Сталь, железо и чугун или Путь меча III

Сразу сделаю важную оговорку: все представленное является глубоко субъективным и очень сильно упрощенным взглядом на вещи. Ибо, если погружаться в важные нюансы, нижележащий текст рискует разрастись до миллионов знаков. Поэтому придется упрощать.

=======================================

После того, как разрушена татара, наступает «холодный» этап японской металлургии. Фактически «драгоценная сталь» уже создана, но, как водится, сокровище скрыто от глаз простых смертных и видимо только тем, кто понимает металл.

Что внутри у кэры

Раскаленную глыбу вытаскивают из разрушенной печи с помощью тяжелых цепей и рычагов. Тут требуются усилия нескольких десятков человек, чтобы ворочать пышущую жаром железную губку весом более 2 тонн. Когда кэру вытащили на двор, засыпанный песком, там ее быстро обливают водой, чтобы «встала» внешняя корка (как вариант - обливают прямо сразу после вытаскивания, чтобы не развалилась в процессе, хотя японская крица обычно плотнее европейской). Это серьезное отличие от европейского сыродутного процесса, когда крицу сразу же из печи начинают деликатно уплотнять деревянными молотами на пеньках, первично выколачивая шлак. Задача японского металлурга – как раз НЕ уплотнять крицу, потому что иначе не сработает следующий технологический этап.

Вода резко охлаждает внешнюю корку, состоящую из застывшего шлака. Из-за перепада температур (получается градиент больше 1000 С) хрупкий силикатный шлак трескается и отслаивается от металлического ядра, что потом экономит работу. Свист, шум, стрельба кусками шлака и струи разогретого острого пара, так что работникам надо было беречься.

После того, как корка образована, кэре требуется несколько дней, чтобы полностью остыть до самой сердцевины и достичь безопасной температуры для дальнейшей работы. Заодно в процессе произойдет повторный отпуск закалившейся верхней металлической корки. Естественная скорость охлаждения важна для правильной кристаллизации – иначе не сработает сортировка металла при разборе крицы. Металл к делению и сортировке приходит отпущенным.

Процесс деления называется кэра-вари. На большие части крупную кэру исторически делили, разбивая падающими молотами коперного типа (поднимали на треноге 200-300 кг каменную или деревянную окованную бабу и резко отпускали веревку). Поскольку крица представляет собой не сплавившийся цельный кусок, а скорее слипшиеся крупные капли (больше всего похоже на рыхлую бетонную отливку с крупным зерном), она относительно легко разваливается на куски при ударе. Колют ее по внутренним трещинам, жилам шлака и т.п. После первичной разделки в дело вступали кувалды на длинных ручках, потом уже ручные молотки и зубила.

В итоге крицу раскалывают на куски примерно с кулак – так они удобны для работы и последующей сортировки. Без этого невозможно понять, что именно наварили и не рассортировать разнородные материалы.

В целом в среднестатистической кэре материалы распределены в такой пропорции:

• 50-60% - годные сталь и железо
• 20-30% - чугун
• 20-30% - шлак
  
  

Теперь подробнее о том, что есть что и какими характеристиками оно обладает.

