Dzisiaj kolejny dłuższy tekst dla entuzjastów kwestii stalowych, tym razem problem jest złożony i technologicznie i społecznie, więc będzie dużo wątków i dygresji. Robimy krok w jedno z najbardziej grząskich bagien nożownictwa - w kierunku stali damasceńskiej. Każdy coś na ten temat słyszał, ale co to właściwie jest?

Treści jest dużo, dlatego ten ‘artykuł’ pojawi się w trzech częściach - co dwa dni kolejna :) Temat jest trudny, a ja nie mam monopolu na wiedzę, także zapraszam do komentowania i prostowania ew. nieścisłości, może dzięki temu dowiemy się czegoś nowego. Pod ostatnim wpisem pojawią się też źródła, z których korzystałem - warto wkopać się w nie głębiej :)

Większość dzisiejszego wpisu będzie polegała na wyprostowaniu definicji i tego co można rozumieć pod poszczególnymi pojęciami, jednym z podstawowych problemów całego tematu jest pomieszanie technologii, historii, celu oraz materiału i nazwanie ich jednym słowem. Żeby zrozumieć lepiej o co w tym wszystkim chodzi, musimy najpierw przyjrzeć się bliżej tradycyjnym metodom wytwarzania stali. Ruszamy!

Dopiero w XIX wieku pojawiły się przemysłowe wytopy pozwalające na wytwarzania dużych elementów stalowych. Dopiero technologia pieców hutniczych opracowana przez Siemensa i Martin’a w połowie 19w otworzyła drogę dla wytopów o masie od 5 do kilkuset ton. Natomiast wcześniej dominowały małoskalowe wytopy (od kilku do kilkuset kilo), które można w uproszczeniu podzielić na dwie kategorie : wytopy dymarkowe i wytopy tyglowe.

Wytop dymarkowy polega na naprzemiennym wrzucaniu rudy żelaza i węgla drzewnego do (najczęściej jednorazowego) rozgrzanego pieca ceglanego/glinianego w którym ruda dzieli się na frakcje i topi, a metal osadza się na jego dnie, tworząc gąbczaste ‘placki’. Produkty wytopu dymarkowego były niejednorodne chemicznie, zanieczyszczone żużlem i pełne pęcherzyków. Stal w wysokiej temperaturze jest bardzo reaktywna i dłuższe wystawianie jej na działanie tlenu atmosferycznego sprzyja utlenianiu pierwiastków w niej rozpuszczonych. Ze względu na bezpośredni dostęp powietrza do wnętrza dymarki (kanały dolotowe, nadmuch powietrza), część z obecnych w rudzie niepożądanych zanieczyszczeń ulega utlenieniu już na etapie wytopu, co jest bardzo pozytywnym aspektem wytopów ‘otwartych’.

Niemniej wytopiony porowaty materiał, wymagał dalszej pracochłonnej obróbki, która polegała na ostrożnym przekuwaniu metalu, wielokrotnym jego składaniu i zgrzewaniu. W trakcie tej obróbki mechanicznej zachodziło kilka procesów, jednym z nich było stopniowe usuwanie wychodzących na powierzchnię zanieczyszczeń niemetalicznych (żużel), drugim zgrzewanie materiału w lite elementy, trzecim było dalsze utlenianie zanieczyszczeń chemicznych(siarka,fosfor) oraz obniżanie zawartości węgla w materiale, wreszcie czwartym ujednolicenie materiału i nadawanie mu włóknisto-warstwowej struktury.

Po przejściu solidnej obróbki mechanicznej, produkt otrzymywany w procesie dymarkowym, mógł być naprawdę wysokiej jakości. W trakcie obróbki, możliwe było też kontrolowanie zawartości węgla w materiale(przez jego stopniowe odwęglanie). Pożądanym pułapem zawartości węgla w stopie były okolice 0,75 %. Taka jego ilość zapewniała możliwość hartowania narzędzi przy zachowaniu ich sporej wytrzymałości na pękanie. (odpowiednia ilość węgla jest potrzebna do wystąpienia twardych kryształów w stali < tzw. martenzytu>). Podsumowując, końcowy materiał był jednorodny, czysty chemicznie, o odpowiedniej ilości węgla, żeby dawał się hartować i z włóknistą strukturą, która zapewniała sporą odporność na pęknięcia - całkiem przyzwoicie.

Prawdopodobnie najdoskonalszą odmianą tej technologii jest tradycyjny wytop Japoński, w którym otrzymuje się tzw. stal Tamahagane. Jest to też chyba jedyne miejsce na Świecie, w którym tego typu proces jest stosowany w sposób ciągły aż do dzisiaj. Materiał wytwarzany w ‘tatara’(tradycyjnych piecach glinianych do wytopu) jest wykorzystywany przez Japońskich kowali do produkcji słynnych mieczy, ale część produkcji pojawia się też na rynku i przejmowana jest przez entuzjastów wyrobu broni białej z całego Świata.

