Hợp Kim Cứng – Các Loại Hợp Kim – Ứng Dụng Của Từng Loại Trong Cuộc Sống
Hợp Kim Cứng Và Ứng Dụng Quan Trọng
Hợp kim là gì? Đó là một dạng hỗn hợp của hai hay nhiều kim loại hoặc phi kim hòa lẫn với nhau. Vậy hợp kim cứng gồm những gì? Trong tất cả các loại vật liệu cắt thường dùng, hợp kim cứng là loại có tính cứng nóng cao hơn cả. Chúng lên tới 800-1000 độ C. Tốc độ cắt có thể đạt tới hàng trăm m/phút.
Thành Phần Hóa Học Của Hợp Kim Cứng
Thành phần chủ yếu của mọi loại hợp kim cứng là cacbit: WC (chiếm tỷ lệ cao nhất), TiC, TaC. Chúng rất cứng và nhiệt độ chảy rất cao. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ côban làm chất dính kết. Nhờ vậy có thể bảo đảm độ cứng, tính chống mài mòn và cứng nóng rất cao. Hơn nữa đây là bản chất tự nhiên có nó chứ không phải qua nhiệt luyện.
Do cacbit có nhiệt độ chảy rất cao, hợp kim cứng được chế tạo qua các bước sau:
- Bước 1. Tạo bột cacbit bằng cách hoàn nguyên WO3 bằng hyđrô ở 700-900 độ C được bột W. Đem nghiền, sàng lấy cỡ hạt nhỏ 0,10-0,15 đến 3-5μm. Tiếp đó trộn bột W với bồ hóng và nung lên 1 400 độ C trong 1h để được bột WC.
- Bước 2. Trộn bột cacbit với bột Co trong nhiều h cho thật đều rồi đem ép thành lưỡi cắt nhỏ, hình dạng đơn giản.
- Bước 3: Thiêu kết. Nung ở nhiệt độ cao (1 450 độ C) để Co biến mềm, bắt đầu chảy, dính chặt các hạt cacbit với nhau thành khối chắc.
Phân Loại Hợp Kim Cứng
Hợp kim cứng được chia làm 3 nhóm: một, hai và ba cacbit
- Hợp kim cứng một cacbit. WC + Co với 2 đến 25%Co, còn lại là WC
- Hợp kim cứng hai cacbit. Chủ yếu vẫn là WC, có thêm 5 – 30%TiC và 4 – 12%Co
- Hợp kim cứng ba cacbit. Chủ yếu vẫn là WC, có thêm 3 – 8%TiC, 3 – 12%TaC và 8 – 12%Co
Hợp kim này có kí hiệu là BKx với x là phần trăm Co.
Tổ Chức Và Cơ Tính Của Hợp Kim Cứng
Tổ chức tế vi của hợp kim cứng gồm các hạt cacbit sắc cạnh (màu sáng) được gắn dính với nhau bằng Co (màu tối). Các hạt này là các hạt nhỏ và phân bố đều. Do chế tạo bằng phương pháp bột nên bao giờ cũng có rỗ xốp song phải là ít nhất (~ 2%). Không cho phép có muội than (bồ hóng) trong tổ chức vì nó gây ra điểm mềm.
Về cơ tính, hợp kim cứng rất cứng tới HRA 82 – 90 (HRC 70 – 75). Mức độ chống mài mòn, cứng nóng rất cao. Cắt được với tốc độ cao (hàng trăm m/phút). Nhược điểm của nó là giòn. Cơ tính của hợp kim cứng phụ thuộc vào yêu tố sau:
- Với cùng lượng Co như nhau, nhóm hai cacbit cứng hơn nhóm một cacbit. Lý do là TiC hòa tan WC (tới 70%) có độ cứng cao hơn, giòn hơn và có hệ số ma sát với thép nhỏ hơn so với WC. Ảnh hưởng này cũng thấy ở TaC, NbC. Vì vậy thường dùng hợp kim cứng hai, ba cacbit để gia công gang.
- Ở trong từng nhóm, chứa nhiều côban hơn sẽ dẻo hơn. Song độ cứng và giới hạn bền uốn của chúng giảm đi đôi chút. Để kết hợp giữa độ cứng cao và độ dẻo nhất định trong cắt gọt hay dùng các mác với 6 – 8%Co.
