Kim cương công nghiệp là kim cương dùng để cắt, mài, khoan, kéo sợi và tản nhiệt chứ không để đeo; ngày nay gần như toàn bộ là kim cương tổng hợp, sản xuất hàng tỷ carat mỗi năm. Nó có mặt trong lưỡi cưa đá granit, đĩa cắt bê tông, mũi khoan dầu khí PDC, sợi cưa dây cắt thỏi silicon làm pin mặt trời, khuôn kéo dây đồng. Bài này giải thích kim cương làm những việc đó nhờ tính chất nào, và vì sao nó lại "thua" khi gặp thép.
Từ bort tự nhiên đến bột tổng hợp
Trước khi có kim cương tổng hợp, công nghiệp dùng phần kim cương mỏ không đủ đẹp để làm trang sức. Giới thợ mỏ có cả một bộ từ để gọi chúng:
- Bort: kim cương nhiều vết nứt, nhiều bao thể, màu xám đục, hoặc kết hạch nhiều tinh thể nhỏ. Được nghiền thành bột mài.
- Ballas: khối cầu gồm nhiều tinh thể xếp toả tia từ tâm, rất dai vì không có mặt cát khai xuyên suốt.
- Carbonado: kim cương đen đa tinh thể xốp của Brazil và Trung Phi, từng được quý trong mũi khoan đá vì không tách vỡ (có bài riêng trong danh mục này).
Ở nhiều mỏ, tính theo khối lượng, phần lớn sản lượng chỉ đạt cấp công nghiệp. Mũi khoan lõi gắn kim cương đen đã xuất hiện ở châu Âu từ khoảng thập niên 1860, thường được ghi nhận cho kỹ sư Thụy Sĩ Rodolphe Leschot, và sớm được dùng khoan thăm dò địa chất.
Sau năm 1955, khi General Electric làm chủ phương pháp HPHT, kim cương tổng hợp dần chiếm chỗ. Theo USGS, kim cương tổng hợp chiếm hơn 99% lượng kim cương công nghiệp được sử dụng ở Mỹ, và Trung Quốc là nơi sản xuất phần lớn kim cương tổng hợp công nghiệp thế giới. Lý do không chỉ là nguồn cung: hạt tổng hợp đồng đều về kích thước, hình dạng và độ dai, điều mà bort tự nhiên không đảm bảo được.
Bốn tính chất làm nên một vật liệu công cụ
| Tính chất | Kim cương | Ý nghĩa trong công nghiệp |
|---|---|---|
| Độ cứng | Cao nhất trong các vật liệu khối thông dụng, bậc 10 thang Mohs | Cắt, mài được đá, gốm, kính, cacbua |
| Độ dẫn nhiệt | Khoảng 2.000 W/m·K với đá tinh khiết, gấp khoảng năm lần đồng | Đầu cắt tản nhiệt nhanh, ít bị nóng chảy dính phoi |
| Hệ số ma sát | Thấp với nhiều vật liệu | Kéo sợi kim loại, mặt trượt chịu mòn |
| Điểm yếu | Cát khai theo bốn hướng; cháy trong không khí từ khoảng 700 °C; phản ứng với sắt ở nhiệt độ cao | Không hợp gia công thép; phải làm mát; dễ mẻ khi va đập |
Hàng dưới cùng của bảng quan trọng không kém. Cứng không có nghĩa là không vỡ: kim cương giòn và tách được theo mặt cát khai. Vì vậy trong công cụ, người ta hiếm khi dùng một tinh thể to, mà dùng vô số hạt nhỏ gắn trong chất kết dính, hoặc kết khối nhiều hạt thành tấm đa tinh thể.
Hạt mài, lưỡi cưa, đĩa cắt
Dạng phổ biến nhất của kim cương công nghiệp là hạt mài, kích cỡ từ vài micromet đến gần milimet. Hạt được giữ bằng một trong ba kiểu liên kết:
- Liên kết nhựa: mềm, hạt mòn nhả dần để lộ hạt mới; dùng mài tinh.
- Liên kết kim loại thiêu kết: bột kim loại trộn hạt kim cương ép nóng thành các đoạn (segment) hàn lên lưỡi cưa thép. Đây là lưỡi cưa tròn mà các xưởng đá granit, đá hoa và thợ xây dùng hằng ngày.
- Mạ điện: một lớp hạt kim cương được mạ niken giữ chặt trên bề mặt; sắc ngay nhưng mòn là hết.
Đĩa mài trong nghề giác đá quý cũng thuộc họ này; bài về máy giác ở danh mục "Nghề mài & giác đá" kể chi tiết về độ hạt.
Điều ít người nghĩ tới: khi cắt bê tông, gạch, đá granit, chính đá bị cắt sinh ra bụi silic tinh thể mịn, gây bệnh bụi phổi silic không chữa khỏi. Lưỡi kim cương không gây độc, nhưng công việc nó làm thì có. Cắt ướt, hút bụi tại chỗ và đeo khẩu trang lọc bụi đạt chuẩn là bắt buộc, không phải tuỳ chọn.
Cưa dây kim cương: từ mỏ đá đến pin mặt trời
Cưa dây là một sợi cáp thép gắn chuỗi hạt kim cương, chạy vòng liên tục như dây curoa. Ở mỏ đá, người ta khoan hai lỗ gặp nhau, luồn dây qua và cắt nguyên khối đá hàng chục tấn ra khỏi vách núi, gọn hơn và ít hao phí hơn nổ mìn. Trong xây dựng, cưa dây cắt dầm, trụ bê tông cốt thép khi tháo dỡ công trình.
