Термообработка: Душа Клинка Тим Зовада, перевод Nozh2002

Два ножа могут выглядеть идентично: хорошая сталь, идеальные спуски, отличная подгонка и великолепная заточка. Но когда ножем начинают резать и/или использовать не по назначению, тогда и проявляется результат закалки. Один нож будет работать годами с минимальным уходом, другой сразу же затупиться и погнется. Истина в том что термообработка вкупе с геометрией клинка полностью определяют производительность ножа.

Процесс термообработки обычно выглядит таинственным для начинающих. Статьи и книги только добавляют загадочности. Многие авторы расхваливают свою термообработку и ее результаты с целью побольше продать своих ножей и создать вокруг себя образ "познавшего секреты". "Новые" режимы термообработки регулярно таким образом "открываются".

Обычно те кто так себя ведет очень редко разрешают проверить свои работы реальным тестированием. Очень часто заявления таких людей противоречат законам химии и физики. Покупателям и начинающим ножеделам остается только гадать где же тут истина.

Задача этой статьи объяснить базовые концепции и шаги в термообработке. Зная что и как делается вы сможете разобраться с более развитыми техниками закалки. Кроме того я надеюсь что эти базовые знания помогут отличить факты от беспардонной рекламы.

Вот основные этапы термообработки (мы их рассмотрим каждый подробнее далее).
1. Нормализация (Normalization) - "Приведение в порядок" структуры зерен стали после ковки.
2. Отжиг (Annealing) - размягчение стали для того что бы ее можно было резать и обрабатывать.
3. Разогрев (Austenizing) - нагрев стали до высокой температуры перед Закалкой.
4. Закалка (Quenching) - охлаждение стали в особом режиме, что бы она обрела твердость.
5. Отпуск (Tempering) - небольшое размягчение стали после Закалки что бы она не была слишком твердой и хрупкой.

В зависимости от марка стали варьируется температура, время и используемое оборудование. Если сталь ковалась то 1 и 2 этапы обязательны, если клинок выточен из готовой полосы серийной стали то первые два этапа были уже сделаны на заводе. Я постараюсь объяснить различия в комментариях по каждому этапу, стараясь использовать понятный доступный язык.

1. Нормализация

Ковка и сварка обычно происходят при температурах между 1500F-2100F. Работа со сталью при повышенной температуре увеличивает размер зерна стали. Не вдаваясь в подробности о том как и почему, скажу только что в этом случае чем больше тем хуже. Что бы подготовить сталь для последущей закалки необходимо размер зерна уменьшить.

Обычная процедура - разогреть клинок равномерно до 1500F и дать ему остыть медленно на воздухе. Обычно это делается от одного до трех раз. Большинство кузнецов делают это прямо в горне в котором куют и оценивают температуру на взгляд основываясь на своем опыте.

Это работает для большинства сталей которые куются и затем закаляются в воде или "быстром" масле. Например стали марок 1084, 1095, 5160, O-1 и W-2. Нормализация не рекомендуется для сталей "воздушной закалки" - A-2, 154CM и CPN S30V. Впрочем эти стали обычно не куют, так что заботятся об этом на заводе производителе.

После того как зерновая структура стали приведена в порядок нормализацией, наступает время полностью ее размягчить на этапе Отжига.

2. Отжиг

Отжиг это размягчение стали для последующей обработки. Если этого не сделать или сделать неправельно, многие стали будет невозможно сверлить или резать без использования экзотических инструментов.

Отжиг требует нагрева стали до определенной температуры и потом охлаждения с заданной скоростью. Для некоторых простых сталей, это может быть простой нагрев до критической температуры (подробнее это обсудим далее) и потом охлаждение в пепле от дерева.

Другие стали требуют нагрева в точности до определенной температуры и потом пошаговое охлаждение с выдерживанием специфических скоростей. Для таких стали используются программируемые печи что бы контролировать скорость охлаждения нужным образом. 

После этого идет финальная обрабатывается клинка, выводяться спуски, отшкуривается поверхность до готовой формы. Теперь он готов к Разогреву - первой стадии закалки.

3. Разогрев

Разогрев  - первый этап процесса придания стали твердости. Также это называют нагревом стали до критической температуры.

Температура может быть разной для разных сталей. Время выдерживания стали при этой температуре также зависит от состава сплава. Инструментальная сталь O-1 нагревается до 1475F и выдерживается всего несколько минут. ATS-34 надо нагреть до 1950F и 45 минут выдерживать.

