Gang (tiếng Anh: cast iron) là một nhóm vật liệu hợp kim sắt–cacbon có hàm lượng cacbon lớn hơn 2,14%.[1] Tính hữu dụng của gang nhờ vào nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp của nó. Thành phần cấu tử trong hợp kim ảnh hưởng đến màu sắc của gang khi bị gãy: gang trắng có tạp chất carbide[a] 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.

Thành phần hóa học của gang gồm có hầu hết là : sắt ( hơn 95 % theo khối lượng ), những nguyên tố kim loại tổng hợp chính là cacbon ( 2,14 đến 4 % ) và silic ( 1 đến 3 % ), ngoài những có thêm những 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.

Những cổ vật bằng gang sớm nhất có niên đại từ thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên và được các nhà khảo cổ học phát hiện tại vùng đất ngày nay là Giang Tô ở Trung Quốc. Gang được sử dụng ở Trung Quốc cổ đại cho chiến tranh, nông nghiệp và kiến ​​trúc.[2] Trong thế kỷ 15, gang đã được sử dụng để sản xuất súng đại bác ở Burgundy (Pháp) và ở Anh vào thời Cải cách. Số lượng gang được sử dụng cho pháo yêu cầu sản xuất quy mô lớn.[3] Cây cầu bằng gang đầu tiên được xây dựng vào những năm 1770 bởi Abraham Darby III, mang tên Cầu Sắt (The Iron Bridge) ở Shropshire, Anh. Gang cũng được sử dụng trong việc xây dựng các tòa nhà.

Thành phần hóa học.

Theo giản đồ trạng thái Fe-C, gang là kim loại tổng hợp của sắt-cacbon với lượng cacbon lớn hơn 2,14 %. Thành phần hóa học của gang gồm có đa phần là : sắt ( hơn 95 % theo khối lượng ), và những nguyên tố kim loại tổng hợp chính là cacbon và silic. Hàm lượng của cacbon trong gang nằm trong khoảng chừng từ 2,14 % và hoàn toàn có thể lên đến 6,67 % khối lượng. Một phần đáng kể silic ( 1-3 % ) trong gang tạo thành tổng hợp kim loại tổng hợp Fe-C-Si .

Theo tổ chức tế vi (microstructure)[4], 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%).[b] [5] Mặt gãy của nó có màu sáng trắng đó là màu của cementit.[6]

Gang graphit là những loại gang mà phần nhiều 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 triển khai cementit Fe3C. Do vậy, mặt gãy của gang graphit có màu xám ( màu của graphit ). Tổ chức graphit phân bổ trên nền sắt kẽm kim loại ferrit, ferrit-peclit, và peclit. [ c ] [ 5 ] Tuỳ thuộc hình dáng của graphit người ta chia ra những loại :

• Gang xám (gray cast iron): Graphit dạng tấm.[7]
• Gang cầu (ductile iron): Graphit dạng cầu là dạng được cầu hóa khi đúc.[8]
• Gang dẻo (malleable iron): Graphit dạng cụm bông, đã được ủ “graphit hóa” từ gang trắng.[9]
• 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)[d]: Tinh thể graphit ngắn và dày hơn so với trong gang xám.[10][11] 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.[12]

Ảnh hưởng của những nguyên tố.

Giản đồ pha sắt-cacbon ( Fe-C )Tính chất của gang được đổi khác bằng cách thêm những nguyên tố cấu tử kim loại tổng hợp khác. Ngoài cacbon, silic ( Si ) là kim loại tổng hợp quan trọng nhất vì nó đẩy cacbon ra khỏi dung dịch rắn. Tỉ lệ silic thấp giúp được cho phép cacbon sống sót trong dung dịch kim loại tổng hợp, 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, hoàn toàn có thể chia những nguyên tố kim loại tổng hợp thành hai nhóm : nhóm graphit-hóa và nhóm cementit-hóa. [ e ] [ 13 ] Nhóm nguyên tố graphit hóa, gồm có silic, nhôm, niken, đồng …, làm phá cấu trúc cementit, tách cacbon khỏi dung dịch rắn kim loại tổng hợp, và tạo tinh thể graphit. Còn nhóm nguyên tố cementit hóa, gồm có mangan, crom, molypden, wolfram, titan và vanadi, không thích hợp với silic, giúp tương hỗ giữ cacbon trong dung dịch và tạo cấu trúc cementit. [ 13 ]

