Kim loại khó nóng chảy nhất là vonfram, chảy ở khoảng 3.422 °C. Đứng sau là reni (khoảng 3.186 °C), osmi (khoảng 3.030 °C) và tantali (khoảng 3.017 °C). Các kim loại này cùng molypđen, niobi được xếp vào nhóm "kim loại chịu lửa". Nhưng nếu tính cả phi kim và hợp chất, vẫn có vật liệu chịu nóng hơn vonfram, như than chì và một số cacbua kim loại.
Những kim loại nào thuộc nhóm "kim loại chịu lửa"?
Trong luyện kim, "kim loại chịu lửa" là cách gọi nhóm kim loại có nhiệt độ nóng chảy rất cao và giữ được độ bền ở nhiệt độ mà thép đã mềm nhũn. Định nghĩa hẹp gồm năm kim loại; định nghĩa rộng thêm vài kim loại khác chảy trên khoảng 1.850 °C.
| Kim loại | Ký hiệu | Nóng chảy (khoảng, °C) | Công dụng tiêu biểu |
|---|---|---|---|
| Vonfram | W | 3.422 | Điện cực hàn TIG, dây tóc bóng đèn sợi đốt, bia ống phát tia X |
| Reni | Re | 3.186 | Thêm vào siêu hợp kim cánh tuabin, cặp nhiệt điện vonfram – reni |
| Osmi | Os | khoảng 3.030 | Hợp kim cứng cho đầu ngòi bút, tiếp điểm (rất hiếm, ôxít độc) |
| Tantali | Ta | 3.017 | Tụ điện trong điện thoại, dụng cụ cấy ghép y khoa |
| Molypđen | Mo | 2.623 | Điện cực lò nấu thuỷ tinh, thép hợp kim, dây đốt lò chân không |
| Niobi | Nb | 2.477 | Thép cường độ cao, nam châm siêu dẫn |
| Hafni | Hf | khoảng 2.230 | Thanh điều khiển lò phản ứng, điện cực cắt plasma |
| Crom | Cr | 1.907 | Inox, lớp mạ cứng |
Để dễ hình dung: vonfram chảy ở nhiệt độ cao hơn gấp đôi sắt (1.538 °C) và gần gấp ba đồng (1.085 °C). Ngọn lửa ôxy – axetylen, ngọn lửa khí nóng nhất trong xưởng hàn thông thường với hơn 3.000 °C, cũng chưa đủ làm vonfram chảy.
Vì sao vonfram lại khó nóng chảy đến vậy?
Bí mật nằm ở electron. Trong kim loại, các electron ngoài cùng được dùng chung, tạo thành "chất keo" giữ các ion lại. Với các kim loại chuyển tiếp, ngoài electron lớp ngoài còn có electron ở phân lớp d tham gia liên kết.
Khi đi ngang một hàng của bảng tuần hoàn, số electron d tăng dần. Lúc đầu, mỗi electron thêm vào làm liên kết bền hơn. Tới khoảng giữa hàng, các mức năng lượng "tạo liên kết" đã gần đầy, electron thêm vào bắt đầu rơi vào mức "phản liên kết" và làm liên kết yếu đi. Vonfram, molypđen, crom nằm đúng đỉnh của đường cong ấy, nên liên kết kim loại của chúng thuộc loại mạnh nhất.
Thêm vào đó, vonfram là nguyên tố nặng ở hàng thứ sáu, phân lớp d ở xa hạt nhân, trải rộng và chồng lên nhau tốt giữa các nguyên tử kề nhau. Kết quả là năng lượng cần để tách các nguyên tử vonfram ra khỏi nhau thuộc hàng cao nhất trong mọi kim loại, và nhiệt độ nóng chảy cũng vậy. Nhiệt độ sôi của vonfram còn cao hơn nữa, khoảng 5.500 °C.
Quy luật này cũng giải thích vì sao vàng, bạc, đồng ở cuối dãy kim loại chuyển tiếp lại chảy thấp hơn nhiều: phân lớp d của chúng đã đầy, gần như không còn góp sức cho liên kết.
Không nấu chảy được thì làm ra dây vonfram bằng cách nào?
