"Что это за сталь?" - читать интересную книгу (Прорез Журнал, Митин Сергей)

Сергей Мишин ЧТО ЭТО ЗА СТАЛЬ?

Принимая в свое время активное участие в дискуссиях любителей ножей, я столкнулся с таким интересным явлением как «сталеснобизм», иначе говоря непреодолимое желание иметь нож из самой-пресамой современной, крутой, превозносимой специалистами — как действительными так и мнимыми, самозваными — сверхстали. Не особо считаясь с реальными ее преимуществами и недостатками, а чаще всего, не имея о них ни малейшего понятия. Ну, что же, снобизм это ведь одно из основных прав человека, точно так же, как и право допускать ошибки…

Признаюсь сразу в одной изрядной крамоле — я довольно-таки слабо ориентируюсь в марках российских сталей. Поэтому приведу тут табличку, в которой подан состав сталей, применяемых в производстве ножей на Западе, и постараюсь охарактеризовать их с практической точки зрения. Желающие могут, ориентируясь на таблицу, найти соответствующие по составу марки в российской классификации.

Расскажу коротенько и упрощенно о механических свойствах сталей, лишь столько, сколько нужно, чтобы лучше понять, чего можно ожидать от своего ножа. Я не собираюсь превращать статью в популярном журнале в учебник технологии металлов или сопротивления материалов, тем более, что никогда особенно не любил эти предметы. Механическая прочность — это способность противостоять механическим нагрузкам при наименьшем изменении формы. Из двух одинаковых образцов под воздействием одинаковой нагрузки более прочный деформируется (например, изогнется) в меньшей степени.

Твердость — это способность материала сопротивляться прониканию в него инородных тел. Есть несколько способов измерения твердости, в своих объяснениях я буду придерживаться популярной шкалы твердости по Рокуэллу. В материал с калиброванным усилием вдавливается стандартная алмазная пирамидка. По величине оттиска определяется глубина проникания и соответствующая ей твердость материала, измеряемая в условных единицах Рокуэлла, сокращенно HRC.

Упругость — это способность материала восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия нагрузки. Свойство обратное пластичности, например, более упругая проволока, будучи согнутой и отпущенной, выпрямится ближе к своей первоначальной форме, более пластичная — сохранит деформацию в большей мере.

Износоустойчивость определяет насколько трудно от материала отрываются микрочастички под воздействием трения об иной материал, проще говоря — насколько успешно материал сопротивляется истиранию.

Что такое коррозионная устойчивость ясно из самого определения.

Вязкость — это способность металла противостоять импульсным (ударным) нагрузкам без нарушения кристаллической структуры, то есть без появления трещин и разломов. Свойство противоположное хрупкости. Вот практически и все свойства стали, на которых есть смысл останавливаться, разговаривая о ножах.

Сталью называется сплав железа с небольшой, не больше 2 % по определению, примесью углерода. Углерод придает стали твердость, само по себе железо в чистом виде — это довольно-таки мягкий материал даже по сравнению с некоторыми твердыми сплавами меди, например фосфористой бронзой. Более того, углерод придает стали способность принимать закалку, то есть изменять свои механические свойства в результате термической обработки. Сталь приобретает при этом твердость, упругость, механическую прочность, износоустойчивость. Одновременно она теряет ударную вязкость и становится более хрупкой. Сталь с большим содержанием углерода в результате термообработки становится более твердой и износоустойчивой. Нет, однако, прямой зависимости между содержанием углерода с одной стороны и прочностью и упругостью с другой. При определенном уровне сталь начинает терять эти свойства в результате повышения хрупкости. При увеличении содержания углерода сталь теряет также коррозионную устойчивость, даже при одном и том же его содержании сталь тем охотней ржавеет, чем больше твердость, до которой она закалена. При содержании углерода, большем чем 2 %, химическое соединение железа с углеродом — очень твердый карбид железа (цементит) — выделяется в виде таких крупных кристаллов, что материал теряет большую часть своих положительных механических свойств. Сталь попросту превращается в чугун. Исключение могут составлять спеченные (композиционные) материалы, получаемые нагреванием смеси размолотых в мелкий порошок составляющих до температуры спекания, а не плавления.

