GIỚI THIỆU CHUNG VỀ GANG

1.1 – Thành phần hóa học

Như đã biết từ trước, gang là hợp kim Fe – C với lượng cacbon vượt quá 2% (đúng ra là 2,14%, ứng với bên phải điểm E của giản đồ trạng thái Fe – C). Cacbon là nguyên tố quan trọng trong gang. Từ giản đồ trạng thái Fe – C thấy rõ ràng lượng cacbon cao, nhiệt độ nóng chảy của gang thấp hơn đáng kể so với thép, do vậy thực tế nấu chảy gang dễ thực hiện hơn so với thép. Thường không dùng gang > 5%C. Hai nguyên tố khác thường gặp trong gang với lượng khá lớn (từ 0,5 đến trên 2%) là Mn và Si. Đó là hai nguyên tố có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit, cơ tính của gang. Trong các loại gang giới hạn của hai nguyên tố này thay đổi trong phạm vi tương đối rộng.

Photpho và lưu huỳnh  là hai nguyên tố với lượng chứa ít khoảng 0,05 – 0,5%, trong đó lưu huỳnh là nguyên tố có hại đối với gang càng ít càng tốt.

Ngoài ra trong gang còn có thể có chứa một số nguyên tố khác như các nguyên tố hợp kim (Cr, Ni, Mo…), các nguyên tố biến tính (Mg, Ce…).

1.2. Tổ chức tế vi

Theo tổ chức tế vi người ta phân chia ra các loại gang: gang trắng, gang xám, gang cầu, gang dẻo

Gang trắng là loại gang trong đó tất cả cacbon nằm ở dạng liên kết trong hợp chất Xementit Fe₃C. Như vậy tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái Fe – C luôn có chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit.

Các gang xám, cầu, dẻo là loại gang trong đó phần lớn hay toàn bộ cacbon ở dạng tự do – graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm. Trong tổ chức không có Ledeburit, do đó tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe – C.

Tổ chức tế vi của gang có graphit còn phụ thuộc và tỷ lệ phân bố của cacbon ở pha graphit và Xementit. Người ta chia tổ chức của chúng ra hai phần: phần phi kim loại  – graphit và nền kim loại gồm ferit và xementit. Khi tất cả cacbon ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức chỉ gồm có ferit, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức có thể là ferit – peclit, peclit hoặc peclit – xementit.

Chính do đặc điểm về tổ chức như vậy mà các loại gang có cơ tính và công dụng khác nhau. Để đạt được tổ chức tế vi quy định mỗi loại gang lại có thành phần nguyên tố khác nhau.

1.3. Cơ tính và công nghệ

Về cơ tính, nhìn chung gang là loại vật liệu có độ bền kéo thấp, độ dòn cao. Xementit là pha cứng và dòn, sự tồn tại của nó với một lượng lớn và tập trung trong gang trắng làm dễ dàng cho sự tạo vết nứt  dưới tác dụng của tải trọng kéo. Do đó gang trắng có độ bền kéo thấp và độ dòn cao.

Trong gang xám, gang dẻo, gang cầu tổ chức graphit như là các lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền. Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit, lớn nhất ở gang xám với graphit dạng tấm và bé nhất ở gang cầu với graphit dạng cầu tròn. Vì vậy gang cầu có độ bền cao nhất phối hợp với tính dẻo tốt nhất trong các loại gang. Ngoài ra sự có mặt của graphit trong gang có một số ảnh hưởng tốt đến cơ tính như tăng khả năng chống mài mòn do ma sát (vì bản thân graphit có tính bôi trơn, thêm vào đó có “lỗ hổng” graphit là nơi chứa dầu bôi trơn như khi dùng làm ổ trượt), làm tắt rung động và dao động cộng hưởng.

Về tính công nghệ, gang có tính đúc và tính gia công cắt tốt: các loại gang thường dùng có thành phần gần cùng tinh nên nhiệt độ chảy thấp, do đó độ chảy loãng cao và đó là một trong những yếu tố quan trọng của tính đúc, graphit trong các gang xám, dẻo và cầu làm phoi dễ gãy vụn khi gia công cắt (tiện, phay, bào….)

1.4. Công dụng

Nói chung gang có cơ tính tổng hợp không cao như thép, nhưng có tính đúc tốt, gia công cắt dễ, chế tạo đơn giản hơn (do nhiệt độ chảy thấp, nấu chảy và đúc gang dễ hơn thép) và rẻ. Vì vậy các loại gang có graphit được dùng rất nhiều trong chế tạo cơ khí.

