Các trang trong thể loại “luyện kim”

Công nghệ đúc được chia thành hai loại chính: Đúc thông thường và Đúc đặc biệt 1.1 Đúc thông thường sử dụng khuôn cát Là công nghệ có từ cổ xưa, đúc thông thường được thực hiện với các k

Mục lục

1.1 Đúc thông thường (sử dụng khuôn cát) 1

1.2 Đúc đặc biệt 1

1.2.1 Đúc trong khuôn kim loại 1

1.2.2 Đúc phôi thép 1

1.3 am khảo 2

1.4 am khảo 2

2 Công nghệ nguội nhanh 3 2.1 Nguyên tắc chung 3

2.2 Công nghệ nguội nhanh trên trống quay 3

2.3 Lịch sử 4

2.4 Ứng dụng công nghệ 4

2.5 am khảo 4

2.6 am khảo 5

3 Eutecti 6 3.1 Phản ứng eutecti 6

3.2 am khảo 6

3.2.1 Tài liệu 6

3.3 Đọc thêm 6

4 Ferô titan 8 4.1 am khảo 8

5 Gang 9 5.1 Khái quát 9

5.2 Phân loại 9

5.3 Ứng dụng 9

5.4 am khảo 9

5.5 Liên kết ngoài 10

6 Giản đồ Ellingham 11 6.1 Nhiệt động lực học 11

i

ii MỤC LỤC

6.2 Tác nhân khử 11

6.3 am khảo 11

6.4 Liên kết ngoài 11

7 Hợp kim 12 7.1 Các đặc tính 12

7.2 Hợp kim ngày nay 12

7.3 Nguồn 13

7.4 am khảo 13

7.5 Liên kết ngoài 13

8 Inconel 14 8.1 Đặc tính 14

8.2 Ứng dụng 14

8.3 am khảo 14

9 Khoa học vật liệu 15 9.1 Phân loại vật liệu 15

9.2 Xem thêm 15

9.3 am khảo 15

9.4 Liên kết ngoài 15

10 Kim loại quý (hóa học) 16 10.1 Điện hóa học 16

10.2 Chú thích 16

11 Kim loại vô định hình 17 11.1 Lịch sử[3] 17

11.2 Ứng dụng[3] 18

11.3 Chú thích 18

11.4 Liên kết ngoài 18

12 Luyện kim 19 12.1 Các quá trình 19

12.2 Các kiểu luyện 19

12.3 Nghiên cứu vĩ mô và vi mô 20

12.4 Phân loại 20

12.4.1 Luyện kim đen 20

12.4.2 Luyện kim màu 21

12.5 Luyện kim tại Việt Nam 22

12.5.1 Lịch sử luyện kim đen của Việt Nam 22

12.6 Năng lực của người luyện kim 22

12.7 Các liên kết 22

12.8 Chú thích 22

MỤC LỤC iii

13.1 Xử lý quặng 23

13.2 ủy luyện kim 23

13.3 Hỏa luyện kim 23

13.4 Điện luyện kim 23

13.5 am khảo 24

14 Ma sát học 25 14.1 am khảo 25

14.2 Sách chuyên khảo 25

14.3 Liên kết ngoài 25

15 Nấu luyện bằng plasma 26 15.1 Ưu điểm 26

15.2 am khảo 26

16 Nghiền bi động năng cao 27 16.1 Nguyên lý kỹ thuật 27

16.2 Ứng dụng 27

16.3 Chú thích 28

16.4 am khảo 28

17 Nhiệt luyện 29 17.1 Ủ loại 1 29

17.2 Ủ loại 2 29

17.3 Tôi có chuyển biến pha 29

17.4 Tôi bề mặt 29

17.5 Ram 29

17.6 Hoá già 30

17.7 Xem thêm 30

17.8 am khảo 30

17.9 Liên kết ngoài 30

18 Nung cảm ứng 31 18.1 Nguyên lý 31

18.2 Chú thích 31

19 Phản ứng nhiệt nhôm 32 19.1 Chú thích 32

19.2 am khảo 32

20 Ram (nhiệt luyện) 33 20.1 Ram thấp 33

20.2 Ram trung bình 33

iv MỤC LỤC

20.3 Ram cao 33

20.4 am khảo 33

21 ấm (nhiệt luyện) 34 21.1 am khảo 34

22 ép gió 35 22.1 ành phần hoá học 35

22.2 Ứng dụng 35

22.3 Nhiệt luyện thép gió 35

22.3.1 Tôi thép gió 35

22.3.2 Ram thép gió 35

22.4 Một số mác thép gió thông dụng 35

22.5 am khảo 35

23 Tôi (nhiệt luyện) 36 23.1 am khảo 36

24 Ủ (nhiệt luyện) 37 24.1 am khảo 37

25 Vật lý ất rắn 38 25.1 Chú thích 38

25.2 Nguồn, người đóng góp, và giấy phép cho văn bản và hình ảnh 39

25.2.1 Văn bản 39

25.2.2 Hình ảnh 40

25.2.3 Giấy phép nội dung 41

Chương 1

Công nghệ đúc

Công nghệ đúc là công nghệ chế tạo sản phẩm bằng

phương pháp rót vật liệu ở dạng chảy lỏng vào khuôn

để tạo ra sản phẩm có hình dạng theo khuôn mẫu Đa

phần công nghệ đúc thực hiện với các vật liệukim loại

Công nghệ đúc được chia thành hai loại chính: Đúc

thông thường và Đúc đặc biệt

1.1 Đúc thông thường (sử dụng

khuôn cát)

