Stal damasceńska - skąd się wzieła?

„Dwóch wojowników mierzy się wzrokiem stojąc na gorącym piasku pustyni. Jeden z nich wznosi swój zakrzywiony bułat do ataku, w słońcu odbija się na nim fantastyczny, falujący wzór. Broń, wygląda jak nie z tego świata. Drugi, w narzuconym na zbroję płaszczu z krzyżem wyciąga przed siebie prosty miecz chcąc odruchowo zablokować cięcie. Ostrze napastnika jest jednak potężniejsze, bronie zderzają się z donośnym szczękiem… Krzyżowiec z niedowierzaniem patrzy na swoje drogocenne ostrze, jest pęknięte. Przeciwnik z triumfalnym krzykiem szykuje się by zadać ostateczne uderzenie… Nagle tuż obok nich przelatuje strzała, wojownik z Europy wykorzystuje chwilę nieuwagi i pomimo hańby ucieka z pola bitwy. Wie jednak, że nie przegrał przez swoje umiejętności, a przez zaklętą broń przeciwnika…” – taki obraz bardzo często mamy w głowie gdy słyszymy o stali damasceńskiej. W naszym artykule pochylimy się nad tym materiałem zwanym przez niektórych „świętym Graalem metalurgii żelaza”. Legendarny stop nadal otoczony jest mgłą tajemnicy… Jak jednak jest  naprawdę? Okazuje się, że do tej pory ta „magiczna” stal o wybitnych właściwościach strzeże swoich sekretów przed pokoleniami naukowców, metalurgów, metaloznawców i kowali...

Czym tak właściwie jest stal damasceńska?

W dawnych czasach wyścig zbrojeń z jednej strony nie stwarzał tak dużej przewagi nad przeciwnikiem jak dzisiaj, braki w pewnej dziedzinie można było nadrobić lub zniwelować zaletami w innej. Z drugiej jednak strony podobnie jak dzisiaj – o dominacji na określonym polu (patrząc np. w perspektywie piechoty) nad przeciwnikiem w dużym stopniu decydowała bardziej rozwinięta technologia wojskowa. Lepiej wyposażone jednostki przejmowały inicjatywę na polu bitwy. Takie wrażenie i podziw wywoływały szable żołnierzy sułtanów na średniowiecznych rycerzach europejskich krucjat w Ziemi Świętej. Były to bronie, które wyróżniały się przede wszystkim głownią gwarantującą niewiarygodne właściwości – wysoce twarda krawędź tnąca, która wyróżniała się niesamowitą ostrością. (Legendy mówią, że ostrze wykonane z tej stali mogło być tak ostre, że przecinało swobodnie opadającą na nią chusteczkę (co było praktycznie niemożliwe do osiągnięcia dla mieczy europejskich tamtej epoki). Drugim wyróżnikiem stali tego typu jest jej niesamowita, niepowtarzalna wręcz powierzchnia, na której można było rozróżnić występujące jaśniejsze i ciemniejsze falujące kształty. Wzór ten (również zwany damasceńskim) był ujawniany przy pomocy trawienia słabym kwasem. Jednocześnie kowal mógł modyfikować kształt w jaki układają się fale, tworząc np. „róże” lub „drabinę Mahometa”.

Skąd w takim razie wzięła się ta wyjątkowa stal?

