Hợp kim cùng tinh: vì sao trộn hai kim loại lại chảy thấp hơn cả hai

Hợp kim cùng tinh (eutectic) là hỗn hợp hai hay nhiều kim loại theo một tỷ lệ đặc biệt, khiến nó chảy ở nhiệt độ thấp hơn mọi thành phần đem trộn và chảy gọn ở một điểm duy nhất như kim loại nguyên chất. Ví dụ nổi tiếng nhất là thiếc – chì với khoảng 63% thiếc: thiếc chảy ở 232 °C, chì ở 327 °C, nhưng hợp kim của chúng chảy ở 183 °C. Tính chất này là nền tảng của thiếc hàn, hợp kim đúc nhôm – silic và cả gang.

Vì sao trộn hai kim loại lại chảy thấp hơn cả hai?

Điều này nghe ngược đời nhưng có lời giải gọn. Hãy nhớ hiện tượng quen thuộc hơn: nước biển đông ở nhiệt độ thấp hơn nước ngọt, vì muối hoà tan "quấy" các phân tử nước, khiến chúng khó xếp thành tinh thể băng. Với kim loại cũng vậy, chỉ là theo cả hai chiều:

• Thêm chì vào thiếc lỏng làm thiếc khó kết tinh hơn, điểm đông đặc của thiếc hạ xuống.
• Thêm thiếc vào chì lỏng làm chì khó kết tinh hơn, điểm đông đặc của chì cũng hạ xuống.

Vẽ hai đường hạ nhiệt độ này lên cùng một biểu đồ (trục ngang là tỷ lệ thiếc, trục đứng là nhiệt độ), ta được hình chữ V. Đáy chữ V là điểm cùng tinh: tại đó hai đường gặp nhau, chất lỏng đông đặc một lượt thành hỗn hợp hai loại tinh thể đan xen. Về nhiệt động học, ở trạng thái lỏng các nguyên tử trộn lẫn tự do, "hỗn độn" hơn nhiều so với khi tách thành hai loại tinh thể, nên trạng thái lỏng bền được xuống tới nhiệt độ thấp hơn.

Chữ "eutectic" gốc Hy Lạp, nghĩa là "dễ nóng chảy". Thuật ngữ do nhà vật lý Anh Frederick Guthrie đặt năm 1884.

Điểm cùng tinh khác gì những tỷ lệ trộn khác?

Đây là chỗ quan trọng nhất để hiểu hợp kim. Nếu trộn đúng tỷ lệ cùng tinh, hợp kim chảy và đông ở một nhiệt độ duy nhất, từ rắn sang lỏng tức thì. Nếu trộn lệch tỷ lệ, hợp kim chảy trong một khoảng: bắt đầu mềm ở nhiệt độ cùng tinh, nhưng phải nóng thêm mới lỏng hẳn. Ở giữa là trạng thái sệt, vừa có tinh thể rắn vừa có chất lỏng.

Điểm cùng tinh chính xác trong sách là khoảng 61,9% thiếc; tỷ lệ 63/37 thương mại đủ gần để coi là cùng tinh. Có thể thấy mọi tỷ lệ thiếc – chì đều bắt đầu chảy ở 183 °C, chỉ khác ở chỗ lỏng hẳn lúc nào.

Vì sao thợ điện tử thích thiếc hàn cùng tinh?

Khi hàn mạch điện tử, mối hàn nhỏ chỉ vài milimét, nguội trong vài giây. Nếu thiếc hàn có khoảng sệt rộng, linh kiện bị rung trong lúc thiếc còn sệt sẽ tạo ra mối hàn sần, xám, nứt ngầm bên trong, gọi là mối hàn nguội hoặc mối hàn bị xáo. Thiếc hàn cùng tinh đông đặc "một nhát", từ lỏng sang rắn ngay, nên mối hàn bóng, chắc và ít lỗi.

Ngược lại, thợ hàn ống chì thời xưa lại thích thiếc 50/50 hoặc nhiều chì hơn, chính vì khoảng sệt rộng cho phép họ vuốt, nặn mối nối như nặn đất sét trong lúc nó còn mềm. Cùng một nguyên lý, mỗi nghề tận dụng một kiểu.

Thiếc hàn không chì cũng là cùng tinh

Từ năm 2006, Liên minh châu Âu áp dụng chỉ thị hạn chế chất độc hại trong thiết bị điện, điện tử (RoHS), loại chì khỏi phần lớn thiếc hàn. Ngành điện tử chuyển sang các hợp kim mới, và chúng cũng được chọn gần điểm cùng tinh:

Hệ quả: thiếc hàn không chì cần mỏ hàn nóng hơn khoảng 30–40 độ so với thiếc – chì, và mối hàn thường hơi mờ hơn chứ không bóng gương. Mối hàn mờ của thiếc không chì chưa chắc đã là mối hàn hỏng.

