Ковка и закалка катаны

От Rusknife: Чак Патрик и Дон Фогг ведут курсы ручной ковки в Школе Народных Ремесел. Упор на этих курсах делается на использовании исторических и традиционных технологий. Студенты и преподаватели, несмотря на наличие газовых горнов, предпочитают использовать угольные, инструменты - только ручные, никаких механических и высокотехнологичных машин. Краткий факультативный курс по материалам конспекта Д.Фогга - ковка меча (катаны).

Я шел по пути отработки технологии ковки меча не без неудач и испытаний. Во-первых, для работы была выбрана сталь AISI 1050 (прим. Rusknife - отечественный аналог сталь 50) , с которой я был почти незнаком ранее. Есть ряд соображений в пользу выбора именно этой стали - ее очень хорошая диаграмма трансформации состояний и удобство для нанесения обмазки. На начальной стадии моих экспериментов мне удалось получить выразительный и красивый хамон, но мне не нравилась чрезмерная мягкость обуха. Я никак не мог подобрать такой температурный режим закалки, чтобы при заданной твердости лезвия клинок имел бы достаточную упругость. Явным преимуществом этого материала служит, по моему мнению, и его вязкость, препятствующая развитию трещины, формирующейся на хамоне (лезвийной части с высокой твердостью).

Меч требует весьма специфичных подходов при изготовлении, в том числе и правильный выбор стали. При применении по назначению клинок имеет склонность к щерблению режущей кромки. Эти щербинки на лезвии при дальнейшем нагружении клинка служат концентраторами напряжений и если их не «размазать» внутри вязкого тела клинка способны его разрушить. Это можно продемонстрировать путем нанесения другим закаленным куском стали забоины на лезвие с последующим ударом обуха по наковальне. На моих тестовых заготовках из 1050 вязкая сердцевина препятствовала развитию трещин за областью хамона и выдерживала серию мощных ударов обухом по наковальне без развития трещинообразования. Я также зажимал тестируемый клинок в тиски и подвергал его изгибу в области забоины на 90 градусов с последующим распрямлением - без ущерба для клинка. Это наглядно доказало мне хорошие способности этой стали по сопротивлению действующим нагрузкам.

Следующим требованием является способность лезвия прорубать ткани тела, кости и даже другой металл без щербления. Стойкость режущей кромки при таких манипуляциях не столь важна, как на ноже, но ее чрезмерная мягкость будет негативно сказываться на рубящих свойствах. Мои тесты подтвердили, что сталь можно закалить до нужной твердости. У меня нет под рукой инструмента для оценки твердости по Роквеллу, но по моим наблюдениям и тестированию надфилем я могу предположить, что ее величина варьируется от 58 до 60 единиц по шкале С.

Чак Патрик и я сделали несколько тестовых клинков для решения проблемы чрезмерно мягкого обуха. Задав на одном из клинков бейнитную структуру, мы добились того, что клинок выдерживал общий вес более 600 фунтов (вес двух человек) без разрушения, но не смогли добиться закалки лезвия до нужной твердости.

Мы испробовали несколько методов циклического кратковременного закаливания клинка в воду, закалку с прерываниями, но тщетно - в результате всегда на обухе получалась мягкая перлитная структура. В конечном итоге мы до предела сократили толщину обмазки и закалили в воду до полной потери цвета обухом. Это дало нам твердое лезвие и прочное тело клинка, сформировав на обухе под закрытой обмазкой смесь перлита и мартенсита.

Ковка меча.

Я начинаю обучение с показа как выводить острие и формировать плоскости. Моя техника заключается в применении тяжелого и широкого молота, не менее 4 фунтов весом, а также равномерных локтевых ударов с прижатым к телу локтем и фиксацией кистевого сустава. Рука, подающая заготовку, также прижата к корпусу: подача клинка по наковальне производится поворотом бедра. Удар наносится в одну точку, - подается только заготовка. 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). Я работаю в технике, которую японцы именуют «мокрой ковкой». Это 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»), что в перспективе может вызвать серьезные проблемы. Я предпочитаю бороться за снижение количества окалины путем работы в насыщенном пламени при пониженной температуре.