Pewni jesteśmy, że w swojej legendarnej wersji była wytwarzana do ok. XVII w. (choć niektóre źródła podają, nawet wiek XVIII i XIX w.) i zaprzestanie jej produkcji do tej pory jest owiane tajemnicą. Pewne jest na pewno to, iż materiał pierwotny do otrzymania stali damasceńskiej w postaci rudy był wydobywany w południowej i południowo-wschodniej części Indii oraz na Sri Lance. Ruda była następnie przetapiana w piecach o specjalnej konstrukcji, opalanych specjalnym rodzajem drewna z dodatkiem innych roślin (które między innymi dostarczały węgiel do stali, a także wodór wspomagający segregację węglików) w izolowanym przez powstały na jego powierzchni żużel, w specjalnym tyglu. Taki sposób pozwalał na uzyskanie łatwych w transporcie, a następnie w obróbce wlewków, o „plackowatym” kształcie (znane jako „wootz”). Stal taka była następnie obrabiana w zakładach mistrzów kowalstwa na Bliskim i Dalekim Wschodzie (między innymi w Damaszku, aczkolwiek niektórzy historycy i znawcy broni sprzeczają się, iż było to mylne przekonanie, a przedmioty z tej stali nie były wytwarzane, w mieście, któremu stal zawdzięcza swoją nazwę, a jedynie zdobione – tzw. damaskinaż). Według relacji obserwatorów w Indiach wiemy, że ostrza wytwarzano z wlewków poprzez wielokrotne nagrzewanie i przekuwanie. Stal „wootz” zawierała około 1,5% węgla (była więc wysokowęglowa), z udziałem domieszek takich jak: wolfram, wanad, mangan, krzem, arsen, fosfor i siarka (w zamierzchłych czasach nie posiadano narzędzi do ścisłej kontroli składu chemicznego, więc skład ten mógł się znacząco różnić dla danych partii wyrobu).

Do tej pory nie jesteśmy pewni w jaki sposób zaniknęła receptura i technologia produkcji tej wybitnej stali. Najbardziej popularna teoria łączy dwa czynniki, które miały decydujący wpływ na zanik oryginalnej stali damasceńskiej. Pierwszy czynnik to wyczerpanie złoża rudy lub zmiana warunków handlu (co na pewno nastąpiło na pewnym etapie), przez co rzemieślnicy z Bliskiego Wschodu stracili surowiec, którego specyficzny skład miał duże znaczenie w perspektywie właściwości produktu końcowego. Drugi czynnik jest naturalnym następstwem pierwszego – wobec braku konkretnego surowca wyroby uzyskiwane przy pomocy innej rudy nie uzyskiwały żądanych właściwości, czasochłonna technologia produkcji przestała być potrzebna, a więc została zapomniana.

Badania i próby odtworzenia damastu

Odtworzenie składu, wzoru, ale przede wszystkim właściwości stali damsceńskiej rozpalała wyobraźnię użytkowników, rzemieślników i kowali europejskich (i nie tylko) już od początku zetknięcia z wybitnym materiałem. Od XVII w. liczni podróżnicy odwiedzali indyjskie wytwórnie, żeby obserwować pracę indyjskich mistrzów. Po zaniknięciu produkcji nowych wyrobów produkowanych ze stali damasceńskiej jej analiza i badania zajmowały licznych metalurgów na przestrzeni XVIII i XIX stulecia i miały wpływ na rozwój dziedziny w całej Europie od Anglii aż po carską Rosję. Pierwsze lepiej udokumentowane próby badań naukowych przeprowadzono pod nadzorem jednego z ojców nowoczesnej metody naukowej – sir Jospeha Banksa ówczesnego prezesa brytyjskiego Royal Society, który umożliwił badania ekspertom na próbkach stali otrzymanych od Helenusa Scotta. O stali na Wyspach brytyjskich było głośno również podczas Wystaw Światowych w roku 1851 i 1862. Przedstawiane tam indyjskie uzbrojenie, pomimo, że bogato zdobione było cenione przede wszystkim ze względu na niesamowitej jakości stal.

Najbardziej słynne próby odtworzenia materiału podejmowano w XIX w. Już w 1824 roku Jean Robert Bréant we Francji oraz jakiś czas później Paweł Anosow w Rosji obwieścili sukces – odtworzenie tajemnych technik i wytworzenie replik. W XX w. również podejmowano takie próby, jedną z  najbardziej znanych była ta z 1985 r., gdzie Jeffrey Wadsworth i Oleg D. Sherby również ogłosili sukces [1]. W powyższych przypadkach jednakże można uznać, że próby kończyły się częściowym sukcesem badacze wraz z naukowcami nie odtwarzali w pełni legendarnych ostrzy o satysfakcjonującej strukturze wewnętrznej i zewnętrznym wyglądzie oryginału.

