Дмитрий Самойлов

КОГДА НЕ СПРАВЛЯЕТСЯ СТАЛЬ

На протяжении нескольких тысяч лет для изготовления клинков применялся только металл. Люди прибегали к другим материалам исключительно в ритуальных целях либо если металл был им недоступен. В XX веке ситуация изменилась: во-первых, появились новые задачи, с которыми металлический клинок уже не справлялся, а во-вторых, было освоено производство принципиально новых материалов, сравнявшихся по ряду характеристик с металлом и даже превзошедших его. Одними из первых альтернативы металлу стали использовать хирурги и ученые. И тем и другим потребовалось лезвие более острое, чем могла обеспечить сталь.

При достаточно большом увеличении поперечного сечения клинка можно увидеть, что даже самая острая режущая кромка имеет скругленную форму. При прочих равных характеристиках, чем меньше будет радиус этого скругления, тем выше будет острота. Вместе с тем для каждого материала существует предельно малое значение этого радиуса, определяемое степенью организации молекул и силой межмолекулярных связей.

Для сталей предельная острота теоретически определяется их кристаллической структурой. На практике же основную роль в этом играет диаметр зерен карбидов, поскольку режущую кромку нецелесообразно делать более тонкой, чем одно зерно. В противном случае ее стойкость и режущие свойства будут существенно снижены. Диаметр зерна карбида стали марки S30V, например, составляет в среднем 4 микрона, у стали ATS-34— порядка 25 микрон, а у D2— около 50. Наиболее острые из существующих лезвий имеют режущую кромку с диаметром 0,6 микрона, что одновременно является практически минимальным диаметром зерна карбида в высокоуглеродистых сталях.

Одним из первых материалов, примененных для создания неметаллического скальпеля, стал обсидиан. Как часто бывает, новое — это хорошо забытое старое. Ножами из вулканического стекла пользовались еще жрецы майя и хирурги в Древнем Египте. Благодаря аморфной молекулярной структуре обсидиановое лезвие может достигать на порядок меньшей толщины, а следовательно, большей остроты, чем стальное. Современные обсидиановые скальпели, применяемые в пластической хирургии и офтальмологии, а также при подготовке препаратов для электронного микроскопа, имеют диаметр режущей кромки около 0,02 микрона.

Еще одним достоинством стеклянного клинка является его гораздо более гладкая поверхность. При наблюдении в микроскоп с одинаковым увеличением режущая кромка стеклянного клинка выглядит как прямая линия, в то время как у стального она напоминает пилу с неравномерно распределенными зубцами. В результате обсидиановый скальпель создает гораздо меньше трения, проходя сквозь ткани, что позволяет получить значительно более аккуратный разрез, чем при использовании стального.

Основными недостатками обсидианового клинка являются его хрупкость и недолговечность. Стеклянный клинок не выдерживает столкновения с твердыми объектами, и даже в мягких тканях может сделать не более сотни разрезов, прежде чем потеряет остроту.

До недавнего времени обсидиановые скальпели были рекордсменами остроты, однако последние достижения в области технологий плазменной полировки позволили наладить выпуск алмазных микроскальпелей с диаметром режущей кромки около 0,003 микрона (то есть приблизительно 30 атомов). Алмазные скальпели гораздо более долговечны, чем обсидиановые. Однако их широкому распространению препятствует, в первую очередь, высокая цена — тысяча долларов и более.

Острота современного алмазного скальпеля не является пределом. Особые технологии ионной литографии позволяют получить кремниевый микроскальпель с толщиной режущей кромки около 0,001 микрона.

Следующей предметной областью, потребовавшей искать альтернативу стали для изготовления клинка, стало оружие скрытого ношения. Серия угонов самолетов в начале 70-х привела к быстрому распространению досмотровых металлодетекторов. Вслед за аэропортами арочные и ручные детекторы появились на входах в государственные учреждения, банки, клубы и т. д. Это подтолкнуло ряд фирм-производителей ножей и отдельных мастеров на поиски подходящей замены для стали.