Ковка стали - начальная стадия процесса термообработки, при которой не меньше внимания, чем ковке, должно быть уделено рабочей температуре болванки. Я предпочитаю постепенно уменьшать температуру ковки стали, работая на конечном этапе на пределе критической температуры. Я думаю, что эта методика позволяет улучшить однородность и качество зерна. Особое внимание следует уделить тому, чтобы не опуститься ниже температурного предела, когда из-за переохлаждения в стали начнут развиваться внутренние напряжения.

Я люблю обрабатывать клинок по-секционно, начинаю ковать от острия и затем перехожу на плоскость клинка. Некованая сторона лежит поверхностью на наковальне, расковывается часть верхней плоскости, после чего, отступив от прокованного участка, я начинаю ковать следующий сегмент в направлении уже откованного, подгоняя каждый последующий участок к предыдущему. Не начинайте ковку следующего участка от уже выведенной плоскости: - более толстая некованая часть при этом будет загибаться вверх, плодя дополнительные трудности. 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.

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.

Продолжайте ковку к рукояти клинка последовательно 3-4 дюймовыми (7 - 10 см) сегментами, внимательно следя за выведением плоскостей. Я не пытаюсь сформировать на этом этапе завершенного клинка, моя цель - выведение плоскостей и профиля. 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. Я использую полную длину наковальни, помещаю изогнувшийся участок на него и легкими ударами устраняю кривизну. Если лезвие уже сформировано, удары наносятся киянкой на деревянном блоке - лезвие и обух при этом не страдают.

Когда вы приблизитесь к рукояти достаточно близко время перехватывать клинок: вы это сами почувствуете по повышению температуры хвостовика. Лично для меня представляет определенную сложность продолжение выведения плоскости от того места, где я закончил на предыдущем хвате из-за изгиба заготовки, поэтому я продолжаю ковку от конца хвостовика. На катанах хвостовик является продолжением клинковой части. Единственно важным отличительным моментом при ковке хвостовика является его клиновидность, что требует его оковки со всех сторон. Кроме того, крайне важно правильно выковать его профиль - именно на эту часть меча приходится максимальная нагрузка при его применении и крайне важно заложить сюда максимальную прочность.

Продолжая ковку от рукояти, выводите плоскости для равномерной встречи с уже откованными сегментами клинка. На этой стадии я предпочитаю охладить клинок и, не торопясь, рассмотреть его со всех сторон. Надо иметь в виду, что остывшая сталь очень сильно отличается внешне от горячей. Это предоставит вам возможность оценить результаты своих трудов, посмотреть над чем надо еще поработать, и продумать дальнейший план ковки.

При переходе к завершающей ковке я использую тот же молот, но более легкие удары. Я внимательно свожу металл к лезвию, выправляю плоскости, выравниваю линии и удаляю следы первичной черновой ковки. Это медленная работа, требующая большого внимания, которая серьезно сокращает время конечного выведения уже холодного клинка. На конечной стадии ковки клинок должен быть прямым. Изгиб формируется при закалке клинка.

На завершающей стадии ковки я подвергаю весь клинок циклическому температурному воздействию: не менее трех раз нагреваю его до критической температуры и охлаждаю на воздухе до 1000F (примеч. Rusknife: около 540 °C; C=5/9*(F-32)). Это циклическое термонагружение увеличивает внутренние напряжения в стали и помогает в дальнейшем получить хорошую структуру зерна перед закалкой. Я не отжигаю свои стали, и если их надо отпустить, то нагреваю клинок до 1300F (около 700 °C) и медленно охлаждаю.

Закалка клинка.

