Gang là gì? Tính chất và phân loại gang trắng, gang graphit

Gang là chất liệu rắn, có màu xám, độ giòn cao được chế tạo từ hợp kim sắt và hàm lượng carbon. Dựa vào hàm lượng loại kim mà có thể sản xuất ra nhiều loại gang có đặc tính khác nhau như: Gang xám, gang dẻo, gang cầu…Để hiểu rõ hơn về chất liệu gang, hãy cùng chúng tôi khám phá thông tin trong bài viết dưới đây.

Gang là gì?

Gang có tên tiếng Anh là Cast iron là hợp kim của Sắt, Cacbon và một số nguyên tố khác như Si, Mn, P, S, trong đó hàm lượng Cacbon chiếm tỷ lệ lớn nhất từ 2,14 – 4%. Gang có màu sắc chủ đạo thường là xám và có đặc tính nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp.

Gang được sản xuất và tạo hình trong nhiệt độ từ 1150 đế 1200 độ C, thấp hơn 300 độ C so với sắt nguyên chất nên có đặc tính giòn (trừ gang dẻo), độ chảy loãng cao, tính đúc tốt, khả năng chịu nén và chống ăn mòn tốt. 

Hiện nay, gang được dùng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng, đặc biệt trong sản xuất các loại van công nghiệp như: Van xả khí gang, Van bướm gang điện, Van bi gang

Thành phần hóa học của gang 

Thành phần hóa học của gang gồm: Cacbon (C), Silich (Si), Mangan (Mn), Photpho (P), Lưu huỳnh (S). Xem chi tiết bên dưới đây:

• Cacbon (C)

Trong gang Cacbon chiếm khoảng 2,14 – 4%, hàm lượng Cacbon càng cao thì độ dẻo và tính dẫn nhiệt của gang sẽ càng giảm. Đặc biệt, sự tồn tại của nguyên tố Cacbon còn ảnh hưởng đến sự tạo thành các loại gang khác nhau. Cụ thể nếu cacbon trong gang ở dạng hợp chất hóa học xementit thì gọi là gang trắng, ở dạng tự do thì gọi là gang xám.

• Sắt (Fe)

Sắt là nguyên tố đóng vai trò quan trọng thứ hai cấu thành gang chiếm hơn 95% theo trọng lượng. Sắt có vai trò tạo nên độ bền cao, tính uốn dẻo tốt và khả năng chống chịu mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trường cho gang. Hàm lượng Sắt càng cao thì khả năng chống va đập và độ bền càng cao.

• Silic (Si)

Đây là nguyên tố ảnh hưởng nhiều nhất đến cấu trúc tinh thể của gang bởi nó có vai trò thúc đẩy quá trình graphit hóa và chiếm 1 – 3% trong cấu tạo. Nếu hàm lượng Silic càng cao thì sẽ làm tăng độ chảy loãng và tính mài mòn của gang trong mọi điều kiện môi trường.

• Mangan (Mn)

Hàm lượng Mangan trong gang trắng chiếm 2-2,5%, trong gang xám chiếm không quá 1,3%. Vai trò của Mangan giúp tạo thành gang trắng và ngăn cản quá trình graphit hóa. Đồng thời, còn giúp tăng tính chịu mài mòn, tăng độ bền và làm giảm bớt phần nào tác hại của lưu huỳnh.

• Photpho (P)

Photpho là nguyên tố đóng vai trò như con dao 2 mặt trong cấu tạo của gang và chỉ chiếm hàm lượng không quá 0,1%, có một số loại gang có thể đến 1,2%. Ưu điểm của thành phần này giúp tăng tính chảy loãng của gang để đúc tượng hoặc tạo hình. Nhược điểm là làm giảm độ bền, tăng độ giòn của gang và dễ gây nứt, gãy ở nhiệt độ cao.

• Lưu huỳnh (S)

Lưu huỳnh chiếm thành phần kiểm soát trong khoảng 0,05 – 0,12% khối lượng trong gang vì là nguyên tố có hại, làm cản trở quá trình graphit hóa. Ngoài ra còn làm giảm tính chảy loãng, giảm tính đúc và cả độ bền cho gang. Lưu huỳnh kết hợp với Sắt còn gây tình trạng bở nóng, dễ bị nứt gãy.

Xem thêm:

• Thép C45 là gì?
• Polyvinyl Clorua là gì?