Принцип работы металлодетектора основан на эффекте индукционных вихревых токов. Активный датчик обнаружения генерирует электромагнитное поле, возбуждающее вихревые токи в проводящем объекте. Эти вихревые токи генерируют вторичное электромагнитное поле, которое обнаруживается и оценивается приемным датчиком. Чтобы оставаться для такого детектора незамеченным, материал не должен проводить электрический ток.

Первым кандидатом на замену стали волокнистые полимерные композиты. В основном использовался материал Zytel французской фирмы DuPont, часто применяемый в конструкции рукоятей ножей. Пионером в его использовании для изготовления клинков стал мастер Э. Дж. Рассел (A. G. Russel), наладивший в конце 1970-х выпуск ножа CIA Letter Opener (нож ЦРУ для вскрыва-ния конвертов). Из Zytel делали свои ножи Choate Machine and Tool, United Cutlery, Cold Steel и некоторые мастера-индивидуалы. Клинки из Zytel не могут резать — режущая кромка просто сминается. Именно поэтому большинство изделий из Zytel ориентированы исключительно на укол, классическим примером чего является модель Delta Dart фирмы Cold Steel.

Чемпионом по функциональным качествам среди пластиковых ножей по праву считается Stealth Hawk фирмы Busse Combat. На испытаниях этот нож забивали молотком в дверь автомобиля, в толстый деревянный брус и даже стенку стальной 200-литровой бочки. Затем нож сгибали под углом 20 °. Все эти тесты Stealth Hawk выдержал без ущерба для себя. В финале с помощью ножа перепилили 17 пеньковых канатов полудюймовой толщины. Высокие эксплуатационные свойства ножа по заявлениям фирмы-производителя объясняются особым пластиковым композитом МР45, примененным для его создания. Однако, на мой взгляд, значительную роль сыграла и геометрия клинка. Кончик Stealth Hawk имеет особую форму, близкую к пулевидной, что придает ему высокую прочность. Такая форма острия называется ВАТ (Busse Armored Tip — армированное острие Busse) и образуется тремя видами спусков — прямыми, линзовидными выпуклыми и линзовидными вогнутыми. Серрейтор на Stealth Hawk также разработан с учетом особенностей материала клинка. Зубья серрейтора сделаны очень крупными для прочности, а их профиль ориентирован на то, чтобы рвать, а не резать. Производство Stealth Hawk было прекращено во второй половине 1990-х, поскольку один из компонентов, использовавшихся для изготовления клинка, стал недоступен. Дело в том, что Агентство по защите окружающей среды (ЕРА) запретило производство этого пластика, так как оно сопровождалось канцерогенными выбросами в атмосферу.

В настоящее время Cold Steel предлагает новую серию ножей Nightshade из армированного стекловолокном пластика Grivory, который позиционируется как более прочная альтернатива Zytel. Однако, как показал ряд независимо проведенных тестов, клинки из Grivory выдерживают всего пару колющих ударов, прежде чем сломаются, а по режущей способности они не превосходят разовый пластиковый нож из общепита.

В начале 1990-х годов среди создателей неметаллических ножей стали популярны стеклотекстолит G-10 и композиты на базе углеволокна (carbon fiber). Кончики армирующих волокон, выходящие на режущую кромку, образуют своеобразный микросеррейтор, благодаря которому ножи из этих материалов могут худо-бедно резать. Из стеклотекстолита делали некоторые свои модели такие мастера, как Фред Перрин (Fred Perrin) и Лэйси Сзабо (Laci Szabo). В середине 1990-х фирма Shomer Тес выпускала нож Deep Cover из G-10, разработанный Эрнестом Эмерсоном (Ernest Emerson). В настоящее время подобные ножи производит только фирма Mission Knives (серия СТ, то есть Counter Terrorist — контртеррористические).

