Hợp kim là một vật liệu ta thường nghe đến trong cuộc sống hàng ngày. Tuy nhiên, ít ai có thể hiểu rõ được chúng là gì, công dụng và tầm quan trọng của chúng. Hôm nay, hãy để Tuấn Lộc cho bạn biết chi tiết về Top 10 hợp kim cứng nhất thông qua bài viết dưới đây.
1. Hợp kim là gì?
Hợp kim là hỗn hợp của nhiều yếu tố cấu thành, một trong những yếu tố đó phải có kim loại. Các hợp kim chỉ có thể chứa 2 yếu tố kim loại được gọi là nhị phân của hợp kim. Những loại hợp kim khác thì có 3 yếu tố kim loại thì được gọi là ternary hợp kim.
2. Các loại hợp kim hiện nay
Hiện nay có rất nhiều loại hợp kim, phổ biến nhất là những loại sau:
2.1. Hợp kim đồng
Có hai loại hợp kim đồng, đó là đồng thau và đồng thanh.
Đồng thau: là hợp kim của đồng mà có hai nguyên tố chính là đồng và kẽm. Ngoài ra, nó còn có những nguyên tố phụ khác như Pb, Ni, Sn…
Vật liệu đồng thau
Đồng thanh: là hợp kim với những nguyên tố khác mà không có nguyên tố Zn. Để phân biệt các loại đồng thanh khác nhau, cách gọi chúng sẽ tùy thuộc vào nguyên tố phụ được đưa vào.
2.2. Hợp kim nhôm
Là loại hợp kim có nguyên tố chính là Al cùng với các nguyên tố khác như đồng, thiếc, mangan… Hợp kim xuất hiện nhiều trong đời sống thường ngày như cửa nhôm, nồi nhôm, bình nước…. Không những thế, phế liệu nhôm còn được thu mua lại để tái chế.
Hợp kim nhôm
Hợp kim nhôm cũng được chia làm hai loại là hợp kim nhôm biến dạng và hợp kim nhôm đúc.
- Hợp kim nhôm biến dạng có thể hóa bền bằng phương pháp nhiệt luyện. Tuy nhiên, cũng có loại hợp kim nhôm biến dạng không thể hóa bền bằng phương pháp này. Ứng dụng của hợp kim này làm chai lọ, hũ, nồi nhôm…
- Hợp kim nhôm đúc là các hợp kim gồm có nhôm và các thành phần silic từ 5% đến 20%. Ngoài ra, còn có thêm magie từ 0,3 – 0,5% để tạo ra hợp chất hóa bền Mg2Si. Vì vậy, các hệ Al-Si-Mg phải trải qua phương pháp hóa bền.
Sau đó, cho thêm đồng (3 – 5%) vào hệ Al-Si-Mg này để cải thiện cơ tính và tính đúc tốt của hợp chất.
2.3. Hợp kim titan
Hợp kim titan gồm nhiều nguyên tố như Al, Mo, V, Co, Ni, Cr, Mn, Fe, Cu tạo thành. Tùy thuộc vào số lượng các nguyên tố cũng như các thành phần mà hợp kim có tính chất và ứng dụng khác nhau. Nó đồng thời cũng được xếp vào những hợp kim cứng nhất thế giới.
Hợp kim titan
Loại được sử dụng phổ biến nhất là hợp kim titan chứa 6% nhôm và 4% vanadi. Nó chiếm hơn 50% tổng lượng hợp kim titan được sử dụng toàn cầu. Các loại hợp kim khác ít được sử dụng hơn như hợp kim titan có chứa 5% nhôm và 2,5% thiếc.
2.4. Hợp kim của sắt
Đây là hợp kim có nguyên tố chính là sắt kết hợp với các nguyên tố hóa học khác. Hợp kim sắt được làm ra để khắc chế các nhược điểm của kim loại sắt. Các hợp kim của sắt cũng được cho vào nhóm hợp kim cứng nhất.
Sắt và hợp kim sắt
Hợp kim sắt có thể được dùng để tạo ra các nguyên vật liệu xây dựng. Hoặc tạo ra những vật dụng có tính chất khác nhau để phục vụ cho cuộc sống hàng ngày.
2.5. Hợp kim thép
Đây là hợp kim của sắt khi kết hợp với carbon, và trong thành phần còn chứa các silic hay mangan… Trong đó, thép chỉ chiếm từ 0,01 đến 2% khối lượng của hợp kim. Hợp kim thép được chia ra làm hai loại là thép thường và thép đặc biệt.