Najbliżej uzyskania stali damasceńskiej  był dr J.D. Verhoeven, który we współpracy z kowalem Alfredem Pendray’em odtworzył proces wytwarzania i uzyskiwania stal, która posiadała falisty wzór na powierzchni, jak również mikrostrukturę bliźniaczo podobną do struktury stali damasceńskiej. Panowie wskazali również na duże znaczenie domieszek (tych pożądanych, jak i niepożądanych) w uzyskiwaniu odpowiedniego wzoru. Proces przez nich opracowany opierał się na: wytopie czystego żelaza z metalem Sorela ( metal ten jest stopem żelaza z węglem, zawiera od 3.9 do 4.7% węgla i znikomą ilość domieszek), szkłem, węglem drzewnym i liśćmi. Następnie należało ogrzewać tygiel, a każdy ze składników miał pełnić określoną rolę – szkło topiąc się tworzyło żużel, którego obecność na powierzchni miała zapobiegać utlenieniu wlewka, liście stanowiły coś w rodzaju „poduszki”, która na pierwszym etapie miała utrzymać szkło ponad resztą składników wsadu. Miały one również być źródłem wodoru, który może przyspieszyć proces nawęglania. To właśnie węgliki żelaza (cementyt) gromadząc się w pasmach tworzą jaśniejsze, charakterystyczne wijące się wzory na powierzchni wyrobu. Po ostygnięciu tygla wyjmowano stal, której powierzchni należało przeszlifować na około pół mm (by pozbyć się tlenków). Następnie należało przekuć wlewek w bardzo czasochłonnych 50 cyklach nagrzewania i kucia. Z uzyskanej odkuwki na tym etapie badacze wycinali, szlifowali i kształtowali kształt ostrza. Jeśli ktoś chciałby uzyskać słynny wzór „drabiny Mahometa” to należało na tym etapie delikatnie, płytko naciąć lub nawiercić ostrze a następnie kuć je dalej aż do uzyskania płaskiej powierzchni, którą trzeba było wypolerować. Po wszystkim powierzchnię ostrza powinno się poddać trawieniu, ujawniało to charakterystyczny wzór– twardy składnik stawał się jasny, zaś miękki ciemniał.

Co kryje się w stali damasceńskiej?

Patrząc od strony składu chemicznego stal damasceńska to po prostu wysokowęglowa stal (1,5%) z dodatkami, poddana kilku (ok. pięciu, sześciu) cyklom nagrzewania do osiągnięcia określonej temperatury, a następnie chłodzenia do temperatury pokojowej, w wyniku czego uzyskuje się zgrupowania węglików. To właśnie te zgrupowania powodują ujawnienie wzoru na powierzchni wyrobu. Do mikrosegregacji dochodzi podczas krzepnięcia stali. Podczas chłodzenia tygla ( a przez to i znajdującego się w środku metalu, który po zakrzepnięciu nazywamy wlewkiem) front krystalizującego stopu zwiększa swoją powierzchnię tworząc tak zwany dendryt (dendryt przypomina swoim kształtem choinkę). W przypadku stali z 1,5% węgla po zakrzepnięciu ma ona strukturę austenitu (roztworu stałego węgla w żelazie gamma). Między dendrytami jest „uwięziona” niezakrzepnięta stal. W związku z tym,  że stal w stanie stałym może „przyjąć” mniej atomów domieszek niż stal w stanie ciekłym, przy krzepnięciu dendrytycznym domieszki mają tendencję do gromadzenia się w cieczy razem z węglem, więc w obszarach najpóźniej krzepnących stężenie pierwiastków domieszek może być bardzo duże. W obszarach między dendrytami powstaje sieć atomów domieszek „zamrożona” w austenicie w miejscu wykrystalizowania (pod mikroskopem przypomina sznur paciorków).  Podczas powtarzających się cykli nagrzewania i chłodzenia te atomy przyczyniają się do powstawania i wzrostu szeregów cementytu (który widzimy jako jasne pasma). Między dendrytami takie pasma są od siebie oddzielone o ok. 0,5 milimetra, podczas obróbki wlewka, która powoduje zmniejszenie jego grubości odległość między pasmami również się zmniejsza. Kluczową rolę w produkcji damastu pełni odpowiednia temperatura, dzięki której uzyskujemy strukturę austenitu z umieszczonymi w niej cząstkami węglików. Temperatura wyznaczająca występowanie cementytu na wykresie żelazo – cementyt to linia podpisana jako „A”. Dla zawartości węgla powyżej 0,77% litera A ma dopisek „cm”. Poniżej linii (temperatury) A_cm w austenicie (a dokładnie między dendrytami) zaczyna się tworzyć cementyt. Po ostygnięciu stali do temperatury pokojowej pasma cementytu znajdują się pomiędzy ferrytem (pamiętacie na pewno z naszych poprzednich wpisów – roztwór stały węgla w żelazie alfa). Jedną z największych tajemnic było w jaki sposób przekuwanie wlewków powoduje ułożenie węglików w wyraźne pasma. W tym celu Verhoeven i Pendray ogrzewali stal do temperatury występowania austenitu z cementytem, a następnie kuli. Podczas kucia stal ochładzała się na początku do temperatury około 50 stopni poniżej A_cm, a potem do temperatury 250 stopni niższej niż A_cm. Podczas chłodzenia zwiększał się udział cementytu. Następnie wlewek należało poddać całemu procesowi ponownie. Badacze ustalili, że potrzeba około 50 takich cykli. Według nich podczas pierwszych 20 cykli twarde cząstki węglików powstają w przypadkowych miejscach, a wraz z kolejnymi układają się wzdłuż sieci punktów wyznaczonych przez obszary międzydendrytyczne. Wiąże się to ze stopniowym rozpuszczaniem cząstek węglików podczas kolejnych cykli. Atomy domieszek spowalniają rozpuszczanie się, przyczyniając się do zachowania większych cząstek. Każdy cykl sprawia, że cząstki te przyrastają, ale w bardzo niewielkim stopniu, dlatego potrzeba ich tak wiele, żeby uzyskać pasma. Ze względu na to, że atomy domieszek znajdują się w obszarach między dendrytami tam koncentrują się węgliki. Razem z rozwojem sieci węglików następuje jej deformacja w miarę przekuwania [2].