До недавнего времени лучшим ножом из материалов данной группы был давно снятый с производства Frequent Flyer фирмы Mad Dog Labs. Эта фирма выпускала ножи с клинком из стеклотекстолита собственной разработки, превосходящего по прочности и режущим свойствам G-10.

В настоящее время пальма первенства однозначно принадлежит продукции небольшой фирмы Granger Knives. Ножи серии GPR изготовлены из одноименного композита, марку и состав которого производитель держит в секрете. Твердость GPR составляет 47 по шкале «С» Роквелла (HRC), а по прочности он превосходит G-10 в 4 раза.

Наиболее перспективным материалом для производства неметаллических ножей оказалась керамика. Одним из первых в 1980-х годах с ней начал экспериментировать Боб Терзуола (Bob Terzuola). В настоящее время чаще всего применяется диоксид-циркониевая керамика. Ее твердость составляет 8,2 по шкале Mooca (Mohs). Корректного метода пересчета этого значения в единицы шкалы «С» Роквелла нет, так как последняя не существует для величин более 68. Однако, экстраполировав, можно определить, что твердость данной керамики превышает 80 HRC. Если же вернуться к шкале Мооса, то твердость алмаза по ней составляет 10, а закаленной стали с твердостью 58–60 HRC- около 6.

Японская компания Куосеrа начала продажу кухонных ножей из диоксидциркониевой керамики уже в 1985 году. Керамические ножи не ржавеют, а высокая твердость позволяет им сохранять заточку в десятки раз дольше, чем стальным. По мнению гурманов, керамический клинок, в отличие от стального, не изменяет цвет и вкус разрезаемых продуктов, таких, например, как сырая рыба для суси или салат-латук. Еще одним достоинством керамики на кухне является то, что она не вызывает аллергии. Дело в том, что некоторые виды химеотерапии приводят к появлению у больных непереносимости пищи, соприкасавшейся с металлом. Несмотря на достоинства керамических ножей, хрупкость стала преградой на пути их широкого распространения, ведь они не выдерживали встречи даже с твердыми сортами сыра.

Ситуация улучшилась, когда в 2003 году Куосега представила свою новую серию ножей Kyotop. Клинки Kyotop проходят дополнительную фазу обработки — горячую изостатическую допрессовку, совмещающую процессы формования и спекания. Заготовка подвергается всестороннему сжатию с давлением в несколько тысяч атмосфер при температуре 1500 °C в течении 24 часов. В результате ощутимо повышаются плотность и однородность клинка, что, в свою очередь, практически двукратно увеличивает его прочность. Тем не менее, используя керамику Kyotop на кухне, по-прежнему надо старательно избегать костей, замороженных продуктов и любых ситуаций, при которых возникают поперечные нагрузки на клинок.

Прочностные ограничения керамики, с которыми в принципе можно смириться, говоря о кухонном ноже, абсолютно неприемлемы для боевого клинка. Единственным конструктором, которому на сегодняшний день удалось создать керамические клинки, сравнимые по прочности со стальными, является владелец Mad Dog Labs Кевин Мак Клан г (Kevin McClung).

МакКланг в результате шести лет поисков и экспериментов нашел керамический композит, который по прочности на изгиб близок к стали марки 44 °C, закаленной до твердости 59 HRC. В тестах ножами Mirage X рубили твердую древесину, бросали их с высоты несколько метров на бетонный пол, втыкали в стальные бочки и канистры. По заказу саперных подразделений, заинтересованных в немагнитных и непроводящих инструментах, фирма Mad Dog даже изготавливала керамические монтировки. На испытаниях такой ломик вколотили в железнодорожную шпалу, после чего раскачивали его до тех пор, пока шпала не треснула. Состав композита держится в секрете, однако, судя по свойствам, можно предположить, что это керамика, армированная волокнами или тканью, скорее всего разработанная для производства бронепластин.

