HỢP KIM: KHÁI NIỆM, TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỢP KIM

Hợp kim: Khái niệm, tính chất và ứng dụng của hợp kim. I. Hợp kim là gì? Khái niệm hợp kim : Hợp kim là vật liệu kim loại đã được pha trộn...

Hợp kim: Khái niệm, tính chất và ứng dụng của hợp kim.

I. Hợp kim là gì?

Khái niệm hợp kim: Hợp kim là vật liệu kim loại đã được pha trộn với các kim loại hoặc vật liệu khác để tăng cường hoặc triệt tiêu các đặc tính cụ thể. Điều này có thể nhằm mục đích làm cứng, chống ăn mòn, dễ uốn, chịu được nhiệt độ hoặc để tạo điều kiện thuận lợi cho các khả năng sản xuất khác, chẳng hạn như ép đùn hoặc đúc.

Hợp kim được chia thành 2 loại là:

Hợp kim đơn giản: Được tạo thành từ 2 kim loại (như đồng và kẽm) hoặc 1 kim loại kết hợp với 1 phi kim (như sắt và cacbon), trong đó kim loại là thành phần chính.
Hợp kim phức tạp: Được tạo thành từ 3 nguyên tố trở lên, trong đó có từ 2 nguyên tố kim loại chính và các nguyên tố khác, có thể là kim loại hoặc phi kim.

II. Các tính chất đặc trưng của hợp kim

Tính chất của hợp kim phụ thuộc vào thành phần các đơn chất tham gia cấu tạo mạng tinh thể của hợp kim:

Ví dụ:

Hợp kim không bị ăn mòn: Fe – Cr – Ni (Thép không gỉ – Inox)
Hợp kim siêu cứng: W – Co, Co – Cr – W -Fe, …
Hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp: Sn – Pb (thiếc hàn),…
Hợp kim nhẹ, cứng và bền: Al – Si, Al – Cu – Mn – Mg

Hợp kim thường ở thể rắn, có cấu tạo tinh thể gồm tinh thể hỗn hợp, tinh thể hóa học và tinh thế dung dịch rắn. Các liên kết trong hợp kim tinh thể hỗn hợp hoặc dung dịch rắn chủ yếu là liên kết kim loại; còn trong mạng tinh thể hóa học sẽ là liên kết cộng hóa trị.

Hợp kim vẫn có tính dẫn nhiệt và dẫn điện của các kim loại tạo thành nhưng yếu hơn so với kim loại nguyên chất vì khi kết hợp các nguyên tử của các nguyên tố với nhau sẽ làm giảm mật độ electron tự do.

Điểm nóng chảy của hợp kim không cố định mà thường tạo thành 1 khoảng, tùy thuộc vào thành phần và hàm lượng các nguyên tố tạo nên nó.

Hợp chất có độ cứng lớn hơn so với đơn chất tạo thành vì cấu tạo mạng tinh thể chắc chắn hơn. Ví dụ như thép (hợp kim của sắt) cho độ cứng hơn sắt nguyên chất.

Hợp kim có nhiều ưu điểm của kim loại đơn chất như khả năng chống gỉ, chịu ma sát, dễ dát mỏng, uốn dẻo, có ánh kim…

Một số hợp kim thể hiện tính trơ, không xảy ra phản ứng với axit hoặc bazo hoặc các xác tác khác.

III. Ứng dụng của hợp kim:

Hợp kim được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau bao gồm: khai thác, xử lý và phân phối, xây dựng, nông nghiệp, kiến trúc, đóng gói và vận chuyển, ô tô, y tế, hàng hải, hàng không vũ trụ, quân sự, dược phẩm, sản phẩm tiêu dùng và công nghiệp sản xuất bao gồm dầu mỏ và hóa chất.

Các ứng dụng cụ thể trong các ngành này bao gồm tua bin khí, động cơ điện, tàu, ống, dụng cụ công nghiệp và các bộ phận máy như bánh răng, mài mòn, dụng cụ nha khoa, thiết bị y tế, bộ phận truyền tải điện, hộp số, mảnh tên lửa và các bộ phận khác nhau của tàu biển.

Ngoài ra còn có các hợp kim được sử dụng làm chất siêu dẫn trong các ứng dụng nhiệt độ rất thấp, và có những hợp kim được thiết kế để chống lại tác động ăn mòn của nước muối và được sử dụng trong các nhà máy khử muối.

