GỐC RỄ VỀ NẤU CHẢY KIM LOẠI (Phần 1)

Để chế tác đồ trang sức, phải dựa trên cơ sở của nguyên lý luyện kim: Nấu chảy kim loại là một quá trình được thực hiện nhiều lần trong ngày tại xưởng theo một hình thức đặc biệt nhờ vào việc sử dụng các công cụ và thiết bị có liên quan đến tất cả các công đoạn làm việc sau đó.

Trong chương này, chúng ta sẽ phân tích các nguyên lý của quá trình nóng chảy, nguồn nhiệt, khuyết tật, tính chất của các kim loại và hợp kim.

I.       ĐỊNH NGHĨA:

Nấu chảy là quá trình làm cho các thành phần khác nhau của một hợp kim quý nóng chảy và hợp nhất với nhau theo quy luật hóa học.

Hình 1 

II.    NGUYÊN TẮC:

Được biết, sự liên kết giữa các nguyên tử là rất bền ở nhiệt độ môi trường xung quanh. Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử bắt đầu di chuyển cho đến khi chúng vượt qua lực liên kết giữa chúng với nhau (Sự di chuyển này tăng lên gấp đôi, khi gia tăng nhiệt độ đến ngưỡng 15° K tương ứng với 258° C). Ngoài ra, quá trình phát triển hạt cũng diễn ra.

Khi nhiệt độ nóng chảy tăng lên, bắt đầu diễn ra việc làm tan rã mạng tinh thể từ ranh giới hạt cho đến hạt nhân (xem hình 1): Trước khi trở thành chất lỏng hoàn toàn, vật chất kể cả kim loại nguyên chất hay hợp kim, vẫn giữ nguyên ở dạng nửa rắn hay mềm hơn khi nhiệt độ ngày càng tăng, phân định rõ được hai điểm nóng chảy đầu và cuối.

Với lập luận này, chúng ta có thể thấy những đường cong làm nguội T-t (hình 2), trong đó a) đường cong đại diện cho tính chất của một kim loại tinh khiết, b) là đường cong của một hợp kim, c) là đường cong một hợp kim cùng tinh, d) là đường cong của một hợp kim không cùng tinh.

Hình 2 

III. SỰ HÓA RẮN (SỰ ĐÔNG ĐẶC):

Tương tự như vậy, trong quá trình ngược lại, đó là sự hóa rắn, ban đầu các kim loại bắt đầu thay đổi chỉ trong một vài điểm, bình thường tập trung xung quanh tất cả các hạt tạp chất lơ lửng trong chất lỏng hay gần thành khuôn. Trong tự nhiên, hiện tượng này xảy ra bất cứ lúc nào khi bên trong vẫn còn nước làm lạnh khuôn. Sự tập trung của các hạt rắn xung quanh những hạt nhân và các hạt liên tục lan truyền giống như một tinh thể ở dạng lưới hình học.

IV. CÁC TẠP CHẤT:

Điều quan trọng là các nguyên tố kết hợp với nhau cùng nóng chảy càng tinh khiết càng tốt cũng như các tạp chất tập trung vào ranh giới hạt tạo ra điểm nóng chảy thấp. Điều đó có nghĩa là, trong quá trình nóng chảy, các tạp chất như vậy có thể gây ra tính dòn trong các công đoạn xử lý nhiệt (ủ và hàn) và công đoạn làm lạnh. Ví dụ, ngay cả một lượng nhỏ chì (0,05%) hay an-ti-mon cũng gây thiệt hại lớn trong công việc. Ngoài ra, còn có các tạp chất chứa trong phế phẩm được tạo ra qua quá trình chế tác được tái sử dụng lại cũng cần phải lưu tâm trong tính toán pha chế: Nên sử dụng theo tỷ lệ 50% cùng với các nguyên liệu thô và cần được làm sạch bằng cách xử lý với axit.