Người ta dùng gang để làm rất nhiều các chi tiết máy. Ví dụ, trong ô tô các chi tiết bằng gang có thể chiếm tới 40% khối lượng kim loại, trong các thiết bị và máy tĩnh tại, tỷ lệ này còn cao hơn, tới 50 – 80%. Có nhiều loại sản phẩm được dùng với khối lượng lớn, được làm bằng gang như ống dẫn nước cỡ lớn. Nói chung, gang được dùng để chế tạo các loại chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập như bệ máy, vỏ, nắp, các bộ phận ít phải di chuyển.

Hiện nay đã xuất hiện các loại gang tốt với cơ tính cao, có thể dùng  để thay thế cho thép trong một số trường hợp như gang cầu để làm trục khuỷu.

2. TỔ CHỨC TẾ VI VÀ CƠ TÍNH CÁC LOẠI GANG

2.1. Tổ chức tế vi và cơ tính của gang xám

2.1.1. Tổ chức tế vi

Hình 9.1.Tổ chức tế vi gang xám

Gang xám là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ cacbon của nó nằm ở dưới dạng tự do – Graphit rất ít hay không có cacbon ở dưới dạng liên kết với sắt – Xe (lượng cacbon liên kết khoảng dưới 1% cacbon trong tổng lượng cacbon của gang thường là 3¸4%). Do trong tổ chức có nhiều Gr, mặt gang có màu xám tối.

Tổ chức tế vi gồm 2 phần: phần nền và Graphit

* Phần nền: phụ thuộc voà mức độ graphit hoá mà có các loại nền khác nhau.

– Nền Peclit – gang xám peclit: Có mức độ tạo thành Graphit bình thường, trong đó lượng cacbon liên kết khoảng 0,6 ¸ 0,8% tạo nền peclit tương ứng với thép cùng tích. Khi đó, tổ chức của gang gồm Graphit tấm và nền kim loại Peclit.

– Nền Peclit – Ferit – gang xám  Peclit – Ferit có mức độ tạo thành Graphit mạnh trong đó lượng cacbon liên kết chỉ khoảng 0,1 ¸ 0,6% tạo nên nền kim loại Peclit – Ferit, tương ứng với thép trước cùng tích. Tổ chức của gang gồm: Graphit tấm và nền kim loại Peclit – Ferit.

– Nền Ferit – gang xám Ferit: có mức độ tạo thành Graphit mạnh nhất, trong đó tất cả cacbon đều ở dạng tự do – Graphit lượng cacbon liên kết không có, tức là không có Xementit. Gang chỉ có hai pha Graphit tấm và nền kim loại là Ferit.

* Graphit: Graphit trong gang xám có dạng tấm cong (đó là dạng tự nhiên thường gặp trong gang) chia cắt toàn bộ nền gang và không có chuyển biến khi nhiệt luyện.

Thành phần hoá học: Thành phần các nguyên tố trong gang xám phải đảm bảo mức độ tạo thành Graphit và cơ tính theo yêu cầu.

Cacbon: Cacbon càng nhiều, khả năng tạo thành Graphit càng mạnh, nhiệt độ chảy càng thấp, càng dễ đúc. Tuy nhiên, không thể dùng gang với hàm lượng cacbon quá cao vì lúc đó sẽ có quá nhiều Graphit làm giảm cơ tính của gang. Xu hướng là dùng gang với lượng cacbon càng thấp càng tốt. Thông thường, hàm lượng cacbon từ 2,8 ¸ 3,5%.

Silic: Silic là nguyên tố thúc đẩy mạnh sự tạo thành graphit, nó là nguyên tố quan trọng nhất trong gang xám. Theo mức độ tạo thành graphit nên người ta không chế lượng silic của gang xám trong khoảng 1,5% ¸ 3%. Ngoài ra, trong gang silic hoà tan vào Ferit làm tăng rất mạnh độ cứng và độ bền của pha này.

Mangan: Mangan là nguyên tố cản trở sự tạo thành graphit tức làm hoá trắng gang. Để đảm bảo yêu cầu tạo thành graphit, giữa Mn và Si cần phải có tỉ lệ tương ứng. Thường dùng gang xám với lượng 0,5 ¸ 1%Mn.

Lưu huỳnh: Là nguyên tố cản trở mạnh sự tạo thành graphit của gang, ngoài ra còn làm xấu tính đúc của gang do làm giảm độ chảy loãng. Do vậy, phải hạn chế lượng lưu huỳnh trong mọi loại gang.

Photpho: Là nguyên tố không ảnh hưởng gì đến sự tạo thành graphit nhưng photpho có ích trong những trường hợp sau:

– Làm tăng tính chảy loãng

– Làm tăng tính chống mài mòn do tạo nên cùng tinh

2.1.2. Cơ tính

Do ảnh hưởng của graphit ở dạng tấm mà gang xám có cơ tính kém hơn thép nhiều.

– Chịu nén tốt.

