Gang Là Gì? Tính Chất Và ứng Dụng Của Các Loại Gang.

Gang là loại vật liệu dùng khá phổ biến trong các ngành cơ khí, đặc điểm của gang ảnh hưởng rất nhiều đến ứng dụng và các phương pháp gia công gang trong thực tế. Chính vì vậy, hiểu rõ về gang và các tính chất của gang là điều rất cần thiết đối với bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực cơ khí. Nếu như bạn vẫn chưa biết về loại hợp kim này, hãy cùng Van nhập khẩu tìm hiểu ngay trong bài viết dưới đây, để hiểu rõ hơn về những tính chất “có một không hai” của gang nhé!

1. Gang là gì?
   1. Khái niệm gang
   2. Lịch sử phát triển của Gang
   3. Tính chất vật lý và tính chất hóa học của gang
      1. Tính chất vật lý
      2. Tính chất hóa học
2. Các loại gang thông dụng
   1. Gang xám
   2. Gang dẻo
   3.  Gang cầu
3. Đánh giá ưu và nhược điểm của gang
   1. Ưu điểm
   2. Nhược điểm
4. Ứng dụng thực tế của vật liệu gang
5. Quy trình sản xuất gang
   1. Bước 1 chuẩn bị nguyên liệu
   2. Bước 2: Luyện trong lò cao
   3. Bước 3: Xử lý gang lỏng
   4. Bước 4: Đúc
   5. Bước 5: Gia công
   6. Bước 6: Xử lý bề mặt
6. So sánh giữa gang và thép
   1. Giống nhau
   2. Khác nhau

Gang là gì?

Khái niệm gang

Gang tên tiếng anh là Cast iron là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2% – 5%, ngoài ra còn có một lượng nhỏ các nguyên tố khác như Si, Mn, S, P…

Vật liệu gang được người Trung Quốc sử dụng rất sớm từ thế kỷ thứ VI TCN, cho đến thế ký thứ XIV người Châu Âu mới sử dụng đến gang.

Gang thường có màu xám đen và có những đặc tính riêng biệt cả về vật lý và hóa học tiêu biểu như độ bền cao, khả năng chịu tải tốt, khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn tốt.

Gang là loại kim loại nặng đa năng được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Chúng được sử dụng từ trong dân dụng, xây dựng cho đến công nghiệp, bao gồm cả ngành van công nghiệp của chúng ta.

Lịch sử phát triển của Gang

Gang xuất hiện từ thời cổ đại, những dấu vết đầu tiên về loại hợp kim này dược tìm thấy ở Trung Quốc từ thế kỷ thứ 5 TCN. Thời đó vật này thường được sử dụng để chế tạo nông cụ và vũ khí.

Từ thế kỷ 15 kỹ thuật luyện Cast iron đã phát triển mạnh mẽ ở các nước Châu Âu, đã có quốc gia sử dụng vật liệu này để chế tạo súng thần công thay vì sử dụng đồng như trước đó để tiết kiệm chi phí.

Trong cuộc cách mạng công nghiệp loại hợp kim này trở thành vật liệu chủ chốt cho nhiều ngành công nghiệp như sản xuất máy móc, xây dựng, giao thông vận tải nhờ độ bền cao, tính đúc tốt và giá thành rẻ…

Ngày nay, trải qua hàng nghìn năm kể từ khi được phát hiện, với sự ra đời của nhiều loại vật liệu mới nhưng Cast iron vẫn là loại vật liệu quan trọng và được sử dụng rộng rãi nhất. Sự ra đời  của các công nghệ luyện gang hiện đại tạo ra những loại Cast iron có tính chất đặc biệt, đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của công nghiệp hiện nay.

