Истоки элитных сталей (ATS-34 и пр.)

Ясуки хаганэ (группа элитных японских сталей) используется большинством производителей ножей в Японии. Они еще называются YSS (Yasuki Speciality Steel). Кроме этого используются тамохогане (сталь для самурайских мечей), Шведская сталь, сталь Феникс из Британии и пр. - но редко только в особых случаях. Можно сказать, что японские кузнецы по всей Японии исключительно используют Ясуки. Это сталь производиться исключительно Hitachi Metals, Ltd (подразделение Хитачи) - фабрикой Ясуги. Предшественник Hitachi Metals - Unpaku Steel Company основанная на базе производства Ясуги в 1891. Основатели производства обладали секретом технологии Вакоу (японская сталь) с помощью которой производилась сталь для мечей и другого оружия из элитного железного песка из Изумо. Фабрика Ясуги была поглощена Хитачи и стала называться Hitachi Metals, Ltd в 1967.Таким образом производство Ясуги - старейшее производство в составе Хитачи.

Земля Изумо провинции Шимане с производством Ясуги было известно с древних времен как место где изготавляется античная сталь тамахагане. Тамахагане изготовляется из железного песка высочайшей чистоты - "Маса" который добывают в горах или речных размывах. Метод которым добывают железный песок называется "канна нагаши" использует течение реки и тяжесть железа - примитивный метод, тем не менее поззволяющий опытному мастеру намывать много песка.

Кроме того богатые лесные ресурсы гор оборачиваются хорошим источником древесного угля необходимого для производства железа. Тамахогане в Изумо производиться с помощью "метот производства стали Татара" ставшего хорошо известным благодаря фильму "Принцесса Мононоке". Тамахогане из Изумо очень качественное и распространяется по всей Японии как сталь для режущего инструмента в том числе и для самурайских мечей. До периода Эдо 80% стали в Японии было из Изумо. Когда же современные сталелитейные технологии выплавляющие сталь из железной руды в доменных печах пришли Японию, распространенные повсеместно "татара кузницы" очень быстро исчезли. Однако тамахогоне в Изумо просуществовало до начала 1900 годов. Hitachi Metals поглотившая Unpaku Steel Company унаследовала процесс вакоу использующий песок "Маса" используя и по сей день преимущества географического положения.

Однако производство Ясуго не стояло на месте и разработало аналогичные татара безкислородные методы производства стали и безиспользования древесного угля. Кроме того они разработали множество современных методов сталеплавления. Например ЭлектроШлаковаяПереплавка (Electro-Slag Remelting) была изобретена в СССР (сейчас это Украина) во время Холодной Войны. С его помощью можно производить сталь мелкой структуры (fine solidification structure of steel) без использования вакумного процесса. Ясуго вторыми после СССР и первыми в Западном мире стали использовать этот метод. Это было секретом и только второй случай в Японии применения этой технологии был официально объявлен. Русские конечно знали об этом факте.

Из за своего высокого качества стали ясуки сейчас считаетюся лучшеми для ножей, автомобилестроения, бритвенных лезвий, лопаток реактивных турбин и металлообрабатывающих инструментов. ATS-34, SLD (D2) считается самыми лучшими для элитных ножей по всему миру. Джиманджи - одна из самых известных сталей для бритвенных лезвий.

Высокоуглеродные стали Тамахогане, Широгами, Аогами считаются лучшими для профессиональных резчиков по дереву и поваров в Японии. Они известны тем что их микроструктура улучшается со временем в процессе использования. Конечно свойчтва ножей зависят от мастера кузнеца котрый использует эту сталь для производства режущего инструмента.

Широгами (Shiro Kami- белая бумага) -белая сталь или Ясуки №1
C 1-1.2% Si 0.1-0.2% Mn 0.2-0.3%
Аогами (Ao Kami - голубая бумага) - голубая сталь или Ясуки №2
C 1-1.2% Si 0.1-0.2% Mn 0.2-0.3% Cr 0.2-0.5% W 1-1.5%

Обычно закаляются до 62-64HRC

Голубая сталь легче в термообработке - японские мастера смотрят на цвет раскаленной стали, определяя таким образом температуру, и с голубой сложнее ошибиться, поскольку границы какого то там температурного диапазона шире.

Татара метод - 15 тонн железного песка и 15 тонн древесного угля загружают в глиняную печь и жгут три дня и три ночи. Потом ломают печь и изымают Керу - огромный слиток стали весом около 2.5 тонн, получающейся на дне перчи. Остывшую Керу разбивают на куски, которые потом разделяют на три сорта Тамахагане, Букера и Керазуки и пр. Букера и Керазуми идут на изготовление ножей, инструментов и сельскохозяйственного инвентаря и требуют термообработки и повторной закалки.