Là công nghệ có từ cổ xưa, đúc thông thường được thực

hiện với các khuôn cát, nếu không qua sấy khuôn, thì

gọi là khuôn cát tươi Hỗn hợp làm khuôn và lõi khuôn

là cát silic, có thể có phụ gia là nước thủy tinh Lòng

khuôn được tạo hình bởi mẫu đúc và lõi (nếu có) Đúc

trong khuôn cát có giá thành rẻ, dễ làm nhưng năng

suất thấp Đúc trong khuôn cát có thể dùng để đúc vật

đúc từ hợp kim đen và hợp kim màu

1.2 Đúc đặc biệt

Là phương pháp khác đúc thông thường, đúc đặc biệt

có sự khác biệt về nguyên liệu và công nghệ làm khuôn,

cách điền đầy và tạo hình vật đúc

Đúc đặc biệt thường sử dụng khuôn kim loại ường

có các dạng: Đúc trong khuôn kim loại, Đúc áp lực, Đúc

ly tâm, Đúc liên tục và một số công nghệ đúc đặc biệt

khác

1.2.1 Đúc trong khuôn kim loại

Ưu điểm:

Đúc trong khuôn kim loại là thuật ngữ chỉ một phương

pháp sản xuất vật đúc bằng cách rót kim loại lỏng vào

khuôn kim loại Vật đúc đông đặc dưới tác dụng của

trọng trường mà không chịu bất kỳ tác động nào khác

Đây là phương pháp rất phổ biến hiện nay do nó có các

đặc điểm sau đây:

• Khuôn được sử dụng nhiều lần;

• Độ sạch và độ chính xác được nâng cao đáng kể.

Điều này sẽ làm giảm khối lượng gia công cơ khí;

• Nâng cao độ bền cơ học của vật đúc, đặc biệt là độ

bền ở lớp bề mặt tiếp giáp với khuôn kim loại

• Nâng cao sản lượng hàng năm do giảm được kích

thước đậu ngót và phế phẩm đúc

• Nâng cao năng suất lao động.

• Tiết kiệm diện tích nhà xưởng do không cần chế

tạo hỗn hợp làm khuôn và quá trình làm khuôn

do khuôn kim loại cản co mạnh; vật đúc gang dễ bị biếntrắng; quy trình đúc phải chặt chẽ

Tuy có những đặc điểm trên nhưng công nghệ đúctrong khuôn kim loại vẫn được sử dụng rộng rãi để đúcgang, hợp kim và kim loại màu trong sản xuất hàngloạt và loạt lớn bởi vì có những chi tiết không thể chếtạo được nếu không sử dụng khuôn kim loại, ví dụ cáctấm lớn thân máy bay, các chi tiết nhỏ nhưng đòi hỏi

độ bền cao trong động cơ

2 CHƯƠNG 1 CÔNG NGHỆ ĐÚC

• Ưu điểm: Rót vào ống từ các cống rót

dâng lên từng thỏi từ phía dưới Như

vậy với đúc dưới, một lần rót có thể rót

được nhiều thỏi, năng suất và chất lượng

bề mặt thỏi tốt hơn nhiều do mặt nước

thép dâng lên bình ổn không bắn toé

như rót từ trên, khí, tạp chất và xỉ đều có

điều kiện nổi lên trên tốt hơn, che chắn

chống tái oxi hoá cũng thuận tiện

• Nhược điểm: iết bị trên đĩa đúc, ống

rót trung tâm phức tạp hơn, tiên tốn

thêmvật liệu chịu lửavà lượng thép ở

ống rót và cống rót, giảm suất thu hồi

kim loại

• ùng rót

Tác dụng của thùng rót hay còn gọi là thùng chứa ngoài

tác dụng chứa đựng nước thép đến nơi đúc ra còn làm

nhiệm vụ cuối cùng tiến thêm một bước nữa là khử

oxi, khử S, đồng đều nhiệt độ, thành phần nước thép,

lắng nước thép một thời gian để khử khí,tạp chấtvà

xỉ nổi lên tách ra khỏi nước thép, làm sạch cải thiện

đáng kể lượng thép Cũng chính lợi dụng thời gian nước

thép lắng trong thùng dài hay ngắn, kích thước lỗ rót

mà điều chỉnhnhiệt độ, tốc độ rót đúc hợp lý Khi mà

những năm gần đây phương pháptinh luyện ngoài lò

phát triển mạnh mẽ thì thùng rót kiêm luôn một thiết

bị (lò luyện) quan trọng trong việctinh luyện

• Khuôn đúc

Khuôn đúc là thiết bị tạo hình cho nước thép đông đặc

khi rót nước thép vào tạo thành thỏi thép Trong sản

xuất,khuôn đúclà phần hao tổn có tính thay đổi, có

ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng thép và là một chỉ

tiêu hạch toán kinh tế Cho nên thiết kế cần chính xác,

sử dụng và duy tu bảo dưỡng chuẩn xác có ý nghĩa rất

quan trọng

• • Vật liệu làm khuôn:

Vật liệu làm khuôn thường sử dụng là gang, do có tính

dẫn nhiệttốt, chắc chắn và rẻ Do điều kiện làm việc

của khuôn đúcthéprất khắc nghiệt, làm việc có tính

chu kỳ:gia nhiệt, làm nguội, tức là giãn nở, co ngót

nên khuôn đúc dễ bị hỏng bởi nứt vỡ hoặc bong chóc

Tuổi thọ khuôn đúc phần lớn được quyết định bởi thành

phần hoá học của hợp kim đúc

Để nâng cao tính đúc cần duy trì một hàm lượng các

bon tương đối cao: ường khoảng 3,2−4,0%, Si líc (Si)

chọn theo yêu cầu của tổ chức: thường khoảng 1,2 - 2,2

% Hiện tượng tróc khuôn tăng theo hàm lượng Si tăng,

nhưng nứt thì ngược lại

1.3 Tham khảo

• Các phương pháp đúc đặc biệt, Nguyễn Hữu

Dũng, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội,

Hà Nội, 2006

• Công nghệ đúc, Phạm ang Lộc và tập thể,

ĐHBK HN, 1989

1.4 Tham khảo

Chương 2

Công nghệ nguội nhanh

Công nghệ nguội nhanh (tiếng Anh: rapid cooling,

melt-spinning) hay còn được gọi là phương pháp làm

lạnh nhanh hoặc tôi nhanh (rapid quening) là một

công nghệ luyện kim dùng để chế tạo các bănghợp kim

hoặckim loại vô định hìnhbằng cách làm lạnh nhanh

hợp kim nóng chảy với tốc độ thu nhiệt rất lớn (từ 104

với T m , T clần lượt lànhiệt độcủa hợp kim nóng chảy,

và nhiệt độ của môi trường làm lạnh, ∆t là thời gian

thu nhiệt Nguyên tắc chung của phương pháp nguội

nhanh là dùng một môi trường làm lạnh thu nhiệtnhanh của hợp kim nóng chảy, giữ cấu trúc của hợpkim hóa rắn giống như trạng thái của chất lỏng (trạngtháivô định hình)

• Môi trường làm lạnh có thể là các khối kim loại

quay nhanh, hoặc các khí hóa lỏng (nitơlỏng,hêli

lỏng…)

• Để tạo cho tốc độ thu nhiệt rất nhanh, môi trường

thu nhiệt phải vừa có khả năng hấp thụ nhiệt lớnđồng thời phải tạo sao cho hợp kim lỏng chỉ tiếpxúc trong thời gian rất ngắn (tốc độ thu nhiệtngắn) nhằm tạo ra tốc độ lớn

2.2 Công nghệ nguội nhanh trên trống quay

Phương pháp nguội nhanh trên trống quay đơn trục

Nguyên lý của phương pháp này là dùng một trốngquay có bề mặt nhẵn bóng với tốc độ cao làm môitrường thu nhiệt của hợp kim nóng chảy Hợp kim đượclàm nóng chảy trong nồi nấu bằng phương phápnóngchảy cảm ứngbằng dòng điện cao tần Nồi nấu đượcthiết kế đặc biệt sao cho ở khe nó có một khe hẹp và đặtgần sát bề mặt trống Dùng một dòng khí nén (thường

là các khí trơ để tránh ôxi hóa) thổi hợp kim nóng chảy3

4 CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ NGUỘI NHANH

lên bề mặt trống quay Vì miệng vòi phun đặt rất gần

mặt trống nên hợp kim bị dàn mỏng và rất dễ bị lấy

nhiệt, đồng thời nhờ trống quay với tốc độ cao nên hợp

kim vừa bị làm lạnh nhanh, vừa bị dàn mỏng kéo thành

băng dài

ời gian thu nhiệt trong phương pháp này rất ngắn

(tỉ lệ nghịch với tốc độ quay của trống) chỉ cỡ 10−3đến

10−2giây nên tốc độ làm nguội có thể đạt tới từ 104K/s

đến 107K/s, dễ dàng tạo ra các hợp kim vô định hình

dạng băng mỏng

Thiết bị nguội nhanh đơn trục tại Trung tâm Khoa học Vật liệu,

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ( Hà Nội )

• Phương pháp nguội nhanh đơn trục: Là phương

pháp nguội nhanh trên trống quay, nhưng sử dụng

một trống quay với tốc độ cao, hợp kim được phun

trên bề mặt trống nhờ vòi phun đặt sát bề mặt Độ

dày của băng hợp kim phụ thuộc vào 2 yếu tố là

khoảng cách từ vòi phun đến mặt trống và tốc độ

trống Phương pháp này dễ tiến hành và giá thành

thấp nhưng có một nhược điểm là dễ xảy ra sự sai

khác về cấu trúc cũng như tính chất bề mặt ở hai

phía của băng hợp kim đồng thời tính lặp lại về

chiều dày của hợp kim thường không cao

• Phương pháp hai trục: Là phương pháp nguội

nhanh sử dụng 2 trống quay đặt tiếp xúc với nhau

và quay ngược chiều nhau Hợp kim được làm lạnh

giữa 2 khe của bề mặt trống, vừa bị làm lạnh vừa

bị cán ép nên có độ dày rất chuẩn xác (chỉ phụ

thuộc vào khoảng cách giữa hai trống và tốc độ

trống) đồng thời tính chất ở hai bề mặt sai khác

rất thấp Nhưng điểm khó của phương pháp này

là tính đồng bộ giữa hai trống quay

Điểm quan trọng của phương pháp nguội nhanh là chế

tạo các trống quay trên một trục cực kỳ chính xác

(độ rung của bề mặt trống rất thấp, chỉ cỡ một vài

micromet), đồng thời bề mặt của các trống phải được

xử lý rất sạch và nhẵn Các trống thường được chế tạo

bằng cáckim loạicó khả năng thu nhiệt nhanh và ít bị

ôxi hóa Hai loại vật liệu phổ biến được dùng làđồngvà

môlipđen Để chế tạo các băng hợp kim đặc biệt chứacác kim loại dễ bị ôxi hóa, người ta có thể đặt cả hệtrong môi trường bảo vệ (được hútchân khôngcao, vàđược nạp các khí bảo vệ)

