Thép mangan Hadfield là thép chứa khoảng 11–14% mangan và khoảng 1–1,4% cacbon, có đặc tính hiếm: càng bị đập, nghiền, va mạnh thì bề mặt càng cứng lên, trong khi lõi vẫn dai không vỡ. Vì vậy nó được dùng cho răng gầu xúc, hàm máy nghiền đá, ghi (chỗ rẽ nhánh) đường ray, những nơi chịu va đập liên tục. Cũng chính đặc tính ấy khiến thép mangan rất khó cắt gọt: lưỡi dao vừa chạm vào là bề mặt đã cứng lên.
Thép mangan Hadfield ra đời thế nào?
Năm 1882, nhà luyện kim người Anh Robert Hadfield, khi mới ngoài hai mươi tuổi, thử pha lượng mangan lớn bất thường vào thép ở xưởng của gia đình tại Sheffield. Lúc bấy giờ giới luyện kim tin rằng thép chứa nhiều hơn khoảng 1,5% mangan sẽ giòn, vô dụng. Hadfield phát hiện ngược lại: khi lượng mangan vượt khoảng 10% và thép được làm nguội nhanh trong nước từ nhiệt độ cao, nó trở nên vừa dai vừa chống mài mòn đặc biệt. Ông đăng ký sáng chế năm 1883.
Thép mangan Hadfield được xem là một trong những thép hợp kim đầu tiên được nghiên cứu có hệ thống, mở đường cho cả ngành thép hợp kim sau này. Hơn một thế kỷ sau, thành phần cơ bản của nó gần như không đổi, và nhiều tiêu chuẩn vẫn gọi tên ông.
Thành phần và cấu trúc của thép mangan có gì đặc biệt?
Thép thường ở nhiệt độ phòng có cấu trúc ferit (mạng lập phương tâm khối) và bị nam châm hút. Mangan với lượng lớn giữ cho thép ở dạng austenit (mạng lập phương tâm mặt) ngay cả khi đã nguội về nhiệt độ phòng. Đây là dạng tinh thể vốn chỉ tồn tại ở thép nóng đỏ.
| Thông số | Thép mangan Hadfield (khoảng) |
|---|---|
| Mangan | 11–14% |
| Cacbon | 1–1,4% |
| Tỷ lệ mangan / cacbon | thường khoảng 10/1 |
| Cấu trúc ở nhiệt độ phòng | Austenit |
| Độ cứng khi mới xử lý | khoảng 200 HB (thang Brinell) |
| Độ cứng bề mặt sau va đập | có thể lên khoảng 450–550 HB |
| Từ tính | Gần như không bị nam châm hút |
| Nhiệt độ chảy | khoảng 1.400 °C, đúc dễ hơn thép cacbon thấp |
Một mẹo nhận biết đáng nhớ: răng gầu hay tấm lót bằng thép mangan còn tốt thường không bị nam châm hút, khác hẳn thép thường. Riêng lớp mặt đã bị đập cứng có thể hơi nhiễm từ.
Vì sao thép mangan càng bị đập càng cứng?
Kim loại nào bị biến dạng nguội cũng cứng lên một chút, vì lệch mạng sinh ra nhiều và vướng vào nhau. Hiện tượng này gọi là hoá bền biến dạng; thợ uốn đi uốn lại sợi dây đồng thấy nó cứng dần là ví dụ quen thuộc. Thép mangan Hadfield có mức hoá bền biến dạng cực mạnh, vì trong mạng austenit của nó, khi bị va đập, xảy ra nhiều cơ chế cùng lúc: lệch mạng nhân lên dày đặc, các dải song tinh mỏng (hai phần tinh thể đối xứng như gương) xuất hiện chia nhỏ hạt, và nguyên tử cacbon, mangan "ghim" lệch mạng tại chỗ.
Điều tuyệt vời là quá trình này chỉ xảy ra ở lớp mặt bị va đập, dày cỡ vài milimét. Lõi bên trong vẫn là austenit dai, hấp thụ va đập mà không nứt. Khi lớp mặt mòn đi, lớp ngay dưới lại bị đập và cứng lên. Vật liệu tự "làm mới" lớp giáp của mình trong suốt quá trình làm việc.
Điểm yếu: cần va đập thật sự
Thép mangan chỉ cứng lên khi bị va đập hoặc ép mạnh. Nếu chỉ bị mài mòn nhẹ, kiểu cát trượt qua bề mặt mà không có lực va, lớp mặt không đủ biến dạng để hoá bền, thép mòn khá nhanh. Trong những trường hợp đó, người ta dùng gang trắng crom cao hoặc thép hợp kim đã nhiệt luyện cứng sẵn sẽ tốt hơn. Chọn sai vật liệu là lỗi hay gặp ở các mỏ, xưởng nghiền.
Thép mangan được nhiệt luyện thế nào?
Thép mangan sau khi đúc nguội chậm trong khuôn sẽ có các hạt cacbua tiết ra dọc biên hạt, làm thép giòn. Để có độ dai, vật đúc được nung lại tới khoảng 1.000–1.100 °C cho cacbua tan hết vào austenit, rồi nhúng nhanh vào bể nước lớn, khuấy mạnh. Cách này gọi là trui nước (trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh). Nhưng mục đích khác với trui thép cacbon: ở đây làm nguội nhanh không để thép cứng lên, mà để giữ austenit sạch cacbua, tức để thép dai. Giới chuyên môn gọi là "xử lý dai hoá".
