Thép gió (HSS, thép cắt nhanh) và cacbua vonfram (hợp kim cứng) là hai vật liệu làm phần lớn mũi khoan, dao phay, dao tiện hiện nay. Thép gió là thép nhiều vonfram, molipđen, crom, vanađi, giữ được độ cứng khi lưỡi cắt nóng tới khoảng 550–600 °C. Cacbua vonfram là các hạt WC siêu cứng gắn bằng coban, thiêu kết từ bột, cứng hơn và chịu nóng hơn nữa nhưng giòn. Ký hiệu HSS, HSS-Co, TiN trên mũi khoan chính là cách đọc ra vật liệu ấy.
Vì sao dụng cụ cắt cần vật liệu "giữ cứng khi nóng"?
Khi khoan hay tiện kim loại, gần như toàn bộ công cắt biến thành nhiệt. Phoi thép bong ra có khi xanh tím, và mép lưỡi cắt có thể nóng tới vài trăm độ. Thép dụng cụ cacbon thường (loại dùng làm dũa, đục) được làm cứng bằng cách trui: trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh. Độ cứng ấy đến từ một cấu trúc gọi là mactenxit, nhưng nó bắt đầu mềm đi khi bị nung lại trên khoảng 200–250 °C. Lưỡi cắt bằng thép cacbon mà chạy nhanh sẽ "cháy", cùn ngay.
Vì thế từ thế kỷ 19, câu hỏi lớn của ngành cơ khí là: tìm vật liệu nào vẫn cứng khi đỏ nóng, để tăng tốc độ cắt. Khả năng này gọi là độ cứng nóng hay độ bền nóng đỏ.
Thép gió ra đời thế nào và vì sao gọi là "cắt nhanh"?
Khoảng năm 1898–1900, kỹ sư Mỹ Frederick Winslow Taylor và cộng sự Maunsel White thử nghiệm nhiệt luyện thép hợp kim vonfram ở nhiệt độ cao bất thường, sát điểm chảy. Kết quả là loại thép giữ cứng ngay cả khi lưỡi cắt nóng đỏ thẫm. Tại Triển lãm Thế giới Paris năm 1900, họ trình diễn dao tiện cắt thép nhanh tới mức lưỡi dao đỏ rực mà vẫn cắt tiếp, gây chấn động giới cơ khí. Tốc độ cắt tăng nhiều lần so với thép dụng cụ cacbon, và cái tên "high-speed steel" (thép cắt nhanh) ra đời. Ở Việt Nam, thợ quen gọi là "thép gió".
Bí quyết nằm ở các nguyên tố tạo cacbua cứng: vonfram, molipđen, vanađi, crom. Chúng tạo ra những hạt cacbua rất cứng rải trong nền thép, và khi ram ở khoảng 540–560 °C, thêm một lớp hạt cacbua siêu mịn tiết ra, làm thép cứng lên lần nữa thay vì mềm đi. Hiện tượng này gọi là "độ cứng thứ hai".
Các mác thép gió thường gặp
| Mác (theo hệ AISI) | Thành phần chính (khoảng) | Đặc điểm |
|---|---|---|
| T1 (18-4-1) | 18% W, 4% Cr, 1% V, 0,7% C | Mác kinh điển, nay ít dùng vì vonfram đắt |
| M2 | 6% W, 5% Mo, 4% Cr, 2% V, 0,85% C | Phổ biến nhất, phần lớn mũi khoan HSS |
| M35 | Như M2 + khoảng 5% Co | Chịu nóng hơn, khoan inox tốt hơn |
| M42 | Nhiều Mo + khoảng 8% Co | Cứng nóng cao, dao phay, mũi khoan vật liệu khó |
Thép gió sau nhiệt luyện thường đạt khoảng 62–67 HRC (thang độ cứng Rockwell C), tức cứng hơn hầu hết thép mà nó cắt.
Cacbua vonfram là gì, vì sao không đúc được?
