〈Chuyên đề KỸ THUẬT ĐÚC〉Bài 2: Điểm mạnh của gang và các yếu tố quyết định tính chất của gang

1.Phân biệt Gang và thép

Trong công nghiệp, ngoài một số trường hợp đặc biệt sử dụng sắt thuần thì hầu hết sắt được sử dụng dưới dạng hợp kim với cacbon (C). Hợp kim của sắt và cacbon được chia thành hai loại chính là gang và thép. Yếu tố quyết định trong sự phân loại này là nồng độ khối lượng của cacbon. Nồng độ cacbon dưới 2% là thép, trên 2% là gang. Việc chứa trên hay dưới 2%C mà tính chất của hợp kim sắt có sự thay đổi rõ rệt.

Sự biến thể của sắt không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào lượng C tồn tại trong nó. Sự thay đổi này được biểu thị ở hình 1. Khi tỉ lệ C trên 2% thì có xuất hiện graphite (than chì), dưới 2% thì không có. Khi graphite hình thành cùng với sự chuyển thể của gang thì thể tích tăng lên bù vào phần thể tích sắt co lại khi chuyển sang thể rắn nên giảm được sự co ngót trong sản phẩm đúc gang.

Tỷ lệ cacbon còn ảnh hưởng tới nhiệt độ nóng chảy của sắt. Như biểu thị trong Hình 1, khi tỉ lệ C tăng thì nhiệt độ nóng chảy giảm, tối đa có thể giảm tới 300℃. Vai trò bù thể tích và hạ nhiệt độ nóng chảy của cacbon là những yếu tố quan trọng cần nắm bắt để có thể tạo ra một sản phẩm đúc gang hoàn thiện.
Hình 1 Nhiệt độ chuyển thể của gang.  

2. Điểm mạnh của gang

Sự xuất hiện của graphite trong gang làm giảm độ bền kéo vì độ bền kéo của graphite rất thấp (20Mpa) so với ferrite (200-400Mpa) và perlite (800-900Mpa) là 2 loại nền kim loại chính trong gang. Gang là hỗn hợp của perlite (α-Fe + Fe3C), ferrite(α-Fe) và graphite (C) nên càng chứa nhiều C thì độ bền kéo của gang càng giảm. Tuy nhiên điểm yếu này đã được khắc phục hoàn toàn nhờ sự phát minh ra gang cầu (ductile cast iron). Giảm độ bền kéo của gang do sự có mặt của graphite là điểm yếu duy nhất, còn lại sự có mặt của graphite đều mang lại những hiệu quả có lợi cho sản xuất công nghiệp.

Hiệu quả số 1: Chống mài mòn

Hiệu quả đầu tiên phải kể tới là chống mài mòn. Một ví dụ điển hình đó là lớp trong cùng của xi lanh trong động cơ ô tô được làm bằng gang. Trước đây toàn bộ động cơ được đúc nguyên khối bằng gang nhưng để giảm khối lượng người ta đã thay thế thành hợp kim nhôm. Tuy nhiên thành xi lanh, bộ phận tiếp xúc liên tục với piston thì chưa có vật liệu nào thay thế được gang trong việc chống mài mòn do ma sát. Khi bị cọ sát, lớp graphite ngoài bề mặt sẽ bong ra tạo lớp bôi trơn đồng thời những vết lõm do graphite bong ra để tạo điều kiện thích hợp cho dầu bôi trơn đọng lại trên bề mặt gang làm giảm ma sát, qua đó giúp piston và xi lanh giảm bị mài mòn.

Hiệu quả số 2: Chống ăn mòn, giảm chấn động.