Tính chất vật lý và tính chất hóa học của gang

Tính chất vật lý

• Màu sắc: Vật liệu này thường có màu xám, nhưng cũng có thể có màu trắng hay đen tùy theo cấu trúc vi mô.
• Điểm nóng chảy: Điểm nóng chảy của vật liệu này thấp hơn thép, chúng giao động từ 1.150 độ C đến 1.200 độ C, tùy theo thành phần công cụ và điều kiện nóng chảy.
• Độ cứng: Thay đổi theo từng loại Cast iron và phụ thuộc vào quá trình gia công, nhưng nhìn chung là có độ cứng cao thường nằm trong khoảng 150 đến 300 Brinell.
• Độ dẻo dai: Vật liệu này có độ dẻo dai tương đối, cho phép đúc thành nhiều hình dạng phức tạp mà không gây mất tính chất cơ học.
• Độ dẫn điện: Kém hơn so với sắt và thép nguyên chất.
• Độ dẫn nhiệt: Trung bình đến thấp (~20-50 W/m·K), tùy theo chủng loại Cast iron trong đó gang xám có độ dẫn nhiệt tốt hơn gang dẻo và gang trắng.
• Độ bền kéo: Phạm vi từ 150 MPa ( xám) đến hơn 700 MPa (dẻo).
• Độ giòn: Gang xám giòn, trong khi gang cầu có độ dẻo dai và độ dai tốt hơn.
• Trọng lượng riêng: Tùy theo loại Cast iron mà trọng lượng riêng của chúng nằm trong khoảng 6,9 đến 7,8 g/cm3.
• Tính từ tính: Vật liệu này có tính từ tính, có khả năng tương tác với từ trường cũng như có thể sử dụng trong các ứng dụng từ tính.

Tính chất hóa học

Tính chất hóa học của Cast iron bao gồm các yếu tố sau:

• Hàm lượng carbon: Hàm lượng carbon cao, thường từ 2% đến 4%. Tùy thuộc vào tốc độ làm nguội và thành phần.
• Hàm lượng Silic: Từ 1% đến 3%, thúc đẩy sự hình thành than chì và ảnh hưởng đến khả năng gia công và đúc.
•  Hàm lượng lưu huỳnh: Thông thường ít hơn 0,1%. Vì nếu hàm lượng lưu huỳnh cao có thể gây giòn.
• Hàm lượng phốt pho: Thông thường là 0,1% đến 0,9%. Phốt pho cải thiện tính lưu động nhưng làm giảm độ dẻo dai.
•  Hàm lượng Mangan: 0,1% đến 1,2%. Giúp chống lại tác hại có hại của lưu huỳnh.
• Các nguyên tố hợp kim: Như crom giúp cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn. Niken, giúp tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn. Hay Molypden để tăng cường độ bền ở nhiệt độ cao…
• Khả năng chống ăn mòn: Trung bình, dễ bị gỉ và ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt.
• Khả năng chống oxy hóa: Vật liệu này có khả năng bị oxi hóa khi tiếp xúc với không khí ẩm. Nên bề mặt có thể bị gỉ sét do quá trình oxi hóa sắt trong gang.

Xem thêm: Nhựa Teflon là gì?

Các loại gang thông dụng

Cast iron là loại vật liệu dùng khá phổ biến trong các ngành cơ khí. Vật liệu này có tính đúc khá tốt nhưng lại rất khó hàn do có độ chảy loãng cao và độ dẻo thấp. Tùy theo tổ chức tế vi và thành phần hóa học của họp kim này, người ta chia ra thành các loại: gang xám, gang cầu, gang dẻo…

Gang xám

• Gang xám là loại gang được dùng phổ biến nhất hiện nay. Chúng được sử dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí kỹ thuật. vật liệu này có thành phần chứa 3.3-3.8% cacbon tồn tại dưới dạng graphit tự do. Cấu trúc tinh thể cacbon ở graphit dạng tấm, nền của gang xám có thể là: pherit, peclit pherit, peclit. Đôi khi dưới dạng hình phiến hoặc chuỗi… Bề mặt của vật liệu này có màu xám tối. Đó là màu đặc trưng của ferit và graphit tự do.

• Do graphit có độ bền cơ học kém nên gang xám giòn. Có độ bền kéo, độ dẻo và độ dai thấp. Tuy nhiên, graphit lại có ưu điểm giúp tăng độ mài mòn và giảm độ co ngót khi đúc vật liệu này. Điều này làm cho phôi Cast iron phù hợp với các vật liệu cần bôi trơn có chứa dầu nhớt. Thích hợp để  chế tạo các ổ trượt, bánh răng, thân máy, bệ máy, ống nước
• Gang xám có 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, chúng bị biến trắng rất khó gia công bằng máy móc cơ khí.
• Gang xám được ký hiệu theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 – 75 ký hiệu gang xám bằng 2 chữ GX và hai số tiếp theo như : GX00; GX12-28; GX15-32; GX18-38; GX21-40; GX24-44; GX28-48; GX32-52; GX36-56; GX40-60; GX44-64.
• Gang xám là loại vật liệu được dùng phổ biến nhất hiện nay và được sử dụng nhiều trong kỹ thuật. Với những đặc tính trên, ngày nay gang xám đang được sử dụng 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 này được sử dụng đến >70% tổng trọng lượng. Các băng máy công cụ (tiện, phay, bào,…), thân máy của động cơ đốt trong… Do chịu được ma xát tốt nên gang xám còn được sử dụng để đúc ổ trượt và bánh răng hay đúc các loại van công nghiệp.