Tính chất của gang

• Gang có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng 1150 đến 1200°C, thấp hơn 300°C so với sắt nguyên chất.
• Có khả năng chịu được trọng lượng lớn, chống va đập, chống mài mòn.
• Đặc tính của gang là chịu nén, dễ đúc, dễ nấu luyện với độ giòn cao nên không phù hợp để gia công hàn.
• Gang trắng có tính cứng, giòn, tính cắt gọt kém nên chỉ được dùng trong công nghệ đúc.
• Gang xám giòn có khả năng chống uốn kém, khó rèn, khi làm nguội rất dễ bị biến trắng, khó gia công cơ khí. Đây là loại gang được sử dụng ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
• Với các chi tiết có hình dạng phức tạp, khó tạo kiểu như: Bánh răng, thân máy, thân van, ổ trượt, bánh đai… thường sử dụng gang graphit để gia công. Tuy nhiên trong gia công cơ khí không sử dụng gang trắng vì chúng có độ cứng, độ giòn cao, khó gia công cắt, hàn.

Tìm hiểu các loại gang phổ biến hiện nay

Theo thống kê, tùy thuộc vào thành phần hóa học hiện nay gang được chia thành hai loại chính như sau:

Gang xám – Gray Cast Iron

Loại gang này phổ biến nhất hiện nay được thiết kế toàn bộ Cacbon tồn tại dưới dạng graphit ở dạng tấm, phiến, chuỗi… Đặc điểm nhận biết gang xám nguyên chất là bề mặt vật có màu xám, đây là màu đặc trưng của ferit và graphit tự do.

Ưu điểm của gang xám có mức giá thành khá rẻ, nhiệt độ nóng chảy thấp 1350ºC, khả năng cách âm cao, tính đúc, uốn dẻo tốt. Ngoài ra, còn giúp tăng độ mài mòn và làm giảm độ co ngót khi đúc.

Nhược điểm của gang xám là trọng lượng nặng, bề mặt xù xì, không mang tính thẩm mỹ cao, nhất là có độ giòn cao, khó rèn. Do đó được ứng dụng chủ yếu trong ngành kỹ thuật tại các khu công nghiệp, nhà máy, sản xuất…

Gang trắng – White Cast Iron

Gang trắng hay còn gọi là gang thường là hợp kim Fe – C trong đó hàm lượng cacbon ở dạng liên kết Fe3C là 3-3,5%. Vì vậy, gang trắng luôn chứa hỗn hợp cùng tinh. Gang trắng thường được chia làm 3 loại. Cụ thể:

• Gang trắng trước cùng tinh %C ≤ 4,3%.
• Gang trắng cùng tinh %C = 4,3%.
• Gang trắng sau cùng tinh %C ≥ 4,3%.

Đặc tính của dòng gang này có màu sáng trắng, độ cứng, độ giòn cao, khó gia công cắt hoặc hàn. Do đó được ứng dụng chủ yếu để luyện thép hoặc chế tạo các chi tiết máy cần tính chống ăn mòn cao. Hoặc sử dụng để đúc ủ thành các loại gang khác như gang dẻo, gang xám biến trắng.

Gang cầu – Cast Iron

Gang cầu được thiết kế bên ngoài có dạng quả cầu tròn với đặc tính có độ bền cao, chống va đập tốt, tính bền dẻo, chống mài mòn tốt. Thành phần của gang cầu gồm 4,3 – 4,6% nguyên tố C và Si. Vì vậy, gang cầu có độ bền cao nhất trong các loại gang.

Hiện nay, gang cầu được ứng dụng phổ biến, thông dụng trong sản xuất các loại van công nghiệp như: Van cổng, van bướm khí nén gang, van một chiều… mục đích đảm bảo an toàn, chất lượng và đáp ứng một cách tốt nhất điều kiện, môi trường, lĩnh vực cần sử dụng…Ngoài ra, còn được dùng để chế tạo các chi tiết máy trung bình và lớn có hình dạng phức tạp, cần chịu tải trọng cao, chịu kéo và va đập tốt.

Gang dẻo – Ductile Iron

Gang dẻo là dạng graphit cụm bông, đã được ủ “graphit hóa” từ gang trắng trong khoảng nhiệt độ 850 – 1050⁰C. Ưu điểm của loại gang này có tính dẻo cao, độ bền cơ học tốt, tính thẩm mỹ cao, tuổi thọ lâu dài và chống chịu tốt điều kiện khắc nghiệt từ môi trường như nhiệt độ cao, áp lực lớn.

Trong ngành van công nghiệp, tất cả các loại van đều có thể được chế tạo bằng gang dẻo. Tuy nhiên, so với gang xám sẽ ít được sử dụng hơn do có giá thành cao và công nghệ sản xuất phức tạp.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của gang

Các thành phần hóa học

Các thành phần hóa học ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và cấu tạo của gang. Với mỗi thành phần với tỷ trọng khác nhau sẽ làm thay đổi hoàn toàn cấu trúc của gang. 