• Тамахаганэ (玉鋼 - Драгоценная сталь). Чистая высокоуглеродистая, с минимальным количеством вредных примесей. Образуется в средней части печи, где температура и приток кислорода от мехов идеально сбалансированы для умеренного науглероживания. Высококачественная сталь с идеальным содержанием углерода (от 1,0% до 1,5% - т.е. от нашей советской У10А до У13А – 1,5% это уже перебор, но они в процессе ковки выгорают и растворяются до тех же 1,3%). Из нее куют лезвие и внешнюю оболочку (каваганэ) традиционной катаны.
• Дзуку (銑 - Серый или белый чугун) Переуглероженный металл (обычно более 2% углерода, но доходит до 4,5%). Он очень твердый, но хрупкий как стекло. Из-за очень высокого содержания углерода температура его плавления падает до 1150 C, чугун образуется ближе к фурмам, где металл жиже и активнее набирает углерод. В процессе плавки он стекает вниз печи и скапливается в «фундаменте» крицы, на угольной подложке в поде. Если его не отбирают для пользования как чугун в чистом виде, он отправляется на вторичный передел: его нагревают и выжигают излишки углерода, превращая в пластичную сварочную сталь и тамахаганэ.
• Хотё-тэцу (包丁鉄 - Мягкое железо) Содержание углерода ниже 0,3% (почти железо) или 0,3-0,5% (аналог диапазон советской Ст3 - Ст45 – 50А в исключительных случаях) Низкоуглеродистая сталь/железо, мягкая, вязкая и очень ковкая, если до 0,45% углерода, то калится почти никак. Образуется в основном по верхам, там, где полужидкие капли не прошли достаточный путь сквозь раскаленный уголь, чтобы науглеродиться. Из этого металла чаще всего делается «тело» повседневных инструментов (топоров, долот, кухонных ножей, рубанков и т.п.). В производстве мечей более науглероженную часть этого материала используют для ковки относительно мягкого сердечника клинка (синганэ).

Треть кэры – это шлак. Он заполняет все пустоты между слипшимися каплями металла. У него очень специфический состав из-за сочетания сырья и технологии.

В базе там фаялит (Fe₂SiO₄), один из силикатов железа, который плавится при относительно низкой температуре порядка 1200 C и служит естественным флюсом. Он обволакивает частицы железа, защищая их от повторного окисления кислородом воздуха. Это в целом типичный металлургический шлак, жидкий и дающий текучесть (см. ранее про контроль условий плавки по анализу шлака).

Специфический для японского процесса компонент шлака – диоксид титана (TiO₂). Он получается, в т.ч. в процессе выгонки железа из ильменита или готового диоксида, содержащегося в черном песке (соединения титана составляют до 5-7% массы, в зависимости от типа песка). Титан минимально переходит в восстановленный металл при таких температурах, почти полностью уходя в шлак, делая его более вязким, но чуть более легкоплавким и активнее вбирающим в себя разные ненужные примеси. Еще один специфический «японский» шлак – стеклоподобная смесь оксида алюминия (Al₂O₃) и диоксида кремния (SiO₂). Его отдают плавящиеся в процессе глиняные стенки печи, работает как флюс.

Искры и звон

Каждый отбитый кусок кэра похож на все остальные – это буро-черная ноздреватая масса, в которой не угадать реальное содержимое. Поскольку с химическими лабораториями в феодальной Японии было туго, разбор и сортировка металла были обязанностью мастера и вопросом его насмотренности и музыкального слуха, это была основная процедура. Дополнительная проверка – по искре на точильном камне, называется хибана-кэнса (火花検査). Еще один метод - «проверка через закалку», якиирэ-кэнса (焼き入れ検査): кусочек нагревали до «вишни» (порядка 800 С), опускали в воду и пробовали потом отрубить зубилом и резать напильником.

Экспериментами, проведенными не раз еще в ХХ веке, было доказано, что опытный мурагэ на глаз и на слух может рассортировать кричную сталь по содержанию углерода с точностью до 0,1%.

Для разбора и сортировки уже отбитые куски крицы разогревают и разбивают в пластины порядка 3-8 мм толщины (чаще всего 3-4, но известны варианты и толще) с резким охлаждением, чтобы они стали хрупкими. Эта процедура называется мидзу-хэси. Потом пластины по одной ломают молотком на специальном приспособлении или просто на краю наковальни на кусочки редко больше порядка 20х20 мм, чаще даже мельче. Процесс называется ковари, (小割り - буквально "дробление").

Вот тут и начинается искусство. Первый пакет информации мастер получает через слух  - он оценивает звук, с которым ломается пластина и конкретный кусочек.

Дальше мастер начинает вглядываться в свежий излом. Делать это нужно при естественном дневном освещении, так как искусственный свет может сильно исказить восприятие цвета и оценку блеска металла.