– Chịu kéo và uốn kém graphit là pha có độ bền rất thấp nên ở trong gang nó như những vết rỗng, nứt làm mất sự liên tục của nền kim loại do vậy làm giảm mạnh độ bền kéo.

– Có khả năng dập tắt dao động do tác dụng hấp thụ của graphit.

– Tính đúc cao do tác dụng của Si nên tính chảy loãng cao

Các yếu tố ảnh hưởng đến cơ tính của gang:

* Ảnh hưởng của graphit

– Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào số lượng, độ lớn và sự phân bố của graphit. Graphit càng nhiều tức là số vết rỗng càng nhiều thì cơ tính của gang càng kém.

– Độ lớn hay kích thước của graphit ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang xám. Graphit tấm càng dài tức sự chia cắt nền kim loại càng lớn, cơ tính của gang xám càng thấp. Để nâng cao cơ tính của gang xám phải dùng các biện pháp làm nhỏ mịn graphit làm graphit càng ngắn, càng nhỏ, cong thì càng tốt.

*Ảnh hưởng của nền kim loại

Nền kim loại của gang có cơ tính càng cao sẽ là yếu tố quan trọng giúp tạo nên gang có cơ tính cao. Do vậy với chất lượng graphit như nhau, gang xám với nền kim loại Peclit có độ bền cao hơn so với nền ferit – peclit, và nền ferit – peclit có độ bền cao hơn so với nền ferit.

Độ cứng của gang xám phụ thuộc khá nhiều vào lượng cacbon liên kết, tức vào nền kim loại, lượng cacbon liên kết càng nhiều độ cứng càng cao.

Độ dẻo của gang xám hầu như không bị ảnh hưởng gì bởi nền kim loại.

ảnh hưởng của nền kim loại tới cơ tính của gang được trình bày ở bảng sau:

Bảng 9.1.Cơ tính của các loại gang xám

Loại gang xám	Giới hạn bền kéo  N/mm2	Độ cứng HB kG/mm2	Độ giãn dài tương đối
Ferit	< 150	150	0,5
ferit – peclit	150 – 200	200	0,5
Peclit	210 – 400	220 – 250	0,5

Với cơ tính như  trên  gang xám thường được làm các chi tiết chịu tải nhẹ và trung bình, chịu nén ít chịu kéo, ít chịu va đập

Ký hiệu:

– Tiêu chuẩn của Việt Nam GX _a-b

a: giới hạn bền kéo (KG/mm²)

b: giới hạn bền uốn (KG/mm²)

Ví dụ: GX_14-24 , GX_12-28

2.2. Tổ chức tế vi và cơ tính của gang dẻo

Tổ chức tế vi của gang dẻo cũng giống như gang xám và gang cầu song chỉ khác ở chỗ: graphit của nó ở dạng hoa bông xù xì phân bố đều.

Hình 9.2.Tổ chức tế vi gang dẻo

2.2.1. Thành phần hoá học và tổ chức tế vi

Trong gang dẻo, graphit được tạo ra trong quá trình ủ do đó thành phần hoá học của gang dẻo phải đảm bảo sao cho quá trình Graphit hoá không được xảy ra ở bất cứ bộ phận nào khi kết tinh mà chỉ được xảy ra khi ủ vì vậy, lượng cacbon và Si không được nhiều quá để không có Graphit hoá khi kết tinh vật đúc nhưng phải đủ để xảy ra Graphit hoá khi ủ.

– Lượng cacbon trong gang dẻo càng thấp càng tốt, vì khi lượng cacbon thấp tính dẻo của gang sau khi ủ càng cao tuy nhiên lại gây ra khó khăn về mặt công nghệ.

Tổ chức tế vi của gang dẻo cũng giống như gang xám và gang cầu, song chỉ khác ở hai điểm: graphit của nó ở dạng cụm (là dạng tương đối thu gọn) và graphit cụm này tạo nên không phải ở khi đúc mà ở khi ủ tiếp theo.

Muốn được gang dẻo phải nấu gang có thành phần xác định và đúc thành vật đúc có tổ chức trong gang trắng rối tiến hành ủ graphit hóa tiếp theo.

Cũng giống như gang xám và gang cầu, theo tổ chức tế vi của nền kim loại cũng có ba loại gang dẻo: ferit, ferit – peclit và peclit. Hình bên trình bày tổ chức tế vi của gang dẻo.

2.2.2. Quy trình ủ gang trắng thành gang dẻo

Hình 9.3.Quy trình ủ gang trắng thành gang dẻo

Gang đem ủ là gang trắng trước cùng tinh.

– Đầu tiên gang trắng trước cùng tinh với tổ chức P + Xe_II được nung nóng tới 1000⁰C, tại nhiệt độ này, gang trắng có tổ chức g+ (α+Xe)

– Giữ lâu ở 1000⁰C từ A –> B có quá trình phân hoá của Xe và quá trình Gr hoá ở nhiệt độ cao.

