Stal damasceńska

Aby wyjaśnić czym jest stal damasceńska, musimy sobie najpierw wyjaśnić przede wszystkim czym jest stal, oraz kilka pojęć z nią związanych.

Żelazo jest pierwiastkiem występującym bardzo powszechnie na naszej planecie. Stosunkowo łatwo też uzyskać je w stanie prawie czystym - wystarczy zmieszać kawałki rudy żelaza i węgla, zapalić i dostarczać dużej ilości powietrza - uzyskamy żużel i bryłę żelaza. Uzyskana w ten sposób łupa będzie zawierać żelazo ze śladowymi ilościami fosforu, krzemu, siarki, manganu i tlenu, zanieczyszczenia mechaniczne (żużel) i śladowe ilości węgla. Żelazo w tej postaci daje się łatwo obrabiać przez przekuwanie. Choć płaska sztaba jest podatna na zginanie, jest twardsza niż np. miedź, i daje się ostrzyć, będąc dobrym materiałem na broń. Jednak aby uzyskać materiał o lepszych jeszcze własnościach musimy wyprodukować stal.

Stal - stop żelaza z węglem, o zawartości węgla od 0,5 do ok. 2% (różne źródła różnie podają wartość maksymalną). Przy zawartości węgla w żelazie poniżej 0,5% mówimy o nawęglonym żelazie, dopiero powyżej tej wartości mamy do czynienia ze stalą. Wraz ze wzrostem stężenia węgla w żelazie, własności stopu zmieniają się. Rośnie twardość kosztem plastyczności. W zakresie od 0,4 - 0,75% węgla mamy do czynienia z materiałem łatwo poddającym się obróbce plastycznej przez kucie, oraz dającym się hartować. Oczywiście powyżej 0,75% C stal nadal nadaje się do obróbki plastycznej, jednak jest to coraz trudniejsze, a przy zaw. C powyżej 1,75% stal traci plastyczność i nie można jej już obrabiać przez kucie.

Użycie żelaza jako surowca do produkcji narzędzi i broni jest niewiele młodsze od użycia brązu. Jednak o ile użycie brązu było bardzo rozpowszechnione, to przedmioty z żelaza znajduje się rzadko. Prawdopodobnie dla tego, że nie umiano go uzyskiwać w postaci czystej, a narzędzia (częściej ozdoby) żelazne produkowano z żelaza meteorytowego. Sposób wytopu żelaza z rudy odkryto około tysiąca lat pne na terenach Azji mniejszej. Od tej pory żelazo powoli rozpoczyna przejmowanie od brązu roli podstawowego surowca do produkcji narzędzi i broni.

Jak już wspomniałem, dosyć łatwo jest przeprowadzić prosty wytop żelaza z rudy. Jednak, jeżeli chce się uzyskać produkt lepszej jakości, trzeba się trochę postarać. Krokiem w tę stronę było skonstruowanie dymarek. Jest to rodzaj pieca, o pojemności zazwyczaj kilkudziesięciu kilogramów rudy i dwukrotnie większej ilości węgla drzewnego. Dymarki budowano na stokach, aby zapewnić naturalny ciąg powietrza, bądź wdmuchiwano do nich powietrze przy pomocy miechów. Pozwalało to przerabiać większe ilości rudy, a dzięki wyższej temperaturze uzyskiwano produkt lepszej jakości, o bardziej równomiernym składzie. Czasem nawet, przy dostatecznie wysokiej temperaturze uzyskiwano żelazo w postaci płynnej - żeliwo, z którym jednak nie bardzo wiedziano co robić, jako że jest ono kruche i nie kowalne.

Tak uzyskany produkt charakteryzował się nierównomiernym nawęgleniem - oprócz niemal czystego żelaza były tam fragmenty żelaza kowalnego, a nawet stali. Dzięki różnym własnościom mechanicznym, oraz różnicom w kolorze nie było trudno rozdzielić te części. Przekonano się, że żelazo o wyższym nawęgleniu jest twardsze, dzięki czemu lepiej nadaje się na ostrza broni. Jednak było też bardziej niż żelazo niskowęglowe podatne na pęknięcia. Nauczono się wykorzystywać obie te własności tworząc damast skuwany, tzw. dziwer.

Wytwarzanie damastu skuwanego polega na zgrzewaniu ze sobą kawałków żelaza i stali. Przy czym generalnie stosuje się dwie techniki. Pierwsza, prostsza, polega na połączeniu miękkiego rdzenia (np. miecza) z twardymi stalowymi krawędziami. Uzyskujemy w ten sposób broń o dobrych własnościach tnących, a zarazem elastyczną, dzięki pochłaniającemu naprężenia rdzeniowi. Można też do żelaznego ostrza noża czy siekiery dokuć z jednej strony stalową okładzinę - dzięki różnicy w ścieralności uzyskamy samoostrzące się narzędzie. Technikę tę stosowano już u zarania produkcji żelaznej.

Inny rodzaj dziweru uzyskamy skuwając ze sobą dwie (lub więcej) sztaby żelaza i stali. Po zgrzaniu, można powstałą sztabę złożyć na pół i znowu zgrzać, skuwając. Przez kolejne składanie i skuwanie, można bardzo szybko otrzymać materiał składający się z wielkiej liczby warstw o różnych właściwościach i zabarwieniu. Jeżeli przy okazji będziemy np. skręcać sztaby przy skuwaniu, ilość wzorów które można w ten sposób uzyskać staje się nieograniczona. Kilka przykładów współczesnej produkcji tego typu znajduje się na foliach. Nic dziwnego, że starożytni oraz ich następcy wysoko cenili broń wykonaną tą techniką. Dodatkowym walorem było uśrednienie własności surowców - wysoko- i nisko nawęglonego żelaza.