Вообще-то для хорошего ножевого клинка стали с содержанием 0,6–0,8 % углерода, закаленной до твердости около 55–57 HRCвполне хватило бы. Тут хочу подчеркнуть, что речь идет исключительно о ножах, то есть инструментах, предназначенных для резки сравнительно мягких материалов. Все иные инструменты, например, предназначенные для рубки (мечи, сабли, топоры, мачете и т. п.) — это совсем другая тема, которой мы здесь не касаемся. Нож это не уменьшенный меч, а меч это не огромный нож!

Практика подтверждает теорию: из пружинной стали можно сделать очень хороший клинок. И делают ведь! Сталь 5160 применяется в промышленности в основном для производства автомобильных рессор, например в Мерседесах. Практически всю свою молодость я пользовался ножами, кустарно изготовленными из рессор, правда не Мерседесов, а, скорее, тракторов, но это были очень даже приличные ножи. Сравнительно хорошо держали заточку, сравнительно легко было их точить, можно было даже поддеть что-нибудь или рубануть без особенных опасений, что клинок сломается или лезвие выкрошится. Были хороши во всем кроме одного — ржавели как… ох, не приходит мне в голову никакое более-менее цензурное сравнение. Конечно, можно защитить клинок, например, воронением (не режьте маринованные огурцы вороненым клинком, воронение не терпит контакта даже с очень слабыми кислотами!). Можно также, и даже нужно, заботиться о своем ноже, чистить и смазывать его своевременно. Только вот, никакое защитное покрытие не защитит само лезвие, и смазка с него сотрется сразу как только начнем резать что бы то ни было. Добавить сюда жару, высокую влажность воздуха, контакт с соленой водой или еще более соленым потом, — и ржавчина может полностью «сожрать» лезвие буквально в течение нескольких дней, не говоря уж о неделях. Скорее всего, именно поэтому сегодня можно найти не слишком много серийно изготавливаемых ножей с клинками из такой вот простой углеродистой стали. В моей коллекции их нашлось только два, и оба с клинками, защищенными более или менее удачным покрытием.

Подавляющее большинство серийно производимых ножей сегодня имеет клинки из нержавеющей стали. Остановлюсь специально на очень распространенном в западной литературе разделении сталей на углеродистые и нержавеющие (carbon steel or stainlss steel). Каждое деление чего бы то ни было на какие бы то ни было группы в самой своей основе очень условно. То, о котором идет речь, не исключение. Тем более, что в добавок в нем есть нечто довольно-таки нелогичное: нержавеющая сталь ведь тоже углеродистая, иначе не была бы сталью… Тем не менее, в дальнейшим буду придерживаться этих не совсем правильных определений, хотя бы для того, чтобы не пользоваться коряво звучащими терминами типа «не нержавеющая сталь» или «ржавеющая сталь».

Чтобы сделать сталь нержавеющей, в сплав надо добавить, как минимум, 12 % хрома. Тогда в результате окисления при контакте с содержащимся в воздухе кислородом на поверхности стали образуется тоненькая, но очень плотная пленочка его окислов, которая оберегает глубинные слои стали как защитное покрытие. Добавка хрома увеличивает твердость и износоустойчивость стали, одновременно уменьшая ее упругость и ударную вязкость. Высокое содержание хрома затрудняет ковку стали, кованые клинки из нержавеющей стали — очень большая редкость. Мастеров, умеющих ковать нержавеющую сталь, можно буквально пересчитать по пальцам.

