Đồng berili và đồng niken là hai hợp kim đồng cho hai việc rất khác nhau. Đồng berili (đồng pha khoảng 0,5–3% berili, phổ biến nhất là khoảng 2%) sau nhiệt luyện bền gần bằng thép, đàn hồi tốt và khi va đập khó toé tia lửa, nên làm lò xo tiếp điện và dụng cụ cho kho xăng dầu, hầm mỏ có khí cháy. Đồng niken (phổ biến loại 90/10 và 70/30) chống ăn mòn nước biển và hạn chế hà bám, nên làm ống dẫn nước biển trên tàu, bình ngưng nhà máy điện ven biển và nhiều đồng xu màu bạc.
Đồng berili là gì, vì sao bền gần như thép?
Đồng nguyên chất mềm, dẫn điện tốt. Chỉ thêm khoảng 2% berili, một kim loại rất nhẹ, rồi nhiệt luyện theo kiểu hoá bền tiết pha (tương tự hợp kim nhôm 6061, 7075), đồng biến thành vật liệu có độ bền kéo có thể vượt 1.200–1.400 MPa, ngang nhiều loại thép hợp kim đã nhiệt luyện. Đây là hợp kim đồng bền nhất trong sử dụng thông thường.
Quy trình gồm nung hoà tan ở khoảng 760–800 °C để berili tan đều vào đồng, làm nguội nhanh trong nước, gia công tạo hình khi còn mềm, rồi hoá già ở khoảng 300–350 °C vài giờ. Trong lúc hoá già, các vùng giàu berili cỡ nanomet hình thành rải khắp mạng đồng, chặn lệch mạng, làm vật liệu cứng và đàn hồi. Nhờ có bước hoá già sau cùng, nhà sản xuất có thể dập, uốn lò xo phức tạp khi đồng còn mềm, rồi mới "khoá" độ bền.
| Tính chất (khoảng) | Đồng nguyên chất | Đồng berili hoá bền |
|---|---|---|
| Bền kéo | khoảng 220 MPa (đã ủ) | khoảng 1.100–1.400 MPa |
| Dẫn điện (so với đồng chuẩn) | 100% | khoảng 20–25% (loại bền cao), tới khoảng 50% với loại ít berili |
| Bắt đầu chảy | khoảng 1.085 °C | khoảng 865–980 °C tuỳ mác |
| Từ tính | Không | Không |
Đồng berili dùng làm gì?
- Lò xo tiếp điện, đầu nối: trong điện thoại, máy tính, ô tô, các lá tiếp điện cần vừa đàn hồi bền (cắm rút hàng nghìn lần) vừa dẫn điện tốt. Đồng berili kết hợp được cả hai.
- Dụng cụ chống toé lửa: cờ lê, búa, đục, xẻng dùng trong kho xăng dầu, nhà máy hoá chất, hầm lò có khí mê-tan, kho thuốc nổ công nghiệp.
- Khuôn ép nhựa: các chi tiết lõi khuôn cần tản nhiệt nhanh mà vẫn bền, giúp rút ngắn chu kỳ ép.
- Thiết bị không nhiễm từ: dụng cụ làm việc gần máy chụp cộng hưởng từ, thiết bị dò từ trường.
- Bạc lót, ổ trượt chịu tải nặng trong máy bay, máy công nghiệp.
Dụng cụ "không toé lửa" an toàn tới đâu?
Búa thép đập vào đá hay thép khác có thể bứt ra những mẩu thép li ti, chúng bị ma sát nung nóng và cháy trong không khí thành tia lửa. Trong môi trường có hơi xăng, khí ga, bụi than, một tia lửa như thế đủ gây cháy nổ. Đồng berili (và đồng nhôm, một hợp kim đồng khác cũng dùng làm dụng cụ chống toé lửa) mềm hơn, dẫn nhiệt tốt, và đồng không cháy dễ trong không khí như mạt thép, nên hầu như không sinh tia lửa nóng.
