Gang Là Gì? Đặc Tính Của Các Loại Gang Cầu, Gang Xám Và Gang Dẻo

5/5 - (3 bình chọn)

Gang là gì? Có một số loại vật liệu như gang dẻo, gang xám, gang thỏi vậy chúng là gì? Cùng tìm hiểu định nghĩa và tính chất, đặc điểm của vật chất kim loại gang qua bài viết sau đây!

Gang là gì? Lò đúc thành phầm gang

1. Gang là gì?
2. Đặc tính của gang
3. Một số loại gang thông dụng
   1. Gang xám
      1. Đặc tính
      2. Ứng dụng
   2. Gang dẻo
      1. Lịch sử phát triển
   3. Gang cầu
      1. Thành phần hóa học
      2. Đặc điểm

Gang là gì?

Gang là hợp chất kim loại của sắt (Fe) và các bon (C), trong đó hàm lượng C lớn hơn 2,14%. Tuy nhiên trong thực tế hợp chất hang còn có chứa các nguyên tố khác như: Si, Mn, P và S.

Hàm lượng các nguyên tố có trong gang thông thường bao gồm:

• C: 2,0÷4,0%
• Mn: 0,2÷1,5%
• P: 0,04÷0,65%
• S: 0,02÷0,05%

Đặc tính của gang

Thành phần hóa học của gang bao gồm chủ yếu là: Sắt (hơn 95% theo trọng lượng), và các nguyên tố hợp kim chính là carbon và silic. Hàm lượng của carbon trong gang nằm trong miền từ 2,1% đến 4,3% trọng lượng, với miền có hàm lương carbon thấp hơn 2,1% của họ hợp kim của sắt sẽ là thép carbon. Một phần đáng kể silic (1-3%) trong gang tạo thành tổ hợp hợp kim Fe-C-Si.

Tuy nhiên, gang được xem tương tự như hợp kim chứa hai nguyên tố là sắt và carbon ở trang thái đông đặc, trên biểu đồ trạng thái sắt – carbon tại điểm austectic (1154 °C và 4,3%C). Gang với thành phần hóa học gần điểm austectic có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ 1150 đến 1200 °C, thấp hơn 300 °C so với sắt nguyên chất. Nhìn chung người ta xem gang như là một loại hợp kim có tính giòn. Màu xám ở mặt gãy thường là đặc điểm nhận dạng của gang: chính là sự phân bổ ở dạng tự do của khối carbon, với hình thù dạng tấm khi hợp kim đông đặc.

Gang được luyện trong lò cao bằng cách dùng khí CO khử oxit sắt.

Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt:

3CO(k) + Fe2O3(r) __>(t°cao) 3CO2(k) + 2Fe(r)

Sắt nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.

Sản phẩm van cầu gang chịu được áp lực và nhiệt độ cao

Thành phần hóa học của gang bao gồm chủ yếu là:sắt (hơn 95% theo trọng lượng), và các nguyên tố hợp kim chính là carbon và silic. Hàm lượng của carbon trong gang nằm trong miền từ 2,1% đến 4,3% trọng lượng, với miền có hàm lượng carbon thấp hơn 2,1% của họ hợp kim của sắt sẽ là thép carbon. Một phần đáng kể silic (1-3%) trong gang tạo thành tổ hợp hợp kim Fe-C-Si.

Tuy nhiên, gang được xem tương tự như hợp kim chứa hai nguyên tố là sắt và carbon ở trang thái đông đặc, trên biểu đồ trạng thái sắt – carbon tại điểm austectic (1154 °C và 4,3%C). Gang với thành phần hóa học gần điểm austectic có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ 1150 đến 1200 °C, thấp hơn 300 °C so với sắt nguyên chất. Nhìn chung người ta xem gang như là một loại hợp kim có tính giòn. Màu xám ở mặt gãy thường là đặc điểm nhận dạng của gang: chính là sự phân bổ ở dạng tự do của khối carbon, với hình thù dạng tấm khi hợp kim đông đặc.

Gang được luyện trong lò cao bằng cách dùng khí CO khử oxit sắt.

Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt:

3CO(k) + Fe2O3(r) __>(t°cao) 3CO2(k) + 2Fe(r)

Sắt nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.

Sản phẩm ống gang dẻo thường sử dụng trong đường ống cấp nước sạch

Một số loại gang thông dụng

Tùy hàm lượng nguyên tố hóa học trong gang mà chúng có những tính chất và đặc điểm riêng. Tuỳ theo dạng graphit trong gang mà gang được phân thành các loại:

• Gang xám
• Gang xám biến trắng
• Gang cầu
• Gang giun
• Gang dẻo

Sau đây chúng ta cùng tham khảo tính chất của từng loại gang cơ bản này.

