Vì sao sắt nung đỏ uốn được: nguyên lý lò rèn và tôi thép cho học sinh

Sắt nung đỏ uốn được vì khi nóng tới khoảng 900–1.200 °C, các nguyên tử trong kim loại rung mạnh và dễ trượt lên nhau, nên cú búa làm thanh sắt đổi dáng mà không gãy. Sắt lúc ấy vẫn là chất rắn, chưa hề chảy. Lò rèn là cỗ máy giữ cho sắt ở đúng khoảng nóng đó, còn phép tôi thép là bước cuối biến lưỡi dao mềm thành lưỡi dao cứng.

Bài này giải thích nguyên lý để bạn đứng xem một lò rèn mà hiểu từng việc người thợ làm. Đây không phải hướng dẫn tự rèn: lò rèn nóng hơn bếp ga nhà mình rất nhiều, chỉ người thợ có nghề mới được đứng cạnh đe.

Sắt nóng chảy ở 1.538 °C, nhưng thợ rèn không cần làm chảy

Sắt nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1.538 °C. Thợ rèn không bao giờ đưa thanh sắt tới mức đó. Họ chỉ nung tới lúc kim loại đỏ cam hoặc vàng, rồi đập. Ở nhiệt độ này sắt giống như một cục sáp ong để trong tay lâu: vẫn giữ hình, nhưng bóp mạnh thì lõm xuống.

Vì sao nóng thì mềm? Kim loại được xếp từ vô số tinh thể nhỏ. Trong mỗi tinh thể, nguyên tử nằm thành hàng lối. Khi bị đập, các hàng nguyên tử trượt lên nhau từng chút một. Lúc nguội, sự trượt này khó, kim loại bị đập nhiều sẽ "chai" lại rồi nứt. Lúc nóng, nguyên tử rung mạnh, các tinh thể còn tự sắp xếp lại sau mỗi cú đập, nên thợ đập bao nhiêu lần sắt cũng không chai.

Người thợ đọc nhiệt độ bằng mắt, theo màu của thanh sắt trong chỗ hơi tối:

Màu thanh sắt	Nhiệt độ ước chừng	Thợ dùng để làm gì
Đỏ sẫm, chỉ thấy trong bóng tối	khoảng 600–700 °C	Đã nguội nhiều, đập tiếp dễ nứt
Đỏ anh đào	khoảng 750–850 °C	Lúc thường đem tôi
Đỏ cam	khoảng 900–1.000 °C	Đập tạo dáng
Vàng tươi	khoảng 1.100–1.200 °C	Đập mạnh, kéo dài phôi
Trắng, bắn tia lửa	trên 1.300 °C	Quá nóng, thép bắt đầu cháy hỏng

Các con số trên chỉ là mức gần đúng, thường thấy trong sách luyện kim phổ thông. Ánh sáng ngoài trời làm màu trông nhạt đi, nên nhiều lò rèn để chỗ đặt bếp hơi tối.

Bên trong một lò rèn: bếp than, bễ, đe, búa

Bếp than và bễ gió

Than cháy cần không khí. Đốt than trong bếp nhà, lửa chỉ đủ nướng thịt. Thổi gió liên tục vào đáy đống than thì lửa bùng lên, nóng đủ làm thép đỏ vàng. Cái bễ chính là cái máy thổi gió đó. Ngày xưa có bễ da kéo tay, ở vùng núi phía Bắc có bễ ống gỗ hai pít-tông thụt lên xuống. Nay nhiều làng rèn dùng quạt điện nhỏ, nhưng nguyên lý vẫn vậy: thêm gió thì thêm oxy, thêm oxy thì than cháy mạnh hơn.

Thợ vùi thanh sắt vào giữa đống than hồng chứ không đặt bên trên. Lớp than phủ ngoài vừa giữ nóng, vừa giữ cho sắt ít tiếp xúc trực tiếp với không khí, đỡ bị gỉ cháy.

Đe và búa

Cái đe nặng hàng chục cân là để cú búa không bị "nuốt mất". Khi búa đập xuống, lực dồn vào thanh sắt kẹp giữa búa và đe. Nếu đe nhẹ, nó nảy lên và hút mất một phần lực. Đe càng nặng, sắt càng nhận đủ cú đập. Đó cũng là lý do người ta đặt đe trên một gốc gỗ lớn hoặc khối đá chắc.

Ở nhiều làng rèn Việt Nam, thợ chính cầm kìm giữ phôi và một chiếc búa con, thợ phụ quai búa tạ. Búa con gõ chỉ chỗ, búa tạ nện theo. Hai người nhịp nhàng như đánh trống, vì sắt chỉ đủ nóng trong vài chục giây, chậm tay là phải đưa lại vào lò.