Hình 2 biểu diễn tính chất hấp thụ chấn động của gang so với thép. Chính graphite là yếu tố ngăn cản sự truyền chấn động giúp gang hấp thụ (ngăn cản) chấn động trong thời gian ngắn. Do kết cấu nối liền (dạng mạng nhện) của các mảnh graphite trong gang xám nên tính hấp thụ chấn động của nó cao hơn gang cầu (graphite dạng hình cầu không nối liền với nhau). Do có đặc tính hấp thụ chấn động này mà gang xám được chọn làm nguyên liệu sản xuất bed, table của các máy gia công. Chấn động khi tiện, cắt được hấp thụ ngay giúp nâng cao độ chính xác của chi tiết gia công.

Hình 2 Tính chất hấp thụ chấn động vượt trội của gang

3. Ảnh hưởng của cấu tạo và hình dạng của graphite tới tính chất của gang

Graphite được đề cập ở đây là cacbon tồn tại trong gang. Cũng giống như than chì hay kim cương graphite là một dạng thù hình của cacbon. Sự tồn tại của graphite trong gang giống như có mấy hạt sạn (đá) trong bát cháo chứ không phải như muối trong bát cháo. Si,Mn,P…cũng tồn tại trong gang nhưng chúng đều như muối tan vào trong sắt chứ không tồn tại độc lập như graphite (C). Thực tế ví dụ có 3.5% C thì không hẳn tất cả 3.5% đều trở thành graphite mà chỉ có một phần C trở thành graphite. Trong sản xuất gang, để nhiều C chuyển thành graphite cần có sự điều chỉnh về nhiệt độ, thành phần và quan trọng nhất là lượng chất xúc tác (Ca-Si,Fe-Si).Về chất xúc tác tôi sẽ trình bày cụ thể trong một bài riêng.

Hình 3 mô tả 6 hình thù đặc trưng của graphite trong gang.Theo thứ tự I,II là gang xám III,IV là gang CV (Compact vermicular) và V,VI là gang cầu.
Độ cứng của graphite rất thấp hơn rất nhiều so với nền kim loại sắt nên hàm lượng, hình dạng (cấu trúc), kích thước của graphite sẽ chi phối tính chất của gang.

Vậy liệu chúng ta có thể điều khiển được sự hình thành của graphite hay không? Câu trả lời là CÓ. Sự hình thành của graphite phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó những yếu tố quan trọng hơn cả là hàm lượng của 5 chất chủ chốt (C 2.8-3.8%, Si 1.5-3.0%, Mn 0.2-0.9%, P 0.02-0.1%, S 0.01-0.1%); tiếp theo là tốc độ làm lạnh trong quá trình đông đặc; lượng Mg hay Ce thêm vào để cầu hóa graphite.

Với lượng C,Si thích hợp (C 3.0-3.8%,Si 1.8-2.2%) thì không cần tác động gì ta cũng thu được gang xám. Tuy nhiên gang xám cũng được chia làm 5 loại tùy theo hình dạng của graphite.

Ngoài 3 loại gang trên (gang xám, gang CV, gang cầu), thì còn một loại gang nữa là gang trắng.Gang trắng không có sự tồn tại của graphite mặc dù hàm lượng C không đổi so với 3 loại gang kể trên. Gang trắng có độ cứng cao nhưng giòn, được tạo ra bằng cách làm lạnh đột ngột gang đang trong quá trình đông đặc. Sự xuất hiện dễ dàng của loại gang không mong muốn này trên các sản phẩm mỏng là nguyên nhân chính khiến ngành sản xuất gang khó đúc được các sản phẩm mỏng với phương pháp đúc cát thông thường.

Hình 3.   6 dạng cấu trúc điển hình của graphite trong gang

Trong kỳ 3 tôi sẽ trình bày về thành phần, tính chất, cách sản xuất và quản lý chất lượng của gang cầu và gang xám.

[divider style=”solid” top=”20″ bottom=”20″]

Thực hiện: Trần Quốc Toản.

Biên tập và hiệu đính: Nguyễn Sinh Côn

[divider style=”solid” top=”20″ bottom=”20″]

Tham khảo
Sách giáo khoa đúc gang – Hiệp hội đúc Nhật Bản

Bình Luận

comments