2.6. Hợp kim kẽm
Hiện nay có ba loại hợp kim kẽm phổ biến:
- Kẽm hợp kim số 3
- Kẽm hợp kim số 5
- Kẽm hợp kim đặc biệt
2.7. Hợp kim inox
Là một trong số những hợp kim của sắt và chứa nhiều nguyên tố hóa học tạo thành. Trong đó gồm có Fe, carbon, Cr, Ni, Mn, Mo. Ngoài ra, còn có nhiều nguyên tố khác tham gia vào thành phần cấu tạo như Si, Cu, N, S…
Vật liệu inox
Với các thành phần nguyên tố khác nhau sẽ cho ra những hợp kim inox khác nhau. Giúp phục vụ những yêu cầu đa dạng của người dùng trong cuộc sống hàng ngày.
3. Phân loại kim loại cứng nhất – hợp kim
Hiện nay, có hai cách dùng để phân loại độ cứng của kim loại hay hợp kim cứng nhất. Đó là phân loại theo loại hợp kim đơn giản và hợp kim phức tạp.
3.1. Loại đơn giản
Là những hợp kim được tạo thành từ hai kim loại với nhau hoặc giữa kim loại với á kim. Tuy nhiên, nguyên tố chính của hợp kim đơn giản vẫn là kim loại.
3.2. Loại phức tạp
Là những hợp kim có từ hai hay nhiều nguyên tố kim loại chính với hai hay nhiều nguyên tố phụ. Hợp kim phức tạp có những ưu điểm nổi trội hơn so với hợp kim đơn giản thông thường. Chúng có cơ tính phù hợp với vật liệu chế tạo cơ khí, tính công nghệ thích hợp. Và chúng cũng có giá thành thấp hơn nhiều.
Hợp kim phức tạp dễ chế tạo hơn do không cần quá trình khử bỏ các tạp chất triệt để.
4. Ưu điểm của hợp kim so với kim loại
Hợp kim được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí nhờ sở hữu những ưu điểm nổi bật như sau:
- Do hợp kim có đặc tính nổi trội về độ cứng, độ bền cao nên thích hợp sử dụng làm vật liệu chế tạo cơ khí.
- Hợp kim có tính công nghệ khác nhau, phù hợp với từng điều kiện gia công đảm bảo cho ra sản phẩm có năng suất cao.
- Hợp kim dễ chế tạo. Vì vậy có rất nhiều phế liệu hợp kim được thu mua lại sau khi đã qua sử dụng với giá rất cao.
5. Cách phân biệt hợp kim cứng nhất
Có một số cách để phân biệt kim loại với hợp kim.
Cách phân biệt hợp kim cứng nhất
5.1. Tính chất cơ học
Là những đặc trưng cơ học biểu thị cho khả năng của kim loại hay hợp kim. Trong đó, ta có thể phân biệt được các hợp kim thông qua các yếu tố như độ bền. Ngoài ra, các yếu tố khác như độ cứng, độ dẻo và độ va đập cũng được áp dụng.
5.2. Tính chất vật lý
Đó là những tính chất của kim loại hoặc hợp kim được biểu hiện thông qua các hiện tượng vật lý. Những tính chất vật lý này gồm có khối lượng riêng, tính nóng chảy, tính giãn nở. Bên cạnh đó, còn có những tính chất khác như tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện và khả năng từ tính.
5.3. Tính chất hóa học
Là độ bền của kim loại hay hợp kim khi có tác động của các chất hóa học như oxy, axit… Trong đó, tính chất hóa học của kim loại, hợp kim được chia thành các loại sau:
- Tính ăn mòn: độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của môi trường xung quanh.
- Tính chịu nhiệt: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của oxy trong không khí ở nhiệt độ cao.
- Tính chịu axit: là độ bền của kim loại đối với sự ăn mòn của các chất axit.
5.4. Tính chất công nghệ
Là khả năng thay đổi trạng thái của kim loại, hợp kim khi có tác động của công nghệ. Gồm có các tính chất sau:
- Tính đúc: là tính chất được đặc trưng bởi độ chảy, độ co và thiên tích của kim loại.
- Tính hàn: là khả năng tạo thành sự liên kết giữa các phần tử khi nung chảy chỗ hàn.
- Tính rèn: là khả năng biến dạng vĩnh cửu của kim loại khi chịu lực tác dụng bên ngoài mà không bị phá hủy.
- Tính cắt gọt: là khả năng dễ gia công của kim loại hay hợp kim dễ hay khó.
