Cứng như kim cương

“Anh đã từng nghe đến WIDIA chưa?”, Giáo sư Matthias Leber cười mỉm. Là kỹ sư lão luyện về hệ thống phanh của Trung tâm nghiên cứu và phát triển Porsche Development Center tại Weissach, ông Matthias chịu trách nhiệm phát triển những sản phẩm cho tương lai từ kinh nghiệm quá khứ và hiện tại. WIDIA là một cụm từ quen thuộc đối với ông.

Được đăng ký bản quyền ngay từ đầu thế kỷ 20, WIDIA là một hợp chất tuyệt với với thành phần chính là vonfram cácbua (tungsten carbide). WIDIA là viết tắt của “wie Diamant”, tức là “như kim cương”. Ngài Leber quá quen thuộc với vật liệu này. Ông đặt lên bàn một đĩa phanh – dù đã qua sử dụng – nhưng lại sáng bóng như gương. Dù độ bóng của đĩa phanh này là rất đặc biệt nhưng thẩm mỹ không phải là thứ hấp dẫn nhất của nó.

Porsche Surface Coated Brake (PSCB) vốn được thương mại hóa đầu tiên với mẫu Porsche Cayenne Turbo thế hệ thứ 3 tiếp tục là một điều đầu tiên mà Porsche tiên phong trong ngành xe. Các đĩa phanh vẫn là đĩa thép nhưng bề mặt của chúng đã được phủ một lớp vonfram cácbua, vốn có độ cứng chỉ sau kim cương. Trong Thang độ cứng Mohs, nếu như kim cương có độ cứng tuyệt đối lên đến 10 điểm thì vonfram cácbua (công thức hóa học là WC) có độ cứng đạt 9,5 điểm, hơn gấp 10 lần so với thép tinh luyện. Độ cứng của WC là điều các kỹ sư vật liệu để ý từ rất lâu, nhất là kỹ sư chế tạo phanh xe hơi.

Giả kim thuật

Nếu mà có một loại phanh gì mà cho hiệu năng gần bằng phanh gốm các-bon, đồ bền nhiệt tương đương nhưng rẻ gấp 3 lần, không yêu cầu má phanh đua, bền hơn nhiều, ít mạt hơn nhiều so với phanh thép và không gỉ sét – nghe giống như truyện Giả kim thuật, đúng không? Tuy vậy, đó lại là sự thực và đang được gắn trên xe Porsche. “Tin tôi đi, phải mất rất nhiều công sức để Porsche thương mại hóa PSCB. Nếu như điều đó là dễ dàng thì chúng tôi đã cung cấp tùy chọn này từ nhiều năm trước. Nó chẳng rơi từ trên trời xuống, nó là kết tinh của quá trình nghiên cứu dài hơi và nghiêm túc”, ngài Leber chia sẻ.

Rất nhiều công nghệ được phát triển trên đường đua và áp dụng vào xe đường phố, ví dụ như phanh gốm – các-bon. Phanh thép giờ đây cũng có hiệu năng tốt hơn nhiều so với trước đó. Tuy nhiên, vẫn cần phải có một giải pháp nằm giữa phanh các-bon và thép để “thuần hóa” những chiếc Porsche công suất lớn nhưng không thường xuyên chạy trong đường đua. Hệ thống phanh phủ bề mặt PSCB là câu trả lời của Leber và cộng sự. Vonfram cácbua là một loại vật liệu không mới, tại sao bây giờ Porsche mới dùng nó và tại sạo lại chỉ phủ lên bề mặt đĩa phanh thép?

Nói một cách ngắn gọn thì nếu chế tạo đĩa phanh hoàn toàn bằng vonfram cácbua thì nó còn … đắt hơn nhiều lần so với đĩa phanh gốm – các-bon và từ trước đến nay, chưa ai nghĩ ra cách để phủ vonfram cácbua lên bề mặt thép một cách hiệu quả. Tuy vậy, sau hàng loạt thử nghiệm gian nan với đối tác Bosch và Buderus, Porsche đã tạo ra được đột phá. Đĩa phanh thép nền được xử lý bằng laser để tạo độ gồ ghề, sau đó một lớp kim loại mềm (niken) được phủ lên bề mặt thép – niken sẽ làm lớp trung gian để cân đối tỷ lệ giãn nở nhiệt khác nhau giữa thép và vonfram cácbua. Khâu cuối cùng và ấn tượng nhất là khâu phủ lớp vonfram cácbua chồng lên niken. Một súng bắn đặc biệt sẽ bắn – theo đúng nghĩa đen – hỗn hợp oxy, nhiên liệu nóng chảy và các hạt vonfram cácbua siêu nhỏ lên bề mặt đĩa phanh với tốc độ siêu thanh (1.235 km/giờ!). Quá trình đó trông chẳng khác nào một cây lightsaber trong phim Star Wars đang khua vòng quanh đĩa phanh. Kết quả của quá trình đó là một lớp vonfram cácbua dày đúng 0,1 mm phủ lên đĩa phanh.