Fe₃C g₀ + Gr

Giai đoạn này được gọi là giai đoạn Gr hoá lần thứ nhất, trong đó xảy ra quá trình Gr hoá của Xe cùng tinh.

– Làm nguội chậm từ 100⁰C xuống 700⁰C từ B –> C có quá trình xảy ra là Graphit giữ nguyên, g_2,14 ® P_0,8 + Xe_6,67

Nếu quá trình ủ dừng lại ở C sẽ nhận được gang dẻo P. Để được gang dẻo F phải tiếp tục ủ.

– Giữ lâu nhiệt độ ở 700⁰C từ C ® E, Xe trong cùng tích P bị phân hoá theo phản ứng

Fe₃C_6,67 ® a_0,02 + G₁₀₀

Sau khi Xe cùng tích phân hoá hết, gang chỉ có tổ chức F + G tức là gang dẻo F.

(Nếu từ E làm nguội nhanh thu được gang dẻo F; nếu dừng ở D sau đó nguội nhanh thu được gang dẻo P – F).

2.2.3. Cơ tính của gang dẻo

– Do Graphit ở dạng tương đối tập trung nên gang dẻo có độ bền kéo cao hơn gang xám nhưng kém hơn gang cầu.

– Có độ cứng và độ bền tương đối cao gần bằng thép

– Tính đúc cao hơn thép nên được dùng để sản xuất các chi tiết lớn, phức tạp chịu tải trọng cao thay cho thép trong sản xuất hàng loạt.

 Ký hiệu

– Theo TCVN: GZ_a-b

a: ứng suất kéo (KG/mm²)

b: độ giãn dài tương đối (%)

Vi dụ: GZ_30-6; GZ_45-6

2.3. Gang cầu

Gang cầu hay còn gọi là gang có độ bền cao với Graphit cầu, là loại gang có độ bền cao nhất, đồng thời có thể chịu được tải trọng trong va đập.

9.2.3.1. Tổ chức tế vi

Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống như gang xám, song chỉ khác là graphit của nó có dạng thu gọn nhất – hình quả cầu . Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám.

Muốn được gang cầu phải tiến hành biến tính gang xám bằng chất biến tính đặc biệt.

Giống như gang xám, theo tổ chức tế vi của nền kim loại cũng có ba loại gang cầu: ferit, ferit – peclit và peclit. Hình vẽ sau trình bày tổ chức tế vi của gang cầu ferit – peclit.

Hình 9.4.  Tổ chức tế vi của gang cầu ferit – peclit

2.3.2. Thành phần hoá học và cách sản xuất vật đúc gang cầu

* Thành phần hoá học:

– Về cơ bản, thành phần hoá học của gang cầu giống gang xám song chỉ khác là Mg và Ce với lượng rất nhỏ. Quá trình biến tính gang lỏng để nhận được gang có Graphit cầu là quá trình tương đối phức tạp vì Mg là nguyên tố có ái lực mạnh với oxi nên dễ bị cháy. Trong khi đó nếu quá trình ít Mg thì chưa đủ tác dụng cầu hoá Graphit còn nhiều Mg lại làm gang hoá trắng.

– Thành phần hoá học của gang cầu sau khi biến tính gồm: 3 ¸ 3,6% C; 2 ¸ 3% Si; 0,5 ¸ 1% Mn, gần 2 % Ni; 0,04 ¸ 0,08 % Mg còn lượng P, S rất nhỏ.

* Cách sản xuất vật đúc gang cầu:

Gang cầu thu được trực tiếp từ quá trình đúc. Để đảm bảo quá trình đó thì gang đem cầu hoá phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

– Phải có đủ hàm lượng Si để Graphit hoá

– Phải có nguyên tố cầu hoá làm thúc đẩy tạo Graphit dạng cầu phân tán (sử dụng Mg dưới dạng hợp kim Mg – Ni để tránh bị cháy Mg).

2.3.3. Cơ tính gang cầu

Gang cầu là dạng gọn nhất, ít chia cắt nền kim loại nhất và ít tập trung ứng suất hơn cả, do vậy ít làm giảm cơ tính của nền kim loại. Cơ tính của gang cầu phụ thuộc chủ yếu vào tổ chức của nền kim loại.

– Có độ bền nhất định, độ cứng cao (tương đương với thép cacbon)

– Có độ dẻo dai tương đối cao nên có thể chịu tải trọng chu kỳ tốt

– Tính đúc cao, do có các tính chất trên nên gang cầu được sử dụng để sản xuất các chi tiết phức tạp thay cho thép.

 Ký hiệu

– Theo TCVN: GC_a-b

a: ứng suất kéo s_k (KG/mm²)

b: độ giãn dài tương đối (%)

Ví dụ: GC_60-2; GC_70-3