Nhưng "chống toé lửa" không phải "an toàn tuyệt đối". Dụng cụ đồng berili vẫn có thể sinh tia lửa nếu dính mạt thép, gỉ sắt, cát; và va đập trong một số khí cực dễ cháy (như axetylen, hiđrô) vẫn tiềm ẩn rủi ro. Dụng cụ phải được giữ sạch, và đi kèm các biện pháp khác như thông gió, đo nồng độ khí, quy trình cấp phép làm việc.
Bụi berili nguy hiểm thế nào?
Đây là điểm quan trọng nhất về an toàn. Ở dạng khối rắn, chi tiết đồng berili cầm tay, sử dụng bình thường được xem là an toàn. Nguy hiểm nằm ở bụi, khói, hơi sinh ra khi mài, cắt, đánh bóng, hàn, nấu chảy hợp kim chứa berili. Hít phải hạt berili siêu nhỏ có thể gây bệnh berili mạn tính (berylliosis): phổi viêm và xơ hoá, có khi xuất hiện nhiều năm sau khi tiếp xúc, ở những người có cơ địa nhạy cảm, kể cả với lượng nhỏ. Berili và hợp chất của nó được Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp vào nhóm 1, nhóm chất gây ung thư cho người.
Vì vậy xưởng gia công đồng berili phải có hút bụi tại nguồn, gia công ướt khi có thể, mặt nạ lọc bụi đạt chuẩn, quần áo làm việc riêng không mang về nhà, và theo dõi sức khoẻ định kỳ. Người dùng dụng cụ không nên tự mài sửa đầu búa, đầu cờ lê bằng đồng berili trên máy mài thông thường; dụng cụ mòn nên gửi về nơi chuyên sửa chữa hoặc thay mới.
Đồng niken là gì, vì sao chịu được nước biển?
Đồng và niken hoà tan vào nhau ở mọi tỷ lệ, tạo dung dịch rắn đồng nhất. Hai mác phổ biến nhất trong ngành hàng hải là 90/10 (khoảng 90% đồng, 10% niken) và 70/30, thường có thêm ít sắt và mangan. Sắt giúp hình thành lớp màng bảo vệ bền hơn khi nước chảy nhanh.
Khi tiếp xúc với nước biển, đồng niken nhanh chóng tạo lớp màng ôxit mỏng bám chắc trên bề mặt, làm tốc độ ăn mòn giảm xuống rất thấp sau vài tuần đầu. Ngoài ra, ion đồng tan ra rất chậm từ bề mặt khiến hà, rong, trai khó bám, giảm hiện tượng "bám bẩn sinh học" làm tắc ống và tăng sức cản thân tàu.
| Đặc điểm (khoảng) | Đồng niken 90/10 | Đồng niken 70/30 |
|---|---|---|
| Nhiệt độ chảy | khoảng 1.100–1.150 °C | khoảng 1.170–1.240 °C |
| Chịu dòng nước chảy nhanh | Tốt | Tốt hơn |
| Chống hà bám | Rất tốt | Tốt |
| Dùng tiêu biểu | Ống nước biển trên tàu, hệ chữa cháy, giàn khoan | Ống bình ngưng, thiết bị lọc nước biển, nơi dòng chảy mạnh |
Đồng niken có ở đâu trong đời sống?
Ngoài tàu biển và nhà máy, đồng niken quen thuộc nhất ở đồng xu. Rất nhiều đồng xu màu bạc trên thế giới làm bằng đồng niken (thường 75% đồng, 25% niken) hoặc có lớp mặt đồng niken ép lên lõi đồng. Màu trắng bạc của chúng không đến từ bạc mà từ niken: chỉ khoảng 25% niken đã đủ làm mất hẳn màu đỏ của đồng.
