Ножи: эволюция стали

Нож – это один из древнейших инструментов человечества. Если отбросить Каменный и Бронзовый века, то в простейшем случае нож представляет собой заточенный кусок железа (стали) с удобной для удержания рукояткой.


Основная часть ножа, обуславливающая его функциональное назначение – это лезвие с режущей кромкой. Его возможности во многом определяет конструкционный материал – сталь и её термическая обработка.

Состав и структура

Свойства стали определяются её составом и структурой. Наличие тех или иных примесей (легирующих элементов) позволяет увеличить твёрдость или коррозионную стойкость клинка. Проблема зачастую заключается в том, что, увеличивая твёрдость, мы одновременно можем усилить хрупкость стали и уменьшить её коррозионную стойкость. С другой стороны, наращивая коррозионную стойкость, мы ухудшаем другие параметры.

К примеру, углерод увеличивает твёрдость стали, но снижает её вязкость и пластичность. Другие легирующие элементы также добавляют стали как положительные, так и отрицательные свойства. Хром повышает износоустойчивость и коррозионную стойкость, но увеличивает хрупкость. Ванадий и молибден повышают вязкость и прочность, увеличивают стойкость к термическому воздействию, никель – повышает коррозионную стойкость, твердость и ударную вязкость стали, ванадий улучшает прочность и износостойкость стали. Марганец и кремний повышают ковкость стали. Все эти элементы несут свои положительные качества только в строго определённых количествах, в результате чего металлургам приходится крайне осторожно и взвешенно подходить к подбору состава стали.

Кроме того, зачастую легирующие элементы имеют свойство концентрироваться в определённых точках, в которых может возникнуть очаг напряжения, в результате чего при нагрузке клинок сломается именно в этом месте.


По этой причине в старину возникли дамасские и булатные стали, в которых путём многократного наложения нескольких типов стали и их проковки достигалось максимально равномерное распределение легирующих элементов.


По мнению автора, в новейшей ножевой истории можно выделить три периода.

Первый период – это использование «ржавеющих» углеродных сталей и нержавеющих сталей с низкими характеристиками твёрдости и удержания режущей кромки (первая половина XX века).

Второй период – появление нержавеющих сталей с высокими характеристиками твёрдости и удержания режущей кромки (вторая половина XX века).

Третий период – появление порошковых нержавеющих сталей (начало XXI века).

Эти периоды можно считать достаточно условными, поскольку и сейчас некоторые компании выпускают ножи из углеродистой стали. Тем не менее именно в начале XX века появились первые нержавеющие стали, в том числе знаменитая сталь марки 420, из которой и сейчас производится огромное количество ножей по всему миру. К примеру, если приобретается недорогой китайский нож, стоимостью несколько сотен рублей, то на клинке, скорее всего, будет именно сталь марки 420.


Появление по второй половине XX века стали марок 440A, 440B, 440C (близкие российские аналоги 65х18, 95х18, 110х18), отличающихся повышенным содержанием углерода, позволило выпускать условно нержавеющие ножи, обладающие твёрдостью и режущими свойствами, сравнимыми с ножами и клинками из углеродистой стали.

Почему «условно нержавеющие»?

Потому что ржаветь может практически любая сталь, вопрос лишь в среде и степени воздействия. Например, большинство нержавеющих сталей прекрасно корродируют на море от солёной воды. К слову сказать, древняя сталь 420 является одной из наиболее нержавеющих.

Тем не менее, пользоваться ножами из нержавеющих сталей в быту гораздо удобнее – за тот же период, пока нержавеющая сталь лишь покроется пятнами ржавчины, углеродистая проржавеет до дыр. Кроме того, углеродистые стали при резе зачастую придают продуктам неприятный привкус.

Решить вопрос равномерности распределения легирующих элементов помогло появление порошковых сталей. Одним из способов получения порошковой стали является распыление расплавленного металла в среде инертного газа, после чего образуется мелкодисперсный порошок с равномерно распределёнными легирующими элементами. После этого порошок спекается в монолитный брусок изостатическим прессованием.



Одной из первых и наиболее распространённых порошковых сталей, использующихся для изготовления ножей, стала сталь CPM S30V, разработанная в 2001 году специалистом шведской компании Crucible Materials Corporation Диком Барбером и известным ножевым мастером Крисом Ривом.

Помимо обычного процесса изготовления клинков из полос и брусков, порошковая сталь позволяет реализовать весьма интересные технологические решения.

Американской компанией Kershaw был выпущен складной нож Offset 1597, с клинком, изготовленным по технологии MIM (Metal Injection Molding) – технологии литья порошковых металлов и сплавов под давлением, которую также называют MITE (Metal Injection Molding with an Edge). По технологии MIM/MITE порошок металла смешивается со связующим веществом, при этом размер формы на 20 % больше конечного размера клинка. После чего с помощью спекания под давлением плотность готового изделия повышается до 99,7 % плотности исходного металла (связующий элемент в процессе спекания выгорает). В результате получается изделие сложной 3D формы, которое невозможно получить иным способом.


Возможность равномерного распределения легирующих элементов в порошковых сталях привела к увеличению их процентного содержания, что выразилось в появлении так называемых суперсталей, таких как, например, ZDP 189 или Cowry-X, впрочем, сложность их заточки и высокая стоимость ограничивают их распространение.