2.4 Ứng dụng công nghệ

Công nghệ nguội nhanh hiện đang được ứng dụng rấtrộng rãi để chế tạo các hợp kim dạng băng mỏng cócấu trúc vô định hình Ưu điểm của nó là đơn giản, giáthành rẻ và kết hợp một cách liên tục các công đoạncủa kỹ thuậtluyện kim nên dễ dàng được triển khai

ở quy mô công nghiệp Ngày nay, phương pháp nguộinhanh vẫn là một phương pháp phổ biến sử dụng trong

cả nghiên cứu khoa học và công nghệ vật liệu, cũngnhư trong công nghiệp sản xuất vật liệu vô định hình.Tính hữu ích của công nghệ này dẫn đến việc thuật ngữ

“nóng chảy-quay” (tiếng Anhlà melt-spinning) đượcdùng là “phương pháp nguội nhanh” Ngoài việc chếtạohợp kim vô định hình, nó còn là một phương pháptương tự như phương pháp cán lạnh nên còn được dùng

để chế tạo các băng kim loại, hợp kim mỏng Trongcông nghiệp, phương pháp này có thể chế tạo các bănghợp kim (cả vô định hình và không vô định hình) cóchiều rộng hàng met và chiều dài hàng vài chục métvới độ dày từ một vài micromet đến vài chục hoặc vàitrăm micromet Nhược điểm của nó là chỉ cho phép chếtạo các hợp kim vô định hình ở dạng băng mỏng, màkhông thể tạo ra các hợp kim vô định hình dạng khối

2.5 Tham khảo

• H Jones, “A perspective on the development

of rapid solidification and nonequilibriumprocessing and its future”, Mater Sci Eng A 31(2001) 11-19

• P Duwez et al “Non-crystalline Structure inSolidified Gold–Silicon Alloys”, Nature 187 (1960)869-870

• P Duwez et al “Continuous Series of MetastableSolid Solutions in Silver-Copper Alloys”, J Appl.Phys 31 (1960) 1136–1137

• P Duwez et al “Metastable Electron Compound

in Ag-Ge Alloys”, J Appl Phys 31 (1960), p 1137

2.6 THAM KHẢO 5

2.6 Tham khảo

EUTECTIC POINT

Sơ đồ pha diễn tả thành phần, nhiệt độ và điểm eutecti

Hệ eutecti là một hỗn hợp của các hợp chất hoặc

nguyên tố hóa học mà trong đó có mộthợp phầnhóa

rắn ở nhiệt độ thấp hơn các hợp phần khác trong hỗn

hợp đó Hợp phần này được gọi là thành phần eutecti

và nhiệt độ kết tinh này gọi là nhiệt độ eutecti Trên

biểu đồ pha, giao điểm của nhiệt độ eutecti và hợp phần

eutecti gọi là điểm eutecti.[1]Không phải tất cảhợp kim

hai phầnđều có điểm eutecti; ví dụ, đối với hợp kim

vàng-bạc, cả nhiệt độ nóng chảy (hóa lỏng) và nhiệt

độ đông đặc (hóa rắn) đều tăng một cách đơn điệu khi

hỗn hợp thay đổi từ bạc nguyên chất sang vàng nguyên

chất.[2]

3.1 Phản ứng eutecti

Bốn cấu trúc eutecti: A) tấm B) dạng que C) cầu D) kim.

Phản ứng eutecti được biểu diễn như sau:[3]

Liquid−−−−−−−−−−→temperature eutectic

cooling α solution solid+β solution solid

Loại phản ứng này là một phản ứng bất biến, bởi vì

nó diễn ra trong môi trườngcân bằng nhiệt; một cáchkhác để xác định phản ứng này là năng lượng tự doGibbsbằng không Rõ ràng điều này có nghĩa là chấtlỏng và haidung dịch rắncùng tồn tại ở cùng lúc và ởdạngcân bằng hóa học.[3]

Việc tạo ra chất rắn có cấu trúc lớn từ phản ứng eutectiphụ thuộc vào một vài yếy tố Yếu tố quan trọng nhất làlàm thế nào hai dung dịch rắn cấu tạo thành hạt nhân

và phát triển Cấu trúc phổ biến nhất làcấu trúc tấm,nhưng các cấu trúc khác có thể tồn bao gồm dạng que,cầu và kim.[4]

3.2 Tham khảo

[1] Smith & Hashemi 2006, tr 326–327

[2] “Collection of Phase Diagrams”.[3] Smith & Hashemi 2006, tr 327

[4] Smith & Hashemi 2006, tr 332–333

• Easterling, Edward (1992) Phase Transformations

in Metals and Alloys CRC.ISBN 0-7487-5741-4

• Mortimer, Robert G (2000) Physical Chemistry.

Academic Press.ISBN 0-12-508345-9.6

3.3 ĐỌC THÊM 7

• Reed-Hill, R.E.; Reza Abbaschian (1992) Physical

Metallurgy Principles. omson-Engineering

ISBN 0-534-92173-6

• Sadoway, Donald (2004) “Phase Equilibria and

Phase Diagrams”(pd) 3.091 Introduction to Solid

State Chemistry, Fall 2004 MIT Open Courseware.

Truy cập ngày 12 tháng 4 năm 2006

trong quá trình luyện, khử lưu huỳnh, khử nitơ chothép.