Naukowcy określają, że w taki sposób powstaje swego rodzaju „kompozyt” cementytu na osnowie ferrytu. W uproszczeniu dzisiejsze kompozyty mają za zadanie łączyć zalety dwóch odmiennych materiałów, a więc łączyć przeciwstawne ze sobą właściwości przykładowo wysoką plastyczność z wytrzymałością (na przykład nanorurki w polimerowej osnowie). Jak się okazuje średniowieczni rzemieślnicy uzyskali ten sam efekt, nawet nie zdając sobie sprawy z czego on wynika.  Powstałe „wzory” cementytu zostały określone przez naukowców jako „cementytowe nanodruty”, które nadają miękkiemu i ciągliwemu ferrytowi twardości i wytrzymałości. Tak jak w dzisiejszych zaawansowanych materiałach [3]. Ale to nie wszystko! W XXI w. damasceńska stal tak samo fascynuje jak przed wiekami. Dzięki grupie naukowców z Drezdeńskiego Uniwersytetu Technicznego udało się zbadać próbkę damasceńskiej stali pod Transmisyjnym Mikroskopem Elektronowym (TEM) o niesamowicie wysokiej rozdzielczości. Badania te wykazały, że w rezultacie kunsztownej i pracochłonnej, ale niezbyt zaawansowanej technicznie obróbce rzemieślników ze wschodu udało się uzyskać w strukturze stali materiał intensywnie badany w naszych czasach – nanorurki węglowe. Nanorurki węglowe składają się z cylindrycznie ułożonych, jednowarstwowych arkuszy węgla (jednowarstwowe arkusze węgla to elektryzujący ostatnio grafen).  Nanorurki te są chemicznie powiązane wiązaniami sp², czyli niesamowicie silnym oddziaływaniem molekularnym. Co w połączeniu z naturalną skłonnością nanorurek węglowych do łączenia się ze sobą za pomocą sił van der Waalsa daje możliwość stworzenia materiałów o bardzo wysokiej wytrzymałości i niskiej masie, które ponadto są bardzo wysoce przewodzące elektryczne i termiczne. To w dzisiejszej perspektywie czyni nanorurki bardzo atrakcyjnymi dla wielu zastosowań [4]. Wszystkie te cechy sprawiają, że stal damasceńska do dzisiaj wyróżnia się jako materiał o wybitnych właściwościach i fascynuje po dziś dzień. Ciekawe jakie jeszcze tajemnice skrywa przed nami ta tajemnicza stal… Dzisiejszym kowalom japońskim z sukcesami udaje się odtworzyć wyróżniający się damasceński wzór. Wszystkie kunsztownie wykonane mistrzowskie noże z wzorem damasceńskim są dostępne tutaj: Noże ze stali damasceńskiej

