Theo bạn gang là gì ? Gang được hình thành như thế nào? Làm thế nào để chế tạo được gang? Đặc tính của chúng giúp gì trong đời sống ? Hôm nay GOAT sẽ cùng các bạn khám phá bài viết giới thiệu về khái niệm và tính chất của gang.

GIỚI THIỆU KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT CỦA GANG

Khái niệm về gang

Gang (tiếng Anh: cast iron) là một nhóm vật liệu hợp kim cacbon có hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14%. Tính hữu dụng của gang nhờ vào nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp của nó.

Thành phần cấu tạo trong hợp kim gang ảnh hưởng đến màu sắc của gang khi bị gãy: gang trắng có tạp chất carbide cho phép các vết nứt đi thẳng; gang xám có các mảnh graphit làm lệch vết nứt và tạo ra vô số vết nứt mới khi vật liệu bị vỡ; và gang cầu có các “nốt” graphit hình cầu, giúp ngăn cản việc đứt gãy tiếp tục.

Tính chất của gang

Thành phần hóa học của gang bao gồm chủ yếu là: sắt (hơn 95% theo trọng lượng), các nguyên tố hợp kim chính là cacbon (2,14 đến 4%) và silic (1 đến 3%), ngoài ra có thêm các nguyên tố phụ như: phosphor, lưu huỳnh, mangan…

➡ Gang có đặc tính giòn, ngoại trừ gang dẻo. Với điểm nóng chảy tương đối thấp, độ chảy loãng cao, tính đúc tốt, khả năng chịu nén và chống mài mòn tốt, gang đã trở thành vật liệu kỹ thuật với nhiều ứng dụng và được sử dụng trong đường ống, máy móc và các bộ phận công nghiệp ô tô, như xi lanh đầu, khối xi lanh và hộp số. Gang có khả năng chống oxy hóa.

CÁC THÀNH PHẦN HÓA HỌC ẢNH HƯỞNG ĐẾN GANG THẾ NÀO

Theo thành phần hóa học của gang và tính chất của chúng thì gang được phân chia thành 2 dạng đặc trưng: Gang trắng, Gang graphit

Theo giản đồ trạng thái Fe-C, gang là hợp kim của sắt-cacbon với lượng cacbon lớn hơn 2,14%. 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 cacbon và silic. Hàm lượng của cacbon trong gang nằm trong khoảng từ 2,14% và có thể lên đến 6,67% trọng lượng. Một phần đáng kể silic (1-3%) trong gang tạo thành tổ hợp hợp kim Fe-C-Si.

Gang-duc

Phân loại theo cấu tạo và tính chất của gang

Theo tổ chức tế vi (microstructure), có thể phân chia gang thành hai nhóm chính: gang trắng và gang graphit.

Gang trắng (white cast iron) là loại gang có tổ chức tế vi tương ứng với giản đồ pha Fe-C, toàn bộ cacbon của nó nằm dưới dạng liên kết hóa học với sắt trong tổ chức cementit Fe3C. Vì vậy, gang trắng luôn chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit (Ledeburite). Về mặt tổ chức tế vi, gang trắng chia làm ba loại: Gang trắng trước cùng tinh (%C ≤ 4,3%), cùng tinh (%C = 4,3%), và sau cùng tinh (%C ≥ 4,3%). Mặt gãy của nó có màu sáng trắng đó là màu của cementit.

Gang graphit là các loại gang mà phần lớn cacbon nằm dưới dạng tự do (graphit) với hình dạng khác nhau: tấm, cầu, cụm. Gang graphit có rất ít hoặc không có tổ chức cementit Fe3C. Do vậy, mặt gãy của gang graphit có màu xám (màu của graphit). Tổ chức graphit phân bố trên nền kim loại ferrit, ferrit-peclit, và peclit. Tuỳ thuộc hình dáng của graphit người ta chia ra các loại:

• Gang xám (gray cast iron): Graphit dạng tấm.
• Gang cầu (ductile iron)[1]: Graphit dạng cầu là dạng được cầu hóa khi đúc.
• Gang dẻo (malleable iron): Graphit dạng cụm bông, đã được ủ “graphit hóa” từ gang trắng.
• Gang xám biến trắng (flame-hardened gray iron): Bản chất là gang xám nhưng có bề mặt được làm nguội nhanh khi đúc trong khuôn, nên bề mặt sẽ biến thành gang trắng.
• Gang graphit ngắn (compacted graphite iron), còn gọi là gang CGI, GJV, CV): Tinh thể graphit ngắn và dày hơn so với trong gang xám. Gang graphit ngắn còn được gọi là ‘gang graphit thiêu kết’ (sintered graphite) do các hạt hợp kim gang được ép vào khuôn ở áp suất cao và nung ở nhiệt độ cao để các hạt graphit liên kết lại với nhau.