Оборудование необходимое для Разогрева очень сильно зависит от состава сплава. Для простых сталей можно использовать кузнечный горн или даже факел газовой горелки, и добиться неплохих результатов. Конечно нужно обладать определенным опытом, что бы определять на глаз по цвету раскаленной стали, но это тем не менее возможно. Но даже незначительное отклонение температуры всего в 50F может все испортить. Горны и газовые горелки можно использовать только для сталей которые не требуют длительного выдерживания клинка при критической температуре.

Сейчас все больше и больше используют для нагрева электрические печи, сейчас это самый распространенный инструмент термообработки. Они позволяют контролировать температурв в пределаж всего нескольких градусов. Очень важна возможность контроля атмосферы внутри печи. Сталь выдерживаемая при высокой температуре долгое время будет декарбонизоваться (терять углерод) и если не предпринять мер предосторожности этот процесс может зайти слишком далеко. Заворачивание в фольгу из нержавейки и поддув аргона  - вот два способа контроля декарбонизации в печи.

Соляные ванны то же становяться популярными. Ванночка расплавленной соли используется для нагрева клинка до нужной температуры. Подогреваться она может електрически либо газом. Преимущество солевой ванны в том что клинок абсолютно изолирован от атмосферы, и температура обеспечивается в точности даже для длинномерных клинков.

4. Закалка

После того как клинок выдержан заданное время при критической температуре, он должен быть охлажден. Опять же детали зависят от марки стали. Некоторые стали должны быть охлаждены в воде для достижения максимальной твердости, другие можно охладить на воздухе.

Для сталей которые требуют охлаждения в жидкости очень важно знать как быстро должен этот процесс проходить. Стали типа 1084, 1095 и W-2 надо охлаждать очень быстро. Традиционно для этого используется вода, однако сейчас существуют специальные закалоччные масла, в частности Park Metallurgical (Heatbath) #50. Для сталей требующих не такого быстрого охлаждения - O-1 и L-6 можно использовать масло Park's AAA или Brownell's Touhg Quench.

Важно использовать именно закалочное масло, другие варианты - оливковое масло, жидкость трансмиссии, моторное масло или животный жир, тоже справяться с этой работой, но только справяться не лучшим образом. Стадии испарения, вязкость, теплопроводность и другие факторы уменьшают эффективность и даже применимость таких домашних закалочных жидкостей.

Расплавленная соль так же используется для закалки. Это другие соли, не те которые используются на стадии Разогрева. В основним их используют при температуре 400F. Предназначаются для прерывания охлаждения когда клинок начинает набирать твердость. Несмотря на то что это Quenching такие техники называются Martempering и austempering. Как и почему это делается - отдельная тема для другой статьи.

Клинки обычно начинают охлаждать погружая в жидкость острием вперед. Потом быстрое покачивание в плоскости клинка помогает ускорить охлаждение и добиться его равномерности. Это закалит полностью весь клинок.

Некоторые мастера помещают в закалочную жидкость не весь клинок, а только режущую кромку. Цель - получить твердую режущую кромку и мягкий обух. Технически осуществить это не очень просто. Другой вариант - использовать японский метод, обмазав обух глиной в качестве термоизоляции. Клинок опускается в жидкость целиком, но при этом термоизолированный клинок остается мягче.

Закаленный до максимальной твердости клинок слишком тверд для использования, он требует небольшого размягчения в процессе Отпуска.

5. Отпуск

Закаленный клинок нужно слегка размягчить что бы он не был хрупким. Этот этап включает в себя повторный нагрев клинка, но до температуры меньшей критической. Обычно это от 350F до 950F. И опять же все зависит от марки используемой стали.

Отпуск обычно проводят с помощью газовой горелки, печи или низкотемпературной соляной ванны. На простых сталях с помощью газовой горелки можно производить отпуск выборочно, варьируя таким образом твердость на разных участках клинка. Даже если клинок был полностью закален весь целиком, все равно можно добиться твердой режущей кромки и более мягкого обуха.

Большенство производителей сталей рекоммендуют повторять Tempering два или три раза.

Чтож, вот собственно весь процесс термообработки - все пять основных этапов. Если клинок не ковался то первые два этапа не нужны.

Рецепты термообработки.

Далее приведены три очень различающихся рецепта термообработки для 1084, O-1 и CPM S30V. Эти рецепты демонстрируют насколько различается этот процесс для этих трех достаточно распространенных сталей.

