный, потому что каменными орудиями пользовались уже давно предки человека разумного. Когда появился homo sapiens, то каменный век уже во всю шёл. Чем эти орудия были хороши: их сравнительно просто изготовить. Материала много (не во всех регионах, но всё же), поэтому не обязательно таскать их с собой - можно сделать на месте.
Так же они были достаточно остры, из камня можно сделать вполне пригодный скиннер и счищать мясо со шкуры. Можно сделать топор и валить деревья. Можно воткнуть небольшие острые осколки в расщепленную палку, склеить, и получается пила.
Минусы тоже есть - орудия тяжелые, нужно много и тщательно работать, чтобы получить какие-то тонкие формы: наконечник копья или стрелы, ножи или кинжал. Так же большая хрупкость - иголку из камня не сделаешь, для этого использовались кости в основном.
Бронзовый век начался в момент, когда кто-то случайно (скорее всего) смешал олово с медью. По отдельности и медь и олово уже были известны, и из них пытались делать орудия. Но медь - очень мягкая, и режущие/рубящие орудия из неё негодные. Зато она легко плавится, в обычном костре. И из неё можно было делать какую-то утварь и украшения.
Бронза же заметно более твердый сплав, и уже можно делать и мечи/ножи и топоры и другие инструменты. Хоть и тщательно выделанный каменный инструмент мог посоревноваться в эффективности с бронзовым, у последнего были преимущества. Помимо очевидной меньшей хрупкости, бронзовые изделия можно отливать нужной, сложной формы, в большом количестве.
Это стимулировало распространению металлургии, поэтому, когда дошла очередь до железа, люди уже знали, что существуют металлы, и их можно плавить.
Железный век - когда в жизни людей начинают появляться инструменты из железа (стали).
Вообще, в самом начале этого пути, преимущество железных орудий над медными были совсем не очевидными. Зачастую, бронзовые изделия были твёрже, чем железные.
К тому же если медь и олово можно найти самородками, добыть уже готовыми к выплавке, то с железом всё совсем не так. Оно в самородном виде не существует, потому что активно окисляется. Но, возможно, что идея использовать железо появилась из-за метеоритов, которые состояли из сплава железа и никеля (например), и поэтому не заржавели. Сначала в дело пошли метеориты, из них могли получиться внезапно очень хорошие изделия.
Собственно, железная руда - это обычная примесь среди медной руды. Так что люди с ней были знакомы. А уже потом догадались и восстанавливать его.
Тут не стоит думать, что люди 2-4 тысячи лет были тупыми. Мозг у них был такой же как у нас (а может даже и побольше); у них не было Википедии и большой эрудиции, но понимание основ металлургии было (по опыту с медью и бронзой). Это заняло время, но люди смогли научиться восстанавливать железо из руды. Потому что увидели потенциал, а метеоритов на всех не хватает.
Первые производства железа
В целом это простая процедура не требующая каких-то сложных процессов или технологий.
Нужна железная руда (в которой содержится оксид железа 2 и/или 3) и нужен уголь (например древесный). В земле роется небольшая ямка, в ней разводится огонь, сверху надстраивается вал, конус из глины (без вершины), потом туда закладывается вперемешку уголь и руда. И надо подождать 4-5 часов.
Операция максимально простая и доступная обычным крестьянам.
Что там происходит?
Внутри печи горит уголь. А это в основном - углерод. Он не всегда получает достаточно кислорода, чтобы окислиться до двуокиси углерода, и получается монооксид. Монооксид довольно агрессивно отбирает кислород у оксидов железа. Таким образом восстанавливает его.
Одновременно с этим углерод, которому не досталось кислорода вообще, проникает в железную руду.
И в печи образуется Крица - это губчатый кусок железа с низким содержанием углерода. А так же там присутствуют различные примеси, шлаки из руды и угля.
Чтобы извлечь из крицы всё лишнее, используется ковка: горячую крицу бьют молотом, выбивая крупные включения.
В результате получается кричное железо, содержит небольшое количество углерода, и некоторое количество силикатов, которые после ковки расположены слоями или "волокнами"; так же это защищает от коррозии. Оно в целом мягкое, ковкое. Не поддается закалке - слишком мало углерода. Годится для каких-то изделий, но для ножей/мечей - нет.
Если печь с искусственным поддувом, то можно продолжить процесс выплавки. Взять или необработанную крицу, или уже кричное железо, опять смешать с углем (где-то встречал, что и с обугленными костями) и печь дальше. Поддув позволяет повысить температуру, больше углерода проникает в железо. А чем больше углерода в железе, тем ниже температура плавления. И в результате хорошо науглероженный сплав железа с углеродом вытекает в жидком виде. Это Передельный чугун (pig iron). По количеству углерода это уже чугун, но по структуре - совсем не обязательно. Там 2-4% углерода. Это твердый, хрупкий сплав. В нём уже меньше примесей, чем в крице, но, опять же, не годится для оружия (слишком хрупкий), но ограниченно пригоден для с/х орудий, топоров. Можно делать какие-то отливки, но ковать сложнее, чем чистое железо.