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 Cast iron khác không có khả năng.

• Gang dẻo còn gọi là gang dễ uốn, gang rèn. Có nền kim loại là ferit, peclit, hoặc ferit – peclit. Đây là loại vật liệu có điểm nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công, có khả năng chịu mài mòn, nên giá thành gia công rất thấp, do đó chúng được sử dụng trong rất nhiều chi tiết, lĩnh vực khác nhau.
• Trong cấu trúc gang dẻo, cacbon ở dạng nốt sần hình cầu chứ không phải dạng vảy như gang xám. Điều đó làm cho vật liệu này có độ bền kéo thấp hơn gang cầu nhưng lại cao hơn nhiều so với gang xám. Tuy nhiên trong thực tế chúng ít được sử dụng hơn gang xám do giá thành cao và công nghệ chế tạo khá phức tạp. Vật liệu này chỉ được sử dụng khi cần chế tạo các chi tiết cần chịu va đập, hình dạng phức tạp và có độ dày không quá 50mm. Như: chi tiết máy trong các máy nông nghiệp, ô tô, máy kéo, máy dệt…
• Ký hiệu của gang dẻo theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam TCVN 1659 – 75 ký hiệu gang dẻo gồm 2 phần, các chữ cái chỉ loại gang: GZ và hai số tiếp theo chỉ độ bền kéo và độ độ giãn dài tương đối tính theo %.
• Gang dẻo ít sử dụng hơn gang xám mặc dù có cơ tính tổng hợp cao, tuy nhiên giá thành hợp kim này khá cao so với dòng xám vì công nghệ chế tạo nó phức tạp. Chính vì lý do trên mà loại vật liệu này chỉ dùng làm vật liệu chế tạo chi tiết máy khi thỏa mãn 3 điều kiện sử dụng sau:

+ Chịu va đập và chịu kéo

+ Hình dạng phức tạp

+ Chi tiết có dạng thành mỏng (thường là 20 – 30mm, dày nhất là 40 – 50mm)

• Chúng được dùng làm các chi tiết máy trong các máy nông nghiệp, ô tô, máy kéo, máy dệt… Các loại van này thường là GC20, GC40, GC200…

 Gang cầu

• Gang cầu là loại gang dạng cầu tròn. Nhờ kết cấu dạng quả cầu – dạng thu gọn nhất, nên vật liệu này có độ dẻo dai cao, đặc biệt sau khi nhiệt luyện thích hợp. Chính điều này quyết định độ bền kéo cao nhất trong các loại Cast iron thuộc nhóm graphit. 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.

• Bề ngoài của chúng cũng có màu xám tối như gang xám. Nên khi nhìn bề ngoài rất khó để phân biệt rõ hai loại Cast iron này. Tuy nhiên ta có thể dựa vào dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu ( dễ tạo thành lõm co và xốp co), hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm, sẽ có tiếng kêu trong và thanh (rất vang), còn sản phẩm gang xám sẽ có tiếng kêu đục, trầm.
• Gang cầu cũng có tổ chức tế vi như gang xám. Tuy nhiên graphit lại có dạng thu nhỏ là hình cầu. Chính vì thế mà gang cầu có độ bền kéo và độ dẻo cao hơn gang xám rất nhiều. Đồng thời giúp cho gang cầu duy trì được 70% – 90% độ bền của nền kim loại. Khiến cho nó vừa có tính chất của thép lại vừa có tính chất của Cast iron. Vì thế mà trong một số trường hợp người ta thường sử dụng gang cầu để thay thế thép. Nhất là khi cần chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp nhằm tiết kiệm chi phí nguyên vật liệu.
• Ngoài ra chúng còn 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….
• 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. Gang cầu ferit mác GC40-10 có giới hạn bền kéo > 400 MPA và độ dãn dài tương đối 10%.
• Việc sử dụng vật liệu này vào công nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế cao. Đơn cử như sau: Giá 1 tấn vật đúc loại gang cầu rẻ hơn vật đúc bằng thép hợp kim từ 30% – 35%, rẻ hơn bằng hợp kim màu 3 đến 4 lần và rẻ hơn loại phôi thép rèn từ 2 đến 3 lần. Chính vì vậy, do giá thành rẻ nên gang cầu được dùng nhiều để thay thế thép và gang dẻo.