V.    DẠNG NHÁNH CÂY:

Trở lại với sự hóa rắn, chúng ta có thể tưởng tượng các hạt bị hóa rắn đầu tiên như một khối lập phương nhỏ lơ lửng trong vật đúc: Nó lan rộng về phía góc của khối lập phương với các nhánh nhọn mô phỏng sáu mặt của khối lập phương đó. Theo các hướng thứ hai và thứ ba khác, các nhánh của các điểm khác cũng đồng thời phát triển để tạo thành một loại hình dạng giống như cây được gọi là dạng nhánh cây. Trong hình 3, chúng ta có thể quan sát một minh họa về hình dạng nhánh cây phát triển theo ba hướng đặc biệt.

Hình 3 

VI. SỰ PHÁT TRIỂN HẠT:

Bây giờ, chúng ta có thể tưởng tượng được rằng quá trình hóa rắn liên quan đến sự phát triển của hạt nhân bằng cách bổ sung các nguyên tử kèm theo việc sắp xếp các mạng và có mức phát triển nhất định theo các hướng khác nhau. Mỗi tinh thể duy trì hình dạng thông thường đặc trưng cho quá trình phát triển theo hình dạng riêng của từng loại tinh thể, cho đến khi sự phát triển của nó bị kìm hãm bởi các tinh thể liền kề.

Khi các nhánh cây được bắt nguồn từ những hạt nhân thì việc phát triển đạt được ở mỗi nhánh mỗi khác, như hình dạng đường giao nhau không theo qui luật nào hết, được gọi là "ranh giới hạt" (xem hình 4).

 

Hình 4

Khu vực xung quanh ranh giới hạt được đặc trưng bởi cấu trúc rối loạn hơn và có năng lượng mạnh hơn.

Hiện vẫn còn một số kim loại lỏng xung quanh các cành của các nhánh cây. Tuy nhiên, khi nhiệt độ dần dần giảm xuống, số kim loại lỏng này chịu tác động của sự giảm nhiệt độ nhiều hơn và trở nên hóa rắn hơn, cho đến khi tất cả các khoảng trống được hóa rắn hoàn toàn.

VII.    TỐC ĐỘ LÀM NGUỘI:

Hiện nay, người ta đã xử lý được thay đổi nhiệt độ một cách độc lập trong khoảng thời gian diễn ra sự thay đổi đó.

Tham số thời gian là quan trọng bởi vì nó có thể ảnh hưởng đến sự hình thành hạt tinh thể. Vì vậy, nó thích hợp để đưa ra ý tưởng về tốc độ làm nguội. Suy cho cùng, mỗi hạt nhân chuyển thành hạt, kích thước cuối cùng của hạt này sẽ phụ thuộc vào số lượng các hạt nhân. Bằng cách làm nguội chậm, vài hạt nhân được tạo ra, trong số đó có thể phát triển mà không gặp trở ngại nào khi kích thước hạt tăng tương đối lớn (xem hình 5).

Thay vào đó, bằng cách làm nguội nhanh, nhiều hạt nhân hơn được tạo ra nhưng chúng không phát triển tất cả cùng một lúc. Nếu nhiệt độ giảm nhanh thì một số hạt nhân sẽ hình thành, trước khi các hạt nhân trước đó có thể trở nên lớn hơn. Như vậy, hạt nhân phát triển bị chèn ép bởi những hạt nhân lân cận, kết quả là nó không thể phát triển tiếp và khiến cho kích thước của nó tương đối nhỏ. Nói chung, kích thước hạt nhỏ hơn, các tính chất cơ học của nó tốt hơn: Đó là độ bền, độ dẻo và độ cứng. Do đó, thuận tiện để nấu chảy kim loại thúc đẩy sự hình thành các hạt nhỏ. Trong thực tế, các tạp chất không hòa tan như oxit, có xu hướng còn tồn đọng trong chất lỏng còn lại vẫn được hóa rắn và tạo thành một lớp liên tục dễ vỡ của vật chất trên các cành của nhánh cây và trên ranh giới hạt.

Nếu nhiều lớp khác tạo thành như một trong những mô tả trước đây, kim loại nóng chảy trở nên giòn và cứng có thể gia công trên máy.