Những mỏ neo li ti

Đĩa phanh phủ vonfram cácbua chỉ là một phần của câu chuyện, má phanh đặc chủng cũng quan trọng không kém. “Quá trình nghiên cứu má phanh mới cho các đĩa phanh phủ bề mặt cũng tốn kém thời gian và tiền bạc không kém gì các đĩa phanh”, ông Matthias Leber nói. Bề mặt đĩa phanh láng mịn như gương nên cần có má phanh đặc biệt. Nếu má phanh quá mềm thì nó sẽ bị mài mòn nhanh chóng (hãy nhớ, vonfram cácbua có độ cứng chỉ kém kim cương). Do đó, kỹ sư Porsche đã thêm vào bề mặt má phanh hàng tỷ hạt siêu cứng có kích thước nano-mét, chúng sẽ giúp má phanh dễ dàng “neo” vào lớp vonfram cácbua ở bề mặt đĩa phanh.

“Kết quả thậm chí còn khiến chính chúng tôi ngạc nhiên. Chúng tôi đều biết rõ hệ thống phanh này rất ‘ngon’, nhưng những bài thử nghiệm đầu tiên còn vượt quá kỳ vọng của cả team”. Nhờ bề mặt láng mịn như gương của đĩa phanh mà má phanh ngay lập tức có lực hãm tối ưu ngay khoảnh khắc chúng chạm đĩa phanh. Bạn có thể so sánh đĩa than với đĩa CD. Vonfram cácbua không có các rãnh bề mặt siêu nhỏ giống như thép nên diện tích tiếp xúc giữa đĩa và má phanh là lớn hơn. Khi người lái đòi hỏi lực hãm tối đa, những mỏ neo li ti trên bề mặt má phanh ngay lập tức cung cấp điều đó. So với phanh thép, phanh phủ vonfram cácbua có độ bền tốt hơn 30% và tạo ra lượng mạt phanh ít hơn gấp 10 lần. Độ bền của PSCB gần như tương đương phanh gốm – các-bon nhưng lại rẻ gấp 3.

Điều quan trọng là hiệu năng của phanh phủ bề mặt PSCB cũng tuyệt vời như phanh các-bon khi nó duy trì lực phanh tốt hơn nhiều so với phanh thép, tránh cảm giác “nhão chân phanh” thường gặp khi bạn phanh gấp liên tục. Biểu đồ trên cho thấy độ nặng chân phanh mà bạn cảm thấy khi đạp phanh liên tục. Ở lần phanh thứ 14 liên tiếp, đĩa phanh thép bình thường cần một lực đạp chân phanh gấp rưỡi bình thường, trong khi lực đạp phanh gần như không đổi với PSCB. Nguyên nhân là ở lần phanh thứ 10 trở lên, nhiệt độ đĩa phanh đạt trên 600 độ C và đĩa phanh thép thông thường bắt đầu “sốc nhiệt”, dẫn đến giảm hiệu năng phanh, trong khi đĩa phanh phủ vonfram cácbua cho hiệu năng gần như không đổi so với lần phanh đầu tiên. Biểu đồ trên là thông số Porsche đo đạc tại trung tâm thử nghiệm Weissach.

Điều gây ngạc nhiên là dù tiên tiến như vậy nhưng tùy chọn phanh phủ bề mặt PSCB lại có giá … tương đối mềm tại Việt Nam. Trên mẫu Cayenne, phanh PSCB có giá 191 triệu chưa VAT, mức giá có thể gọi là tương đối “hạt rẻ” so với các tùy chọn khác của Porsche tại Việt Nam (phanh gốm – các-bon cho cayenne có giá 575 triệu chưa VAT). Về kích thước thì bộ phanh PSCB cũng hoành tráng không hề kém cạnh phanh các-bon: đĩa trước có kích thước lên tới 416 mm (16,4 inch – còn lớn hơn cả bánh xe Xpander!), đĩa sau 365 mm (14,4 inch). Cùm phanh trước có tới 10 pít-tông cho mỗi đĩa phanh, cùm phanh sau 4 pít-tông – đây là đàn “heo” thuộc hàng đông đúc nhất trong số các mẫu SUV thương mại!

Có lẽ bạn đang tự hỏi vì sao Porsche lại chọn màu sơn trắng cho cùm phanh. “Khi tôi đề xuất màu trắng, tất cả thành viên trong đội đều kịch liệt phản đối. Tôi vẫn sơn trắng và cho xe chạy thử 600 kilô-mét và màu trắng của cùm phanh gần như không phủ một chút bụi nào. Khi mà hệ thống phanh PSCB gần như không tạo ra chút bụi phanh nào thì màu trắng là phù hợp nhất để phô diễn điều đó!”, Giáo sư Matthias Leber cười lớn.

Theo Tuoitrethudo.vn