Vì Sao Đá Cắt Lại Cắt Được Sắt Và Inox ?

Đá cắt là một loại dụng cụ rất quen thuộc trong lĩnh vực cơ khí, xây dựng nhưng ít ai có thể hiểu rõ vì sao đá cắt lại có thể cắt được cả sắt và inox. Bài viết dưới đâu sẽ phân tích toàn diện dưới góc độ vật lý, cơ học vật liệu  để cho bạn có góc nhìn rõ nhất về đá cắt.

I. Vì sao đá cắt có thể cắt được sắt?

1. Bản chất của đá cắt

Đá cắt thực chất không phải là đá tự nhiên, mà là một sản phẩm được chế tạo composite nhân tạo gồm các thành phần chính như sau:

• Hạt mài (abrasive grains): thường là Al₂O₃ (oxit nhôm), SiC (cacbua silic), zirconia alumina…
• Chất kết dính (bonding agent): thường là nhựa phenolic resin
• Lưới gia cường sợi thủy tinh
• Phụ gia tăng độ bền và ổn định nhiệt

Về bản chất vật lý đá cắt là tập hợp hàng triệu các hạt mài sắc cạnh đóng vai trò như những “ lưỡi cắt” siêu nhỏ, chính những “lưỡi cắt” này đem lại hiệu quả tuyệt vời trong lĩnh vực chế tạo vật liệu, khi con người không cần mất quá nhiều thời gian để gia công cắt gọt những chi tiết có độ cứng cao như sắt, thép hay inox.

2. Nguyên lý cắt kim loại

Khi cắt, đá cắt sẽ được lắp vào máy cắt và quay đều ở tốc độ rất cao từ 8.000 – 13.000 vòng/phút tùy vào đường kính và loại máy sử dụng. Khi đá cắt tiếp xúc với bề mặt kim loại, các hạt mài sẽ tạo ra các ứng suất cắt (shear stress), ứng suất nén cục bộ, ma sát cực lớn tại điểm tiếp súc…

Theo cơ học của vật liệu, khi ứng suất tại bề mặt điểm tiếp xúc vượt quá giới hạn độ bền của kim loại (shear strength) thì lúc đó kim loại sẽ bị phá hủy cục bộ. Quá trình này diễn ra liên tục trên bề mặt kim loại và cực nhanh ở diện tích lớn, cơ chế này gọi là cơ chế mài mòn cắt gọt vi mô (micro-cutting abrasion).

3. Vì sao đá cắt “cứng” hơn sắt?

Để cắt được vật liệu, đá cắt phải có độ cứng lớn hơn sắt và inox tính theo thang đo độ cứng Mohs và độ cứng Vickers. Thép cacbon thông thường có độ cứng khoảng 120 – 250 HV để có độ cứng lớn hơn đá cắt thường  được sạt xuất từ các hạt Al₂O₃ có độ cứng khoảng 2000 HV, hoặc các hạt SiC có độ cứng khoảng 2500 HV. Vì các hạt mài có độ cứng gấp nhiều lần sắt nên có khả năng cắt xuyên qua kim loại và đạt hiệu xuất nhanh chóng.

Nói ngắn gọn hơn đá cắt được sản xuất với các thành phần chính là các hạt mài có độ cứng gấp nhiều lần sắt và inox nên dễ phá hủy bề mặt của sắt giúp chúng ta có thể cắt chúng dễ dàng.

 

II. Đá cắt sắt và đá cắt inox khác nhau ở đâu?

Nhìn về hình dạng bên ngoài hai loại đá cắt này không có sự khác nhau là mấy nhưng về cấu tạo và thành phần có nhiều điểm quan trọng khác biệt.

1. Thành phần hạt mài trong đá cắt

Đá cắt sắt (thép): Loại đá này chủ yếu dùng oxit nhôm (Al₂O₃) làm hạt mài chính cho thanh phần cấu tạo vì loại hạt mài này có độ cứng vừa phải có thể cắt được nhiều loại sắt, ngoài ra loại hạt này có giá thành rẻ giúp giảm chi phí chế tạo và giá thành của đá cắt.

Đá cắt inox: Loại đá cắt này sẽ dùng Al₂O₃ tinh khiết cao hoặc zirconia alumina để làm hạt màu vì có độ cứng cao, đặc biệt lại đá cắt này trong thành phần không chứa lưu huỳnh (S), clo (Cl). Inox là loai thép không gỉ có lớp oxit crom (Cr₂O₃) mỏng, nếu có lưu huỳnh hoặc clo bắm vào bề mặt khi cắt chúng có thể gây ăn mòn làm mất tính chống gỉ.

Để tránh nhầm lẫn trong quá trình sử dụng đá cắt inox thường có ký hiệu “INOX” hoặc “Stainless Steel” trên bề mặt sản phẩm.

2. Độ cứng và cấu trúc kim loại

Thép thông thường có hàm lượng cacbon cao hơn ít bị biến cứng nguội còn inox có độ dẻo cao dễ bị viến nguội vì cậy vùng cắt bị biến cứng rất nhanh làm tăng lực cản do đó đá cắt inox cần phải sắc hơn, có khả năng mài tốt hơn và chiu nhiệt cao hơn.