Cacbua vonfram (WC) là hợp chất của vonfram và cacbon, cứng gần bằng kim cương ở một số thang đo, chảy ở khoảng 2.870 °C. Dùng WC nguyên khối thì quá giòn. Năm 1923, các nhà nghiên cứu Đức tìm ra cách trộn bột WC với bột coban, ép thành hình rồi nung ở khoảng 1.350–1.500 °C. Ở nhiệt độ này coban chảy (hoặc gần chảy, khi có WC hoà tan vào), thấm vào giữa các hạt WC như xi măng gắn sỏi, rồi đông lại thành một khối đặc. Đây là thiêu kết pha lỏng, và sản phẩm gọi là hợp kim cứng hay cacbua thiêu kết.
Không thể nấu chảy WC với coban rồi đúc như gang thép, vì nhiệt độ cần để làm chảy WC quá cao và khi nguội các thành phần sẽ tách ra không kiểm soát. Luyện kim bột giải được bài toán đó: không cần nấu chảy thứ khó chảy nhất.
- Coban thường chiếm 3–12%. Ít coban: cứng hơn, chống mòn hơn nhưng giòn. Nhiều coban: dai hơn, chịu va đập tốt hơn.
- Kích thước hạt WC càng nhỏ (dưới 1 micrômét gọi là hạt siêu mịn), mép cắt càng sắc và bền.
- Độ cứng nóng: cacbua vẫn giữ cứng tốt ở khoảng 800–1.000 °C, cao hơn thép gió nhiều, nên cắt được nhanh gấp vài lần.
Thép gió và cacbua: chọn loại nào?
| Tiêu chí | Thép gió (HSS) | Cacbua vonfram |
|---|---|---|
| Độ cứng ở nhiệt độ phòng | khoảng 62–67 HRC | cao hơn rõ, thường đo theo thang HRA (khoảng 89–93) |
| Giữ cứng tới khoảng | 550–600 °C | 800–1.000 °C |
| Độ dai, chịu va đập | Tốt, ít mẻ | Giòn, dễ mẻ khi rung hoặc kẹp lỏng |
| Mài lại | Mài bằng đá mài thường được | Cần đá kim cương |
| Dùng hợp | Khoan tay, máy khoan bàn, chi tiết nhỏ, cắt gián đoạn | Máy CNC cứng vững, tốc độ cao, sản xuất hàng loạt |
Thực tế trong xưởng: dao phay, mũi khoan cỡ lớn trên máy CNC đa số dùng cacbua, thường là mảnh cacbua nhỏ kẹp vào thân dao thép (mảnh dao gắn), mòn thì xoay mặt hoặc thay mảnh. Mũi khoan cầm tay, ta rô, dao chuốt vẫn dùng nhiều thép gió vì chịu được rung, lệch, kẹt tốt hơn.
Đọc ký hiệu trên mũi khoan HSS thế nào?
Trên thân mũi khoan bán ở cửa hàng dụng cụ thường có vài chữ khắc. Cách đọc phổ biến:
- HSS: thép gió nói chung, không ghi rõ mác.
- HSS-R (cán): rãnh xoắn tạo bằng cán nóng, thường màu đen, rẻ nhất, độ chính xác thấp hơn.
- HSS-G (mài): rãnh mài từ phôi đã nhiệt luyện, sáng màu, chính xác và bền hơn.
- HSS-Co hoặc HSS-E: thép gió có coban (khoảng 5% hoặc 8%), hợp để khoan inox, thép hợp kim.
- TiN: phủ lớp titan nitrua màu vàng kim vài micrômét, giảm ma sát, tăng tuổi thọ. Khi mài lại mũi, lớp phủ ở mép cắt mất đi.
- Mũi khoan bê tông có đầu gắn một mảnh cacbua hàn vảy lên thân thép, nhận biết bằng phần đầu rộng hơn và màu xám khác thân.