  Bài viết liên quan: Mác gang là gì ?

KHỐI LƯỢNG RIÊNG CỦA GANG

Khối lượng riêng của gang kg/m3 bằng bao nhiêu? Và chúng có khác nhau giữa gang cầu và gang xám không? Câu trả lời là có. Vậy khối lượng riêng của gang xám và gang cầu là bao nhiêu?

Gang là hợp kim của Sắt và Cacbon cùng các thành phần khác như Silic, Mangan, Niken, Magie, Đồng…

Khối lượng riêng của gang là gì?

Có lẽ chúng ta đều có một phần mang máng về công thức tính khối lượng riêng (D=m/V). Công thức trải dài khắp chương trình học phổ thông của chúng ta. Vậy cùng nhắc lại định nghĩa với vật chất cụ thể là gang nhé:

“Khối lượng riêng của gang (còn được gọi là mật độ khối lượng gang) là một đặc tính về mật độ khối lượng trên một đơn vị thể tích của gang. Là đại lượng đo bằng thương số giữa khối lượng (m) của một vật làm bằng gang và thể tích (V) của vật đó.”

Khối lượng riêng của gang có “đơn vị tính” là gì?

Khối lượng riêng của gang được đề cập trong bài viết này có đơn vị tính là kg/m³ hoặc g/cm³

Khối lượng riêng của gang kg/m3 là bao nhiêu?

Như các bạn đã biết, tùy theo tỷ trọng, thành phần các chất có trong gang mà phân chia thành các loại gang khác nhau. Như: Gang cầu, Gang xám, Gang dẻo… Bởi vậy, khối lượng riêng của chúng không phải là một hằng số. Nó có sự dao động.

Khối lượng riêng của gang nằm trong khoảng: 6.800-7.800 kg/m³

Trung bình, khối lượng riêng của gang là 7.2 g/cm³, hay 7.200 kg/m³

Khối lượng riêng của gang trong các nguồn khác nhau (internet bằng tiếng Anh):

1. Theo bảng tổng hợp khối lượng riêng (Density Data) tham khảo:

Khối lượng riêng của gang dao động từ 6.904 đến 7.386 kg/m³. Trung bình là 7.209 kg/m³

2. Theo byjus.com, thì khối lượng riêng của gang là 7.2 g/cm³

3. Theo amesweb.info, khối lượng riêng của gang như sau:

Loại gang

Khối lượng riêng

(g/cm³)

Gang cầu (Ductile iron)

7.15

Gang xám (Gray cast iron)

7.15 (Từ 6.95 đến 7.35)

Gang dẻo (Malleable iron)

7.27 (Từ 7.20 đến 7.34)

4. Qua một số nguồn tham khảo nước ngoài khác, GOAT nhận được thông tin khối lượng riêng của gang thường được chọn là khoảng 7.1, 7.15 hoặc 7.2 g/cm³. Tức là 7.100, 7.150 hoặc 7.200 kg/m³.

Trong đó, khối lượng riêng của gang cầu thường được chọn là 7.1 g/cm³. Còn khối lượng riêng của gang xám thường được chọn là 7.15 g/cm³.

Trọng lượng riêng của gang khác khối lượng riêng như thế nào?

Trọng lượng riêng là trọng lượng của một mét khối vật chất. Trọng lượng riêng khác khối lượng riêng.

Đơn vị tính của trọng lượng riêng là N/m³

Còn đơn vị tính của khối lượng riêng là kg/m³

Công thức tính trọng lượng riêng của gang

Trọng lượng riêng = Khối lượng riêng x gia tốc trọng trường = Khối lượng riêng x 9,81

(Hay d = D x 9,81 )

Công thức tính khối lượng gang

Khối lượng (m) = Trọng lượng riêng (d) x Thể tích (V) = Khối lượng riêng (D) x 9,81 x Thể tích (V)

(Hay m = d x V = D x 9,81 x V )

Như vậy, để tính được trọng lượng của một vật đúc bằng gang, ta cần tính được thể tích của vật đó nhờ các thông số kích thước ở bản vẽ.