6. Các đặc tính của hợp kim
Các đặc tính của hợp kim thường khác nhiều so với các đặc tính của kim loại.
Cụ thể, một trong những đặc tính vượt trội của hợp kim là độ bền hơn hẳn kim loại. Đặc tính vật lý tuy không quá khác biệt, nhưng các đặc tính cơ khí của hợp kim thì khác rõ rệt. Ví dụ như độ bền kéo, độ bền cứng, độ cắt, khả năng chống ăn mòn đều tốt hơn hẳn.
7. Ứng dụng của hợp kim
Những hợp kim nhẹ, bền, chịu được nhiệt độ và áp suất cao được dùng để chế tạo vỏ máy bay. Ngoài ra, còn chế tạo vỏ tên lửa, tàu vũ trụ, ô tô…
Những hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp được dùng để chế tạo giàn ống dẫn nước chữa cháy.
Những hợp kim có khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu được ma sát lớn. Chúng được sử dụng làm ống xả trong động cơ phản lực.
Ứng dụng của hợp kim trong chế tạo vỏ máy bay
8. Các phương pháp thử kim loại và hợp kim
Hiện nay, người ta đã tìm ra một số phương pháp thử các tính chất của kim loại và hợp kim.
8.1. Thử kéo
Nhằm thử độ bền kéo của kim loại và hợp kim, trước tiên người ta chế tạo mẫu của vật liệu đó. Sau đó, mẫu vật liệu sẽ được kẹp trên máy kéo vạn năng truyền động bằng cơ khí hoặc thủy khí.
Khi tiến hành kéo, máy sẽ vẽ ra biểu đồ so sánh giữa lực kéo và độ biến dạng của mẫu. Và từ đó máy sẽ cho ra được một biểu đồ chính xác. Biểu đồ sẽ tùy thuộc vào tính chất của vật liệu là kim loại hay hợp kim.
8.2. Thử độ cứng
Mỗi vật liệu sẽ có một độ cứng khác nhau. Vì vậy, ta có thể dùng các phương pháp thử độ cứng để đánh giá kim loại và hợp kim. Một số phương pháp đo độ cứng như phương pháp Rocvel, phương pháp Brinen, phương pháp đo độ cứng Vicke.
Bằng các phương pháp trên, ta có thể tìm ra được các loại hợp kim cứng nhất.
8.3. Thử va đập
Nhằm thử độ dai của hợp kim và kim loại, người ta cho va đập trên máy. Bằng lực đập của búa và ở một độ cao phù hợp để phá hủy mẫu kim loại.
9. TOP 10 kim loại – hợp kim cứng nhất thế giới
Trên thế giới xuất hiện nhiều hợp kim, kim loại với nhiều độ cứng khác nhau. Tuy nhiên, sau khi đã chọn lọc, ta có top 10 kim loại, hợp kim cứng nhất thế giới sau đây.
9.1. Crom (Cr)
Crom đã được chứng minh là kim loại cứng nhất thế giới ở thời điểm hiện tại. Nó được đánh giá độ cứng theo thang điểm Mohs là 8,5. Kim loại Cr có màu xanh và là nguyên liệu chính trong việc chế tạo thép không gỉ.
Kim loại crom cứng nhất thế giới
Crom cũng nổi tiếng về khả năng từ tính của nó. Do đó nó được ứng dụng để sản xuất hợp kim khác nhau.
9.2. Vonfram (W)
Xếp ở vị trí thứ 2 là vonfram, kim loại có độ cứng là 7,5 theo thang điểm Mohs. Kim loại này đứng đầu trong bảng xếp hạng các kim loại có độ bền kéo và hợp kim cứng nhất. Sở hữu độ bền kéo tối đa lên đến 1510 Megapascals.
Kim loại vonfram
Vonfram còn nổi tiếng với nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong thế giới kim loại. Do đó, vonfram được dùng làm nguyên vật liệu cho ngành điện tử, chế tạo bóng đèn dây tóc. Ngoài ra, nó còn được dùng để chế tạo thiết bị cho quân đội và một số ngành nghề khác.
9.3. Osmi (Os)
Tuy không phải cứng nhất, nhưng Osmi được nhiều người biết đến là kim loại nặng nhất thế giới. Đồng thời, nó cũng có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Ở trạng thái rắn, nó có màu trắng xanh giống như kẽm và vững bền với axit.
Kim loại Osmi có nhiệt độ nóng chảy cao
Đây là thành phần chủ yếu cấu tạo nên đầu ngòi bút hoặc các trụ bản lề dụng cụ. Bên cạnh đó, Osmi còn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế.