4.1 Tham khảo

8

Chương 5

Gang

Biểu đồ trạng thái sắt - carbon

Gang theo định nghĩa: hợp kim Fe-C với hàm lượng

các bonlớn hơn 2,14% ực tế trong gang luôn có các

ành phần hóa học của gang bao gồm chủ yếu là:sắt

(hơn 95% theo trọng lượng), và các nguyên tố hợp kim

chính làcarbonvàsilic Hàm lượng của carbon trong

gang nằm trong miền từ 2,1% đến 4,3% trọng lượng, với

miền có hàm lương carbon thấp hơn 2,1% của họhợp

kim của sắtsẽ làthép carbon Một phần đáng kểsilic

(1-3%) trong gang tạo thành tổ hợp hợp kim Fe-C-Si

Tuy nhiên, gang được xem tương tự như hợp kim chứa

hai nguyên tố là sắt và carbon ở trang thái đông đặc,

trên biểu đồ trạng thái sắt - carbon tại điểm austectic(1154 ℃ và 4,3%C) Gang với thành phần hóa học gầnđiểm austectic cónhiệt độ nóng chảytrong khoảng từ

1150 đến 1200 ℃, thấp hơn 300 ℃ so với sắt nguyênchất Nhìn chung người ta xem gang như là một loạihợp kim có tính giòn Màu xám ở mặt gãy thường làđặc điểm nhận dạng của gang: chính là sự phân bổ ởdạng tự do của khối carbon, với hình thù dạng tấm khihợp kim đông đặc

5.4 Tham khảo

• John Gloag and Derek Bridgwater, A History

of Cast Iron in Architecture, Allen and Unwin,

London (1948)

• Peter R Lewis, Disaster on the Dee: Robert Stephenson’s Nemesis of 1847, Tempus (2007)ISBN978-0-7524-4266-2

9

10 CHƯƠNG 5 GANG

5.5 Liên kết ngoài

• Metallurgy of Cast Irons, Cambridge University

Chương 6

Giản đồ Ellingham

Trong luyện kim, Giản đồ Ellingham được dùng để dự

đoán nhiệt độ cân bằng giữa một kim loại, oxit của nó

và oxi, ngoài ra, phản ứng của kim loại với lưu huỳnh,

nitơ và các phi kim khác Giản đồ này rất hữu dụng

trong việc dự đoán các điều kiện mà tại đó quặng kim

loại được khử thành kim loại

6.1 Nhiệt động lực học

Giản đồ Ellingham được dựa theođịnh luật hai nhiệt

động lực học(ΔG = ΔH - TΔS) và có thể coi là một dạng

đồ thị đặc biệt của nó ΔG là biến thiênnăng lượng tự

do Gibbs, ΔH là biến thiênEnthalpyvà ΔS là biến thiên

Entropy

Giản đồ Ellingham biểu thị biến thiên năng lượng tự

do Gibbs đối với phản ứng oxi hoá chống lại nhiệt độ

Trong những biên độ nhiệt độ thông dụng, kim loại và

oxit ở trạng thái đông đặc (lỏng hoặc rắn) cùng với khí

oxi ở thể khí, phản ứng có thể toả nhiệt hoặc thu nhiệt,

nhưng ΔG của sự oxi hoá luôn âm hơn nếu nhiệt độ cao

hơn Tại một nhiệt độ đủ cao, dấu của ΔG có thể đảo

ngược (trở nên âm) và oxit có thể tự động bị khử thành

kim loại

Cũng giống như mọi dự đoán phản ứng hoá học dựa

trên cơ sở năng lượng thuần tuý, phản ứng có thẻ có

hoặc có thể không xảy ra ngay lập tức, nếu một hoặc

nhiều hơn giai đoạn trong quá trình phản ứng có năng

lượng hoạt hoá (EA) cao

Nếu có mặt hai kim loại, kim loại có ΔG âm hơn sẽ bị

oxi hoá, kim loại kia sẽ bị khử

6.2 Tác nhân khử

Ngoài ra, khicacbonphản ứng với oxi, nó tạo thành

hỗn hợp khí bao gồmcacbon dioxitvàcacbon mônôxít,

vì vậy nhiệt động lực học của sự oxi hoá hoá này khác

với kim loại: quá trình oxi hoá có ΔG âm hơn với nhiệt

độ cao hơn Nhờ đặc tính này, sự khử kim loại có thể

được biểu diễn như quá trình oxi hoá khử kép ở một

nhiệt độ tương đối thấp

6.3 Tham khảo 6.4 Liên kết ngoài

• Một bài giảng trên mạng về giản đồ Ellingham

• Giản đồ Ellingham và giản đồ tương tác(đại họcCambridge)

11

Chương 7

Hợp kim

Thép là hợp kim của sắt và cacbon và các nguyên tố khác có độ

bền cao

Hợp kim làdung dịchrắn của nhiều nguyên tốkim

loại hoặc giữa nguyên tố kim loại với nguyên tố phi

kim Hợp kim mang tính kim loại (dẫn nhiệt cao, dẫn

điện, dẻo, dễ biến dạng, có ánh kim…)

• Hợp kim đơn giản: Hợp kim được tạo thành trên cơ

sở kim loại, giữa hai kim loại với nhau (như latông:

Cu và Zn); giữa kim loại với á kim (như thép, gang:

Fe và C) song nguyên tố chính của hợp kim vẫn là

kim loại

• Hợp kim sắt, hay còn gọi làhợp kim đen: hợp

kim với thành phần chủ yếu là sắt với các

nguyên tố khác

• Hợp kim màu, là hợp kim của các kim loại

khác ngoài sắt Trong số này cóđồng thau,

đồng điếu,hợp kim nhôm,vàng tây…

• Hợp kim gốm, còn gọi là hợp kim bột: hợp

kim củacacbua vonframkết hợp vớicoban

(Co), có lúc thêmtitan cacbua

• Hợp kim phức tạp: Hợp kim có nguyên tố chính là

kim loại với hai hay nhiều nguyên tố khác

ành phần của nguyên tố trong hợp kim thường được biểu thị bằng phần trăm (%) theo khối lượng, khi nói đến phần trăm theo nguyên tử phải chỉ định rõ kèm theo.