Sau đó, có thể lựa chọn giá trị khối lượng riêng của gang trong khoảng ở trên.

Rồi từ đó tính theo công thức, bạn sẽ ước tính được khối lượng của vật sẽ đúc ra thành phẩm.

Ví dụ: Khối lượng gang = 7200 x 9,81 x V (kg)

Trên đây là các thông tin về “Khối lượng riêng của gang” (gang xám và gang cầu); “Trọng lượng riêng của gang” và công thức tính cân nặng của vật đúc bằng gang. Hy vọng những thông tin này hữu ích cho bạn.

\>>Xem thêm các sản phẩm của chúng tôi

• Danh mục sản phẩm gang cầu

---

CÁC NGUYÊN TỐ TRONG GANG BAO GỒM NHỮNG GÌ?

Giãn đồ thành phần trong gang

Tính chất của gang được thay đổi bằng cách thêm các nguyên tố cấu tử hợp kim khác. Ngoài cacbon, silic (Si) là hợp kim quan trọng nhất vì nó đẩy cacbon ra khỏi dung dịch rắn. Tỉ lệ silic thấp giúp cho phép cacbon tồn tại trong dung dịch hợp kim, tạo thành cementit để sản xuất gang trắng. Tỉ lệ silic cao sẽ đẩy cacbon ra khỏi dung dịch, tạo thành graphit tự do và từ đó tạo ra gang graphit như gang xám.

Tùy vào tính tương tác với cacbon, có thể chia các nguyên tố hợp kim thành hai nhóm: nhóm graphit-hóa và nhóm cementit-hóa.

• Nhóm nguyên tố graphit hóa, bao gồm silic, nhôm, niken, đồng…, làm phá cấu trúc cementit, tách cacbon khỏi dung dịch rắn hợp kim, và tạo tinh thể graphit.
• Nhóm nguyên tố cementit hóa, bao gồm mangan, crom, molypden, wolfram, titan và vanadi, không tương thích với silic, giúp hỗ trợ giữ cacbon trong dung dịch và tạo cấu trúc cementit.

Sự tác động của các nguyên tố trong gang đến cơ – lý tính của gang:

Phosphor (P) và lưu huỳnh (S) là hai nguyên tố có sẵn dưới dạng tạp chất trong quặng sắt hoặc gang thô (pig iron).

Phosphor (P) tăng tính chảy loãng cho gang. Trong cấu trúc gang xám, phosphor hình thành pha phosphide độ nóng chảy thấp, thường được gọi là steadite. Ở nồng độ cao hơn, phosphor sẽ thúc đẩy tính rỗng co ngót.

Lưu huỳnh (S), phần lớn từ tạp chất, tạo thành sulfide sắt (FeS), ngăn chặn sự graphit hóa và tăng độ cứng. Nồng độ tối ưu của lưu huỳnh được kiểm soát trong khoảng 0,05 đến 0,12% khối lượng. Tuy nhiên, lưu huỳnh gây ra vấn đề khi làm dung dịch gang nóng chảy trở nên sệt hơn, gây ra lỗi trong sản phẩm cuối cùng.

Để chống lại tác dụng của lưu huỳnh, mangan (Mn) được thêm vào vì hai nguyên tố này sẽ kết hợp tạo thành mangan sulfide (MnS) thay vì sắt sulfide (FeS). Sắt sulfide vốn chỉ hình thành ở biên cấu trúc, trong khi mangan sulfide sẽ phân tán đều trong cấu trúc gang. Lượng mangan cần thiết để trung hòa lưu huỳnh bằng \=> 1,7 × hàm lượng lưu huỳnh + 0,3% [Công thức: %Mn = 1,7(%S) + 0,3%].

Nếu lượng mangan quá nhiều, sẽ tạo thành mangan carbide (MnC), làm tăng độ cứng và sự làm nguội nhanh, với ngoại lệ là gang xám, vì gang xám với hàm lượng mangan 1% giúp tăng độ bền và khối lượng riêng.