У «драгоценной стали» излом имеет глубокий серебристо-белый, яркий цвет, с возможным чуть голубоватым отсветом, без темных матовых пятен. Он интенсивно искрится и блестит на солнце, напоминая излом мелкозернистого сахара или яшмы (отсюда и название «драгоценная сталь»). Кристаллическое зерно мелкое, плотное и однородное по всей площади скола. Это говорит о правильном содержании углерода (1,0–1,5%) и полном отсутствии шлаковых карманов. При ударе кусок скалывается с характерным чистым, высоким, «металлическим» звоном. Он твердый, но не стеклянно-хрупкий, чуть-чуть деформируется при ударе. При точении дает характерную светлую, соломенного цвета длинную «кудрявую» искру, которая на треке «взрывается» и дает много звездочек.

Внутри самой тамахаганэ есть минимум два сорта. Высший – хоси-тамахаганэ – это тот самый идеальный вариант. Низший – тамахаганэ, но с видимыми включениями шлака, с ней предстоит потрудиться, чтобы выбить шлак.

У чугуна излом имеет тусклый серый, серо-голубой или матовый белесый оттенок. Он блестит гораздо слабее, чем тамахаганэ, и выглядит более «сухим», не настолько отражающим. Зерно часто очень мелкое, структура излома может быть либо игольчатой (характерно для белого чугуна), либо грубой, с выраженными крупными кристаллическими пластинами (серый чугун). При ударе молотом издает глуховатый тупой звук, колется как стекло, без пластической деформации, с крошкой, грани плоские. Искра короткая, тусклая, рыжевато-красная или темно-красная.

У мягкого железа часто не бывает скола, оно скорее гнется и рвется. Скол имеет темно-серый, свинцовый, волокнистый вид, часто рваный по форме. Блеск практически отсутствует, поверхность кажется шероховатой и бархатистой. Зерно крупнее, не кристаллическое, а скорее вытянутое, волокнистое, неоднородное. Часто видны явные включения шлака между слоями. Такой кусок очень сложно расколоть – металл тянется, похоже на крутую глину, при ударе выдает «вязкий» тупой низкий звон, часто ломается только от усталости, после нескольких ударов и перегибов. Искра в основном вялая, оранжевая и «прямая», без звездочек.

В среднем, в процессе ковари мастер может рассортировать около 12-15 кг за рабочий день. Обычно с самого утра разбивали и калили пластины, ломка занимала около часа, а вот изучение и отбор - весь остальной световой день. 

На один меч обычно требовалось в среднем около 7,5 кг рассортированой стали. Таким образом, за один день можно было отобрать стали на 1-2 изделия. В окалину и опилки улетит от70 до 85% этого материала.

После сортировки сталь разных сортов, железо и чугун раскладывают по корзинам и опечатывают - это уже отборное сырье.

Второй путь

Получение тамахаганэ – это прямой путь от песка-сатэцу к металлу. Однако, как это всегда бывает в нашем мире, есть и иной путь. Он происходит не в татаре, а чаще всего укромно, являясь личным секретом кузнеца или школы.

Поскольку даже в идеальных условиях в кэре получается до трети переуглероженного чугуна-дзуку и ковкой, но не калящейся стали хотё-тэцу, приходится доводить эти материалы до нужной кондиции переделом, ибо разбрасываться сырьем, которое добывается по «золотой» технологии, было бы неразумно. Точно так же утилизировали обрезки железа и стали, обломки инструментов и клинков, чтобы не пропадать добру. 

Называется процесс оросиганэ (卸し鉄) дословно «разбавленное/обедненное железо». Это особая технология вторичного передела металла и его рафинирования, которую японские оружейники применяют непосредственно в кузницах. Операция требует ювелирной точности, но позволяет получить сталь с весьма точным уровнем насыщения углеродом, «подняв» ее из мягкого железа или «спустив» из хрупкого чугуна.