Vảy rèn

Mỗi lần đập, từ thanh sắt bong ra những mảnh đen mỏng. Đó là vảy rèn, lớp gỉ sắt hình thành rất nhanh khi sắt nóng gặp không khí. Vảy rèn bắn ra rất nóng, vì vậy người xem phải đứng xa.

Thép khác sắt ở một chút carbon

Cái mà ta gọi là sắt trong đời sống thật ra thường là thép: sắt có pha một lượng carbon nhỏ, phần lớn dưới 2%. Chỉ thêm chừng nửa phần trăm tới một phần trăm carbon, thép đã có thể trở nên rất cứng sau khi tôi. Sắt gần như không có carbon thì mềm, dễ uốn, nhưng không giữ được lưỡi sắc.

Thợ rèn làng quê nổi tiếng với mẹo chọn thép từ nhíp xe, lò xo xe cũ. Thép nhíp có lượng carbon vừa đủ để làm dao, lại có sẵn, rẻ. Đây là chuyện người lớn chọn vật liệu; với học sinh, điều đáng nhớ là: cùng là "sắt", nhưng lượng carbon khác nhau cho ra vật liệu tính nết khác nhau.

Tôi thép: nhúng nước để lưỡi dao cứng lại

Tôi thép (miền Nam hay gọi là trui) là bước nung lưỡi dao tới đỏ anh đào rồi nhúng thật nhanh vào nước hoặc dầu. Nghe thì đơn giản, nhưng đây là bước khó nhất của nghề.

Khi thép đủ nóng, carbon tan đều vào trong sắt, giống đường tan trong nước nóng. Nếu để nguội từ từ, carbon có thời gian "đi ra" và thép trở lại mềm. Nếu làm nguội cực nhanh, carbon bị nhốt lại giữa các nguyên tử sắt, làm hàng lối tinh thể bị căng méo. Thép bị nhốt như thế trở nên rất cứng.

Thợ biết lúc nào đủ nóng để tôi nhờ một mẹo hay: thép nóng tới khoảng 770 °C thì không còn bị nam châm hút. Mốc này gọi là điểm Curie của sắt, đặt theo tên nhà vật lý Pierre Curie. Thợ chạm thanh nam châm vào lưỡi dao, nam châm không dính nữa là thép đã gần tới lúc tôi.

Nhúng nước thì nguội nhanh hơn nhúng dầu. Nguội nhanh cho thép cứng hơn, nhưng lưỡi mỏng dễ cong vênh hoặc nứt. Vì vậy mỗi thợ có kinh nghiệm riêng về loại thép nào nhúng nước, loại nào nhúng dầu, nhúng cả lưỡi hay chỉ nhúng phần mép.

Ram thép: bớt cứng để đỡ giòn

Thép vừa tôi xong cứng nhưng giòn như thuỷ tinh. Rơi xuống nền gạch là có thể mẻ. Vì thế thợ làm thêm bước ram: hơ nóng lại lưỡi dao ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, khoảng 200–300 °C, rồi để nguội. Một phần căng méo được thả ra, lưỡi bớt giòn mà vẫn đủ cứng.

Thép được đánh sạch rồi hơ nóng sẽ đổi màu do một lớp gỉ cực mỏng: vàng rơm, rồi nâu, tím, xanh lam. Lớp càng dày màu càng sẫm. Thợ nhìn màu để biết ram tới đâu. Lưỡi dao thái thường ram nhẹ, dừng ở vàng rơm. Đồ cần dẻo dai như lò xo thì ram tới xanh.

Bước	Thợ làm gì	Bên trong thép
Nung	Vùi phôi vào than, thổi bễ	Nguyên tử rung mạnh, carbon tan đều
Rèn	Đập trên đe tạo dáng	Tinh thể trượt và tự sắp xếp lại
Tôi	Nung đỏ anh đào, nhúng nước hoặc dầu	Carbon bị nhốt, thép cứng nhưng giòn
Ram	Hơ nhẹ tới vàng rơm hoặc xanh	Thả bớt căng, đỡ giòn
Mài	Mài trên đá hoặc máy mài	Tạo lưỡi sắc

Làng rèn ở Việt Nam: đi xem thì để ý gì

Việt Nam có nhiều làng rèn lâu đời. Đa Sỹ ở Hà Đông (Hà Nội) chuyên dao kéo gia dụng. Phúc Sen ở Cao Bằng nổi tiếng với dao của người Nùng An. Vân Chàng thuộc vùng đất Nam Định xưa làm nông cụ và dao. Mỗi làng có dáng dao riêng, cách tôi riêng, và thường giữ kinh nghiệm trong gia đình.