– Thành phần cacbon: Ảnh hưởng đến quá trình graphit hóa. Nếu cacbon ở dạng hợp chất hóa học xementit sẽ tạo ra gang trắng, cacbon ở dạng tự do graphit sẽ tạng ra gang xám.

– Thành phần Silic: Là nguyên tố thúc đẩy quá trình graphit hóa. Nếu Silic tăng sẽ làm tăng tính ăn mòn và tăng độ chảy loãng của gang nên hàm lượng phù hợp sẽ khoảng 1,5 – 3%.

– Thành phần Mangan: Nguyên tố giúp ngăn cản quá trình graphit hóa và dùng để tạo thành gang trắng với hàm lượng 2 – 2,5%. Đồng thời tác động đến phản ứng hóa học của lưu huỳnh và làm tăng khả năng chịu mài mòn, tăng độ bền của gang.

– Thành phần Photpho: Đây là nguyên tố hóa học có tính chảy loãng nên thường được sử dụng hàm lượng nhỏ 0,1% – 1,2% để tạo hình và uốn dẻo gang, giúp hạn chế tình trạng gãy, nứt, giảm độ dòn.

Tốc độ nguội

Tốc độ nguội của gang là thời gian làm đông đặc các nguyên tố và điều kiện cần để làm đông đặc gang như: Thời gian, vật đúc, phương pháp chế tác…Nếu muốn làm gang trắng yêu cầu tốc độ nguội nhanh, làm gang xám tốc độ nguội sẽ chậm hơn.

Yếu tố nhiệt độ

Để chế tác gang có độ bền cao, kết tinh các nguyên tố hóa học và phân bố đồng đều chúng thì quá trình nung gang để tạo ra sự quá nguội cần thực hiện nhiều lần cho đến khi khử được các vật lẫn phi kim và làm hòa tan các hạt graphit. Nhiệt độ để nung gang từ 1150 độ C đến 1200 độ C.

Quy trình sản xuất gang

– Nguyên liệu: quặng sắt trong tự nhiên: manhetit (Fe3O4), hematit (Fe2O3); than cốc.

– Nguyên tắc sản xuất gang: dùng CO khử oxit sắt trong lò cao

– Quá trình sản xuất gang trong lò cao:

Tạo khí CO:

C + O₂  CO₂

C + CO₂  2CO

Khử oxit sắt trong quặng sắt:

3CO + Fe₂O₃  3CO₂ + 2Fe

Tạo xỉ:

CaO + SiO₂  CaSiO₃

Ứng dụng của gang hiện nay

Với những ưu điểm, đặc tính nổi bật của gang như độ giòn cao, chống ăn mòn, chịu được nhiệt độ cao. Hiện nay, gang được ứng dụng để sản xuất phổ biến trong rất nhiều lĩnh vực như:

• Gang xám được ứng dụng để chế tạo các động cơ đốt trong, bệ máy, chân đế, hộp số, bánh đà, xi lanh
• Gang trắng dùng để làm các bề mặt vòng bi, bạc đạn
• Gang dẻo được ứng dụng trong sản xuất vòng bi trục, trục khuỷu xe hơi, bánh đai
• Gang niken dùng để chế tạo các thiết bị cơ khí cần độ bền cao, khả năng chịu nhiệt và chịu ăn mòn tốt
• Trong sản xuất các loại van công nghiệp: van cổng, van bướm, van cầu trong môi trường nước, van bi trong hệ thống hơi nóng…
• Gang cầu được sử dụng để làm trục khuỷu, ống nước đường kính lớn, nắp hố ga, song chắn… vì độ an toàn cao, thi công dễ dàng và giá thành rẻ.
• Trong lĩnh vực trang trí bằng chạm khắc vì gang có tính đúc tốt, bề mặt có thể mài dũa dễ dàng.

Tuấn Hưng Phát vừa chia sẻ chi tiết đến bạn đọc về tính chất của gang, các loại gang phổ biến và ứng dụng của gang trong hầu hết các lĩnh vực. Hy vọng bài viết này sẽ cung cấp đủ thông tin mà bạn cần, hãy đánh giá nếu thấy hài lòng về bài viết này.

• CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI TUẤN HƯNG PHÁT
• Địa chỉ: LK37/11 KĐT Phú Lương, Phú Lương, Hà Đông, Hà Nội, Việt Nam
• Hotline: 0961694858
• Website: https://tuanhungphat.vn/
• Email: Kinhdoanh@tuanhungphat.vn
• Fanpage: FB.com/tuanhungphat.vn