Ứng dụng tinh vi hơn là cắt thỏi silicon thành tấm mỏng làm pin mặt trời. Trước đây ngành này dùng dây thép trơn kéo theo bùn hạt mài cacbua silic. Khoảng giữa thập niên 2010, dây thép mảnh phủ hạt kim cương thay thế dần, cắt nhanh hơn, mạch cắt hẹp hơn nên mất ít silicon thành mùn cưa hơn. Đây là một trong những thay đổi kỹ thuật ít người biết đã góp phần làm tấm pin mặt trời phổ biến như hiện nay.
PCD và mũi khoan PDC
Những năm 1970, General Electric phát triển vật liệu kim cương đa tinh thể (PCD): hạt kim cương tổng hợp được ép, thiêu kết với coban ở áp suất cao thành một lớp liền khối, gắn sẵn trên đế cacbua vonfram. Các hạt đan vào nhau theo mọi hướng, nên vết nứt không chạy thẳng theo mặt cát khai như trong một tinh thể đơn. Kết quả là vật liệu vừa cứng vừa dai hơn.
Gắn các viên PCD tròn như đồng xu lên thân mũi khoan, ta có mũi khoan PDC dùng trong khoan dầu khí, địa nhiệt và giếng nước. Thay vì nghiền đá bằng bánh răng xoay như mũi khoan chóp xoay truyền thống, mũi PDC cạo đá như lưỡi bào. Từ thập niên 1980 đến nay, mũi PDC dần chiếm phần lớn mét khoan trong ngành dầu khí theo đánh giá của nhiều nguồn trong ngành.
PCD cũng làm dao tiện, dao phay cho hợp kim nhôm, vật liệu composite sợi carbon, gỗ ép, và khuôn kéo sợi đồng, vonfram. Khuôn kéo sợi bằng kim cương đơn tinh thể hay đa tinh thể giữ được đường kính lỗ chính xác qua hàng nghìn kilomet dây.
Vì sao kim cương không cắt được thép
Nghe nghịch lý: vật liệu cứng nhất lại không được dùng để gia công thép, thứ mềm hơn nhiều. Nguyên nhân là hoá học, không phải cơ học. Ở nhiệt độ cao nơi lưỡi dao chạm phoi, nguyên tử cacbon của kim cương khuếch tán vào sắt, vì sắt "thèm" cacbon (chính phản ứng này tạo ra thép). Lưỡi kim cương bị mòn rất nhanh theo đúng nghĩa đen là bị hoà tan.
Với thép, người ta dùng nitrua bo lập phương (CBN), vật liệu siêu cứng tổng hợp đứng thứ hai sau kim cương, cũng được GE phát triển cuối thập niên 1950, không phản ứng với sắt. Cặp kim cương – CBN là ví dụ đẹp về việc chọn vật liệu: không có vật liệu tốt nhất, chỉ có vật liệu hợp nhất.
Góc nhìn hôm nay: kim cương quanh ta
Thử nhìn quanh một công trường hay một xưởng đá: lưỡi cưa có các đoạn răng xám ở mép là kim cương; mũi khoan bê tông mạ hạt lấp lánh cũng vậy. Nha sĩ dùng mũi khoan kim cương; thợ kính, thợ gốm, thợ giác đá quý đều dùng đĩa mài kim cương. Một số điều đáng mang về:
- Kim cương công nghiệp là một chất liệu kỹ thuật, được chọn vì tổ hợp độ cứng, dẫn nhiệt và chịu mòn, không phải vì quý hiếm.
- Mỗi điểm yếu của nó (cát khai, cháy ở nhiệt độ cao, phản ứng với sắt) đều dẫn tới một giải pháp kỹ thuật riêng: hạt nhỏ, làm mát, đa tinh thể, CBN.
- Muốn đọc số liệu sản lượng và xu hướng, xem mục "Industrial Diamond" trong Mineral Commodity Summaries hằng năm của USGS.
Câu hỏi thường gặp
Kim cương công nghiệp là gì?
Kim cương công nghiệp là kim cương dùng để cắt, mài, khoan, kéo sợi, tản nhiệt chứ không làm trang sức. Ngày nay hầu hết là kim cương tổng hợp, ở dạng hạt mài, đoạn cưa, tấm đa tinh thể PCD hay màng CVD.
Mũi khoan PDC là gì?
PDC là mũi khoan gắn các viên kim cương đa tinh thể thiêu kết trên đế cacbua vonfram. Mũi khoan cạo đá như lưỡi bào thay vì nghiền, được dùng rộng rãi trong khoan dầu khí, địa nhiệt và giếng nước.
Vì sao kim cương không dùng để gia công thép?
Ở nhiệt độ cao tại mũi cắt, cacbon trong kim cương khuếch tán vào sắt, làm lưỡi dao mòn rất nhanh. Vì vậy gia công thép dùng nitrua bo lập phương (CBN) thay cho kim cương.
Lưỡi cưa kim cương có gắn kim cương thật không?
Có, các đoạn răng ở mép lưỡi cưa chứa hạt kim cương thật, thường là kim cương tổng hợp, gắn trong nền kim loại thiêu kết. Khi kim loại mòn dần, hạt kim cương mới lộ ra để tiếp tục cắt.
Cắt đá bằng lưỡi kim cương có nguy hiểm không?
Lưỡi kim cương không độc, nhưng khi cắt đá, bê tông, gạch sẽ sinh bụi silic tinh thể có thể gây bệnh bụi phổi silic. Cần cắt ướt, hút bụi và đeo khẩu trang lọc bụi đạt chuẩn, cùng kính bảo hộ và chống ồn.