Татара метод использовался повсеместно с эры Эдо вплоть до начала эры Меиджи и более 80% стали в Японии производилось в округе Чугоку. Во время эры Меиджи в Японию из-за рубежа пришли современные более эффективные методы производства стали и Татара метод из-за своей неэффективности резко потерял популярность и совсем исчез в эру Таишо.

Производиться сталь стала компанией основанной в Ясуги Сити с использованием современных технологий. Сейчас она известна в Японии и за рубежом как сталь Ясуки.

Однако поскольку только тамахагане может использоваться для изготовления настоящих самурайских мечей и эта сталь может быть произведена только с помощью Татар метода - Татар производство и печи былы восстановлено в 1977 году в городе Ёкота Японской Ассоциацией Сохранения Искусства и Мечей. С тех времен всего по несколько раз в год выплавляется сталь по этой методике.

Сейчас все высококачественные стали получают с помощью различных способов рафинирования. Наиболее часто используют электрошлаковый переплав и различные способы вакуумного переплава (ВД, ВИ...). Для лучшей дегазации применяют продувку аргоном. Для лучшего удаления серы и фосфора (а в некоторых случаях и углерода) используют кислородное рафинирование. Наиболее высококачественные стали выплавляют, используя несколко методов одновременно или последовательно.
При одинаковом формальном составе стали, сталь разных плавок может заметно отличатся по свойствам. Причиной тому могут стать различные примеси, иногда ОЧЕНЬ заметно влияющие на состояние границ зерен (например 0.002% Sb или Bi могут сделать из стали стекло) и применяемые модификаторы.

Первичный размер зерна и распределение карбидов зависят от состава стали, ее модифицирования и условий охлаждения слитка (температура заливки, масса и размеры слитка, характер формы).

Именно поэтому высококачественные стали отливают в слитки малой массы, что обеспечивает лучшую первичную структуру стали. Хотя, при выборе оптимального размера слитка надо иметь в виду её дальнейшую судьбу - то есть, на какой профиль сталь будет прокатана.
То есть на свойства стали в прокате влияют как первоначальная структура стали, так и степень деформации (и разумеется, ее зарактер) и разумеется, ТО.

И, если размер зерна стали как правило формируется в результате окончательной ТО (при последней закалке), хотя, в той или иной степени наследуется первоначальная структура, то с распределением карбидов все намного сложнее. Его можно улучшить термообработкой (в зависимости от типа карбида можно применять разные методы) и используя пластическую деформацию. Самый радикальный способ - использование методов порошковой металлургии.

Важность закалки стали

Химический состав стали определяет ее потенциал быть исключительным лезвием - насколько этот потенциал реализуется зависит исключительно от термической обработки. Без закалки это не сталь а сплав. Прекрасная сталь, но незакаленная - мягкая как обычное железо; или перекаленная сталь подобна стеклу чрезвычайно острая но хрупкая и колется при малейших нагрузках. Например сталь AUS-8 заточку не держит при закалке до твердости менее 56 Роквела, очень хороша при 57 Роквела и совсем хрупка при 60 Роквела. Иногда можно прочитать про тот или иной оригинальный способ закалки. Это скорее всего реликт кустарного производства - "секрет" передаваемый из поколения в поколение. Например англичанин Томми (не знаю реальное это имя или просто его так назвали поскольку он англичанин) более полутораста лет назад научил финнов закалять сталь в масле и они следуют этой технологии до сих пор. Дело в том что для каждой стали существует свой известный способ охлаждения: воздушный, масляный, криогенный... Это определяется природой сплава и определением лучшего способа охлаждения занимаются металлургические лаборатории, вооруженные электронными микроскопами, спектрометрами, термометрами и т.п..

Так же существуют таблицы отпуска сталей где указано до какой температуры ее разогревать после закалки, что бы получить нужную твердость по Роквелу. Поэтому мало вероятно, что используя масляную закалку для стали, которая нуждается в воздушной, можно было бы получить хороший результат. Разве что варить свою сталь - чем практически никто не занимается. Я знаю только про Роселли в Финляндии и мастеров Гильдии Оружейников в России. Они правда экспериментируют с булатом - супер высокоуглеродными сплавами, для которых, как я понял, закалка не нужна и даже вредна. Каинуун делает ножи из "серебряной стали" и закаливают в масле как научил их Томми. С другой стороны, закалка с охлаждением с помощью криогеники до -130C повышает износостойкость 440 стали приблизительно на 120%, эффективная твердость увеличивается на 10-15%.