Trong bếp và nhà, đồng niken và họ hàng gần là "bạc niken" (đồng – niken – kẽm, thực ra không có bạc) có mặt ở dao dĩa mạ, phím nhạc cụ, đồ trang trí. Lưu ý: một số người bị dị ứng niken, da đỏ ngứa khi tiếp xúc lâu với đồ chứa niken; đây là dị ứng tiếp xúc khá phổ biến.
Ở các nhà máy nhiệt điện ven biển và nhà máy lọc nước biển thành nước ngọt, hàng nghìn ống đồng niken hoặc ống titan trong bình ngưng mang nước biển làm mát. Lựa chọn giữa hai loại là bài toán kỹ thuật – kinh tế: titan bền hơn trong nhiều điều kiện, đồng niken chống hà bám tự nhiên tốt hơn.
Gia công đồng niken có gì cần lưu ý?
Khác với đồng berili, đồng niken không chứa nguyên tố độc đặc biệt, hàn và uốn tương đối dễ. Tuy vậy, khói hàn hợp kim đồng, niken vẫn gây kích ứng và có thể gây sốt khói kim loại nếu hít nhiều; khói niken cũng là mối lo cho sức khoẻ khi tiếp xúc nghề nghiệp lâu dài. Hàn trong khoang tàu kín cần thông gió cưỡng bức và mặt nạ phù hợp. Đồng niken cũng nhạy với lưu huỳnh khi nóng, nên ống phải sạch dầu mỡ, sơn trước khi hàn.
Góc nhìn hôm nay: hai hợp kim, hai bài học
Đồng berili cho thấy một lượng nhỏ nguyên tố đúng chỗ có thể biến kim loại mềm thành vật liệu bền như thép, nhưng đi kèm trách nhiệm an toàn lao động nghiêm ngặt. Đồng niken cho thấy hợp kim có thể "làm việc với tự nhiên": màng ôxit tự lành và ion đồng xua hà bám, giúp ống chạy hàng chục năm dưới nước biển.
Ở Việt Nam, người làm nghề đóng tàu, sửa chữa tàu tại các nhà máy ven biển, hay bảo trì kho xăng dầu sẽ gặp hai hợp kim này thường xuyên. Muốn đọc thêm, có thể tìm tài liệu kỹ thuật của các hiệp hội phát triển đồng về hợp kim đồng niken trong ngành hàng hải, và khuyến cáo của Tổ chức Y tế Thế giới, IARC về berili.
Câu hỏi thường gặp
Đồng berili là gì?
Đồng berili là hợp kim đồng chứa khoảng 0,5–3% berili, sau nhiệt luyện bền gần như thép mà vẫn dẫn điện khá và không nhiễm từ. Nó dùng làm lò xo tiếp điện, dụng cụ chống toé lửa, khuôn ép nhựa.
Vì sao dụng cụ đồng berili không toé lửa?
Đồng berili mềm hơn thép, dẫn nhiệt tốt và mảnh vụn đồng không cháy sáng trong không khí như mạt thép, nên va đập hầu như không sinh tia lửa nóng. Tuy vậy dụng cụ phải sạch, không dính mạt thép, và chỉ là một phần trong các biện pháp an toàn cháy nổ.
Đồng berili có độc không?
Chi tiết đồng berili dạng khối dùng bình thường được xem là an toàn. Bụi và khói sinh ra khi mài, cắt, hàn, nấu chảy mới nguy hiểm, có thể gây bệnh phổi berili mạn tính và được xếp nhóm chất gây ung thư cho người.
Đồng niken 90/10 dùng làm gì?
Đồng niken 90/10 dùng chủ yếu cho ống dẫn nước biển trên tàu, giàn khoan, hệ chữa cháy và bình ngưng, nhờ chống ăn mòn nước biển và hạn chế hà bám tốt.
Đồng xu màu bạc làm bằng gì?
Nhiều đồng xu màu bạc làm bằng đồng niken, thường khoảng 75% đồng và 25% niken, hoặc lõi đồng ép lớp đồng niken bên ngoài. Màu bạc đến từ niken chứ không phải kim loại bạc.