На одним хромом дело в большинстве случаев не ограничивается, современная нержавеющая (и не только) сталь как правило содержит так называемые легирующие присадки, которые должны улучшить ее свойства по сравнению с простой углеродистой, состоящей только из железа и углерода. Приведу очень упрощенную характеристику действия этих добавок, которая наверняка покажется наивной с точки зрения инженера-металлурга. Но ведь мы, в конце концов, не собираемся разрабатывать новые рецептуры стали. Кобальт в малой концентрации увеличивает твердость и позволяет «вернуть» часть ударной вязкости, утраченной в результате добавки хрома. Как видно из таблицы, он применяется в производстве ножей довольно-таки редко, скорее всего из-за высокой стоимости. Марганец раскисляет сталь в процессе плавления и препятствует появлению вредных окислов, «вклинивающихся» между кристаллами стали и снижающих ее механические свойства. Чуть большее его содержание может привести к бесконтрольному увеличению хрупкости стали. Медь редко добавляют в сталь целенаправленно. Ее присутствие может немножко увеличить коррозионную устойчивость, но может и значительно затруднить термическую обработку стали. Как правило, содержится ее в стали только такое количество, от которого не удалось избавиться в процессе выплавки. Добавка твердых металлов — вольфрама и молибдена — позволяет увеличить твердость, упругость и износоустойчивость стали, даже без особого уменьшения ее ударной вязкости. Но очень сильно затрудняет обработку стали резанием, что значительно увеличивает себестоимость продукции. Содержание около 1 % этих присадок помогает сохранить механические свойства стали при высоких температурах и делает ее самозакаливающейся. Это означает, что нагретая даже до температуры малинового каления сталь, охлаждаясь на воздухе натуральным образом, не отпускается и не теряет своей твердости, а значит и режущих свойств. Очень ценное свойство для производства высокоскоростных резцов и лопаток газовых турбин, но совершенно бесполезное при производстве ножей. Ну, разве что, кто-то собирается использовать нож в качестве кочерги и мешать им раскаленные угли в печи или костре… Никель увеличивает коррозионную устойчивость стали и ее твердость, уменьшает ударную вязкость и упругость, но очень сильно ограничивает ковкость стали. Ванадий в малых концентрациях увеличивает твердость и износоустойчивость. Обратная сторона медали — уменьшение ударной вязкости — к сожалению, проявляется и тут. Сера, фосфор, кремний — это хрестоматийно вредоносные примеси стали. Их содержание в стали не приносит абсолютно никакой пользы вопреки приводимым иногда в каталогах утверждениям изготовителей. Именно их отсутствие, лучше всего полное, свидетельствует о чистоте и высоком качестве стали. Почему тогда они все-таки присутствуют в некоторых сталях? Да просто потому, что в процессе ее выплавки и очистки не удалось от них избавиться! Во времена моей молодости изготовители попросту замалчивали их присутствие, но теперь времена изменились, и лазерный спектрограф можно найти в лаборатории металловедения любого технического ВУЗа. Поэтому, если скрыть их присутствие не возможно, значит надо придумать ему какое-то положительное объяснение — мол, что-то они там улучшают. Неискушенный пользователь и так этого не проверит…

Конечно, как уже предупреждал, все это очень упрощенная схема действия легирующих присадок. Тем более что механические свойства готового изделия зависят не только от состава и марки стали, но в огромной степени от ее термической обработки. Термическая обработка — это настоящая «изюминка» в процессе изготовления ножа и именно от нее зависит, будет ли готовый клинок удачным или нет, хоть и изготовленный из той же самой стали.

В очень упрощенной, опять же, форме термическая обработка складывается из двух основных процессов. Закалка — это нагревание стали до высокой температуры (конкретные значения зависят от марки стали и желаемого результата) и быстрое охлаждение, как правило, в жидкости — в чистой воде, в воде с различными добавками, например, мыла, или в минеральном масле. В процессе закалки образуется определенная кристаллическая структура твердых соединений железа с углеродом — карбидов. В результате закалки сталь набирает твердость, износоустойчивость, упругость, до известного предела — механическую прочность. Одновременно теряет ударную вязкость и коррозионную устойчивость. Отпуск — это нагревание закаленного изделия до температуры, которая ниже чем температура закалки, и последующее медленное охлаждение, чаще всего строго контролируемое охлаждение прямо в печи. Кристаллическая структура при этом поддается некоторому «упорядочению» снимающему излишние внутренние напряжения и увеличивающему ее устойчивость. В результате теряется часть твердости, но зато возвращается значительная часть утраченной ударной вязкости, механические свойства изделия становятся более сбалансированными.