3. Nhiệt lượng sinh ra khi cắt

Do inox dẫn nhiệt kém, nhiệt tập trung nhiều tại vùng cắt. Nếu dùng đá cắt sắt cho inox:

• Dễ cháy bề mặt inox.
• Làm đổi màu.
• Giảm tuổi thọ đá.
• Tăng nguy cơ nổ đá.

Ngược lại, đá cắt inox có thể dùng cắt sắt nhưng chi phí cao hơn.

III. Vì sao khi cắt lại có hạt lửa bắn ra?

Hiện tượng có những hạt lửa đỏ bắn ra khi cắt do nhiều nguyên nhân gộp lại gây ra, nhìn có vẻ đẹp nhưng tiềm ẩn khá nhiều nguy hiểm từ những hạt lửa gây ra. Đây là hiện tượng vật liên quan đến nhiệt động học và phản ứng oxy hóa.

1. Ma sát sinh nhiệt

Khi sử dụng đá cắt phải quay với tốc cức lớn khoảng 60–80 m/s, khi đó ma sát giữa hạt mài và bề mặt kim loại sinh ra nhiệt cực lớn. Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc lên tới vài trăm °C thậm chí có thể lên đến 1000 – 1500°C.

Đây là nguyên nhân chính sinh nhiệt để làm nóng các hạt kim loại trong quá trình cắt, khi cắt bề mặt kim loại bị bóc tách tạo thành các mảnh kim loại siêu nhỏ khi sinh nhiệt lớn các hạt này đạt nhiệt độ tối đa nên khi cắt ta thấy các hạt kim loại bắn ra màu đỏ rực. Hiệu ứng bắn tung te của các mảnh kim loại do đá cắt quay với tốc rất cao nên các hạt này bị văng ra khỏi vị trí bóc tách rất xa tạo hiệu ứng khi cắt rất đẹp mắt.

2. Phản ứng oxy hóa tạo tia lửa

Sắt khi ở nhiệt độ cao phản ứng mạnh với oxy trong không khí theo công thức hóa học ta có phương trình:

4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ + nhiệt

Phản ứng này tỏa nhiệt mạnh vì là phản ứng oxy hóa. Các hạt kim loại nóng đỏ khi bay trong không khí tiếp tục cháy và phát sáng chính là lúc ta thấy hạt lửa bắn ra từ vị trí cắt. Các hạt lửa đó chính là hạt sắt nóng chảy đang bị oxy hóa phát sáng do nhiệt độ cao.

3. Vì sao inox ít tia lửa hơn?

Trong thàng phần của inox chứa nhiều crom và niken và lượng sắt tự do ít . Thành phần này tạo lớp oxit bảo vệ bề mặt và giảm phản ứng cháy mạnh như thép cacbon do đó khi cắt inox các hạt lửa ít hơn và ngắn hơn so với thép cacbon.

IV. Nguy cơ khi sử dụng đá cắt kim loại

Trông quá trình cắt sắt thép hay inox có vẻ rất đẹp nhưng lại tiềm ẩn nhiều nguy hiểm tù những hạt lửa đỏ rực bắn ra hoặc kỹ thuật cắt không đúng.

1. Vỡ đá cắt do lực ly tâm lớn

Khi quay ở tốc độ cao, đá chịu lực ly tâm rất lớn nếu chi tiết gia công không được gá cố định chắc chắn hoặc khi cắt sử dụng loại máy cầm tay nhưng cầm không chắc, đá cắt xiết không chặt gây ra hiện tượng đá quay bị lệch cong khi quay với tốc độ cao va chạm bề mặt kim loại sẽ bị vỡ.

Đá cắt bị nứt, bị ẩm trong quá trình bảo quản, hoặc tốc độ quay quá lớn gây nổ đá các mảnh vỡ văng ra với vận tốc cao cực kỳ nguy hiểm.

2. Nguy cơ bỏng và cháy

Các hạt lửa sinh ra trong quá trình cắt có thể gây bỏng, thậm chí gây tổn thương nghiệm trọng nếu bị bắn vào các vùng nguy hiểm như mắt, mũi miệng…Ngoài ra nếu vị trí cắt không được đảm bảo an toàn gần vật liệu dễ bắt cháy và gây cháy nổ như bình ga, dung môi, giấy…rất nguy hiểm nếu có cháy xảy ra.

 

V. Biện pháp đảm bảo an toàn khi sử dụng đá cắt

1. Kiểm tra đá trước khi dùng, yêu cầu không nứt vỡ.
2. Lắp đúng kỹ thuật, lắp chặt không được lệch tâm đá cắt.
3. Không vượt quá tốc độ tối đa cho phép của đá cắt.
4. Trang bị bảo hộ hư găng tay, quần áo dài, kính, mũ…
5. Môi trường làm việc an toàn

Đá cắt có thể cắt được sắt hoặc inoc nhờ nguyên lý mài mòn cắt gọt vi mô, trong đó các hạt mài có độ cứng vượt trội tạo ra ứng suất cắt vượt quá giới hạn bền của kim loại. Sự khác nhau giữa đá cắt sắt và đá cắt inox nằm ở thành phần hạt mài, độ tinh khiết, khả năng chịu nhiệt và yêu cầu chống ăn mòn. Hiện tượng tia lửa xuất hiện do các hạt kim loại nóng chảy bị oxy hóa trong không khí và phát sáng.