W tym momencie może zaświeci nam się lampka, przypominająca o setkach warstw, które możemy znaleźć w mieczach samurajskich i które budzą tyle emocji. Ilość warstw była gwarantem czystości i jednorodności stali, powstałej w procesie wytopu dymarkowego. Na co warto zwrócić uwagę, układ tych warstw utrzymywany był zgodnie z osią ostrza, a składana stal należała do tego samego - spójnego chemicznie - gatunku. Stąd miecze mimo setek warstw nie dają wzorzystych efektów - nikomu na nich nie zależało. Im mniej warstwy były widoczne tym lepiej świadczyło to o czystości i jednorodności stali. Ciekawym tematem, o którym warto wspomnieć przy okazji mieczy japońskich jest hartowanie selektywne. Pozwalało ono w ramach jednego elementu stalowego na otrzymanie różnych właściwości fizycznych ( wysoka twardość na krawędzi, elastyczność na grzbiecie). Entuzjastom tematu mieczy japońskich polecam zajrzenie na świetny kanał na YT, w którym bardzo ładnie pokazany jest cały proces. ( będzie w źródłach, pod ostatnim wpisem z serii :) )

Procesem technologicznym, który poprowadzi nas w kierunku kolejnego mitycznego materiału jest wytop tyglowy. Technologie dymarkowa i tyglowa współistniały w czasie, w zależności od lokalnych tradycji i uwarunkowań poszczególne z nich dominowały. Proces tyglowy był szczególnie popularny w Azji środkowej. Opierał się na użyciu pojemnika(tygla), który oddzielał wytapiane składniki od źródła ciepła (i bezpośredniego kontaktu z powietrzem ). Wytop tyglowy opierał się na wykorzystaniu wstępnie oczyszczonych produktów z pieców dymarkowych - był w pewnym sensie drugim stadium wytopu. Zamknięcie składników w tyglu umożliwiało względnie precyzyjną kontrolę składu chemicznego ostatecznego stopu, oraz otrzymanie litego produktu końcowego, pozbawionego pęcherzy i żużlu, który nie wymagał wtórnej czasochłonnej obróbki kowalskiej. Zanieczyszczenia niemetaliczne albo rozpuszczały się i wchodziły w skład stopu albo oddzielały jako frakcja na powierzchni wytopu. Do tygla można było wrzucić oprócz kawałków żelaza, stali, żeliwa(różne zawartości węgla) np. kruszone szkło lub piasek(jako topnik - warstwa ograniczająca utlenianie gorącego metalu), korę, liście, łupiny, wióry i inne cuda.

Cała mieszanina zamykana była szczelnie w tyglu pod warstwą topnika, solidnie wygrzewana a następnie powoli studzona - sprzyjało to wzrostowi dużych, koncentrycznych uporządkowanych struktur oraz segregacji chemicznej i krystalicznej w stygnących "bułkach" stali.

Zamknięcie tych wszystkich elementów w szczelnym tyglu nie pozwalało natomiast na swobodne wypalanie zanieczyszczeń, które są bardzo niepożądane w stali jak np. siarka czy fosfor, a które są częstym elementem składu rudy. Podwyższona zawartość fosforu i siarki utrudniały kucie takiego materiału w wyższych temperaturach, oraz powodowały jego dużą kruchość w niskich temperaturach. Siarka, tworząc związek z żelazem (siarczek żelazowy) odpowiada za tzw. kruchość na gorąco (siarczek żelaza ma niską temp. topnienia ok 1000 st C), który sprawia, że stal rozpada się podczas obróbki…do ‘walki’ z siarką można zaprząc Mangan, który z kolei po związaniu z nią tworzy siarczek manganu, który ma temp. topnienia ponad 1600 st C. Mangan jest częstym dodatkiem do współczesnych stali.

Oprócz dużego zanieczyszczenia siarką i fosforem, ostrza ze stali z wytopów tyglowych badane w muzeach okazywały się mieć też zaskakująco wysokie zawartości węgla - do 1,8% ( w mieczach europejskich i japońskich dążyło się do zawartości węgla bliżej 0,7%, kontrolując jego ilość przez odwęglanie podczas oczyszczania metodami kowalskimi - to ilość pozwalająca na przeprowadzenie hartowania i otrzymanie martenzytu).

Tak wysoka zawartość węgla sprawia, że materiał nawet bez hartowania jest bardzo kruchy. Wynika to z dużej zawartości cementytu, który jest twardym ale kruchym związkiem żelaza z węglem. Cementyt powstaje z austenitu w trakcie powolnego stygnięcia stali. Badania muzealne pokazują, że wiele z zachowanych ostrzy wytwarzanych ze stali tyglowych miały twardości w okolicy 25 - 35 HRC, co pokazuje, że nie były one hartowane (w stalach wysokowęglowych osiągano swobodnie powyżej 55 HRC(oparte na martenzycie) ). Ostrza wykonywane z wytopów tyglowych używane były w stanie zmiękczonym, a za właściwości tnące odpowiedzialne były twarde węgliki-żelaza(cementyt) zawieszone w osnowie perlitycznej ( stopy w zakresie 0,77% do 2,11% – to tzw. stale nadeutektoidalne – są mieszaninami perlitu i cementytu). Jest to zupełnie inne podejście do wykorzystywania właściwości stali i od strony chemicznej i fizycznej niż w technologiach dymarkowych.

O ile metoda wytopu tyglowego sama w sobie ma kilka wad i materiał, który powstawał w tym procesie nie zawsze nadawał się do produkcji dobrej jakości narzędzi, o tyle niektóre wytopy, pochodzące szczególnie z południowych Indii(Hyderabad, Bangalore) i Sri Lanki, oferowały znacznie lepsze właściwości niż pozostałe, a niektóre z ostrzy z nich wytworzonych miały charakterystyczne wzory, określane jako ‘płynąca woda’, ‘róże’ albo ‘drabina Mahometa’. To materiał, który większość z nas zna pod nazwą ‘stali damasceńskiej’. Nazwa nawiązuje do Damaszku w Syrii, który w średniowieczu był jednym z centrów produkcji broni. Materiał do jej wytwarzania miał być sprowadzany z wytopów w Indiach i obrabiany dalej przez syryjskich kowali…

Ale o tym więcej w kolejnej części…. :)