Màu sắc riêng không nói lên chất lượng: lớp oxit đen, lớp vàng TiN hay màu đồng đều có thể chỉ là lớp mặt. Ký hiệu khắc rõ ràng và nguồn gốc rõ đáng tin hơn.
Gia công và mài hai vật liệu này có nguy hiểm gì?
Mài thép gió tạo nhiều tia lửa và bụi kim loại; cần kính bảo hộ, tấm che đá mài, không mài bằng mặt bên của đá. Với cacbua, nguy cơ lớn hơn nằm ở bụi: bụi hợp kim cứng chứa coban, hít phải lâu ngày có thể gây bệnh phổi nghề nghiệp gọi là "bệnh phổi kim loại cứng". Xưởng mài cacbua cần mài ướt, hút bụi tại chỗ và mặt nạ lọc bụi phù hợp. Cacbua giòn, mảnh dao vỡ khi cắt có thể bắn ra với tốc độ cao, nên máy phải có che chắn.
Sản xuất thép gió và cacbua đều cần lò nhiệt độ cao, môi trường khí bảo vệ hoặc chân không, và kiểm soát rất chặt; đây là việc của nhà máy chuyên ngành.
Góc nhìn hôm nay: từ mũi khoan tới máy khoan đá
Cacbua vonfram không chỉ ở xưởng cơ khí. Mũi khoan đá trong khai mỏ, răng mũi khoan dầu khí, đầu bút bi (viên bi nhỏ ở đầu nhiều loại bút là cacbua vonfram), đinh chống trơn của lốp xe xứ lạnh đều dùng vật liệu này. Vonfram vì vậy được xem là kim loại chiến lược; Việt Nam có khai thác quặng vonfram ở phía Bắc. Phần lớn dụng cụ cacbua mòn được thu gom để tái chế vonfram và coban, vì quặng hiếm và quá trình luyện tốn kém.
Ai đang học nghề cơ khí nên tập phân biệt dụng cụ HSS và cacbua ngay từ đầu, và đọc bảng chế độ cắt (tốc độ, lượng chạy dao) do nhà sản xuất dụng cụ cung cấp. Giáo trình "Dụng cụ cắt" ở các trường cao đẳng kỹ thuật có chương riêng về vật liệu dụng cụ.
Câu hỏi thường gặp
Thép gió là gì?
Thép gió (HSS, thép cắt nhanh) là thép hợp kim chứa vonfram, molipđen, crom, vanađi, có khi thêm coban. Nó giữ được độ cứng khi lưỡi cắt nóng tới khoảng 550–600 °C nên dùng làm mũi khoan, dao phay, dao tiện.
Mũi khoan HSS và mũi khoan cacbua khác nhau thế nào?
Mũi cacbua cứng hơn, chịu nóng tốt hơn, cắt nhanh hơn nhưng giòn, dễ mẻ nếu máy rung hoặc khoan tay. Mũi HSS dai hơn, rẻ hơn, mài lại dễ, hợp cho khoan tay và máy khoan thông thường.
Cacbua vonfram cứng cỡ nào?
Hợp kim cứng WC – coban thường có độ cứng khoảng 89–93 HRA, cứng hơn rõ so với thép gió đã nhiệt luyện. Hạt WC tự thân rất cứng, còn coban làm chất gắn giúp khối vật liệu bớt giòn.
HSS-Co có tác dụng gì?
HSS-Co là thép gió có thêm khoảng 5–8% coban, giúp giữ cứng ở nhiệt độ cao hơn. Loại này hợp để khoan inox, thép hợp kim, những vật liệu sinh nhiều nhiệt khi cắt.
Lớp vàng trên mũi khoan là gì?
Đó thường là lớp phủ titan nitrua (TiN) dày vài micrômét, giúp giảm ma sát và tăng tuổi thọ lưỡi cắt. Lớp phủ chỉ ở mặt ngoài, mài lại mũi thì mép cắt mất lớp phủ.