В нашей школе мы закаляем клинок сразу после обработки его напильниками. Можно, конечно, провести и цикл обработки на камне, но это уже лишняя работа. Секрет японской катаны в ее способности не разламываться даже в случае забоин или щербления клинка. Это достигается путем зонной закалки клинка за счет нанесения обмазки на те области, которые должны остаться незакаленными для достижения высокой прочности. Японские мастера проявляли незаурядную выдумку и фантазию, создавая мощный и прочный клинок. Тщательным подбором пакета из пяти и более сталей с различным содержанием углерода они добивались оптимального сочетания характеристик для каждой составляющей пакета. Поскольку мы работаем с куском гомогенной стали попробуем достичь сходного результата за счет правильной закалки.

Обмазка.

Я не претендую на знание всех секретов состава обмазки, но я обнаружил, что любой огнеупор, который хорошо удерживается на материале клинка и который может быть легко удален после закалки вполне подойдет. Я предпочитаю высокотемпературный известковый раствор под названием «Сатанит» (производитель - A.P.Green Industries). Он продается сухим и разводится с водой, образуя крепкий клей с великолепными характеристиками. Готовые известковые смеси тоже применяются для этих целей, но у них более высокий коэффициент усадки. Они удобны тем, что продаются в тюбиках.

SATANITE® - Сухой, теплоизоляционный, алюмооксидный раствор для температур до 1760°C. Раствор может содержать 50%, 60% и 70% Al2O3 работая как теплоизолятор для температур 1538°C и 1650°C. Химический состав:
Na2O + K2O - 0.9%
Al2O3 - 61%
Fe2O3 - 1.3%
CaO - 0.4%
MgO - 0.3%
SiO2 - 33.5%
TiO2 - 2.6%

Обмазка работает в качестве барьера, предотвращающего нагрев металла и, таким образом, в ходе нагрева область, покрытая обмазкой, не претерпевает полного мартенситного превращения. На многих современных эвтектоидных сталях эффект обмазки не столь заметен, как на среднеуглеродистых конструкционных сталях из-за специфической диаграммы трансформации состояний. Особенно удачна в этом плане сталь 1050 (отечественный аналог сталь 50). Путем многочисленных тестов нами было экспериментально установлено, что слой обмазки толщиной всего около 3-х мм способен полностью предотвратить закалку клинка, сформировать интересную линию перехода и оставляет обух прочным и упругим одновременно. Клинки, закаленные таким образом, склонны к трещинообразованию, будучи чрезмерно изогнуты, но, тем не менее, делать обух более мягким не целесообразно - иначе клинок будет гнуться после каждого удара. Я видел некоторые старые клинки, которые легко сгибались в руках и не считаю это допустимым. С другой стороны, будучи чрезмерно закаленным, тело клинка не сможет в достаточной степени противостоять образованию и развитию трещин при ударных нагрузках. Наверняка именно для решения этой проблемы японские мастера использовали пакетированную заготовку для клинка.

Покройте всю поверхность клинка тонким слоем обмазки. Эту работу следует производить влажной кистью, которой наносится разбавленная до жидкого состояния обмазка. После того, как она высыхает настолько, что прилипает к металлу, начинаем наносить более толстый слой шпателем. Обычно в качестве шпателя используется обломок ножовочного полотна, но можно обойтись и ножом из столового прибора. Слой наносится таким образом, чтобы максимальная его толщина (в 3 мм) приходилась на район обуха и постепенно сходила на нет на расстоянии трети ширины клинка. Изменяя геометрию линии обмазки вы можете дать волю фантазии, но не переусердствуйте: слишком сложная линия может и не дать выраженного хамона. Для увеличения упругости клинка обмазка счищается с обуха. Это позволяет контролировать изгиб клинка при закалке и, в последствии, обеcпечивает определенную гибкость клинка без излишней мягкости. По рекомендации Боба Энгнаса я обматываю клинок шнуром по спирали от рукояти к острию, а затем назад и накладываю обмазку. При использовании «Сатанита» шнур необязателен и я использую его только на прочих огнеупорных обмазках. Затем обмазка оставляется на теле клинка для просушки перед последующей закалкой.

Закалка клинка.