Đây là bài toán làm đau đầu các nhà khoa học đầu thế kỷ 20. Chẳng có nồi nào chứa nổi vonfram lỏng, và ở nhiệt độ cao nó phản ứng với gần như mọi vật liệu làm khuôn. Lời giải là luyện kim bột:
- Quặng vonfram được chế biến thành ôxít, rồi khử bằng khí hiđrô thành bột vonfram mịn.
- Bột được ép thành thanh dưới áp lực lớn.
- Thanh ép được nung (thiêu kết) ở nhiệt độ cao nhưng vẫn dưới điểm chảy, đủ để các hạt bột dính liền với nhau thành khối đặc.
- Thanh thiêu kết được rèn nóng và kéo dần qua khuôn thành dây, mỗi lần nhỏ hơn một chút.
Quy trình làm vonfram dẻo đủ để kéo sợi được William Coolidge phát triển ở Mỹ trong khoảng năm 1906–1910, và nó đã làm bóng đèn sợi đốt bền hơn hẳn các dây tóc cacbon trước đó. Luyện kim bột đến nay vẫn là con đường chính để làm các chi tiết từ kim loại chịu lửa, từ điện cực hàn tới chi tiết lò nung chân không.
Ở quy mô phòng thí nghiệm và cho các kim loại chịu lửa cần độ sạch cao, người ta còn dùng lò hồ quang trong chân không hoặc lò chùm tia điện tử: kim loại được nung chảy từng phần nhỏ trên đáy đồng làm nguội bằng nước, nên không cần nồi chứa chịu được nhiệt độ ấy.
Kim loại chịu nóng nhất có điểm yếu gì?
Có, và đó là lý do chúng không thay được thép trong đời sống:
- Dễ cháy trong không khí khi nóng. Vonfram và molypđen bị ôxy hoá mạnh từ khoảng vài trăm độ trở lên. Dây tóc bóng đèn sợi đốt phải nằm trong bóng hút chân không hoặc nạp khí trơ, nếu không sẽ cháy gần như tức thì. Điện cực vonfram trong hàn TIG cũng luôn được khí argon bao quanh.
- Giòn ở nhiệt độ phòng. Vonfram nguyên khối có thể vỡ như gốm khi bị va đập lúc nguội. Phải gia công nóng và kiểm soát hạt tinh thể mới có dây vonfram dẻo.
- Rất nặng. Vonfram nặng gần bằng vàng (khối lượng riêng khoảng 19,3 g/cm³). Với máy bay, động cơ, nặng là bất lợi lớn.
- Hiếm và khó khai thác. Reni, osmi thuộc nhóm nguyên tố hiếm nhất trong vỏ Trái Đất, thường chỉ thu được như sản phẩm phụ khi luyện kim loại khác.
Vì thế trong thực tế, kỹ sư ít khi chọn "kim loại chảy cao nhất" mà chọn vật liệu chịu được đúng điều kiện làm việc: nóng tới đâu, trong không khí hay chân không, chịu tải bao lâu, nặng nhẹ thế nào.
Có vật liệu nào chịu nóng hơn cả vonfram?
Có. Nếu bỏ điều kiện "kim loại", danh sách mở rộng:
| Vật liệu | Loại | Hành vi ở nhiệt độ cao (áp suất thường) |
|---|---|---|
| Than chì (cacbon) | Phi kim | Không chảy, thăng hoa ở khoảng 3.600 °C trở lên; muốn có cacbon lỏng phải nén ở áp suất cao |
| Hafni cacbua | Gốm cacbua | Nóng chảy khoảng 3.900 °C theo các phép đo gần đây |
| Tantali cacbua | Gốm cacbua | Nóng chảy trên 3.700 °C |
| Hợp chất tantali – hafni cacbua | Gốm cacbua hỗn hợp | Từng được xem là chất chảy cao nhất, khoảng 3.900–4.000 °C; số liệu các nhóm đo còn chênh nhau |
Ở những nhiệt độ này, đo đạc cực kỳ khó: mẫu được nung bằng tia laser trong vài giây và nhiệt độ đọc bằng hoả kế quang học. Các nhóm nghiên cứu khác nhau công bố số chênh nhau đáng kể, và các tính toán lý thuyết còn dự đoán có hợp chất hafni – cacbon – nitơ chịu nóng hơn nữa. "Vật liệu chịu nóng nhất" vì thế vẫn là câu hỏi đang được nghiên cứu, không nên tin một con số tuyệt đối.