Gang xám

Gang xám là một trạng thái trong nhiều trạng thái của gang mà dựa vào vi cấu trúc của chúng để người ta phân loại. Bề mặt của gang xám ở mặt gãy của gang có màu xám, là đặc trưng của ferit và graphit tự do. Trong quá trình đông đặc, do tốc độ tản nhiệt chậm trong khuôn đúc bằng cát, dân đến lượng graphít hòa tan trong sắt lỏng có đủ thời gian để giải phóng thành các phiến nhỏ, có hình thù tự do (thường là dạng tấm).

Đặc tính

Gang xám có một giá thành rẻ và khá dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng chảy thấp (1350 °C) và không đòi hỏi khắt khe về tạp chất. Gang xám có tính đúc tốt và khả năng tắt âm cao, do tổ chức xốp nên cũng là ưu điểm cho các vật liệu cần bôi trơn có chứa dầu nhớt. Tuy vậy, gang xám dòn, khả năng chống uốn kém, không thể rèn được. Khi làm nguội nhanh trong khuôn, gang bị biến trắng rất khó gia công cơ khí.

Ứng dụng

Do những đặc tính trên, người ta sử dụng chúng rất nhiều trong ngành chế tạo máy, đúc các băng máy lớn, có độ phức tạp cao, các chi tiết không cần chịu độ uốn lớn, nhưng cần chịu lực nén tốt. Có những thiết bị, vật liệu gang xám được sử dụng đến >70% tổng trọng lượng. Các băng máy công cụ (tiện, phay, bào,…), thân máy của động cơ đốt trong… cũng được sản xuất từ gang xám.

Sản phẩm gang xám có độ cứng cao nhưng có tính dòn và dễ vỡ

Gang dẻo

Gang dẻo là loại gang trắng do người Anh phát minh ra được ủ trong thời gian dài (đến vài ngày) ở nhiệt độ từ 850 – 1050⁰C để tạo thành một loại gang có tính dẻo cao. Đây là vật liệu có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang, thậm chí có thể thay thế cho thép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại gang khác không có khả năng.

Lịch sử phát triển

Theo các nghiên cứu khoảng bốn thập kỷ trước của các nhà luyện kim và khảo cổ Trung Quốc thì gang dẻo (malleable cast iron) đã sớm được sử dụng ở Trung Quốc ít nhất là ba thế kỷ trước Công nguyên (TCN) và nó tiếp tục được sử dụng cho đền thế kỷ thứ 6 Công nguyên (CN) thì dần bị rơi vào quên lãng. Sau này, nó lại được du nhập trở lại từ phương Tây vào đầu thế kỷ 20.

Nghiên cứu về kỹ thuật gang dẻo Trung Quốc cổ qua các di chỉ khảo cổ đã được giáo sư Hua Jeming xuất bản vào năm 1982. Ở Tây Âu, kỹ thuật gang dẻo ra đời chậm hơn rất nhiều. Người được cho là có công phát minh ra vật liệu này là Prince Rupert, người Anh, vào năm 1670. Nghiên cứu một cách có hệ thống về gang dẻo được thực hiện lần đầu tiên bởi René Antoine Ferchault de Réaumur, do Sisco và Smith dịch sang tiếng Anh và sau được xuất bản vào năm 1722.

Không ai biết Prince Rupert định dùng gang dẻo của ông vào mục đích gì, nhưng với Réaumur thì mục đích chính khi biến tính gang dẻo của ông là để làm mềm đi bề mặt sản phẩm gang đúc, khi đó bề mặt gang có thể dễ dàng được mài giũa cũng như trang trí bằng chạm khắc.

Sau đó, có lẽ đầu thế kỷ 19 các vật dụng bằng gang dẻo mới được sản xuất với quy mô lớn. Các vật dụng điển hình đã được chế tạo ở California vào năm 1884, gang dẻo được dùng thay cho sắt rèn. Trước khi có sự ra đời của gang dẻo và gang cầu thì họ hợp kim gang chỉ gồm hai loại là gang xám và gang trắng. Gang xám là gang có cacbon chủ yếu tồn tại ở dạng graphit còn gang trắng là loại gang mà cacbon của nó tồn rại ở dạng xe-men-tit (Fe3C) tấm. Khác với gang trắng gang dẻo có hình dáng của xe-men-tit là hoa tuyết vì vậy dẻo hơn.

Gang dẻo được sử dụng sản xuất các loại van nước, van công nghiệp cho các hệ thống nước, khí. Các loại van này thường là GC20, GC40, GC200…

Gang dẻo được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất các loại van công nghiệp ngành nước

Gang cầu

Gang cầu còn được gọi là gang bền cao có than chì ở dạng cầu nhờ biến tính gang xám lỏng bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm. Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang do graphit ở dạng cầu tròn, bề ngoài cũng có màu xám tối như gang xám. Nên khi nhìn bề ngoài không thể phân biệt hai loại gang này.