Od bardzo dawna metalurdzy starali się nauczyć kontrolować własności swojego produktu. Dosyć więc dawno temu nauczono się podwyższać walory żelaznej broni. Jednym ze sposobów, było nawęglanie gotowego ostrza. Efekt uzyskiwano prażąc np. klingę miecza w węglu drzewnym, bez dostępu powietrza. W takich warunkach, w wysokiej temperaturze węgiel dyfundował do żelaza utwardzając je. Późniejsze hartowanie i odpuszczanie pozwalało na uzyskanie produktu o dobrej jakości - twardego i sprężystego. Technikę tę zresztą stosowano jeszcze w XV w. również w Polsce, o czym świadczą badania kling mieczy z tego okresu.

Technikę pozwalającą uzyskać bardzo wysoko nawęgloną stal opanowano już przed naszą erą w Indiach, jednak była ona objęta tajemnicą. Sekret zaś polegał na tym, że żelazo uzyskane w procesie dymarkowym po przekuciu (co pozwalało usunąć resztki żużla) umieszczano w niewielkich glinianych tyglach wymieszane z rozdrobnionym węglem drzewnym i materią organiczną. Tygle te następnie zalepiano i prażono przez kilkanaście-kilkadziesiąt godzin w wysokiej temperaturze. Efektem tego procesu była wysokonawęglona stal tzw. tyglowa, o zawartości C rzędu 1,5-2%. Uzyskane kawałki (~0,5 kg) skuwano razem w celu uzyskania większych sztab, tzw. kęsów lub łódek. Poprzez późniejsze prażenie kawałków o różnym nawęgleniu możliwe było też do pewnego stopnia kontrolowanie zawartości węgla, a co za tym idzie własności produktu. Ceniono też miecze Indyjskie już w starożytności [Alexander Macedoński].

Co to wszystko jednak ma wspólnego ze stalą damasceńską? Już zbliżamy się do odpowiedzi na to pytanie. Otóż stal damasceńska jest wysokowęglową stalą, o nierównomiernej zawartości węgla. Dzięki temu, że występują w niej wyraźnie ciemniejsze pasma, poprzez odpowiednią obróbkę można uzyskać najrozmaitsze wzory na powierzchni produktów z niej wykonanych. Jednak jak uzyskiwano te pasma? Długi czas było to otoczone tajemnicą. Wiadomo, że pierwsze przykłady "prawdziwej" stali damasceńskiej (zwanej bułatem) pochodzą z początków VI wieku. Największą popularność zyskały w XVI-XVII wieku, by zupełnie zaniknąć w wieku XVIII. Produkowano ją w Indiach, skąd w ok. dwukilogramowych kęsach - łódkach trafiała do Damaszku, głównego centrum handlu. Tam też poddawano ją obróbce, produkując z niej głównie klingi do szabli, sztyletów i kindżałow, z rzadka zbroje. Stal ta ma bardzo dużą twardość, a co za tym idzie była też krucha, choć w stopniu mniejszym niż można by oczekiwać po zawartości węgla.

Całkiem niedawno udało się wyjaśnić tę tajemnicę, przy czym wyjaśniło się przy okazji, dlaczego umiejętność wytwarzania takich ostrzy zanikła. Pomogły to wyjaśnić szczegółowe badania składu stali damasceńskiej oraz podjęte próby odtworzenia technologii produkcji, z użyciem analogicznych surowców.
Otóż okazało się, że kluczowe są dwa czynniki: stężenie wanadu i molibdenu w stali, oraz odpowiednia obróbka cieplna.
Ciemniejsze pasma na powierzchni stali pochodzą od zgrupowań cementytu - Fe3C - układających się w pasma odległe od siebie o 30-70 mm. Powstają one przy zawartości węgla powyżej 1,4%, zawartości wanadu co najmniej 40 ppm lub molibdenu rzędu 200 ppm. Istotne jest również stężenie fosforu. Ponadto po wytopie stal musi stygnąć dosyć powoli, gdyż przy szybkim stygnięciu pasma nie tworzą się. Dużych umiejętności wymaga też wykucie klingi ze wzorami, gdyż podgrzanie stali powyżej pewnej temperatury powodowało zanik pasm cementytu, a więc utratę walorów estetycznych. Uwidocznienie pasm powstałych w metalu wymagało również starannye obróbki przy wykańczaniu - np. z wykorzystaniem kwasów do uwypuklenia różnic w zabarwieniu.

Dlaczego sztuka zaginęła? W największym skrócie - bo wyczerpały się złoża odpowiedniej rudy, prawdopodobnie w okolicach Hyderabadu w Indiach. Bez odpowiednich domieszek w stali nawet najlepsi kowale nie byli w stanie osiągnąć odpowiedniego efektu...

Co do wartości bojowej stali damasceńskiej - świetnie nadawała się na szable, z racji wysokiej twardości doskonale rozcinając osłony. Jednak zdarzało się, że pękała, w związku z czym w Polsce częściej spotykana raczej w szablach ozdobnych niż bojowych. Również w Indiach, o ile produkowani z niej szable typu tulwar, to do wymagających elastycznej klingi mieczy typu pata brzeszczoty sprowadzano z Europy.