Điểm cần ghi nhớ:

• Niken (Ni) và đồng (Cu) giúp tăng độ bền và tính gia công, nhưng không làm thay đổi lượng graphit hình thành.
• Cacbon ở dạng graphit tạo ra một loại hợp kim sắt mềm hơn, giảm độ co ngót, giảm độ bền và giảm khối lượng riêng.
• Niken là một trong những nguyên tố hợp kim phổ biến nhất trong công nghệ sản xuất gang vì nó tinh chỉnh cấu trúc peclit và graphit, cải thiện độ cứng.
• Crom (Cr) được thêm vào với số lượng nhỏ để giảm graphit tự do, làm nguội nhanh và vì đây là chất ổn định cementit mạnh.
• Một lượng nhỏ thiếc (Sn) có thể được thêm vào để thay thế cho 0,5% crom.
• Đồng (Cu) được thêm vào trong gàu múc hoặc trong lò, với mức 0,5 – 2,5%, để giảm độ lạnh, tinh chế graphit và tăng tính chảy loãng.
• Molypden (Mo) được thêm vào theo thứ tự 0,3 – 1% để tăng độ lạnh và tinh chỉnh cấu trúc peclit và graphit; nó thường được thêm vào cùng với niken, đồng và crôm để tạo thành gang có độ bền cao.
• Titan (Ti) được thêm vào như một chất khử oxy trong hợp kim, đồng thời cũng làm tăng tính chảy loãng.
• Vanadi (V), nồng độ từ 0,15 đến 0,5%, được thêm vào gang để ổn định cementit, tăng độ cứng, tăng khả năng chịu mài mòn và chịu nhiệt.
• Zirconi (Zr), nồng độ từ 0,1 đến 0,3%, giúp graphit hóa, khử oxy trong hợp kim, và tăng tính chảy loãng.

➡ Trong dung dịch gang dẻo khi nung nóng chảy, bismuth (Bi) được thêm vào, hàm lượng 0.002 – 0.01%, để tăng lượng silic có thể được thêm vào.

➡ Trong gang trắng, boron (Bo) được thêm vào để hỗ trợ việc sản xuất gang dẻo; nó cũng làm giảm hiệu ứng thô của bismuth.

Tính chất cơ học của gang là gì?

Gang nói chung có cơ tính thấp hơn thép. Gang trắng có độ bền kéo rất thấp và độ giòn cao, do chứa lượng cementit.

• Đối với các loại gang graphit như gang xám, cầu, dẻo mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit: lớn nhất ở gang xám (graphit dạng tấm) và nhỏ nhất ở gang cầu (graphit dạng cầu tròn). Do vậy, gang cầu có độ bền cao nhất trong các loại gang.

\=> Graphit có ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang như: tăng khả năng chống mòn do ma sát, làm tắt rung động và dao động cộng hưởng.

Gang có tính giòn cao, chịu va đập kém. Tuy nhiên, gang có tính đúc tốt (do nhiệt độ nóng chảy thấp), độ chảy loãng cao, độ co ngót ít, dễ điền đầy vào khuôn, chịu nén rất tốt, đồng thời chịu tải trọng tĩnh khá tốt. Các loại gang graphit dễ gia công bằng các dụng cụ cắt gọt (do graphit trong gang làm phoi dễ gãy vụn).

CÔNG DỤNG CỦA GANG ĐỐI VỚI CUỘC SỐNG

Gang hiện nay được xem là một loại hợp kim rất quan trọng. Gang được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hiện nay trong lĩnh vực cơ khí và xây dựng

Các loại gang graphit được dùng phổ biến trong lĩnh vực chế tạo cơ khí và các lĩnh vực khác. Ví dụ, trong xe hơi, các chi tiết bằng gang có thể chiếm tới 50% khối lượng kim loại, còn trong các thiết bị và máy tĩnh tại, tỉ lệ này có thể lên tới 80%.

Gang được sử dung làm các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập, các chi tiết chịu mài mòn, ma sát làm việc trong điều kiện khó bôi trơn. Các ví dụ chi tiết làm bằng gang bao gồm: bệ máy, vỏ máy, thân máy, hộp máy, bánh đai, bánh đà, hộp số, xi lanh động cơ, nắp hố ga…