Разработчики неметаллических ножей осознавали, что нож, который не обнаруживается металлодектором, очевидно вызовет настороженную, если не сказать негативную, реакцию у правоохранительных органов и общественности. Поэтому некоторые пытались завуалировать основное предназначение ножа, называя его ножом аквалангиста, сапера и т. п. Другие позиционировали свою продукцию как спецсредство для полиции и агентства по борьбе с наркотиками. В качестве объяснения предлагался сценарий, согласно которому федеральный агент или полицейский, работающий под прикрытием, приходит на встречу с преступниками, а те перед беседой проводят досмотр с помощью металлодетектора. Наличие у полицейского неметаллического ножа позволяет ему в подобной ситуации не остаться безоружным. Реалистичность данного сценария я оставлю на совести его авторов.

Несмотря на все ухищрения с позиционированием неметаллических ножей, ограничения не заставили себя ждать. Первый закон, запрещающий продажу неметаллических ножей гражданскому населению, был принят в США в штате Калифорния в 1999 году, после того как судебный пристав был ранен неметаллическим ножом. Нападавший использовал Delta Dart от Cold Steel, который он без труда пронес через арочный металлодетектор, установленный на входе в здание суда. Теракты 11 сентября 2001 года вызвали ужесточение этого закона, отныне запрещающего также ввоз и производство ножей данного класса. Сходные законы действуют и в нескольких других штатах.

Подобные запреты вынудили ряд фирм прекратить изготовление боевых неметаллических ножей. Подавляющее большинство оставшихся производителей ограничили круг потенциальных покупателей полицейскими и военными. Некоторые фирмы постарались сделать свои изделия видимыми для металлодетекторов. Так, фирма Mad Dog поместила металлические пластинки внутрь рукоятей гражданских моделей керамических ножей серии Mirage X. Kyocera стала крепить накладки рукоятей на своих ножах серии Kyotop с помощью металлических заклепок. Оригинальное решение нашла фирма Cold Steel — в отверстие в рукояти каждого ее неметаллического ножа вставлено тонкое металлическое кольцо, которое, впрочем, легко удаляется с помощью кусачек.

Подытоживая, хочу подчеркнуть, что современные технологии еще не дали материала, представляющего собой полноценную замену стали для всех типов клинков. Применение неметаллических материалов пока оправдано только в тех случаях, когда по-другому задачу решить просто нельзя.

КЕРАМИЧЕСКИЕ НОЖНИЦЫ

Одна из серьезных проблем в массовом производстве стеклянной посуды (стаканов, бутылок, тарелок и т. д.) — получение заготовок. От выходящей из печи расплавленной стеклянной «колбасы» их отрезают механическими ножницами. Но стекло и в размягченном состоянии остается стеклом и трудно поддается обработке. Даже ножницы из тугоплавкого металла не выдерживают более 2–2,5 месяца работы и каждую неделю их приходится затачивать.

В РХТУ им. Д. И. Менделеева разработали керамический состав из глинозема и карбида кремния. Карбид кремния SiC — материал очень твердый и прочный, его структура близка к строению алмаза. Новая керамика отличается термостойкостью и износостойкостью. Кроме того, она не смачивается стеклом. Ножницы с керамическими лезвиями будут служить намного дольше металлических, не нуждаясь к тому же в заточке.

По материалам журнала «Наука и жизнь»

Иллюстрации

Скол этой обсидиановой пластины острее любой бритвы

Stealth Hawk фирмы Busse Combat, чемпион среди пластиковых ножей (материал клинка пластиковый композит МР45)

Модели неметаллических ножей фирмы Cold Steel

Неметаллический нож от Granger Knives (материал клинка GPR)

Кухонные ножи фирмы URI Eagle (материал клинка диоксидциркони евая керамика)

Mad Dog Mirage X Operator (материал клинка керамический композит)

Cold Steel Delta Dart — после инцидента с его использованием начались гонения на неметаллические ножи.

Content

Дмитрий Самойлов
КОГДА НЕ СПРАВЛЯЕТСЯ СТАЛЬ

Иллюстрации