7.1 Các đặc tính

Đặc tính sản phẩm hợp kim giống kim loại thông

thường khác với đặc tính của kim loại hợp thành, đôikhi còn khác hẳn

Hợp kim luôn cho ta những đặc tính vượt trội so vớikim loại nguyên chất hợp thành Ví dụ,thép(hợp kimcủa sắt) cóđộ bềnvượt trội so với kim loại hợp thànhcủa nó làsắt Đặc tínhvật lýcủa hợp kim không khácnhiều kim loại đượchợp kim hoá, nhưmật độ,độ kháng

cự,tính điệnvàhệ số dẫn nhiệt, nhưng các đặc tínhcơkhícủa hợp kim lại có sự khác một cách rõ rệt, nhưđộbền kéo,độ bền cắt,độ cứng, khả năng chốngăn mòn…Không giống như kim loại nguyên chất, nhiều hợpkim không có mộtđiểm nóng chảynhất định ay vì,chúng có một miền nóng chảy bao gồm trạng thái cáckhốichất rắnhòa lẫn với khốichất lỏng Điểmnhiệt

độbắt đầu chảy được gọi làđường đông đặcvà hoànthành việc hóa lỏng hoàn toàn gọi làđường pha lỏng

tronggiản đồ trạng tháicủa hợp kim

7.2 Hợp kim ngày nay

uật ngữ hợp kim ngày nay mang ý nghĩa rộng hơn sovới lúc nó xuất hiện Trước đây các vật liệu công nghiệpchứa một vài nguyên tố được chế tạo chủ yếu bằng cáchnấu chảy Ngày nay nhiều vật liệu thu được bằng cả cácphương pháp khác, chẳng hạn như bằng phương pháp

luyện kim bột, bằng con đường khuếch tán; các hợpkim có thể thu được khi hóa bụi bằngplasmatrong quátrình kết tinh từ pha hơi trong chân không, khiđiệnphân

12

7.5 LIÊN KẾT NGOÀI 13

Giống như kim loại, hợp kim có cấu tạo tinh thể Hợp

kim thường được cấu tạo bằng các tinh thể:tinh thể

hỗn hợp,tinh thể dung dịch rắnvàtinh thể hóa học

Trong loại hợp kim có tinh thể hỗn hợp hoặc là dung

dịch rắn, kiểu liên kết chủ yếu là liên kết kim loại

Trong loại hợp kim có tinh thể là hợp chất hóa học,

kiểu liên kết làliên kết cộng hóa trị

Chương 8

Inconel

Inconel là sản phẩmthương hiệuđã được đăng ký của

Special Metals Corporation (Tập đoàn Kim loại Đặc biệt)

thuộc họ các hợp kim đặc biệt trên cơ sởniken austenit.Hợp kim Inconel được sử dụng đặc trưng trong trườnghợp ởnhiệt độcao Trongtiếng Anh, nó luôn được gọi

là Inco (đôi khi gọi là Inconel).

8.1 Đặc tính

Hợp kim Inconel là một vật liệu chịu đượcăn mònvà

ôxi hóa trong môi trường làm việc khắc nghiệt Khi

bị nung nóng, Inconel trở nên vững chắc, và lớpôxít

hình thành bảo vệ bề mặt khỏi các tác động môi trường.Inconel bền vững với một tầm nhiệt độ cao và rộng hơnnhiều so với các vật liệu nhưthéphaynhôm

8.2 Ứng dụng

Hợp kim Inconel được ứng dụng trong hầu hết cácđộng

cơ phản lựccủa ngành hàng không và ngành vũ trụ.Các cánh quạttua binchịu được nhiệt độ cao mà không

bị phá hủy cũng như bị ăn mòn trong môi trường khíthải Ngoài ra, các thiết bị khác của lò nung cũng luônphải sử dụng đến Inconel

8.3 Tham khảo

14

Chương 9

Khoa học vật liệu

Khoa học vật liệu là mộtkhoa họcliên ngành nghiên

cứu về mối quan hệ giữathành phần,cấu trúc, các công

nghệ chế tạo, xử lý và tính chất của cácvật liệu Các

khoa học tham gia vào việc nghiên cứu chủ yếu làvật

lý,hóa học,toán học ông thường đối tượng nghiên

cứu là vật liệu ởthể rắn, sau đó mới đếnthể lỏng,thể

khí Các tính chất được nghiên cứu làcấu trúc,tính chất

điện,từ,nhiệt,quang,cơ, hoặc tổ hợp của các tính chất

đó với mục đích là tạo ra các vật liệu để thỏa mãn các

nhu cầu trongkỹ thuật

Nghiên cứu vật liệu tạo ra vô vàn ứng dụng trong đời

sống chính vì thế mà các ngành khoa học vật liệu, công

nghệ vật liệu ngày càng trở nên phổ biến và phát triển

rộng rãi

9.1 Phân loại vật liệu

Vật liệu là đối tượng của ngành khoa học vật liệu gồm

rất nhiều loại khác nhau về bản chất vật liệu, về cấu

trúc vật liệu, về các tính chất,… ông thường, nếu

phân chia theo bản chất vật liệu thì chúng ta có các

15

Chương 10

Kim loại quý (hóa học)