- Hợp kim nhôm:

Chế tạo vỏ máy bay, vệ tinh nhân tạo, khinh khí cầu vì chúng khá nhẹ, có đặc tính hấp thụ bức xạ điện từ từ năng lượng mặt trời.
Dùng làm nguyên liệu rắn trong sản xuất vũ khí hạt nhân, tên lửa, pháp hoa… (do khi đốt cháy tỏa ra nguồn nhiệt lớn).
Dùng để chế tạo các chi tiết của các phương tiện giao thông như ô tô, tàu thủy, xe máy…
Dùng làm đế tản nhiệt CPU trong máy tính và vỏ máy tính.
Dùng làm lõi dây điện, các chi tiết nhỏ trong linh kiện điện tử…
Dùng trong chế tạo máy móc, nguyên liệu gia công trong ngành cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao.
Dùng làm vật liệu trong ngành xây dựng, trong chế tạo các vật dụng gia đình, nhà bếp…

- Hợp kim sắt:

Dùng trong chế tạo máy móc, bulong, con tán, mũi khoan, lưỡi cắt, đúc khuôn, dao cụ…
Trong sản xuất các đồ dùng gia đình: bàn ghế, cổng, cầu thang, lan can, khung cửa…
Sử dụng trong chế tạo vật liệu xây dựng có độ cứng cao cho các công trình nhà cao tầng, cầu đường, đập, đường ray tàu hỏa…

- Hợp kim đồng:

Chế tạo các chi tiết khớp nối, ren trong môi trường nước, nước biển…
Sản xuất các đường ống dẫn khí đốt, bộ tản nhiệt, ống dẫn; các chi tiết trong ô tô, xe máy…
Chế tạo dây truyền tải viễn thông…

- Hợp kim titan:

Dùng trong chế tạo trang sức, phục vụ nhu cầu làm đẹp của con người.
Ngoài ra còn nhiều các loại hợp kim khác với nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống.

IV. Các loại hợp kim phổ biến

Các nhà cung cấp hợp kim là các công ty cung cấp kim loại bao gồm hai hoặc nhiều nguyên tố kim loại.

Hợp kim nhị phân được tạo thành từ hai thành phần.
Hợp kim đúc là hợp kim được sử dụng để tạo thành các vật thể trong khuôn và chúng dễ dàng được đúc hơn các hợp kim khác.
Intermetallics là hợp kim của hai hoặc nhiều kim loại theo tỷ lệ nhất định, tạo thành một hợp chất hóa học mới.
Hợp kim magiê là hỗn hợp của magiê và các kim loại khác
Hợp kim kim loại là sự pha trộn của hai hoặc nhiều nguyên tố, một trong số đó phải là kim loại.
Hợp kim niken là một vật liệu kim loại chủ yếu bao gồm niken.
Hợp kim quarternary là hợp kim được tạo thành từ bốn thành phần khác nhau.
Hợp kim thép được tạo thành phổ biến nhất từ niken, crom, silic, mangan, vonfram, molypden và vanadi, và được sử dụng để tăng độ cứng, sức mạnh và kháng hóa chất.
Superalloys , hoặc hợp kim hiệu suất cao, có thể chịu được nhiệt độ khắc nghiệt sẽ phá hủy các kim loại như thép và nhôm. Một superalloy sẽ có độ bền cơ học tuyệt vời, ổn định bề mặt và chống ăn mòn.
Hợp kim ternary là hợp kim được tạo thành từ ba thành phần khác nhau.
Hợp kim titan là hợp kim kim loại trong đó titan vẫn là thành phần chính.
Hợp kim hàn là kim loại được hình thành từ hai hoặc nhiều nguyên tố kim loại được sử dụng trong quá trình hàn để hoạt động như một kim loại phụ.
Hợp kim Thép không gỉ

V. Thành phần của một số hợp kim điển hình

Hợp kim cụ thể trộn theo tỷ lệ được quy định, tạo ra các thành phần kim loại với chất lượng như mong muốn. Chúng có thể là kim loại màu (chứa sắt) hoặc kim loại màu (không chứa sắt), dẫn điện, từ tính, chịu nhiệt hoặc không ăn mòn.

Các thành phần của các hợp kim này là tương tự nhau, nhưng việc thay đổi công thức cơ bản gây ra các biến thể có thể có ý nghĩa đối với sự xuất hiện hoặc chức năng của chúng. Khả năng gia công bị ảnh hưởng bởi việc bổ sung các yếu tố.

Hợp kim đồng

Thành phần kim loại của hợp kim này như sau:

Đồng = 55-59%
Chì = 2,5-3,5%
Kẽm = tỷ lệ cân bằng

Bằng cách thêm tỷ lệ đồng cao hơn một chút và tỷ lệ chì, hợp kim vẫn giữ được màu đồng, nhưng cung cấp một sản phẩm phù hợp với việc uốn cong.

Bằng cách tăng tỷ lệ phần trăm của cả hai, đồng và chì, sẽ tạo ra đồng thau màu vàng sáng. Việc bổ sung thiếc tạo ra đồng thau có khả năng chống ăn mòn trong nước muối và giữ được mức độ gia công tốt.

Hợp kim Niken

Hợp kim niken là hợp kim kim loại, trong đó niken có tỷ lệ cao nhất so với bất kỳ nguyên tố nào khác được sử dụng trong thành phần của nó. Niken là một nguyên tố hợp kim cực kỳ phổ biến vì nó rất linh hoạt và có thể hợp kim với hầu hết mọi kim loại.

Nhìn chung, các hợp kim dựa trên niken có khả năng chịu nhiệt cũng như chống ăn mòn cao chống lại phổ rộng của các phương tiện ăn mòn như hóa học, kiềm, dầu mỏ và nước biển.

