Điểm Curie của sắt khoảng 770°C: nung thép carbon qua mức này, thép mất từ tính và không còn hút nam châm. Thợ rèn tận dụng điều đó làm một "nhiệt kế" đơn giản và chắc: đưa nam châm chạm vào phôi đang nung, khi nam châm không còn dính là thép đã ở khoảng đỏ anh đào, rồi nung thêm một chút để vào vùng trui hợp lý của nhiều thép carbon. Mẹo này không thay được hiểu biết về loại thép, nhưng giúp người mới tránh hai lỗi phổ biến nhất: trui khi thép chưa đủ nóng và nung quá tay.
Điểm Curie là gì
Sắt, niken, coban là những kim loại có tính sắt từ: các nguyên tử trong đó như những nam châm tí hon, và ở nhiệt độ thường chúng xếp cùng hướng trong từng vùng nhỏ. Vì vậy nam châm hút được sắt. Khi nung nóng, dao động nhiệt làm các "nam châm tí hon" ấy loạn hướng dần. Tới một nhiệt độ nhất định, trật tự mất hẳn, kim loại không còn tính sắt từ. Nhiệt độ ấy mang tên nhà vật lý Pierre Curie, người nghiên cứu hiện tượng này cuối thế kỷ 19.
Với sắt nguyên chất, điểm Curie khoảng 770°C. Với các kim loại khác thì khác: niken khoảng 358°C, coban trên 1.100°C. Thép carbon thường mất từ tính ở gần mức của sắt, vì phần lớn khối thép là sắt.
Khi thép nguội trở lại dưới điểm Curie, từ tính quay lại. Không có gì bị hỏng: đây là một tính chất thuận nghịch.
Vì sao điểm Curie hữu ích cho thợ rèn
Trui là nung thép tới nhiệt độ nhất định rồi làm nguội thật nhanh để thép cứng lên. Muốn trui được, thép carbon phải được nung qua vùng mà sắt chuyển sang dạng austenit, hoà tan carbon. Với thép carbon cao, vùng chuyển này nằm khá gần điểm Curie. Do đó:
- Còn hút nam châm: thép chắc chắn chưa đủ nóng để trui tốt. Nhúng lúc này, dao gần như không cứng lên.
- Vừa hết hút: thép ở khoảng 770°C, sát vùng trui.
- Nung thêm một chút sau khi hết hút: với nhiều thép carbon, đó là vùng trui hợp lý, thường quanh 780–850°C tuỳ loại.
Điều cần nhớ: mất từ tính và hoà tan carbon là hai hiện tượng khác nhau, chỉ tình cờ xảy ra ở vùng nhiệt gần nhau với thép carbon. Nam châm là chỉ dấu tiện dụng, không phải định nghĩa của nhiệt độ trui.
Cách thợ dùng nam châm trong thực tế
- Nam châm gắn vào que dài: không ai đưa tay sát phôi đỏ. Nhiều thợ gắn nam châm vào đầu một thanh sắt hay que gỗ.
- Thử nhanh rồi rút: nam châm vĩnh cửu thông thường cũng mất từ tính nếu bị nung nóng lâu. Chạm một cái rồi rút ra, để nam châm nguội.
- Thử ở chỗ cần trui: lưỡi mỏng nóng nhanh hơn sống. Chỗ lưỡi đã hết hút trong khi sống còn hút là chuyện bình thường; với dao chỉ trui lưỡi, đó lại là điều mong muốn.
- Ghi nhớ màu lúc mất từ tính: thợ mới dùng nam châm để "dạy mắt": nhìn màu thép ở đúng khoảnh khắc nam châm rời ra, trong ánh sáng lò của mình. Sau vài chục lần, mắt quen màu ấy.
- Kết hợp thời gian giữ nhiệt: thép cần vài chục giây tới vài phút ở nhiệt trui để carbon hoà đều, tuỳ độ dày. Vừa hết hút đã nhúng ngay có thể chưa đủ.
Khi nào nam châm không giúp được
| Trường hợp | Vì sao nam châm không đáng tin |
|---|---|
| Thép không gỉ austenit (loại inox 304 thường gặp) | Gần như không hút nam châm ngay cả khi nguội; không trui cứng được theo cách thường |
| Thép hợp kim cao (thép gió, một số thép dao cao cấp) | Nhiệt độ trui cao hơn nhiều so với điểm mất từ tính; dừng ở lúc hết hút là thiếu nhiệt |
| Thép carbon thấp, carbon trung bình | Vùng trui cao hơn điểm Curie khá nhiều; hết hút chưa phải đủ nóng |
| Thép bị nung quá nóng | Nam châm chỉ báo "đã quá 770°C", không báo "đã quá 1.000°C"; không bảo vệ được khỏi nung quá tay |
Nói gọn: nam châm cho biết thép chưa đủ nóng rất chắc, nhưng không cho biết thép đã quá nóng. Phần còn lại vẫn cần mắt nhìn màu và hiểu biết về loại thép.