В традиционной японской металлургии применяют два варианта передела стали. 

• Мотэ-ороси – науглероживание из железа в сталь
• Сэн-ороси – выжигание углерода и «спуск» из чугуна в сталь-тамахаганэ с содержанием углерода 1-1,3%, что применялось чаще.

Делалось это в специальных железных печах, обмазанных изнутри глиной, на контролируемом дутье. В качестве сырья использовали мелкий (с грецкий орех) сосновый уголь, который служил и топливом для прогрева, и источником углерода. Ключевую роль играет толщина слоя угля и положение металла на угольной подложке относительно сопла.

• Для выжигания чугуна – металл кладут под сопло, где много кислорода и агрессивно наддувают, чтобы окислить углерод и изгнать его в трубу в виде углекислого газа.
• Для науглероживания железа – металл закапывают в уголь, где он насыщается угарным газом и науглероживается, превращаясь из железа в сталь.

Печь разгоняли до 1300-1400 С. Чугун плавится быстрее, углерод успевает выгореть, а потом жидкий металл, выгорев (что его еще малость подогревает) проливается на под печи, по дороге насыщаясь углеродом. Для мягкой стали все наоборот – она плавится медленнее и, пока находится в толще, успевает набрать углерода.

Так же, как и в татаре, только с сильно меньшим количеством шлака, внизу формируется кэра, похожая на лепешку (она же кудзи-кэра). Ее разбивают в блин и резко охлаждают. Она будет более гомогенной, чем исходная сталь, поэтому ее обычно не делят, а проверяют с разных краев на излом и надруб.

Если металл показывает все признаки тамахаганэ (мелкозернистый яркий излом) то все удачно. Если нет – снова в передел. Известно, что в процессе оросиганэ сталь могли переделывать до 3-4 раз до получения желаемого качества. Секрет оросиганэ – в настройках горна, толщины угольного слоя и мощности дутья. Так мастера и школы создавали уже авторскую сталь «под себя», дававшую уникальный характер клинка.

Что используют сейчас

Тамахаганэ полна жизни, тайны, истории и поэзии ритуала. Однако она получается благоволением ками и искусством мастера, а ныне жизнью правит сухой расчет. Поэтому в дело вступает так называемая «бумажная сталь».

Сегодня для производства мечей, традиционного инструмента и даже кухонных ножей используются стали, известные как Сирогами (белая бумажная сталь) и Аогами (голубая бумажная сталь). Обе они представляют собой доведенные до математической чистоты версии традиционной тамахаганэ, с околонулевым содержанием серы и фосфора.

«Цвет» в обозначениях они получили не за свойства металла, а за цвет бумажной обертки, в которой Hitachi Metals заворачивала готовые полосы металла с завода в Ясуги для поставки кузнецам. Завод «Ясуги Кодзё» расположен в префектуре Симанэ (исторически – провинция Идзумо) — именно там, где исторически находился один из центров традиционной металлургии.

• Белая сталь – это формула тамахаганэ, доведенная до абсолюта. Сверхчистая углеродистая сталь трех сортов с содержанием углерода 1%, 1,2% и 1,4% (на наши деньги – У10А, У12А и У13А). Прямыми руками калится до 60-65 HRC. Большой минус – стремительно ржавеет, как и положено высокоуглеродистой стали.
• Голубая сталь – дальнейшая разработка, с добавлением в углеродистую сталь хрома и вольфрама. Тоже три сорта, от 1% до 1,5% углерода, но при этом еще 1,0-2,5% вольфрама для износостойкости и 0,2-0,5% хрома для прокаливаемости и коррозионной стойкости, а в Aogami Super добавлены еще молибден и ванадий. Их советские аналоги – ХВ5 для Super, 9ХВГ, и некая умозрительная «улучшенная ХВГ». Прямыми руками закаливается в феерическом диапазоне 61-67 HRC.
  
  

Драгоценная сталь извлечена. Намерение меча обретает плоть.