Дальнейшая обработка и получение стали
Получить передельный чугун гораздо менее затратно, чем кричное железо. Поэтому добавилась ещё стадия "выжигания" углерода из чугуна, чтобы получить чистое железо (например, долго держать на открытом воздухе в горячем состоянии).
В целом алгоритм такой:
Руда -> крица -> передельный чугун -> железо.
И так можно получать довольно много металла, единственный нюанс, что чугун сам по себе был не очень полезен, чистое железо лучше, но оно слишком мягкое, и его не получится закалить - нет углерода.
Какое-то время ушло на то, чтобы понять, что можно получить что-то среднее между чугуном и железом. И способов достижения этого было придумано много:
- науглеродить внешнюю часть орудия (нагревать в окружении угля, например) - это даёт более твердый внешний слой, который к тому же можно закалить. И мягкую середину из простого железа.
- расплавить в тигле чугун и добавить туда кусочки железа. перемешать. получается сталь. Это всё при ограниченном доступе кислорода. Частично или полностью - чтобы углерод не выгорел в атмосферу. И это общий принцип здесь и далее.
- разогреть крицу (пористое железо) и залить жидким чугуном. Это похоже на вариацию булата.
- сложить вместе пластинку чугуна, пластинку железа, нагреть, пока они не соединяться. Проковать, приложить к этому ещё одну пластинку чугуна, опять нагреть, проковать. И этот способ похож на сварочный дамаск.
- поместить в тигель крицу (пористое железо), и так же добавить туда листья, кусочки дерева, угля. Нагревать в течение долгого времени (до трех дней).
Углерод будет проникать в железо, от этого оно будет плавиться и проникать глубже в пористую структуру крицы. Полного перемешивания не происходит, но получается соединение низко углеродной и высоко углеродной стали в одном бруске. И возможно, примерно так создавался вутц. - поместить в тигель вперемешку куски железа и чугуна, нагревать (видимо, тоже достаточно долго) и получить тоже смесь низко углеродной стали с высоко углеродной без перемешивания. И так булат тоже мог делаться.
Так вроде всё довольно просто, из-за чего такой хайп?
Имея знания, википедию, сейчас это всё довольно очевидно. Но надо понимать, что уровень технологии в то время был не очень высок. Измерить количество углерода (или других примесей) в составе было невозможно. Ну разве что на глаз, или тестами на расплавление.
Надёжно можно было получить передельный чугун. Так же надёжно можно было выжечь весь углерод из этого передельного чугуна и получить довольно чистое железо. Тут тоже нужно только время, и нагрев.
А получить какую-то промежуточную смесь - это уже секреты мастерства, которые к тому же привязаны к одной руде, одному углю и одной местности. То есть этот же кузнец с этой же печью, набором знаний и инструментов в другой местности из другой руды мог получить совсем другой результат, по тому же рецепту. Но с привычными ресурсами он мог точно рассчитать, сколько положить ингредиентов, чтобы получать стабильно хороший результат.
По этой причине индустриальные районы, которые смогли поставить на поток производство хороших сталей, получили мировую известность, которая сохранилась в мифах и легендах до наших дней. Дамаску (Вутцу) и Булату особенно повезло ещё и в том, что эту сталь можно было визуально идентифицировать, и сложно подделать. Схожие техники были и в Китае, возможно они смогли адаптировать для себя рецепт Вутца из Индии. В Японии тоже были успехи в этом деле, но, там это скорее сварочный Дамаск, и ламинат - полоску тонкой высокоуглеродистой стали помещали между полосками железа (или низкоуглеродистой стали).
Нужен ли сейчас дамаск, булат?
С того момента, как появился Бессемеровский процесс, Мартеновский, производство стали заметно подешевело, одновременно улучшилось качество. Сталелитейщики смогли промышленно контролировать состав и производить несравнимо большие объемы.
Чуть позже разобрались с легированием и с этого момента у булата и дамаска вообще не осталось козырей. Раньше сталь была легирована настолько, насколько была легирована руда (ну и какое-то количество добавок могло проникнуть в процессе из угля, костей, листьев, других металлов). И это, конечно, был очень важный фактор. Тот же Вутц был очень ковкий, когда был нагрет, из него было легко ковать изделия. И это скорее всего заслуга каких-то легирующих элементов.
Можно уверенно сказать, что в данный момент современный Сварочный Дамаск, Булат и Вутц - это декоративная история. Нет никаких свидетельств, что такая микроструктура стали - это лучше, чем современный стандартный металлопрокат.