Tronghóa học, kim loại quý là những kim loại chống

lại được sự ăn mònvà oxy hóa trong không khí ẩm(không giống hầu hếtkim loại thường) Danh sách ngắnnhững kim loại quý (những nguyên tố này được hầu hếtcác nhà hóa học đồng ý) bao gồmrutheni(Ru),rhodi

(Rh), palladi(Pd),bạc(Ag),osmi (Os), iridi (Ir),bạchkim(Pt), vàvàng(Au).[1]

Những danh sách rộng hơn bao gồm một hoặc nhiềucác nguyên tốthủy ngân(Hg),[2][3][4] rheni(Re)[5] và

đồng(Cu) liệt kê như các kim loại quý Mặt khác,titan

(Ti), niobi(Nb), vàtantan (Ta) không được liệt kê làkim loại quý mặc dù chúng chống chịu rất tốt với sự ănmòn

10.1 Điện hóa học

10.2 Chú thích

[1] A Holleman, N Wiberg, “Lehrbuch der AnorganischenChemie”, de Gruyter, 1985, 33 edition, p 1486

[2] Die Adresse ür Ausbildung, Studium und Beruf

[3] “Dictionary of Mining, Mineral, and Related Terms”,Compiled by the American Geological Institute, 2ndedition, 1997

[4] Scoullos, M.J., Vonkeman, G.H., ornton, I.,Makuch, Z., “Mercury - Cadmium - Lead:Handbook for Sustainable Heavy Metals Policyand Regulation”,Series: Environment & Policy, Vol 31,Springer-Verlag, 2002

[5] e New Encyclopædia Britannica, 15th edition, Vol.VII, 1976

16

Chương 11

Kim loại vô định hình

Mẫu kim loại vô định hình

Kim loại vô định hình hay thủy tinh kim loại là một

hợp kim có cấu trúcvô định hình

Hầu hết kim loại đều có cấu trúc định hình, với các

nguyên tử bố trí rất chặt chẽ Kim loại vô định hình

có cấu trúc vô định hình giống nhưchất lỏngvàthủy

tinh Nhưng không giống như thủy tinh thông thường

không dẫn điện, kim loại vô định hình có độdẫn điện

tốt

Để tạo kim loại vô định hình có thể dùng các phương

pháp:công nghệ nguội nhanh,ngưng tụ vật lý,phản

ứng trạng thái rắn,chiếu xạ ionvàhợp kim cơ khí.[1][2]

Loại vật liệu này có độ chống chịu gấp 3 lần và đàn hồi

gấp 10 lần thép công nghiệp Hơn nữa chúng còn có

điểm nóng chảythấp.[3]

Khi kim loại đông đặc thì nó sẽ kết tinh lại và các

nguyên tửsẽ tự động sắp xếp lại thành các hàng ngay

ngắn Để làm ra kim loại vô định hình, cần phải ngăn

chặn kết tinh của kim loại Nếu làm lạnh với tốc độ cực

nhanh thì quá trình kết tinh sẽ không kịp xảy ra

Gần đây, các khoa học thuộc Công ty Liquidmetal

Technologies ở Californiado William Johnsonthành

lập đã tìm ra cách đó Khi đấy Johnson cố nghĩ cách để

làm ra những thanh kim loại vô định hình dày hơn 1

milimét Ông bất ngờ được nghe nói tới một phát minhcủaAkihisa Inouelàm việc tại Viện Nghiên cứu vật liệu

ở Tohoku Nhật Bản Inoue đã phát hiện ra rằng, khithêmnguyên tử kim loạilớn hơn vào một hợp kim sẽlàm chậm lại đi quá trình kết tinh và điều quan trọng

là kết hợp các nguyên tử lớn và nhỏ với tỷ lệ phù hợp

để cho khi hợp kim nóng chảy được làm đông đặc, cácnguyên tử nhỏ hơn sẽ vây quanh những nguyên tử lớnhơn Các nguyên tử nhỏ khác lấp đầy các lỗ hổng giữacác nhóm trên và kết quả là một hợp kim có cấu trúc

vô định hình

Vào đầu những năm 1990, Johnson cùng đồng nghiệpcuối cùng cũng tạo thành công kim loại vô định hìnhvới phương pháp trên và nó chính là nền móng để ôngthành lập Công ty Liquidmetal Họ đã gọi vật liệu này

là Vitreloy Vitreloy chứa các nguyên tử lớn: zircon,

titan,đồngvàniken, cùng các nguyên tử nhỏ làberili.Vitreloy đàn hồi hơn so vớithépvà rất dễ uốn cong ởnhiệt độ 400 độ C so với thép là trên 1.000 độ C Khảnăng này làm cho Vitreloy có giá thành sản xuất thấphơn.Tuy nhiên mọi việc không theo đúng dự tính Sảnphẩm đầu tiên làm bằng vật liệu mới là gậy đánhgôn