Учебник технологии металлов, конечно, расскажет о термической обработке стали куда более подробно и профессионально. Только и это будет общая, теоретическая информация. А вот как именно провести эти процессы — это уже секрет каждого мастера. Детали и особенности термической обработки шлифуются экспериментально, годами, сотнями проб и глубоким исследованием их результатов. Мастера термообработки очень неохотно делятся своими знаниями и опытом с кем бы то ни было, даже за большие деньги. Очень характерная история случилась в одной фирме, с которой я давно и успешно сотрудничаю, не привожу названия, поскольку рассказываю о типичной неудаче. Хотели начать производство ножей с клинками из модной в свое время на западном рынке подшипниковой стали BG-42 и предложили довольно-таки крупную сумму специалисту, известному мастерской термообработкой этой стали, за подробное описание технологического процесса. Мастер ответил коротко: «Сделайте партию клинков, и я вам их обработаю». Это и понятно. Если бы поступил иначе — просто зарезал и съел бы курицу, которая несет золотые яйца. Сталь ведь общедоступна, нож тоже может сделать каждый, кто имеет в распоряжении соответствующее оборудование. А вот секреты оптимальной термообработки знают не многие, а это как раз самое главное!

Еще один пример. Сегодня в мире, как в Европе, так и в Америке, изготавливается великое множество ножей из старой, широко распространенной и хорошо известной стали 440C. Одни производители обрабатывают (речь идет о термообработке) ее мастерски, другие средне, иные — кое-как, но все же обрабатывают. А вот найти клинок из относительно новой и, по-моему, очень удачной японской стали VG-10 совсем не просто. В моей коллекции это ножи F#195;LLKNIVEN, SPYDERCO, SOG и… все. К тому же все клинки сделаны в Японии, в Секи и, кто знает, не на одной ли и той же фабрике. Секрет открывается просто: эта сталь еще не получила широкого распространения и только очень ограниченный круг японских специалистов (10? 50? 100? — понятия не имею) имели возможность экспериментировать с ней и постичь секреты ее оптимальной термообработки. Не будет преувеличением сказать, что в Европе или Америки не найдется никого, кто мог бы проделать это хотя бы на сносном уровне. Конечно, мастера, специализирующиеся в термообработке сталей не сидят, сложа руки, и рано или поздно разгрызут орешек, как это было с термообработкой 440C и других сталей (кто как сумеет). Тем временем те, кто умеет это делать сейчас, заработают на своем умении порядочные деньги, а ведь они тоже не почивают на лаврах и свое умение совершенствуют… Тем более, что процесс термообработки это такая штучка, которую нельзя запатентовать, а надо просто уметь выполнить. Поэтому ничего удивительного, что тут никто ни с кем и ничем не делится, да и никогда, испокон веков, не делился — в таких делах друзей нет! Теперь, правда, мастер не отрубит свежезакаленным мечем руку не в меру любознательному ученику за то, что тот, ничтоже сумняшеся, сунул ее в оставшуюся после закалки воду, чтобы проверить ее температуру. Но уж поощрять раскрытие своих секретов тоже наверняка не будет…

Ну ладно, не стану более утомлять читателей теоретическими выкладками и упрощенными сведениями из учебников. Самое время рассказать о моем практическом опыте с некоторыми сталями, с которыми имел возможность познакомиться. Еще раз подчеркну, что главное — это термическая обработка, и клинки разных производителей, изготовленные из одной стали, на практике очень сильно различаются.

Стали семейства 420 находятся даже немного ниже нижнего уровня среди нержавеющих сталей, из которых вообще можно изготовить клинок ножа. Низкое содержание углерода не позволяет закалить их до твердости, при которой клинок держал бы заточку хотя бы на минимально приличном уровне. Эти стали легко обрабатываются штамповкой и резанием, поэтому они очень популярны у производителей безымянных (no-name) ножей, о которых известно только то, что находятся где-то далеко-далеко на Востоке. Если на клинке западного или очень западного (Земля ведь круглая и очень-очень далеко на Западе находится как раз… Дальний Восток) написано только stainless steel можно быть на 100 % уверенным, что это сталь 420. В последнее время, однако, сталь 420НС (high carbon) с повышенным до примерно 0,6 % содержанием углерода набирает популярность среди американских изготовителей, вытесняя понемногу сталь 440А из производства фирменных ножей с нижних (в смысле цены) полок. Причина такого перехода вероятнее всего кроется в изменении баланса цен на стали на мировом рынке и стремлении снизить себестоимость продукции. Мой опыт с этой сталью ограничивается двумя маленькими ножичками типа gentleman's knife, и на этом уровне она зарекомендовала себя положительно. Для более серьезных целей, однако, определенно предпочитаю стали с более высоким содержанием углерода. Хотя, очень сильно напрягая воображение, я нашел бы применение и для так «несерьезной» стали. Если вам нужен нож для плавания и ныряния в очень соленой воде, то эта сталь как раз демонстрирует наивысшую коррозионную устойчивость среди ножевых сталей. Или, по крайней мере, демонстрировала до недавнего времени. Потому что новая сталь H1, содержащая азот вместо углерода (азот тоже формирует в сплаве кристаллическую структуру твердых соединений — нитридов), тоже демонстрирует очень высокую коррозионную стойкость, обладая к тому же намного лучшими режущими свойствами. Но она дороже…