Nếu được bố mẹ đưa đi xem, hãy để ý mấy việc sau, rồi về kể lại:

• Thợ để thanh sắt trong lò bao lâu trước khi lấy ra đập? Mỗi lần đập được bao nhiêu nhát thì phải nung lại?
• Màu thanh sắt lúc lấy ra và lúc đưa vào lò lần sau khác nhau thế nào?
• Thợ chính và thợ phụ ra hiệu cho nhau bằng cách nào?
• Khi nhúng lưỡi dao vào nước, tiếng xèo kéo dài bao lâu, hơi nước bốc lên ra sao?
• Có nam châm, có thùng dầu hay chỉ có thùng nước?

Quy tắc khi đứng xem: đứng xa đe ít nhất vài bước, không chạm vào bất cứ thanh sắt nào kể cả khi nó đã đen lại (thép đen vẫn có thể nóng vài trăm độ), không đứng phía trước thùng nước tôi vì hơi nước bắn lên. Đi giày kín mũi. Chỉ cầm búa hay đứng cạnh lò khi có xưởng mở lớp trải nghiệm, có thợ hướng dẫn, có kính bảo hộ và găng tay.

Thử làm: ba thí nghiệm an toàn để hiểu nghề rèn

1. Sáp lạnh và sáp ấm

Lấy hai miếng đất nặn hoặc sáp ong bằng nhau. Một miếng để trong ngăn mát tủ lạnh 30 phút, một miếng nắm trong tay cho ấm. Dùng ngón cái ấn vào cả hai, hoặc thử uốn thành vòng. Miếng lạnh khó uốn, dễ nứt mép. Miếng ấm uốn mượt. Thợ rèn làm đúng việc đó với sắt, chỉ là ở nhiệt độ cao gấp hàng chục lần.

2. Kẹp giấy bị "chai"

Lấy một chiếc kẹp giấy bằng thép, duỗi thẳng một đoạn. Uốn qua uốn lại ở cùng một chỗ, đếm số lần. Sau chừng mười mấy lần, chạm nhẹ vào chỗ uốn sẽ thấy hơi ấm, và chẳng bao lâu nó gãy. Chỗ uốn đã bị chai: các hàng nguyên tử trượt rối vào nhau tới mức không trượt được nữa. Đây chính là điều thợ rèn tránh bằng cách luôn đập khi sắt còn nóng. Uốn chậm, mũi kẹp hướng ra xa mặt mình.

3. Nam châm đi một vòng quanh nhà

Cầm một nam châm tủ lạnh, thử lên nồi, thìa, kéo, khung cửa, chìa khoá, lon nước. Ghi lại thứ nào hút, thứ nào không. Bạn sẽ thấy thìa inox loại thường nhiều khi không hút, nhôm và đồng không hút, còn kéo và đinh thì hút mạnh. Nhớ rằng thanh thép nóng tới khoảng 770 °C cũng "quên" luôn cả nam châm. Tính chất của kim loại thay đổi theo thành phần và theo nhiệt độ.

Điều mang về: sắt không cần chảy mới đổi dáng; nóng thì dễ đập, nguội nhanh thì cứng, hơ lại nhẹ thì bớt giòn. Cả nghề rèn xoay quanh ba ý đó.

Câu hỏi thường gặp

Thợ rèn có làm sắt nóng chảy không?

Không. Sắt nóng chảy ở khoảng 1.538 °C, còn thợ rèn chỉ nung tới khoảng 900–1.200 °C. Ở mức đó sắt vẫn rắn nhưng đủ mềm để đập. Làm kim loại chảy rồi đổ vào khuôn là nghề đúc, một nghề khác.

Tôi thép và ram thép khác nhau thế nào?

Tôi là nung thép tới đỏ anh đào rồi làm nguội thật nhanh trong nước hoặc dầu, giúp thép cứng lên. Ram là hơ nóng lại ở khoảng 200–300 °C sau khi tôi để thép bớt giòn. Hai bước luôn đi với nhau, thiếu ram thì lưỡi dễ mẻ.

Vì sao thợ rèn dùng nam châm?

Thép nóng tới khoảng 770 °C thì không còn bị nam châm hút, mốc này gọi là điểm Curie. Thợ dùng nam châm để biết thép đã đủ nóng để tôi chưa, thay cho nhiệt kế.

Trẻ em có được tập rèn không?

Trẻ không tự rèn ở nhà. Một số xưởng có lớp trải nghiệm cho người lớn và thiếu niên, luôn có thợ hướng dẫn, kính bảo hộ, găng tay và giày kín. Trước khi đi, phụ huynh nên hỏi xưởng về độ tuổi nhận và cách họ giữ an toàn.

Vì sao thép đen rồi vẫn nguy hiểm?

Thép chỉ phát sáng màu đỏ khi nóng trên khoảng 500–600 °C. Dưới mức đó nó trông đen như thép nguội nhưng vẫn đủ nóng để gây bỏng nặng. Ở lò rèn, coi mọi thanh kim loại là đang nóng.