Đánh giá ưu và nhược điểm của gang

Ưu điểm

• Độ bền và khả năng chống mài mòn tốt, giúp van phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ bền cao.
• Dễ gia công và chế tạo nhờ cấu trúc đồng nhất nên cho phép gia công chính xác và tạo ra các hình dạng, thiết kế phức tạp.
• Tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, giúp vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực.
• Khả năng giảm chấn tốt, giúp giảm thiểu tiếng ồn và tăng độ ổn định cho các chi tiết máy.
• Chi phí thấp, so với các loại vật liệu kim loại khác như thép, đồng nhôm thì vật liệu này có giá thành tương đối rẻ nên giúp tiết kiệm chi phí sản xuất.
• Có thể tái chế, khiến nó trở thành vật liệu thân thiện với môi trường.

Nhược điểm

• Độ giòn cao, Cast iron dễ bị nứt hay vỡ khi chịu tác động mạnh, tải trọng uốn lớn hay ứng suất đột ngột. Khiến vật liệu này hạn chế sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tính linh hoạt cao.
• Khó hàn, quá trình hàn vật liệu này khó hơn so với thép bởi khi hàn g dễ bị nứt gãy, do đó việc hàn kim loại này đòi hỏi kỹ thuật và quy trình đặc biệt.
• Dễ bị gỉ do hàm lượng sắt cao, đặc biệt là trong các môi trường ẩm ứớt.
• Khối lượng riêng lớn, khiến các chi tiết làm từ Cast iron thường nặng hơn các chi tiết được làm từ nhôm hay các hợp kim khác.

Ứng dụng thực tế của vật liệu gang

Ngày nay kim loại này được sử dụng rộng rãi từ trong công nghiệp, xây dựng cho đến dân dụng, một số ứng dụng tiêu biểu như:

• Trong công nghiệp, vật liệu này được sử dụng để sản xuất than máy, bên máy, vỏ hộp số, phanh đĩa của ô tô. Sản xuất bánh răng, trục cán, khuôn mẫu  của tàu thủy….
• Trong xây dựng, vật liệu này được sử dụng để chế tạo cầu đường, ống nước, nắp cống, nắp hố ga, song chắn rác…
•  Dụng cụ nấu ăn, vật liệu này được sử dụng làm chảo, nồi… nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao và tính dẫn nhiệt tốt.
• Đồ đạc nội thất, vật liệu này được sử dụng là các cột trụ, bệ đèn, giá đỡ…trong các công trình công cộng hay ở các hộ gia đình.
• Đối với ngành van và phụ kiện đường ống, vật liệu này cũng được sử dụng khá rộng rãi. Chúng được sử dụng để chế tạo các loại van cổng, van bướm hay các loại phụ kiện như cút, tê, hộp van…

Quy trình sản xuất gang

Quy trình sản xuất gang được thực hiện qua các bước sau:

Bước 1 chuẩn bị nguyên liệu

Quặng sắt: Đây là nguyên liệu chính để sản xuất Cast iron. Các loại quặng sắt thông dụng như: hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3O4), limonit (FeO(OH).nH2O) hay siderit (FeCO3).

Than cốc: là một dạng than đá, đóng vai trò là nhiên liệu và chất khử trong quá trình nấu chảy.

Đá vôi: Đá vôi đóng vai trò như chất trợ dung để loại bỏ tạp chất khỏi quặng sắt và bảo vệ thành lò.

Bước 2: Luyện trong lò cao

Nguyên liệu thô gồm quặng sắt, than cốc và chất trợ dung được nạp liên tục từ đỉnh lò cao xuống.

Tiếp đến là thổi khí nóng vào lò, tạo ra phản ứng đốt cháy than cốc và tạo ra lượng nhiệt lớn lên đến 1800 độ C và khí CO, khí này sẽ khử quặng sắt thành sắt lỏng.

Chất trợ dung phản ứng với tạp chất trong quặng sắt tạo thành xỉ lỏng và nổi lên bề mặt thành gang lỏng.

Sau đó gang lỏng và xỉ lỏng được lấy ra riêng biệt ở đáy lò cao.