Закалка даже на плохой стали может привести к тому, что такой клинок окажется лучше, чем клинок из лучшей стали, но с худшей по качеству закалкой. Плохая термическая обработка может привести к тому, что лезвие из нержавеющей стали потеряет свою устойчивость к коррозии, либо упругая сталь станет хрупкой, и так далее. К сожалению, из всех трех самых главных свойства лезвия (профиль клинка, тип стали и тип закалки), закалку нельзя оценить визуально. Как результат этого, на нее зачастую не обращают внимания, уделяя ее лишь форме клинка и типу стали.

Вывод 1: Таким образом сталь сама по себе не делает нож хорошим, к сожалению определить как хорошо лезвие обработано невозможно без интенсивного использования. Поэтому лучше довериться авторитетной фирме или мастеру, чем химическому составу стали.

Вывод 2: Хороший нож из полосы хорошей стали путем просто обточки получить без закалки невозможно. Более того при сильном нагреве сопутствующем обточке на станке сталь может потерять свои свойства, если она не специальная инструментальная - высокоскоростная, точнее это зависит от режима отпуска для этой стали.

Русские ножевые стали

Так как для изготовления клинков наиболее часто применяют инструментальные (в том числе и корозионностойкие) и близкие к ним подшипниковые и рессорно-пружинные стали, попробую остановиться на них поподробнее. При этом буду придерживаться классификации, принятой для инструментальных сталей (для сталей другого целевого назначения буду делать комментарии)

Углеродистые стали.

Стали типа наших У7-У16 и буржуйской 1095. Сюда же можно отнести легированные марганцем стали (в том числе и любимую многими 65Г). Весьма популярны, но, на мой взгляд, недостатков намного больше, чем плюсов. В первую очередь, хотя это многих удивит, низкая прочность и ударная вязкость (без ковки и/или термоциклической обработки). Во вторых, как это опять же не удивительно, сложность ТО - в первую очередь узкий интервал закалочных температур (особенно, для доэвтектоидных и эвтектоидных сталей) - стоит чуть перегреть - пиши пропало. В третьих - низкая износостойкость, несмотря на высокие достижимые значения получаемой твердости. Низкая закаливаемость и прокаливаемость, высокая деформация при закалке. Низкая стабильность свойств. Ржавеют опять же.. Все вышесказанное не относится к ножам Мастеров - в их исполнении углеродка может быть очень неплоха.

А теперь попробую поподробнее.

Инструментальные углеродистые стали в соответствии с ГОСТ 1435–90 маркируют буквой «У» и числом, указывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для изготовления инструмента применяют качественные стали марок У7–У13 и высококачественные стали марок У7А–У13А, а так же стали, легированные марганцем.

По структуре стали подразделяются на эвтектоидные (У7-У8) и заэвтектоидные (У9-У16) По механическим свойствам и назначению углеродистые стали подразделяются на:

стали повышенной вязкости (У7–У9) для изготовления инструмента с высокой режущей способностью, подвергающегося ударным нагрузкам (зубила, кернеры и т.д.). К этой же группе можно отнести рессорно-пружинные стали типа 60-75Г.

стали высокой твердости (У10–У13) для изготовления режущего инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам (напильники, шаберы и т. д.). Сталь У16 применяется в основном для изготовления износостойких втулок.

Твердость окончательно термически обработанного инструмента из углеродистых сталей обычно лежит в интервале 57–63 HRCЭ, а прочность при изгибе составляет 1800–2700 МПа. Стали требуют аккуратного шлифования из за возможности образования прижогов и мягких пятен. После шлифования желателен низкий отпуск.

Свойства углеродистых сталей могут быть заметно улучшены термоциклической и термомеханической обработкой. В некоторых случаях будет уместной зонная закалка. Перспективных сталей в этой группе не предвидится.

Легированные стали

В данном пункте будут рассмотрены только низко- и среднелегированные стали. Эти стали подразделяются на стали неглубокой и глубокой прокаливаемости. По назначению – инструментальные и подшипниковые (сталь ШХ4 близка к стали Х, ШХ15 – к стали Х1).

Из наиболее популярных хочется отметить

• Х (ШХ4)
• Х1 (ШХ15)
• 9ХФ (90ХФМ)
• 11ХФ (11Х)
• 13Х
• ХВГ (ХСВГ, ХСВГФ)
• В2Ф и ХВ4Ф (ХВ5)

Из перспективных сталей – возможно, стали типа ХВ4Ф, при замене в структуре стали карбида вольфрама на карбид ванадия или ниобия.

Полутеплостойкие стали.