Dođộ đàn hồicao nên gậy có thể đánh quả bóng đi xahơn so với các loại gậy đánh gôn khác Vấn đề ở đây làthủy tinh kim loại rất giòn, mặc dù chúng bền Giốngnhư kính cửa sổ, chúng sẽ nứt và vỡ thành từng mảnhnếu bị tác dụng đủ lực vì kim loại thông thường thườngchậm chạp nứt dọc theo các ranh giới thớ nhưng cònthủy tinh kim loại vỡ một cách bất ngờ Do vậy, nhữngcây gậy đánh gôn này không bao giờ được bán trên thịtrường Sản phẩm nguyên mẫu thường vỡ vụn sau 40lần đánh

Nghiên cứu của Liquidmetal cho thấy thủy tinh kimloại giòn là do các dải hình thành ở những điểm căngtrong vật liệu Ở vật liệu kết tinh, những dải này mởrộng một đoạn ngắn dọc theo ranh giới thớ rồi ngừnglại khi chúng gặp tinh thể nhưng ở thủy tinh kim loạithì các dải vẫn tiếp tục phát triển Johnson và nhómcủa ông đã khắc phục bằng cách cho thêm các hạt tinhthể vào Vitreloy nhưng đây không phải là giải pháphợp lý nhất Johnson muốn tìm ra một loại thủy tinhkim loại cứng song không cầntinh thể Để làm điều đó,ông phải làm nóng nhiều thành phần với nhau rồi thửchúng Vào năm ngoái, nỗ lực của họ cũng đã thành17

18 CHƯƠNG 11 KIM LOẠI VÔ ĐỊNH HÌNH

công Nhóm đã chế tạo thành công kim loại vô định

hình không giòn, là hợp kim củaplatin,đồng,nicken

vàphốt pho Khi họ tác dụng một lực vào vật liệu, nhiều

dải xuất hiện nhưng mỗi dải rất nhỏ và mỏng Những

dải này làm tăng độ dai tổng thể bằng cách tác động

lẫn nhau để không một dải nào mở rộng thành một vết

nứt dài

Doplatin chiếm gần 60% trong loại vật liệu mới nên

giá thành của nó khá cao, không thể sử dụng rộng rãi

Tuy nhiên, chẳng có điều gì làm các nhà khoa học chùn

bước, nhiều nghiên cứu đã giúp họ tìm ra cách để tạo

ra các loại thủy tinh kim loại nhanh hơn và rẻ hơn

Một bước tiến quan trọng nữa là khả năng làm ra thủy

tinh kim loại bằng cách dùng các kim loại rẻ tiền như

sắt và đồng.Joseph PoonvàGary Shiflet tạiĐại học

Virginia đã tuyên bố tạo ra loại thủy tinh thép đầu

tiên chứacarbon,sắtvà một chútmangan Do mangan

không có từ tính nên thủy tinh thép là một trong những

loại thép không từ tính đầu tiên Đây có thể là một

bước đột phá lớn, vì các con tàu được chế tạo bằng thép

khôngtừ tínhsẽ tàng hình trước con mắt soi mói của hệ

thống radar Vật liệu của họ vẫn tương đối giòn, song

các nhà nghiên cứu khác đang đạt được tiến bộ nhanh

chóng trong lĩnh vực này John đang chuẩn bị công bố

một loại hợp kim dễ uốn, dựa trên đồng

Do cứng và có điểm nóng chảy thấp nên kim loại vô

định hình đang dần được quan tâm Điểm nóng chảy

thấp kiến chúng dễ được chế tác cộng với độ bền cao

Liquidmetal đang dùng thủy tinh kim loại dựa trên

platin để làmthiết bị y tế, lưỡidaovàvợt tennischuyên

nghiệp Còn các nhà khoa học ởNhật Bảnđã sử dụng

thủy tinh kim loại để chế tạo một chiếc động cơ thu

nhỏ Độ bền của các loại kim loại vô định hình là một

điều kiện lý tưởng để chúng được sử dụng vào việc tạo

ra các bộ phậnmáy bayvàthân tàu.Bộ ốc phòng Mỹ

cũng đang xem xét xem có nên sử dụng chúng thay thế

uranitrên mũi của các viên đạn xuyênáo giáp chống

đạn.Liquidmetalcũng đã ký hợp đồng vớiSamsungđể

chế tạo các linh kiệnđiện thoại di độngbằng kim loại

vô định hình

11.3 Chú thích

[1] Some scientists only consider amorphous metals

produced by rapid cooling from a liquid state to

be glasses However, materials scientists commonly

consider a glass to be any solid non-crystalline material,

regardless of how it is produced

[2] Ojovan, M I.; Lee, W B E (2010) “Connectivity

and glass transition in disordered oxide

systems” Journal of Non-Crystalline Solids 356

(44–49): 2534 Bibcode:2010JNCS 356.2534O

doi:10.1016/j.jnoncrysol.2010.05.012.[3] “ủy tinh kim loại siêu bền”

11.4 Liên kết ngoài

• Liquidmetal Design Guide

• “Metallic glass: a drop of the hard stu”atNewScientist

• Glass-Like Metal Performs Beer Under Stress

Physical Review Focus, ngày 9 tháng 6 năm 2005

• “Overview of metallic glasses”

• New Computational Method Developed By Carnegie Mellon University Physicist Could Speed Design and Testing of Metallic Glass(2004) (thealloy database

developed by Marek Mihalkovic, Michael Widom,and others)

• Materials Today: e case for bulk metallic glass

• New tungsten-tantalum-copper amorphous alloy

developed at the Korea Advanced Institute ofScience and Technology

• Amorphous Metals in Electric-Power DistributionApplications

• Amorphous and Nanocrystalline So Magnets

• glass transition temperatures of bulk metallicglasses