Bước 3: Xử lý gang lỏng

Gang lỏng sẽ được xử lý để giảm hàm lượng lưu huỳnh (S), đây là 1 tạp chất có hại chúng làm giảm chất lượng của gang.

Sau đó điều chỉnh thành phần hóa học của kim loại này bằng cách thêm các nguyên tố như silic (Si), mangan (Mn) để tạo ra các loại Cast iron khác nhau (gang xám, gang dẻo, gang cầu…).

Bước 4: Đúc

Đối với đúc trực tiếp, gang lỏng được rót trực tiếp vào khuôn đẻ tao thành các sản phẩm có hình dạng như mong muốn.

Đối với đúc liên tục, hợp kim này sẽ được đúc vào các khuôn liên tục dể tạo các các phôi gang có tiết diện không đổi.

Bước 5: Gia công

Các sản phẩm gang đúc có thể được gia công cơ khí (tiện, phay, bào…) để đạt được kích thước và độ chính xác yêu cầu.

Đến đây gang đúc sẽ được gia công cơ khí như tiện, bào, phay…đẻ đạt được các kích thước và độ chính xác như yêu cầu.

Bước 6: Xử lý bề mặt

Sau khi đã công xong, thông qua các phương pháp như sơn phủ, mạ…để xử lý bề mặt gang. Qua đó giúp tăng tính thẩm mỹ, chống ăn mòn.

Trên đây là những quy trình sản xuất gang cơ bản. Tùy vào loại Cast iron và tùy vào mục đích sử dụng mà quy trình sản xuất này sẽ có những thay đổi hay điều chỉnh phù hợp.

So sánh giữa gang và thép

Giống nhau

Gang và thép đều là hợp kim của sắt và cacbon, đều cứng hơn Fe. nhưng khác nhau về hàm lượng cacbon và một số nguyên tố khác. Cả hai có thể được gia công và chế tạo thành nhiều hình dạng khác nhau.

Khác nhau

Đặc điểm	Gang	Thép
Thành phần	Hợp kim Hợp kim của Fe và C ( C chiếm khoảng từ 2% – 5% về khối lượng) và một số lượng nhỏ các nguyên tố khác.	Hợp kim của Fe và C ( C chiếm dưới 2%) và một số lượng nhỏ các nguyên tố vi lượng.
Độ cứng	Cao hơn	Thấp hơn
Độ bền kéo	Thấp hơn	Cao hơn
Độ giòn	Giòn hơn, dễ nứt gãy	Ít giòn, chịu va đập tốt
Độ dẻo	Thấp	Cao
Chống ăn mòn	Gang tự nhiên chống ăn mòn tốt hơn thép	Thép chống ăn mòn tốt hơn khi thêm Cr ( Thép không gỉ)
Gia công	Dễ đúc và tạo hình, ít co ngót	Khó đúc hơn nhưng dễ rèn và định hình
Giá thành	Thấp	Cao hơn
Ứng dụng	Chế tạo thân máy, bệ máy, ống nước, đồ gia dụng, đồ nội thất…	Kết cấu xây dựng, cầu đường, ô tô, tàu biển…

Từ bảng trên ta có thể thấy:

Gang thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi cường độ nén cao, khả năng chống mài mòn và giữ nhiệt cao. Trong khi thép được đánh giá cao về tính linh hoạt, độ bền và độ dẻo.

Gang thường được sử dụng trong các công trình yêu cầu khối lượng lớn với ngân sách hạn hẹp. Trong khi thép thích hợp với các ứng dụng yêu cầu độ cứng và độ bền cao.

Trên đây là những chi sẻ của chúng tôi về vật liệu gang. Hiện nay Van Nhập Khẩu có rất nhiều loại van làm bằng chất liệu gang, cùng với các chất liệu khác như đồng, inox, thép,… quý khách hàng quan tâm tới sản phẩm xin vui lòng liên hệ HOTLINE: 0969 103 458 để được chúng tôi tư vấn nhanh nhất.

Cập nhật lúc 11:06 – 30/12/2024

4.2/5 - (17 bình chọn) Trịnh Dung

Trịnh Dung là cử nhân Học viện Báo chí và Tuyên truyền. Dung từng tham gia nhiều cuộc thi và đạt nhiều giải thưởng trong các cuộc thi viết báo chí. Trịnh Dung có hơn 5 năm kinh nghiệm trong việc viết bài liên quan đến báo chí,pháp luật, van công nghiệp. Hiện đang công tác và làm việc tại Van nhập khẩu Âu Việt