Нижний уровень стали для фирменного ножа для серьезной работы представляют уже упомянутая американская сталь 440А, японская AUS-6, шведская Sandvik 12C27. Если уж подразделять стали по шкале сталес-нобизма, то эти стали я бы назвал минимальными. Вообще-то, стали семейства 440 производятся не только в Америке, многие европейские изготовители ножей используют базовый — самый дешевый в части исходного материала и его последующей обработки — вариант для своих изделий сувенирного класса. Если на клинке фирменного ножа написано 440 без буквенного обозначения — значит это основной вариант, «младший брат в семье» — сталь 440А. Обе стали (440А и AUS-6) используются в производстве фирменных ножей ценой до 50 долларов. Здесь и далее речь идет о розничной цене, которую предлагает изготовитель, а кто за сколько купит нож в действительности — это уже другое дело. Эти стали имеют очень похожие свойства, и в реальных условиях рядовой пользователь не отличит их одну от другой. Клинки из этих сталей легко точатся (правда, так же легко тупятся). Из-за высокой вязкости при перегрузке острие или лезвие, как правило, сгибается, но очень редко ломается, исключение может составлять явно перекаленный клинок. Конечно, это относится к случайным перегрузкам, если кто-то очень захочет сломать клинок — наверняка сломает. Обладают они высокой коррозионной устойчивостью, которая, кстати, для нержавеющих сталей тоже не есть абсолютная. Да, да, нержавеющие стали тоже ржавеют, только медленней. Stainless means it stain sless шутят на эту тему люди говорящие по-английски, по-русски можно было бы сказать «менее ржавеющая сталь».

Стали с несколько большим содержанием углерода (0,7–0,9 %) по-моему представляют собой разумный компромисс между стоимостью самого материала и его обработки с одной стороны и потребительскими свойствами с другой. Клинки из них можно штамповать для придания им продольной формы и сравнительно легко обрабатывать резанием, а именно шлифовать для придания соответствующего профиля, спуска. Из сталей этой группы, таких как японская AUS-8, европейско-американская 440В, китайская 8Cr13MoV изготавливаются клинки ножей стоимостью 50–80 долларов. Исключение могут составлять ножи китайского производства из стали 8Crl3MoV, изготовленные в кооперации с известными «топовыми» изготовителями, например, линия Byrd, которую продвигает SPYDERCO наряду со своими изделиями. Эти ножи при очень умеренной цене представляют собой отличное соотношение цена — потребительские свойства, настоящая находка для не зараженных сталесно-бизмом искателей простого и надежного рабочего ножа.

Следующую группу сталей содержащих 0,9–1,2 % углерода я бы назвал «крутыми». Клинки, изготовленные из японской ATS-34, американских 154СМ и BG-42, европейско-американской 440C, итальянской N690Co, австрийской В#246;hleг N695 и им подобных, отлично держат заточку и проявляют исключительные режущие способности. Как всегда, имеется и оборотная сторона медали. Хрупкость, оборотная сторона твердости, может проявиться в виде глубоких щербин на лезвии, особенно при не слишком разумном использовании ножа, например для рубки. Заточка гладкого лезвия такого ножа в полевых условиях — трудоемкое мероприятие, даже при использовании очень хорошего инструмента. А заточка зубчатого или волнистого лезвия — это уже, мягко говоря, цирковой аттракцион.