Hệ quả là thép mangan không được để nóng lại quá lâu ở khoảng vài trăm độ trở lên, vì cacbua sẽ tiết ra trở lại và thép giòn đi. Khi hàn đắp sửa chữa răng gầu, thợ phải giữ chi tiết mát, hàn từng đoạn ngắn, để nguội giữa các lượt hàn, thường giữ nhiệt độ chi tiết dưới khoảng 250 °C.
Vì sao thép mangan khó gia công?
Đặt mũi khoan thường lên thép mangan, mũi khoan sẽ nóng, kêu rít mà gần như không ăn vào. Lý do: ngay khoảnh khắc lưỡi cắt ép vào bề mặt, lớp kim loại dưới lưỡi bị biến dạng và cứng lên, cứng hơn cả lưỡi cắt thép gió. Lưỡi cắt càng cùn, lớp hoá cứng càng dày, vòng luẩn quẩn bắt đầu.
Vì vậy chi tiết thép mangan hầu như luôn được đúc gần đúng hình dáng cuối cùng ngay từ đầu, rồi chỉ mài phần cần thiết. Khi buộc phải gia công, xưởng dùng dao cacbua hoặc gốm, máy cứng vững, lượng ăn dao đủ sâu để lưỡi cắt luôn đi dưới lớp đã hoá cứng, không được để dao cọ xát tại chỗ. Lỗ bắt bu lông thường được tạo sẵn bằng lõi khi đúc. Cắt thép mangan bằng ngọn lửa ôxy – axetylen cũng khó hơn thép thường; nhiều xưởng dùng cắt hồ quang plasma hoặc than chì.
Thép mangan dùng ở đâu?
- Ngành mỏ và vật liệu xây dựng: hàm máy nghiền đá, lót máy nghiền nón, búa máy nghiền, tấm lót máng đổ quặng.
- Máy xúc, máy cào: răng gầu, lưỡi cắt, mắt xích xích tải nặng (nhiều răng gầu đời mới dùng thép hợp kim thấp đã nhiệt luyện, tuỳ điều kiện đất đá).
- Đường sắt: ghi và "cóc" (chỗ hai ray giao nhau ở ghi rẽ), nơi bánh xe tàu nện xuống liên tục. Phần cóc ghi đúc bằng thép mangan bền hơn nhiều so với ghép từ ray thường.
- Thiết bị an ninh: song cửa, tấm chống khoan cho két sắt, vì mũi khoan thường không ăn được.
- Nạo vét: cánh bơm hút bùn cát, ống dẫn cát sỏi.
Góc nhìn hôm nay: cái nhìn khác về "vật liệu cứng"
Thép mangan dạy một bài học thú vị: vật liệu tốt nhất cho một việc không phải lúc nào cũng là vật liệu cứng nhất khi đo trên bàn thí nghiệm. Nó mềm lúc mới làm ra, nhưng thông minh ở chỗ cứng lên đúng nơi, đúng lúc cần. Các mỏ đá, mỏ than ở Quảng Ninh, Thái Nguyên hay các trạm nghiền đá xây dựng khắp cả nước đều phải thay đều đặn hàm nghiền, răng gầu bằng thép này.
Người làm nghề bảo trì máy mỏ, máy xây dựng nên học cách nhận biết thép mangan (bằng nam châm, bằng hồ sơ phụ tùng) để chọn đúng que hàn đắp và quy trình hàn nguội. Muốn đọc thêm, tìm chương "thép đặc biệt" trong giáo trình Vật liệu học, hoặc sổ tay ASM phần thép chống mài mòn.
Câu hỏi thường gặp
Thép mangan là gì?
Thép mangan Hadfield là thép chứa khoảng 11–14% mangan và 1–1,4% cacbon, có cấu trúc austenit ở nhiệt độ phòng. Bề mặt của nó cứng lên mạnh khi bị va đập, trong khi lõi vẫn dai.
Vì sao thép mangan không bị nam châm hút?
Lượng mangan lớn giữ thép ở dạng austenit, một cấu trúc tinh thể không có từ tính mạnh. Thép cacbon thường có cấu trúc ferit nên bị nam châm hút.
Thép mangan dùng làm gì?
Dùng cho hàm máy nghiền đá, răng gầu xúc, ghi đường ray, tấm lót máy nghiền, song cửa chống khoan. Đó là những chỗ chịu va đập mạnh liên tục.
Vì sao thép mangan khó khoan, khó tiện?
Lưỡi cắt ép vào bề mặt làm lớp kim loại ngay dưới lưỡi bị hoá bền biến dạng, cứng hơn cả lưỡi dao thường. Vì vậy chi tiết thép mangan thường được đúc gần đúng hình rồi chỉ mài.
Ai phát minh ra thép mangan?
Nhà luyện kim Anh Robert Hadfield phát hiện năm 1882 và đăng ký sáng chế năm 1883. Đây là một trong những thép hợp kim đầu tiên được nghiên cứu có hệ thống.