Hợp kim thép

Là một hợp kim của sắt và carbon được sử dụng trong mọi ngõ ngách của ngành công nghiệp. Sắt hiếm khi được tìm thấy ở dạng nguyên chất của nó mềm và dễ uốn. Việc bổ sung tới 2,14% carbon, tính theo trọng lượng, ổn định và làm cứng sắt, tạo ra thép. Liên kết đẳng hướng của các hợp kim nguyên tố diễn ra khi các thành phần được nung nóng đến nhiệt độ quy định.

Thay đổi lượng carbon hoặc thêm các yếu tố khác làm thay đổi cấu trúc phân tử và tính chất vật lý của thép. Một số loại thép hợp kim bao gồm thép carbon, thép công cụ, thép không gỉ và hợp kim máy bay. Thép không gỉ là một hợp kim gần như không oxy hóa với tối thiểu 11% crôm, làm cho nó có khả năng chống ăn mòn cao.

Thép không gỉ có khả năng chống lại sự phát triển của vi khuẩn và có thể được làm sạch bằng hơi nước, do đó được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm và y tế. Nó có thể được hình thành thành tấm, cuộn, thanh, tấm hoặc dây.

Nó được sử dụng về mặt kiến trúc cho các mục đích cấu trúc, cũng như thẩm mỹ. Bể chứa hoặc vận chuyển thực phẩm hoặc chất lỏng ăn mòn được làm bằng thép không gỉ, cũng như nhiều bộ phận cho thiết bị sản xuất, chẳng hạn như các bộ phận băng tải và máy móc nhà máy đóng gói.

Hợp kim nhôm

Là hỗn hợp của kim loại nguyên chất Nhôm (Al) với magiê, mangan, sắt, silicone, kẽm hoặc đồng…được chia thành hai nhóm chính là hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc.

Kim loại nhôm và hợp kim của nhôm đứng thứ hai về sản xuất và ứng dụng trong đời sống. Điều này là do hợp kim nhôm có những tính chất phù hợp với nhiều công dụng phổ biến.

Hợp kim của nhôm nhận được nhiều ưu đãi và được sử dụng nhiều trong các cấu trúc kỹ thuật và thành phần trọng lượng rất nhẹ và khả năng chống ăn mòn như là: ngành viễn thông, hàng không vũ trụ, quân sự, giao thông vận tải, chế tạo cơ khí, sản xuất máy móc…

Hợp kim vonfram

Đã được phát triển để sử dụng trong các dây tóc bóng đèn, che chắn bức xạ, hàn TIG và ống tia X. Do mật độ cao, hợp kim vonfram đã được sử dụng để sản xuất các loại đạn xuyên thấu.

Cacbua vonfram có điểm nóng chảy và độ cứng rất cao. Nó được sử dụng để chế tạo các công cụ cắt cacbua, như lưỡi cưa, dao, tiện và dao phay dùng trong chế biến gỗ, khai thác, gia công kim loại và xây dựng.

Vàng

Là một kim loại cơ bản rất mềm. Nó được đo bằng độ tinh khiết và trọng lượng, tính theo đơn vị gọi là carat (k). Vàng nguyên chất là 24k. Hợp kim được thêm vào để tăng cường vàng. Số lượng carat đề cập đến tỷ lệ vàng nguyên chất so với hợp kim. Vàng 18k có 6 phần hợp kim. Vàng 14k có 10 phần hợp kim. Vàng 10k có 14 phần hợp kim.

Các yếu tố cụ thể trong tỷ lệ hợp kim cung cấp cho vàng độ cứng và màu sắc của nó. Các hợp kim bằng vàng là một nửa đồng và một nửa bạc. Hợp kim vàng hồng chứa ba phần tư đồng và một phần tư bạc. Hợp kim vàng xanh chứa một phần tư đồng và ba phần tư bạc. Hợp kim vàng trắng chứa khoảng một phần năm đồng, một phần năm kẽm và ba phần năm niken.

IV. Kết Luận

Hợp kim là minh chứng rõ ràng cho sự sáng tạo của con người trong việc cải thiện và tối ưu hóa vật liệu. Bằng cách kết hợp các nguyên tố một cách có chủ đích, chúng ta đã tạo ra những vật liệu với tính chất vượt trội, khắc phục nhược điểm của kim loại nguyên chất và đáp ứng những yêu cầu ngày càng khắt khe của công nghệ. Từ thép xây dựng đến hợp kim titan trong y tế, hợp kim đã và đang đóng vai trò trung tâm trong mọi lĩnh vực, thúc đẩy sự tiến bộ khoa học kỹ thuật và định hình nên thế giới hiện đại của chúng ta. Sự phát triển không ngừng của các loại hợp kim mới hứa hẹn sẽ tiếp tục mở ra những kỷ nguyên vật liệu đột phá trong tương lai.

Xem thêm: chuyên đề đại cương về kim loại.

Lý thuyết bài 14: Đại cương về kim loại hóa 12 (Vị trí, đặc điểm cấu tạo, đặc điểm liên kết của kim loại).