Czy w dzisiejszych czasach potrzebujemy jeszcze damasceńskiej stali? (Stal japońska kontra damasceńska)

W aktualnych warunkach, przy wyspecjalizowanej i rozwiniętej nowoczesnej metalurgii nawet na co dzień stykamy się z  ogromnym bogactwem najróżniejszych gatunków stali o zróżnicowanych właściwościach. Należy więc się zastanowić – czy w dzisiejszych czasach wyspecjalizowanych stali stal damasceńska mogłaby nam się jeszcze przydać? W końcu obecnie wykorzystanie broni białej na polu bitwy nie ma praktycznie żadnego znaczenia. Na to pytanie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Z jednej strony tak wybitna stal z niepowtarzalnymi, nowo odkrytymi właściwościami mogłaby znaleźć zastosowanie w różnych dziedzinach życia, wykraczających poza militaria. Z drugiej jednak strony wśród wszystkich aktualnie stosowanych materiałów użytkowych jednym z głównych czynników decydujących o wykorzystaniu danego materiału jest koszt jego produkcji. Stal damasceńska, przy tak precyzyjnym, ale długotrwałym i żmudnym procesie produkcji mogłaby zwyczajnie nie być opłacalna. Ograniczmy się więc do kwestii, która nas najbardziej interesuje, czyli noży. Jak już niejednokrotnie pisaliśmy kunszt i technika japońskich przedsiębiorstw i mistrzów kowalstwa wyróżnia się na skalę światową. Japońscy specjaliści przed wiekami położyli podwaliny pod nowoczesne metody metalurgiczne takie jak m.in. tworzenie zaawansowanych kompozytów poprzez laminowanie miękkiej stali twardą stalą wysokowęglową lub hartowanie powierzchniowe. Ich ówczesne ostrza już wtedy były zaliczane do najznamienitszych ostrzy świata. Od tamtej pory japońska stal i wyroby z niej wykonane stawały się tylko lepsze. Do tej pory nikt bezpośrednio nie porównywał nowoczesnych stali ze stalą damasceńską. Badania właściwości stali damasceńskiej, zarówno historycznej, jak i tej odtworzonej w dzisiejszych czasach dokonał (aczkolwiek niezbyt dogłębnie) dr Juha Perttula z Instytutu Odlewnictwa Uniwersytetu Tampere w Finlandii (co ciekawe pasjonuje się on również wytwarzaniem noży) [5]. Jego badania wykazały, że udarność, twardość i trzymanie ostrości takiej stali jest porównywalne do nowoczesnych stopów wysokowęglowych. Ostrza z wzorem damasceńskim powinny się więc dobrze sprawdzać w codziennym użytkowaniu, jednakże najbardziej cenione są za swój niesamowicie fascynujący i wybitnie estetyczny wzór. Jednakże jeśli zależy Wam głównie na funkcjonalności polecamy również rozważyć i przetestować oferowane przez nas noże wykonane z wysokowydajnych stali o najwyższej jakości TUTAJ.

Źródła:

[1] Sherby, O. D., & Wadsworth, J. (1985). Damascus steels. Scientific American, 252(2), 112-121.

[2] Verhoeven, J. D., Pendray, A. H., & Dauksch, W. E. (1998). The key role of impurities in ancient damascus steel blades. JOM, 50(9), 58–64.

[3] Kochmann, W., Reibold, M., Goldberg, R., Hauffe, W., Levin, A. A., Meyer, D. C., ... & Paufler, P. (2004). Nanowires in ancient Damascus steel. Journal of alloys and compounds, 372(1-2), L15-L19.

[4] Banerjee, S., Dan, A., & Chakravorty, D. (2002). Review synthesis of conducting nanowires. Journal of materials science, 37(20), 4261-4271.

[5] Perttula, J. (2004). Wootz Damascus steel of ancient orient. Scandinavian Journal of Metallurgy, 33(2), 92–97.