Tìm hiểu về hợp kim magiê và ứng dụng

Nguyễn Văn Phương

Trong thế giới thiết bị điện tử, hợp kim magiê (magnesium alloys) thường xuyên được nhắc đến với ứng dụng là các chi tiết nhẹ, có độ bền cao và giá trị cao. Vậy hợp kim magiê thường gặp gồm những loại nào? Tại sao lại hợp kim magiê được sử dụng nhiều trong các thiết bị điện tử, xe hơi? Bài viết này giới thiệu sơ bộ về tính chất và ứng dụng của hợp kim magiê.

Magiê có công thức hoá học là Mg, là nguyên tố kim loại kiềm và xếp thứ 8 về khối lượng trên trái đất. Magiê chứa khoảng 1.93% khối lượng của vỏ trái đất và 0.13% khối lượng của đại dương. Magiê là một trong những kim loại nhẹ nhất có khối lượng riêng 1.74 g/cm3, bằng 2/3 khối lượng riêng của nhôm và 1/4 so với sắt. Đặc tính quý báu nhất của hợp kim magiê là cường độ chịu lực riêng (kN.m/kg) rất cao, gấp 1.3 lần hợp kim nhôm và 2.3 lần thép tiêu chuẩn. Điều đó có nghĩa có thể chế tạo những chi tiết có độ bền lực cao mà khối lượng rất nhẹ như đối với các thiết bị điện tử. Ngoài ra, hợp kim magiê rất dễ đúc (nhiệt độ nóng chảy thấp nhất của hợp kim magiê-nhôm là 437 oC), không bị nhiễm từ, dễ tạo hình và dễ tái sinh.

Hợp kim magiê được phát triển với số lượng lớn trong thời gian gần đây bởi những đặc tính tốt của nó. Bên cạnh ứng dụng trong các chi tiết của thiết bị điện tử, phần lớn hợp kim magiê được ứng dụng trong công nghiệp xe hơi và công nghiệp hàng không với mục đích làm giảm khối lượng của chi tiết mà vẫn giữ được cơ tính cao.

Tuy vậy, ứng dụng của hợp kim magiê bị giới hạn đáng kể bởi tính chất hoá học mạnh của magiê. Trong dãy hoạt động các nguyên tố cơ bản, magiê đứng thứ ba, ngay sau hai kim loại kiềm là kali và natri. Nếu như nhôm có thể hình thành lớp ôxit/hydrôxit mỏng và có độ bền rất cao đối với môi trường trung tính thì lớp ôxit hoặc hydrôxit của magiê lại chứa nhiều lỗ xốp và không bền. Do đó, magiê chỉ bền trong môi trường kiềm và rất dễ bị ăn mòn trong các môi trường có tính axít.

Để vật liệu magiê trở lên bền hơn, rất nhiều nghiên cứu đã trộn vào nó những kim loại khác để tạo thành các pha hợp kim có khả năng hạn chế sự ăn mòn. Hai kim loại điển hình nhất thường trộn với magiê là nhôm với tỷ lệ 3%– 9% về khối lượng (ký hiệu là A trong tên hợp kim) và kẽm khoảng 1 % khối lượng (ký hiệu là Z trong hợp kim). Hai hợp kim được sử dụng nhiều nhất của magiê là AZ31 (3% Al, 1% Zn, ~96% Mg), và AZ91 (9% Al, 1% Zn, ~90% Mg). Ngoài ra, các nghiên cứu cũng thử trộn vào hợp kim magiê với rất nhiều nguyên tố khác như Ca (canxi), Y (Ytri), Li (Liti), các nguyên tố đất hiếm… nhằm tăng cường khả năng chống ăn mòn.

Một Thân máy ảnh Canon được đúc từ hợp kim magiê AZ91 (9% Al, 1% Zn, ~90% Mg) (Nguồn: Internet).

Bên cạnh việc đưa các nguyên tố khác vào trong hợp kim magiê, việc xử lý bề bặt của hợp kim magiê trước khi sơn cũng là một trong những bước quan trọng để tăng cường khả năng chống ăn mòn của magiê. Trước đây, hợp kim magiê thường được xử lý bằng cách nhúng vào dung dịch chứa các hợp chất của crôm, tuy vậy, crôm rất độc đối với cơ thể con người, và có khả năng gây ung thư. Do đó, các nghiên cứu trong thời gian gần đây tập trung vào hai phương pháp khác để tăng cường khả năng chống ăn mòn của magiê: tạo lớp phủ anốt hoá bằng phương pháp điện hoá hoặc tạo lớp phủ phốt phát hoá bằng phương pháp hoá học.

Hiện nay, hợp kim magiê được sử dụng nhiều ở các chi tiết yêu cầu nhẹ, cường độ chịu lực cao như bên trong xe hơi, máy bay, các thân máy ảnh, máy tính… hay các môi trường khô, hạn chế sự có mặt của các chất gây ăn mòn. Trong các xe hơi như VW Passat, Audi A4 & A6 có chứa khoảng 14 kg hợp kim magiê. Với mục tiêu giảm từ 20% – 25% khối lượng của xe ô tô nhằm giảm mức tiêu thụ nhiên liệu, các hãng ô tô như Volkswagen Group, Daimler Chrysler (Mercedes Benz), BMW, Ford, GM và Jaguar… vẫn tích cực nghiên cứu để ứng dụng nhiều hơn hợp kim magiê.

Tuy vậy, khi sử dụng các thiết bị bằng hợp kim magiê nên hết sức tránh những tác động làm mất lớp sơn phủ bảo vệ và lớp phủ chống ăn mòn, điều đó làm độ ăn mòn vào chi tiết tăng rất nhanh dẫn đến phá huỷ thiết bị.

Nguyễn Văn Phương