Для такого клинка вам понадобится быстрая закалка, и вода в качестве закалочной среды вполне подойдет. Я использую подсоленную воду, но Йосиндо в своей книге утверждает, что сама обмазка дает тот же смягчающий эффект при закалке, что и соль. Лучше всего использовать дистиллированную или дождевую воду, но в отсутствии того и другого можно довольствоваться и водой из-под крана. Я сделал себе закалочную ванну из просмоленной древесины, изолированной полеуретаном. Ванна должна быть достаточной глубины для того, чтобы в нее вошел и клинок и рукоять. Имеет смысл перед закалкой примерить клинок в пустую и сухую ванну с тем, чтобы заранее предотвратить возможные проблемы и оценить, как клинок будет располагаться в ней.

После того, как обмазка на клинке хорошо просохнет время помещать его в горн. Горн должен быть прогрет до температуры чуть выше 1600F (~ 870 °C) перед помещением в него клинка. Внутрь горна клинок помещается лезвием вниз на специальные пазы в кирпичной кладке.

Для удержания клинка нам понадобятся специальные клещи с офсетом, - особым ответвлением на одной стороне губок для исключения выпадения клинка при его охлаждении в закалочной ванне. При охлаждении клинок следует поворачивать внутри ванны для более равномерной закалки. Кроме того, на губках клещей необходимо сделать пазы для удержания хвостовика под нужным углом.

Я произвожу нагрев клинка в горне с цифровым индикатором температуры. Клинок нагревается постепенно. Когда обух достигает критической температуры, мы извлекаем клинок из направляющих, и даем ему прогреться до того же цвета, что и обух. Когда я впервые стал работать с контроллером, то допустил типичную для новичка ошибку считая, что он указывает точную температуру внутри горна. На самом деле он показывает температуру термопары и вы должны сами научиться определять по цвету температуру заготовки. Для этого можно попробовать откалибровать цветность нагрева стали путем сравнения ее с помещенным в горн эталоном из другой стали, с которой вы знакомы, или изменения цвета которой описаны в технической литературе. Со временем вы научитесь легко определять температуру на глаз, - некоторые специально минимизируют освещение при нагреве клинка под закалку. Не смотря на наличие специальных датчиков, глаз остается одним из наиболее точных способов оценки температуры в горне.

Когда весь клинок достигает нужной температуры и прогревается равномерно, мы снижаем температуру до 1550F (около 840 °C) и быстро помещаем его в закалочную ванну. Погрузив его под воду целиком и осторожно перемещая его внутри ванны мы следим за тем, чтобы все видимые цвета исчезли с обуха клинка, и сразу после этого извлекаем его из воды. Если, вытащив клинок, вы все-таки обнаружили цвет, то еще раз поместите клинок в ванну на несколько секунд, а потом вновь извлеките. Быстро очистите тело клинка от обмазки и попробуйте лезвие надфилем. Если лезвие восприняло закалку, то пора переходить к отпуску в низкотемпературной солевой ванне.

Отпуск.

На самом деле нам нет необходимости снижать твердость стали при отпуске, и перед нами только стоит задача снятия внутренних термических напряжений, полученных вследствие закалки. Нагрев ванну до температуры 325F (около 160 °C) мы помещаем в нее клинок на полчаса или час. Это обеспечит оптимальное сочетание твердости и прочности. Следует иметь в виду, что каждая сталь имеет свой собственный режим закалки. После этого производится повторное тестирование лезвия надфилем и проверка ровности клинка. Если клинок слегка изогнулся его легко подправить молотом на наковальне, т.к. тело клина достаточно мягкое. Именно на этой стадии я предпочитаю наточить клинок и попробовать прорубить что-нибудь. Обычно для этих целей выбирается сосновый или еловый брус 5х10 см, причем предпочтение отдается наиболее сучковатым т.к. они наиболее твердые. Именно в ходе этого теста можно сделать вывод о правильности геометрии клинка и твердости его лезвийной части. Если результат меня удовлетворяет, то я перехожу к чистовой обработке клинка. В противном случае клинок подлежит перепрофилироваию и повторной закалке. Это вполне допустимо - на уроках в Школе Ремесел мы делали много клинков и не испортили не одного.