1084:

1) Нормализация: Разогреть до 1600F, охладить на спокойном воздухе.
2) Отжиг: Разогреть до 1500F, охладить со скоростью 50F в час до 1200F. Пепел от дров хорошо для этого подходит.
3) Разогрев: Разогреть до 1500F.
4) Закалка: Закалять в воде, рассоле или "быстром" масле. Надо охладить клинок до 100F за одну секунду
5) Отпуск: 350F-650F финальная твердость по Rockwell 58-62 HRC (nozh2002 - меньше температура - больше твердость)

O-1:

1) Нормализация: Разогреть до 1600F, охладить на спокойном воздухе
2) Отжиг: Разогреть до 1400F-1450F, охлаждать не быстрее чем 20F в час до 1000F, после 1000F скорость не важна. 
3) Разогрев: разогреть до 1450F-1500F выдержать по 5 минут на каждый дюйм толщины.
4) Закалка: Закалять в масле "средней скорости". Надо охладить клинок до температуры ниже 1000F меньше чем за 6 сек.
5) Отпуск: 350F-500F финальная твердость по Rockwell 57-62 HRC (nozh2002 - меньше температура - больше твердость)

CPM S30V:

1) Нормализация: не нормализуется
2) Отжиг: Разогреть до 1650F, выдержать 2 часа, охладить со скоростью не более 25F в секунду до 1100F.
3) Разогрев: Печь с контролируемой атмосферой или обернуть в фольгу. Разогреть до 1950F, выдержать 15-30 минут
4) Закалка: Вынуть из печи и охладить на воздухе
5) Отпуск: Разогреть до 600F, выдержать 2 часа. Рекомендуется заморозка между отпусками. Всегда повторять отпуск после заморозки хотя бы один раз. Финальная твердость 59-60 HRC

Дополнительные технологии и информация.

Поскольку это обзорная статья по процессу термообработки, я только вкратце напишу о рассматриваемых ниже вопросах, каждый из которых требует на самом деле многостраничной статьи.

Martempering: На самом деле правельнее называть marquenching, поскольку это вариант процесса quenching (закалка). Идея в том что бы остановить охлаждение при достижении 400F и далее охлаждать на воздухе. В результате клинок будет более упругий и прочный на удар чем клинки закаленные традиционным способом. 

Austempering: то же что и Martempering но клинок по достижении 400F выдерживается при ней несколько часов. В результате образуется Banite - очень крепкий на удар и потому особенно важен для мечей.

Японская термообработка: Перед Разогревом обух и бока клинка покрываются тонким слоем глины, а режущая кромка остается открытой. Клинок после этого закаляется и отпускается. В результате у клинка будет твердая режущая кромка и мягкий обух. В качеестве дополнительного приза образуется прекрасный хамон или линия закалки.

Заморозка: Используется в основном для высоколегированных сталей. Некоторые стали не достигают полной твердости если остановить охлаждение при комнатной температуре. Заморозка в жидком азоте завершает процесс набора твердости. Кроме того для простых сталей заморозка увеличивает упругость и ударную прочность.

Твердость по Rocwell: Говорит о способности стали сопротивляться внедрению алмаза специальной формы под заданным весом (150 кг для шкалы C). Это говорит только о том насколько сталь тверда, но не более. Это не говорит о том как клинок будет держать заточку или насколько он будет крепок. Например сталь 1084 закаленная слишком медленно даст финальную твердость 59HRC и это без отпуска. Та же сталь закаленную по всем правилам до 65HRC, отпускается до 59HRC. При одинаковой твердости первый клинок будет значительно хуже второго, поскольку внутренняя структура получиться совершенно другая.

Душа Клинка

Термообработка поистине вкладывает душу в клинок. Это не так запутанно или сложно. Нужно только не торопясь выучить все шаги и контролировать процессы. Начать с простых сталей и оборудования. По мере обучения и с новым оборудованием можно постепенно переходить к более сложным технологиям.

D-1:

1) Нормализация: нет данных
2) Отжиг: равномерно разогреть до 1550F1660F и охлаждать не быстрее чем 20F в час пока печка не почернеет, потом охлаждать на воздухе
3) Разогрев: разогреть до 1800F-1875F, не перегревать! выдержать по 20 минут.
4) Закалка: Закалять на воздухе (63-64HRC).
5) Отпуск: 450F финальная твердость по Rockwell 59 HRC

ATS-34 по рецепту Павла Боса

Разогреть до 1975F выдерживать 40 минут
Закаливать в аргоне или в воздухе в струе до 120F
После этого заморозить клинок жидким азотом до -220F выдержать 6-8 часов
Дважда отпустить при 950F по 2 часа каждый.

с сайта Crucible
 

nozh2002@yahoo.com