- Trong các mác (đặc biệt trong nhóm một cacbit) nếu cỡ hạt cacbit và côban càng nhỏ mịn thì tuy không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng nhưng cải thiện rất mạnh tính chống mài mòn, độ bền và độ dai va đập của hợp kim cứng.
Ứng Dụng Của Hợp Kim Cứng Trong Thực Tế
Hợp kim cứng đang được sử dụng rộng rãi làm dao cắt, khuôn kéo sợi, khuôn dập và chi tiết máy.
Hiệu quả sử dụng hợp kim cứng trong cắt gọt cao hơn hẳn thép gió. Tuy nhiên không thể làm mất vị trí của thép gió là do:
- Không tạo hình phức tạp được vì dùng cách ép bột chỉ tạo được các mảnh nhỏ đơn giản.
- Không thể gia công định hình được vì quá cứng sau chế tạo. Do vậy hợp kim cứng thường chỉ dùng làm dao đơn giản một lưỡi cắt. Hầu hết các dao một lưỡi cắt hiện nay bằng hợp kim cứng.
- Tính giòn của hợp kim cứng tương đối cao, dễ gãy, vỡ, mẻ dưới tải trọng va đập.
- Tính dẫn nhiệt kém: ~ 50% của thép.
Khi làm dao, miếng hợp kim cứng nhỏ được hàn (hàn đồng) hay kẹp vào thân dao bằng thép C45 có độ bền uốn và độ dẻo tốt. Nó khắc phục các nhược điểm trên của hợp kim cứng.
Nhóm một cacbit có tính cứng nóng khoảng 800C.
- BK2 – BK8 dùng để cắt phôi có phoi vụn như gang, sứ, gốm, hợp kim màu.
- BK10 – BK15 làm khuôn kéo sợi, mũi khoan (địa chất). Có tuổi bền hơn thép hàng chục lần, làm khuôn kéo sợi.
- BK20 – BK25 có độ dai tốt hơn làm khuôn dập, chi tiết máy chống mài mòn.
Nhóm hai cacbit có tính cứng nóng tới 900 – 1 000C. Hợp kim cứng này chủ yếu được dung để gia công tinh thép, kể cả thép đặc biệt.
Nhóm ba cacbit do sự có mặt của TaC có độ bền chống rung, chống mẻ cao hơn. Chủ yếu được dùng để gia công thô thỏi đúc, cán, rèn.
Một Số Hợp Kim Quan Trọng Khác Hợp Kim Cứng
Hợp Kim Chống Ăn Mòn
Một số hợp kim chống ăn mòn cực cao hay hợp kim ít bị ăn mòn thường là của niken, sắt, đồng,…
- Hợp kim của Niken với hàm lượng niken>50%.
- Thép không gỉ Austenitic
- Hợp kim của đồng với hàm lượng Cu: 82%<Cu<84%. Còn lại là thiếc, kẽm, chì và sắt. Trong đó hàm lượng sắt chỉ tối đa là 1%, tốt nhất là vào khoảng 0,5%.
- …
Hợp Kim Cứng Nhất
Hiện nay chưa có một đánh giá nào nhận định đâu là hợp kim cứng nhất. Các nhà khoa học đánh giá độ cứng của các chất thông qua chỉ số MPA. Thể hiện của độ bền kéo và độ bền uốn.
Với thang điểm 8.5, Crom hiện đang là kim loại có độ cứng lớn nhất. Do đó, hợp kim của Crom với thành phần Crom cao đều được coi là một trong những hợp kim mang độ cứng cao. Do đó khi có nhu cầu về hợp kim có độ cứng, hợp kim Cr được cho là hợp kim phổ biến nhất hiện nay.
Ứng Dụng Của Các Hợp Kim
Ứng dụng của những hợp kim chống ăn mòn được dùng trong tất cả lĩnh vực của cuộc sống. Chúng thường được dùng nhiều trong nghề xây dựng, giao thông vận tải, điện, gia dụng,… Vậy hợp kim có gỉ không? Tất nhiên khi trong môi trường không khí thì kim loại lâu ngày sẽ gỉ. Tuy nhiên, khi lớp nguyên tử bên ngoài phản ứng, ngay lập tức chúng tạo lớp màng bảo vệ vững chắc. Lớp này ngăn chặn những nguyên tử tiếp theo tham gia vào quá trình.