Lỗi thường gặp của người mới tập
- Trui quá sớm: thấy thép đỏ là nhúng, không thử. Dao không cứng, tưởng thép kém.
- Nung quá lâu sau khi hết hút: cứ để trong lò "cho chắc", hạt thép to ra, carbon bề mặt cháy mất. Dao cứng nhưng giòn, lưỡi dễ mẻ.
- Nung không đều: lưỡi quá nóng trong khi giữa thân chưa đủ; dao cong và cứng không đều.
- Để nam châm nằm trên đe nóng: nam châm yếu đi dần, rồi một hôm báo sai.
Thử vui với nam châm tủ lạnh
Không cần lò rèn cũng có thể thấy hiện tượng liên quan, an toàn: dùng nam châm tủ lạnh thử hút các đồ kim loại trong nhà. Dao thép carbon, dao rèn hút mạnh. Nồi inox, thìa inox loại thường nhiều khi không hút hoặc hút rất yếu, vì đó là thép không gỉ austenit. Một số dao inox lại hút, vì là loại thép không gỉ có thể trui cứng. Đây là một phép thử nhỏ giúp người mua biết sơ bộ dao mình thuộc nhóm thép nào, dù không thay được thông tin từ nhà sản xuất.
Còn thử điểm Curie thật thì cần thép nóng đỏ, chỉ nên làm ở xưởng có thợ hướng dẫn. Không tự nung kim loại bằng bếp ga trong nhà.
An toàn
- Thép quanh 770°C là đỏ anh đào; một cái chạm là bỏng nặng. Dùng kìm, que dài, găng da.
- Thép đã hết đỏ vẫn có thể vài trăm độ; không cầm thử.
- Lò than, lò ga trong chỗ kín sinh khí CO; xưởng phải thông gió, không ngủ cạnh lò.
- Trẻ từ 8 tuổi trở lên chỉ đứng xem ở khoảng cách thợ cho phép, có người lớn kề bên.
Bỏng nhẹ: xả nước mát sạch 15–20 phút, không bôi kem đánh răng, nước mắm, mỡ. Bỏng sâu, rộng, bỏng mặt, tay, mắt: đi cấp cứu, gọi 115.
Góc nhìn hôm nay
Nam châm là ví dụ đẹp cho sợi chỉ chung của nghề rèn: một hiện tượng vật lý được người thợ biến thành công cụ đo bằng tay. Không ai biết chính xác thợ rèn bắt đầu dùng nam châm từ khi nào, nhưng ngày nay đây là mẹo được dạy ở hầu hết lớp rèn dao. Ở làng rèn Việt, nhiều thợ lâu năm không dùng, vì mắt họ đã thay được; thợ trẻ thì hay mang theo. Lần tới đi làng rèn, thử hỏi thợ có dùng nam châm không, và nếu không thì nhìn thấy gì để biết đã tới lúc trui.
Điểm Curie còn xuất hiện ở nhiều chỗ khác ngoài lò rèn, và biết điều đó giúp hiểu nó chắc hơn. Lò nung cảm ứng trong nhà máy làm nóng thép rất nhanh khi thép còn từ tính, rồi chậm hẳn lại khi thép vượt qua điểm Curie, vì cơ chế làm nóng bằng từ trễ mất đi. Nam châm vĩnh cửu trong loa, động cơ cũng yếu dần nếu bị nung nóng quá mức. Cùng một hiện tượng vật lý, người kỹ sư đo bằng máy, người thợ rèn đo bằng một mẩu nam châm buộc đầu que. Người muốn đọc thêm có thể tìm phần từ học trong sách vật lý phổ thông và phần giản đồ sắt – carbon trong sách vật liệu học, đặt hai trang cạnh nhau sẽ thấy vì sao mẹo nam châm hợp với thép carbon cao mà kém tin với thép ít carbon.
Câu hỏi thường gặp
Điểm Curie của sắt là bao nhiêu độ?
Khoảng 770°C. Qua nhiệt độ này sắt mất tính sắt từ, không còn hút nam châm; nguội lại thì từ tính trở lại. Thép carbon thường mất từ tính ở gần mức này.
Vì sao thợ rèn thử thép bằng nam châm?
Vì với nhiều thép carbon, lúc hết hút nam châm là thép đã gần vùng trui. Thợ nung thêm một chút rồi trui. Còn hút nam châm thì chắc chắn chưa đủ nóng để trui tốt.
Thép hết hút nam châm là trui được chưa?
Gần được, nhưng thường cần nung thêm một chút và giữ nhiệt đủ lâu để carbon hoà đều. Với thép carbon thấp hay thép hợp kim cao, nhiệt trui cao hơn nhiều, nên mốc này không đủ.
Vì sao nồi inox không hút nam châm?
Vì nhiều loại inox gia dụng là thép không gỉ austenit, cấu trúc này không có tính sắt từ ngay ở nhiệt độ thường. Một số dao inox lại hút vì thuộc loại thép không gỉ có thể trui cứng.