Thành phần hóa học

Thành phần hóa học gang cầu dao động như sau: 3-3,6% C, 2-3% Si, 0,2-1% Mn, 0,04- 0,08% Mg, ít hơn 0,015% P, ít hơn 0,03% S. Gang cầu có độ dẻo dai cao, đặc biệt sau khi nhiệt luyện thích hợp.

Lượng cacbon và silic phải cao để đảm bảo khả năng than chì hóa (%C + %Si) đạt tới 5%-6%. Không có hoặc không đáng kể (<0,1 – 0,01%) các nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là S. Có một lượng nhỏ các chất biến tính Mg (0,04-0,08%) hoặc Ce. Có các nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni (2%) Mn (<1%).

Gang cầu thường chứa cacbon đương lượng (CEL) cao từ 4,3 đến 4,6% (là thành phần nguyên tố C và Si trong gang lỏng trước biến tính CEL=%C+%Si+%P/2) để chống biến trắng và do than chì ở dạng cầu sít chặt, ít chia cắt nền kim loại nên không làm giảm đáng kể tính chất cơ học của gang. Hàm lượng Si không nên quá cao (nhỏ hơn 3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang.

Hàm lượng S sau biến tính cầu hóa bằng Mg phải nhỏ hơn 0,03% thì gang mới nhận được than chì biến tính và hạn chế tạp chất “vết đen” do MgS tạo ra sẽ làm giảm tính chất cơ học của Gang. Hàm lượng Mn chọn tùy thuộc vào loại gang cầu, với gang cầu ferit ở trạng thái đúc Mn nhỏ hơn 0,2%. Ở gang cầu peclit chúng có thể lên tới 1%. Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm tính dẻo dai của gang cầu.

Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám song chỉ khác là than chì của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit – peclit và peclit. Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám. Khác với gang xám, than chì dạng cầu ở đây được tạo thành nhờ biến tính đặc biệt gang xám lỏng.

Sản phẩm phụ kiện đường ống bằng chất liệu gang cầu

Đặc điểm

Sau khi biến tính cầu hóa than chì nhờ các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các nguyên tố graphit hóa như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang. Nhờ các chất biến tính mà gang lỏng trở nên sạch các tạp chất như lưu huỳnh và khí, làm tăng tốc độ hóa nguội cho gang và làm cho các tinh thể than chì phát triển chủ yếu theo hướng thẳng góc với bề mặt cơ sở của nó. Do đó than graphit kết tinh thành hình cầu.

Gang cầu theo TCVN được ký hiệu bằng hai chữ GC với hai cặp chữ số chỉ giá trị tối thiểu của giới hạn bền kéo và độ dẻo của gang. Gang cầu ferit mác GC40-10 có giới hạn bền kéo > 400 MPA và độ dãn dài tương đối 10%. Gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết chịu lực lớn và chịu tải trọng va đập, mài mòn như trục khuỷu, cam, bánh răng…. Do rẻ gang cầu được dùng nhiều để thay thế thép và gang dẻo.

Bề ngoài của gang cầu cũng có màu xám tối như gang xám nên khi nhìn bề ngoài khó có thể phân biệt gang cầu với gang xám. Tuy nhiên ta có thể dựa vào dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu (gang cầu dễ tạo thành lõm co và xốp co), hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm, sản phẩm gang cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh (rất vang), còn sản phẩm gang xám sẽ có tiếng kêu đục, trầm.

Do graphit ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền kim loại, hầu như không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền. Vì vậy gang cầu duy trì được 70-90% độ bền của nền kim loại, tức không thua kém thép bao nhiêu và có thể thay thế nó.

Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao: σb=400-800 Mpa, σ0.2=250-600 Mpa, tương đương với thép cacbon chế tạo máy.

Độ dẻo và độ dai: δ=2-15%, aK=300-600 kJ/m2, tuy kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều.

Việc sử dụng gang cầu vào công nghiệp rất có hiệu quả, ví dụ giá 1 tấn vật đúc loại gang này rẻ hơn vật đúc bằng thép hợp kim từ 30-35% rẻ hơn loại vật đúc bằng hợp kim màu 3 đến 4 lần và rẻ hơn loại phôi thép rèn tử 2 đến 3 lần.

Gang cầu thường dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và va đập cao (như thép) đồng thời lại dễ chế tạo bằng phương pháp đúc. Ứng dụng làm trục khuỷu, ống nước đường kính lớn, nắp hố ga, song chắn… vì giá thành rẻ, độ an toàn cao và thi công dễ dàng.

Trên đây là thông tin cơ bản nhất về hợp kim gang cũng như đặc điểm và tính chất của từng loại gang cơ bản thông dụng như gang xám, gang dẻo hay gang cầu. Mong nhận được ý kiến góp ý của bạn đọc. Trân trọng!

Nguồn tham khảo:https://vi.wikipedia.org