Cùng tinh có mặt ở đâu ngoài thiếc hàn?

Gang: cùng tinh của sắt và cacbon

Sắt nguyên chất chảy ở khoảng 1.538 °C. Thêm cacbon tới khoảng 4,3%, hợp kim chạm điểm cùng tinh và chảy ở khoảng 1.147 °C, thấp hơn gần 400 độ. Gang đúc thực tế có thành phần gần điểm này, đó là bí quyết khiến gang chảy loãng, đúc dễ, và vì sao lò cao thời xưa nấu được gang lỏng từ rất sớm trong khi thép phải chờ lâu hơn nhiều.

Nhôm – silic: hợp kim đúc phổ biến nhất

Hệ nhôm – silic có điểm cùng tinh ở khoảng 12,6% silic, chảy ở khoảng 577 °C (nhôm nguyên chất 660 °C). Phần lớn vỏ động cơ, nắp quy lát, mâm xe đúc dùng hợp kim nhôm có 7–12% silic. Silic giúp nhôm lỏng chảy loãng, điền khuôn mỏng tốt, ít co ngót. Một số hợp kim làm piston và thân động cơ còn dùng nhiều silic hơn điểm cùng tinh (khoảng 17%) để các tinh thể silic cứng chống mài mòn thành xi lanh.

Bạc – đồng và vàng – silic

Hệ bạc – đồng có điểm cùng tinh khoảng 72% bạc, chảy ở khoảng 780 °C, thấp hơn cả bạc (962 °C) lẫn đồng (1.085 °C). Đây là nền của nhiều hợp kim hàn vảy bạc dùng nối ống đồng điều hoà, tủ lạnh. Hệ vàng – silic có điểm cùng tinh chỉ khoảng 363 °C dù vàng chảy ở 1.064 °C và silic ở khoảng 1.414 °C; ngành bán dẫn từng dùng hiện tượng này để gắn chip silic lên đế mạ vàng.

Nhìn dưới kính hiển vi, hợp kim cùng tinh trông thế nào?

Khi đông đặc tại điểm cùng tinh, hai loại tinh thể mọc cùng lúc, cạnh nhau. Kết quả thường là những lớp mỏng xen kẽ như vân gỗ, hoặc những que nhỏ của pha này cắm trong nền pha kia. Khoảng cách giữa các lớp chỉ cỡ micrômét. Nguội càng nhanh, các lớp càng mịn và hợp kim thường càng bền.

Trong gang, hỗn hợp cùng tinh có tên riêng là ledeburit. Trong thép có một hiện tượng "anh em" xảy ra ở thể rắn gọi là cùng tích (eutectoid), tạo ra peclit với các lớp ferit và xêmentit xen kẽ ở khoảng 0,77% cacbon, 727 °C. Học hiểu cùng tinh là đã đi được nửa đường tới hiểu nhiệt luyện thép.

Có rủi ro gì khi làm việc với hợp kim chảy thấp?

Hợp kim chảy thấp không có nghĩa là an toàn để tự nấu. Thiếc hàn ở 183–230 °C vẫn đủ gây bỏng sâu; một giọt rơi vào giày vải hay da trần là bỏng ngay. Nhiều hợp kim chảy thấp cũ chứa chì, cadmi; bụi và cặn của chúng nuốt vào gây ngộ độc, nhất là với trẻ nhỏ. Khói bốc lên khi hàn chủ yếu là khói nhựa thông trong lõi thiếc, gây kích ứng đường thở và có thể gây hen nghề nghiệp, nên chỗ hàn cần thông gió hoặc có máy hút khói.

Ở xưởng, nồi thiếc nóng chảy cho hàn sóng hay mạ thiếc cũng mang rủi ro chung của kim loại lỏng: một giọt nước rơi vào là bắn tung. Đây là công việc của người đã được đào tạo, có đồ bảo hộ; bài này chỉ để hiểu vì sao hợp kim hoạt động như vậy.

Góc nhìn hôm nay: một khái niệm, nhiều ngành

Cùng tinh xuất hiện ở mọi nơi có pha trộn và nóng chảy: từ thiếc hàn trong điện thoại, piston trong xe máy, tới gang trong nắp hố ga. Ngoài kim loại, muối rắc lên đường băng ở xứ lạnh cũng dựa trên điểm cùng tinh của nước – muối, khoảng −21 °C. Người muốn đọc tiếp nên tìm chương "giản đồ pha hai cấu tử" trong giáo trình Vật liệu học; tập đọc một giản đồ hình chữ V là kỹ năng nền cho cả luyện kim, gốm sứ và hoá học vật liệu.