Ngoài ra, vật liệu cách nhiệt trên tàu vũ trụ (như tấm gốm sợi silic hay composit cacbon – cacbon ở mũi tàu) không cần chảy cao nhất; chúng thắng nhờ dẫn nhiệt kém hoặc nhờ chịu được sốc nhiệt.
Kim loại chịu lửa xuất hiện ở đâu quanh ta?
- Ống phát tia X ở bệnh viện, phòng khám nha. Chùm electron đập vào một bia bằng vonfram (đôi khi pha reni) nóng rực; chỉ vật liệu chảy rất cao mới chịu được.
- Xưởng hàn TIG. Điện cực vonfram không chảy trong khi hồ quang làm nóng chảy thép, nhôm, inox ở vũng hàn.
- Điện thoại, máy tính. Tụ điện tantali nhỏ cỡ hạt gạo nằm trên bo mạch.
- Nhà máy thuỷ tinh. Điện cực molypđen nhúng trực tiếp vào thuỷ tinh lỏng để đun bằng điện.
- Dao cắt, mũi khoan. Không phải vonfram nguyên chất mà là cacbua vonfram thiêu kết với coban, một trong những vật liệu cứng nhất dùng trong cơ khí.
Góc nhìn hôm nay: tìm hiểu thêm ở đâu?
Muốn thấy vonfram tận mắt, cách dễ nhất là nhìn một bóng đèn sợi đốt cũ: sợi dây xoắn mảnh trong bóng đã từng chạy ở khoảng 2.500 °C mỗi khi bật. Que điện cực hàn TIG đầu màu (đỏ, xám, xanh lục… tuỳ loại pha) cũng là vonfram. Với người học, phần liên kết kim loại và cấu hình electron trong sách Hoá học lớp 10, 12 là nền tảng; sau đó có thể tìm đọc chương kim loại chịu lửa trong các sổ tay vật liệu như ASM Handbook. Một ý nên mang về: con số nóng chảy chỉ là một trong nhiều tiêu chí, và vật liệu tốt là vật liệu hợp với điều kiện làm việc thật.
Câu hỏi thường gặp
Kim loại nào có nhiệt độ nóng chảy cao nhất?
Vonfram, nóng chảy ở khoảng 3.422 °C. Tiếp theo là reni (khoảng 3.186 °C), osmi và tantali (đều quanh 3.000 °C).
Vì sao vonfram dùng làm dây tóc bóng đèn?
Dây tóc phải nóng tới khoảng 2.500 °C mới phát ánh sáng trắng, và vonfram là kim loại hiếm hoi chịu được mức đó mà không chảy. Dây phải nằm trong bóng chân không hoặc khí trơ vì vonfram nóng bị ôxy hoá rất nhanh trong không khí.
Có chất nào chịu nhiệt cao hơn vonfram không?
Có. Than chì thăng hoa ở khoảng 3.600 °C trở lên, và một số gốm cacbua như hafni cacbua, tantali – hafni cacbua chảy quanh 3.900 °C hoặc hơn theo các phép đo khác nhau. Số liệu ở vùng này vẫn đang được nghiên cứu tiếp.
Kim loại chịu lửa là gì?
Là nhóm kim loại có nhiệt độ nóng chảy rất cao và giữ độ bền ở nhiệt độ thép đã mềm, gồm vonfram, molypđen, tantali, niobi, reni và theo định nghĩa rộng thêm một số kim loại khác. Chúng thường được chế tạo bằng luyện kim bột vì rất khó nấu chảy.
Vì sao không dùng vonfram thay thép cho mọi thứ?
Vonfram rất nặng, giòn ở nhiệt độ phòng, bị ôxy hoá mạnh khi nóng trong không khí và khó gia công. Thép rẻ, dẻo, dễ hàn và đủ bền cho hầu hết công việc thường ngày.