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.[14] 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.[14]

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.[14] 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%].[15] 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.[16][17]

Niken ( Ni ) và đồng ( Cu ) giúp tăng độ bền và tính gia công, nhưng không làm đổi khác lượng graphit hình thành. Cacbon ở dạng graphit tạo ra một loại kim loại tổng hợp sắt mềm hơn, giảm độ co ngót, giảm độ bền và giảm khối lượng riêng. Niken là một trong những nguyên tố kim loại tổng hợp phổ cập nhất trong công nghệ tiên tiến sản xuất gang vì nó tinh chỉnh và điều khiển cấu trúc peclit và graphit, cải tổ độ cứng. Crom ( Cr ) được thêm vào với số lượng nhỏ để giảm graphit tự do, làm nguội nhanh và vì đây là chất không thay đổi cementit mạnh. Một lượng nhỏ thiếc ( Sn ) hoàn toàn có thể được thêm vào để sửa chữa 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 và điều khiển 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 [ f ] trong kim loại tổng hợp, đồng thời cũng làm tăng tính chảy loãng. Vanadi ( V ), nồng độ từ 0,15 đến 0,5 %, được thêm vào gang để không thay đổi cementit, tăng độ cứng, tăng năng lực chịu mài mòn và chịu nhiệt. Zirconi ( Zr ), nồng độ từ 0,1 đến 0,3 %, giúp graphit hóa, khử oxy trong kim loại tổng hợp, và tăng tính chảy loãng. [ 16 ] [ 17 ]Trong dung dịch gang dẻo khi nung nóng chảy, bismuth ( Bi ) được thêm vào, hàm lượng 0.002 – 0.01 %, để tăng lượng silic hoàn toàn có thể được thêm vào. Trong gang trắng, boron ( Bo ) được thêm vào để tương hỗ việc sản xuất gang dẻo ; nó cũng làm giảm hiệu ứng thô của bismuth. [ 16 ]
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 những loại gang graphit như gang xám, cầu, dẻo, mức độ tập trung chuyên sâu ứng suất nhờ vào 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 những loại gang. Graphit có tác động ảnh hưởng lớn đến cơ tính của gang như : tăng năng lực chống mòn do ma sát, làm tắt rung động và xê dịch cộng hưởng. [ 18 ]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 những dụng cụ cắt gọt ( do graphit trong gang làm phoi dễ gãy vụn ). [ 18 ]

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%.[cần dẫn nguồn]

Gang được sử dung làm những cụ thể chịu tải trọng tĩnh và ít chịu va đập, những chi tiết cụ thể chịu mài mòn, ma sát thao tác trong điều kiện kèm theo khó bôi trơn. Các ví dụ chi tiết cụ thể làm bằng gang gồm có : bệ máy, vỏ máy, thân máy, hộp máy, bánh đai, bánh đà, hộp số, xi lanh động cơ, vòng bạc piston … [ 5 ]

Bảng so sánh những loại gang.

Từ gang bắt nguồn từ từ tiếng Hán thượng cổ 鋼 (có nghĩa là gang, thép).[20] Chữ Hán 鋼 có âm Hán Việt là cương. William H. Baxter và Laurent Sagart phục nguyên âm tiếng Hán thượng cổ của từ 鋼 là /*C.kˤaŋ/.[21] Từ tiếng Hán thượng cổ 鋼 bắt nguồn từ từ 剛 (âm Hán Việt: cương, có nghĩa là cứng).[22] Baxter và Sagart phục nguyên âm tiếng Hán thượng cổ của từ 剛 là /*kˤaŋ/.[23]

1. ^

   carbide. Trong hợp kim gang, cementit là tên thường được sử dụng hơn

2. ^

   Tiếng Anh: Trước cùng tinh – hypoeutectic; cùng tinh – eutectic; sau cùng tinh – hypereutectic

3. ^

   Tiếng Anh: ferrit – ferrite; peclit – pearlite

   Xem thêm: 0289 là mạng gì? Số 0289 lừa đảo hay không? Xem rồi yên tâm nhé!

4. ^

   Compacted Graphite Iron, Vermicular Graphite Iron, Compacted Vermicular

5. ^

   Tiếng Anh: graphite-forming elements và cementite-forming elements

6. ^

   Khử oxy trong hợp kim, tiếng Anh: deoxidize

Liên kết ngoài.

Source: http://139.180.218.5
Category: Thuật ngữ đời thường