Делают ли сейчас дамаск?
О да. Сейчас это какой-то ренессанс. Делают разнообразные красивые дамаски, сварные в основном:
Берут пару заводских сталей и крутят из неё узоры. А иногда даже не со сталью, а с другим металлом, например медь. И это красиво.
Отечественные мастера делают булат. И это тоже в основном про узоры. Они, конечно говорят про смесь слоев карбидов вперемешку со слоями более пустой стали. И это тоже имеет место, можно взять одну моно-сталь, и если ковать её специальным образом, то можно заполучить узоры, как на булате. В этом особую роль играет легирование ванадием, потому что небольшое его количество играет роль "генератора" карбидов. И при умении можно получить необходимую красивую слоистость, узор.
Что вообще за узор, из-за чего он появляется?
Чтобы узор проявился, нужно готовое изделие обработать кислотой. Так в структуре Сварочного дамаска присутствует две разные стали, с разным углеродным содержанием, они по разному среагируют на окисление. Одна сталь будет темнее, другая - светлее.
В случае Вутца и Булата, возможно, что контраст возникает вдоль карбидных нитей. Карбиды отбирают углерод из стали и вокруг них образуются низко углеродные области, которые после травления контрастируют с остальной сталью.
Если в стали есть ванадий, даже небольшое количество, доли процента, он довольно быстро формирует карбиды (ванадия). Они довольно мелкие, но так же, эти карбиды ванадия могут спровоцировать рост других карбидов (железа, или других каких-то примесей). Возможно, рост карбидов может спровоцировать и какая-то другая примесь, от которой невозможно было избавиться в то время.
Во время горячего проката стали, в ней зачастую образуются нити карбидов, и направлены они вдоль направления раскатывания.
Кстати, эти нити влияют на прочность ножей "на излом". Если нож вырезать из листа так, чтобы клинок был вдоль нитей, он будет прочнее, чем если вырезать его поперек.
Если же сталь ковать определенным образом, то можно получить эти нити, "свернуть" их в узор, который будет очень похож на Булат (или Вутц)
И всё-таки, что там по исследованиям?
Можно опереться на достаточно надежное исследование всем известного металлурга Ларина Томаса в его статье про тест дамасков. Там много различного сварочного дамаска, разные комбинации сплавов и металлов.
И коротко, какие результаты:
- Чем больше слоев, тем слои тоньше, и тем больше они перемешаны: на границе слоев всегда происходит диффузия углерода из высоко углеродной стали в низко углеродную. И на стыке получается средне углеродная. И при большом количестве слоев их различить практически невозможно. (см в галерее)
- Серейторный эффект реально есть и реально работает. Это когда у нас мягкая одна сталь и твёрдая, закаленная другая. Мягкая сталь изнашивается быстрее, оставляя слои твердой стали. Но для того, чтобы это работало, надо делать соответствующий узор "лесенку", например, чтобы на Режущую Кромку слои заходили поперек. И это работает при ДЕЙСТВИТЕЛЬНО мягкой стали. В тесте это была даже не сталь, а никель, чтобы добиться этого эффекта.
- Общая прочность. Если брать прочную сталь, и хрупкую сталь, то скорее всего результат общей прочности будет примерно равен той стали, которая менее прочна. Потому что разлом пойдет между слоями. И более прочная сталь никак не поможет. Так же общая прочность зависит от узора и прилагаемого усилия на разлом. Если усилие будет приложено вдоль направления слоев, то сломается быстрее, чем усилие поперек.
- Уменьшение размеров карбидов. Если у нас есть одна сталь с крупными карбидами, вторая - с мелкими. И если мы создаем дамаск, то крупные карбиды должны становиться мельче. По идее. По факту же, карбиды не обязательно остаются в своем слое, они без проблем проникают в другой слой с мелкими карбидами, и карбид может быть размером больше, чем слой. И общее уменьшение размеров есть, но это скорее от самого процесса ковки, а не смешения разных сталей. И тем не менее, эффект есть и это дает увеличение прочности: карбиды немного уменьшились и лучше распространились по итоговой стали.
- Общее удержание режущей кромки. Оно оказывается где-то по середине между сталями, если брать их по отдельности.
Вывод
В 21-м веке Дамаск, Булат (Вутц) - в первую очередь красиво.
Забавно, что можно повлиять на удержание РК и Прочность (на излом) узором сварочного дамаска: "лесенка" будет лучше резать, но легче ломаться.
Можно получить внезапный эффект, если сделать дамаск из высокоуглеродистой стали с низкоуглеродистой нержавейкой: на стыке могут вырасти карбиды из углерода (высокоуглеродистой стали) и хрома (нержавейка). А это скажется на прочности, в плохую сторону.