9.4. Titan (Ti)
Với độ cứng theo thang điểm Mohs là 6,0, titan cũng có một vị trí trong top 10 này. Titan là kim loại có độ bền tối đa hơn 430 Megapascals.
Dù nó có tính chất cứng nhưng lại là một trong những kim loại nhẹ nhất. Điều đó đã biến nó trở thành vật liệu lý tưởng để sử dụng trong các ngành công nghiệp. Đặc biệt là ngành công nghiệp cần đến kim loại mạnh nhưng lại có nhiệt độ nóng chảy cao.
Titan thuộc các hợp kim cứng nhất nhưng lại có trọng lượng nhẹ
9.5. Sắt (Fe)
Sắt là kim loại quen thuộc vì nó xuất hiện ở khắp mọi nơi trong cuộc sống thường ngày. Với độ cứng là 4,0 theo thang điểm Mohs, sắt cũng là kim loại có trữ lượng dồi dào. Vì có độ cứng cao, Sắt thích hợp để chế tạo các đồ dùng thiết bị, nguyên vật liệu cho nhiều ngành nghề. Ngoài ra, phế liệu sắt cũng được thu mua lại với giá rất cao.
Vật liệu sắt thường thấy trong cuộc sống hàng ngày
Kim loại sắt thường được kết hợp với các chất thành hợp kim khác nhằm khắc phục những điểm yếu. Qua đó tạo ra những hợp kim cứng nhất.
9.6. Kim loại siêu cứng từ hợp kim gồm titanium và vàng
Các nhà khoa học tại Mỹ đã thí nghiệm thành công, tìm ra hợp kim cứng nhất từ titan và vàng. Theo BBC, hợp kim vàng – titan này cứng gấp 4 lần titan tinh khiết và được ứng dụng trong y tế. Đặc biệt là trong việc tạo ra các vật liệu cấy ghép y tế có tuổi thọ dài hơn.
Kim loại từ Titanium và vàng
9.7. Kim cương
Kim cương được biết đến là vật liệu tự nhiên cứng nhất thế giới với khả năng chống trầy xước cao. Tính chất này làm cho kim cương thành vật liệu hoàn hảo để đánh bóng, mài cắt vật liệu khác. Nó còn được dùng cho một số mũi khoan cho nhiều ngành nghề khác nhau.
Kim cương, vật liệu không thể thiếu trong danh sách các vật liệu cứng nhất
9.8. Silicon Cacbua
Còn có tên gọi khác là carbonrunđum, là một hợp chất được tạo ra bởi silic và carbon. Vật liệu này tồn tại ở dạng bột và được sản xuất hàng loạt từ 1893 dùng để mài mòn. Hạt Silicon Cacbua có thể liên kết với nhau tạo thành một cấu trúc rất cứng.
Kim loại Carbonrunđum
Chính vì vậy, Silicon cacbua trở thành một trong những hợp kim cứng nhất. Nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ bền cao như hệ thống phanh xe.
9.9. Wurtzite boron nitride
Là vật liệu được hình thành trong các vụ phun trào núi lửa. Boron nitride là chất chịu nhiệt và cách nhiệt, là hợp chất boron và nitơ có công thức hóa học là BN. Theo lý thuyết, loại vật liệu này cứng hơn kim cương 18%.
Vật liệu Wurtzite boron nitride
Wurtzite boron nitride có kết cấu nối giữa các nguyên tử theo hình khối. Giống với kết cấu nguyên tử ở khối boron nitride và kim cương. Điều này giúp nó góp mặt trong danh sách các hợp kim cứng nhất.
9.10. Lonsdaleite
Do có cấu trúc giống với kim cương nên nó còn được gọi là lục giác kim cương. Lonsdaleite hình thành khi thiên thạch chứa than chì va chạm vào Trái Đất. Nhiệt độ và áp lực biến than chì thành kim cương nhưng vẫn giữ hình lục giác graphite của mạng tinh thể.
Lonsdaleite là kim loại – hợp kim cứng hơn kim cương đến 58%, được mệnh danh là vật liệu cứng nhất trên Trái Đất.
Một mảnh Lonsdaleite
Bài viết trên đây đã giải thích chi tiết về các loại hợp kim và những hợp kim cứng nhất. Hy vọng bài viết đã giúp ích cho bạn, giúp bạn hiểu thêm về hợp kim kim loại. Cả những đặc điểm, công dụng và tính chất của chúng.
>> Xem thêm: Hướng dẫn làm đồ chơi từ phế liệu đã qua sử dụng độc – lạ