Большую популярность получили более сбалансированные стали, такие как M390/M398, CPM-20CV, Elmax и другие более простые в изготовлении и уходе – CPM S30V/CPM S35V, CTS-XHP и т.д.


В конечном итоге всё зависит от стоимости клинка – ни суперстали, ни даже просто высококачественные порошковые стали не вытеснили с рынка более дешёвые не порошковые стали. Рынок ножевых сталей можно представить в виде пирамиды, где в основании находится заслуженная сталь 420, а на вершине покоятся новейшие суперстали, опускающиеся вниз по ходу появления сталей, которые ещё более «супер».

Причём, дело здесь не только в стоимости исходного материала – важнейшим технологическим процессом, «раскрывающим» характеристики стали, является термообработка. Каждая сталь требует своей термообработки и, когда появляется новая суперсталь, производителям необходимо время на её освоение.

Термообработка

Термообработка – закалка, отпуск, нормализация, отжиг и криогенная обработка металла, позволяет вывести клинок на те характеристики, которые подразумевает марка используемой стали. Правильная качественная термообработка позволяет «выжать» из стали максимум возможного, тогда как неправильная – может полностью загубить конечное изделие, какие бы дорогие материалы в нём не применялись. Можно с уверенностью утверждать, что лучше выбрать клинок из более простой стали, но с хорошей термообработкой, чем клинок из суперстали, изготовленный специалистом, не умеющим производить её термообработку.


Та или иная ножевая компания зачастую славится своей способностью работать с определённой сталью, и её изделия из более современной стали могут иметь худшие характеристики из-за не отлаженных процессов термической обработки.

Немаловажную роль играет оборудование для термообработки. Современные закалочные печи позволяют производить термообработку в вакууме и в различных средах – аргоне, азоте, гелии, водороде. Оборудование для криообработки при температуре -196 градусов позволяет обеспечить повышение износостойкости, циклической прочности, коррозионной и эрозионной стойкости. Например, ресурс изделий криообработкой может быть повышен на 300 %.

Необходимость применения сложного и дорогостоящего оборудования не позволяет кустарным мастерским выполнять все необходимые технологические операции, поэтому утверждения о том, что «наш дядя Коля в гараже делает лучшие в мире ножи» вряд ли имеют под собой основания.

Композитные клинки

Ещё одним способом получения ножевых клинков является создание композитных лезвий.

В принципе, упомянутые выше клинки из дамасских и булатных сталей также являются композитными – в них материалы с меньшим содержанием углерода соединяются с материалами с большим содержанием углерода. Однако в современных композитных клинках процесс реализован несколько иначе.

Обычно преобладающая часть клинка выполняется из материала, обладающего большей упругостью, но меньшей твёрдостью и хрупкостью, тогда как режущая кромка выполняется из более твёрдого материала. Такой клинок сочетает хорошие механические свойства и качественную режущую кромку. Однако на дорогих моделях ножей сейчас всё же предпочитают применять суперстали.

Другой вариант – использование в качестве основы менее дорогой стали, а на режущей кромке более дорогой, но качественной. Например, на ноже Kershaw JYD II основа режущей кромки выполнена из недорогой китайской стали14C28N, а режущая кромка из более прочной японской D2.


Впрочем, как и в случае с более дорогими ножами, снижение стоимости исходного материала компенсируется сложностью изготовления композитного клинка, в связи с чем такие модели скорее исключение, чем правило.

Наиболее востребованное направление, в котором используются композитные клинки – дизайнерские ножи, выпускаемые ограниченными партиями. В них материалы комбинируются для получения эффектного внешнего облика клинка.

Прошлое против будущего

В сети зачастую можно увидеть статьи, в которых говорится, что секрет настоящего булата и дамаска давно утерян, а сейчас выпускаются его жалкие подобия. Дескать, если тот секрет раскрыть, то клинки из «настоящего» булата или дамаска дадут фору в 100 очков вперёд современным сталям.

На самом деле, это крайне маловероятно. Технический прогресс, оборудование и материаловедение сейчас находятся на высочайшем уровне, недостижимом для мастеров прошлого. Да, хорошие мастера могли выпускать изделия из булата и дамаска с характеристиками, опережающими своё время, но сейчас их изделия с высокой вероятностью уступят своим современным аналогам, выполненным из суперсталей.

Впрочем, начиная с того момента, как появились современные нержавеющие стали линейки 440 и их аналоги, какая-то глобальная потребность в совершенствовании ножевых сталей отсутствует – с бытовыми задачами справляются почти все качественно изготовленные ножи с правильной термообработкой.

Появление на ножах суперсталей – это, скорее, дань рынку и желанию пользователей, многие из которых являются фанатами и коллекционерами ножей и хотят получить что-то новое, более «крутое». И в этом нет ничего плохого, поскольку совершенствуются не только стали, но и конструкция ножей, дизайн. Многие из современных ножей можно уверенно отнести к предметам искусства, чья художественная ценность не уступает полотнам выдающихся художников, а ценность со временем только возрастает.

В следующем материале поговорим о конструктивных решениях, применяющихся в современных ножах.