Руководствуясь сталеснобизмом, не надо, однако, забывать, что абсолютное большинство сталей этой группы изначально разработано совсем не для производства клинков. Например, BG-42 — это подшипниковая сталь, для которой наиболее желательное свойство — износостойкость, и не в виде тонюсенькой защитной пленочки на самой режущей кромке лезвия. ATS-34 и 154СМ это стали, из которых изготавливаются лопатки газовых турбин и их основные преимущества — сохранение механической прочности и противодействие термической эрозии при высоких температурах — не имеют особого значения в клинке ножа. Американские D2, А2 и М2 — это да, это стали режущие, даже более того — быстрорежущие! Только дело в том, что изготовленные из нее высокоскоростные резцы заточены под значительно более тупым углом, чем лезвия ножей. А способность сохранять режущие свойства при высоких температурах пользователю ножа совершенно не пригодится.

Исключение в этой группе составляет японская сталь VG-10, специально разработанная именно для производства клинков ножей. Кстати сказать, из всех «крутых» сталей, с которыми мне пришлось иметь дело, как раз она лучше всего себя зарекомендовала. Именно в смысле оптимального соотношения между твердостью и вязкостью, удерживанием заточки и простотой ее выполнения, коррозионной стойкостью и режущими свойствами.

Из сталей этой группы изготавливают, как правило, клинки серийного производства, стоящие 100–200 долларов. Если сам по себе исходный материал может оказаться в 2–3 раза дороже, чем «минимальная» сталь, то его последующая обработка может стоить в 20–30 раз больше. Клинки из «крутых» сталей, как правило, вырезают из листов лазером, строгают и фрезеруют твердосплавными резцами, шлифуют не иначе как с использованием алмазного абразивного инструмента. Точат, кстати, тоже на алмазных абразивах. Эти самые стали охотно используют изготовители штучных ножей — если уж «охотиться» на сталеснобов, то по полной программе!

Взбираясь на еще более высокие в смысле цены полки, окажемся уже в компании исключительно изощренных сталеснобов и предназначенных для них сталей. Кстати, тоже далеко не всегда разработанных именно для производства клинков, но очень продвинутых, экзотических, просто чудесных! Полученные с помощью сверхсовременных порошковых технологий материалы как, например, CPM-S60V, содержащая 2,3 % углерода, ZDP-189 (3 % углерода) или CPM-15V(аж 3,4 % углерода!), даже язык не поворачивается назвать сталями, так как это противоречило бы классическому определению. Особенно изощренна в них американская металлургическая корпорация Crucible, CPM это сокращение от Crucible Powder Metallurgy. Ну что же, технологии меняются, определения, видимо, тоже должны. Это дело терминологии, а как с реальными потребительскими свойствами? А никак… Единственным реально ощутимым последствием приобретения клинка из сверхстали окажется то, что абсолютное большинство даже очень сильно интересующихся ножами любителей не сумеют хорошо его наточить, когда клинок затупится. А затупится он намного быстрее, чем большинство любителей ножей ожидает, возбуждаясь сталеснобизмом и особенно ценой ножа — можете мне поверить. Более того, абсолютное большинство «специалистов», которые предложат Вам наточить Ваш нож за деньги — тоже не сумеют этого сделать, можете мне поверить еще раз. И то, в самом лучшим случае, потому что в худшем попросту запорят дорогой клинок…

А в смысле режущих способностей — будьте реалистами. Стального троса таким суперклинком и так не перережете и железной цепи не перерубите, это случается только в фильмах и даже не в science fiction, а в fantasy. Хотите иметь такой — пожалуйста. У меня тоже есть в коллекции несколько сверхножей, и мне очень приятно их иметь и показывать восхищенным гостям «скромненько» так намекая, что «вот этот стоит 300 долларов, а этот 400» — совершенно этого не скрываю. Но не ожидайте, пожалуйста, что сверхдорогой нож сам выполнит вашу работу за вас! Это точно так же как с кофе — хороший отличается от посредственного вкусом, а очень хороший от хорошего — рекламой…

Вот, пожалуй, и все, что я хотел вам в этот раз рассказать.