Как правило, высокоуглеродистые стали, легированные хромом, молибденом, ванадием, иногда вольфрамом. В этой группе рассмотрим только стали, обычно обрабатываемые на первичную твердость. Некоторые стали этого типа производятся по порошковой технологии. По назначению – как правило штамповые стали. На мой взгляд, это одна из наиболее интересных групп для изготовления клинков. Традиционно их делят по износостойкости на стали повышенной и высокой износостойкости. Кроме того, они традиционно делятся на 2 группы - 6%Cr и 12%Cr

6% Cr - типичные представители 85Х6НФТ и Х6ВФ (близки к буржуйской А2)- хорошее сочетание прочности, износостойкости и ударной вязкости. Еще лучшим комплексом свойств обладают высокованадиевые стали типа Х6Ф4М (близка к буржуйской А7)

12% Cr - ну, самый типичный представитель - Х12МФ (D2). Износостойкость примерно в 2 раза выше, чем у Х6ВФ, ударная вязкость в 2 раза меньше (можно заметно повысить ТЦО). Х12Ф1 - примерно посередине между Х12МФ и Х6ВФ.

Есть высокоуглеродистые стали типа Х12 и Х12ВМ (Х12В, Х12ВМФ) - износостойкость несколько выше чем у Х12МФ, прочность и вязкость - заметно ниже.

Есть высокованадиевые стали типа Х12Ф4М - износостойкость выше чем у высокоуглеродистых сталей при прочности и вязкости, сопоставимых с Х12МФ.

Отдельную группу составляют стали типа Х3Ф8, Х3Ф12 или Х1М2Ф12

Из наиболее перспективных - Х6Ф4М и Х12Ф4М (Х12Ф3М, Х12МФ4). Эти стали, особенно Х6Ф4М, могут быть интересны и для любителей булата. Вполне возможно, будут интересны азотсодержащие стали этого типа.

Быстрорежущие стали.

Как правило, стали, легированные хромом, вольфрамом, молибденом и ванадием. Наиболее распространенные марки:

• Р18
• Р12
• Р9
• Р6М5 (10Р6М5, Р6АМ5)
• Р6М5Ф3 (Р6М5Ф4)
• Р2М8 (11Р2М8)
• Р8М3
• Р12Ф3
• Р14Ф4
• Р9Ф5
• Р6М4К5
• 11Р2М8К5 (11Р2М8К8)
• 11Р3АМ3Ф2

И еще около 100 марок.

Исторически наиболее популярна Р6М5 (М2). При правильной ТО сталь с неплохим комплексом свойств. Но, все же, уступает высокованадиевым сталям предыдущей группы. В последнее время на эксклюзивных моделях появляются и другие выстрорезы, как правило высокованадиевые порошковые. Интегральное мнение - стали весьма неплохи, но тот же (и даже более высокий) уровень свойств можно получить на сталях попроще и с более простой ТО. Кстати, по ТО - для использования для клинков ножей большинство быстрорезов можно обрабатывать на первичную твердость - в результате - как правило, несколько ниже твердость, больше остаточного аустенита, и несколько (иногда в 2 раза) больше ударная вязкость. В случае обработки на вторичную твердость рекомендуют несколько (на 10-40С) понизить температуру закалки. Возможно, будет иметь смысл оставить некоторое количество аустенита (например, снизить температуру 3 го отпуска до 400-450 градусов.) Снизив температуру первого отпуска до 400-450 градусов и заметно увеличив его длительность можно получить лучшее распределение карбидов, и, следовательно, прочность и вязкость. Некоторые резервы есть в комплексном модифицировании (B + Zr + Nb + РЗМ) и применении методов порошковой металлугии.

Из новых интересных марок – молибденовые стили типа 11М5Ф, 11М7ФЮС, безвольфрамовые стали типа 65Х6М3Ф3БС (ЭП973), 65Х6М2Ф3Б (ЭП972), 9Х6Ф2АРСТГ (ЭК15), 95Х6М3Ф3СТ,ш (ЭК80), 9Х4М3Ф2АГСТ (ЭК42).

Отдельную группу составляют стали с интерметаллидным или карбидным и интерметаллидным упрочнением – о них дальше.
5. Стали с высоким сопротивлением пластической деформации.

Как правило это стали обрабатываемые на вторичную твердость (подобно быстрорезам). Основное применение - инструмент для холодной деформации, теплостойкие подшипники, детали топливной аппаратуры. Типичные представители -

• 6Х6В3МФС, 6Х4М2ФС, 8Х4В2МФС2, 11Х4В2МФ3С2.

Некоторые из них (особенно 6Х6В3МФС и 6Х4М2ФС) могут быть весьма интересны для изготовления ножей, ориентированных на рубку.

К этому же классу могут быть отнесены некоторые стали, которые могут применятся как быстрорежущие, но в основном применяются как стали с высоким сопротивлением пластической деформации, например:

17Х5В3МФ5С2 МП, Р0М2СФ10 МП (CPM 10V), 17М6Ф5Б (МП).