Lịch sử về Gang, thuộc tính và công dụng của Gang

Giới thiệu về Gang: Lịch sử, Loại, Thuộc tính và Công dụng

Là kim loại đa năng, gang có nhiều ứng dụng độc đáo trong thế giới thương mại và công nghiệp.

Sự hiện diện của sắt trong cuộc sống hàng ngày bắt đầu vào khoảng năm 1200 trước Công nguyên. Bao gồm nhiều ứng dụng từ nông cụ đến vũ khí chiến tranh. Thợ rèn đã trở thành một nghề quan trọng, làm việc với sắt để thay đổi đặc tính của nó và biến vật liệu thành công cụ. Mỗi làng và thị trấn sẽ có một tiệm rèn – nơi sản xuất:

• Liềm
• Lưỡi cày
• Đinh
• Kiếm
• Giá nến, v.v.

Việc phát hiện ra giá trị của sắt đã dẫn đến cái được gọi là Thời đại đồ sắt, do sự thống trị của vật liệu này trong các ứng dụng xã hội và quân sự.

Tiếp theo là một cột mốc quan trọng khác đối với kim loại. Cách mạng Công nghiệp đã thay đổi cách sản xuất và gia công kim loại thành các sản phẩm. Bao gồm cả sắt.

Các loại Sắt

Có hai loại sắt chính được sản xuất: sắt rèn và gang. Trong số đó, gang bao gồm họ kim loại riêng.

Sắt rèn

Loại sắt đầu tiên được thợ rèn sản xuất và gia công là sắt rèn. Nó gần như là sắt nguyên tố nguyên chất (Fe) được nung nóng trong lò trước khi được rèn (gia công) bằng búa trên đe. Việc rèn sắt sẽ loại bỏ phần lớn xỉ ra khỏi vật liệu và hàn các hạt sắt lại với nhau.

Trong cuộc cách mạng công nghiệp và sự tăng tốc liên quan của các hoạt động xây dựng, một công dụng mới của sắt rèn đã được phát hiện. Độ bền kéo cao (khả năng chống đứt khi chịu lực căng) khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng làm dầm trong các dự án xây dựng lớn như:

• Cầu
• Tòa nhà cao tầng.

Tuy nhiên, việc sử dụng sắt rèn cho mục đích này phần lớn đã bị bỏ rơi vào đầu thế kỷ 20. Khi các sản phẩm thép được phát triển với tính năng vượt trội so với sắt trong các ứng dụng xây dựng.

Sắt rèn đã trở nên nổi tiếng với các sản phẩm trang trí. Các nhà thờ thế kỷ 15 và 16 chứa những mảnh sắt rèn tinh xảo do các nghệ nhân lành nghề sản xuất. Trong thế giới hiện đại, lan can, cửa ra vào và ghế dài vẫn được làm từ sắt rèn như những món đồ tùy chỉnh.

Gang

Gang được sản xuất bằng cách nấu chảy các hợp kim sắt-cacbon có hàm lượng cacbon lớn hơn 2%. Sau khi nấu chảy, kim loại được đổ vào khuôn. Sự khác biệt chính trong sản xuất giữa sắt rèn và gang là gang không được gia công bằng búa và dụng cụ. Ngoài ra còn có sự khác biệt về thành phần – gang chứa 2–4% carbon và các hợp kim khác. Và 1–3% silicon, giúp cải thiện hiệu suất đúc của kim loại nóng chảy. Một lượng nhỏ mangan và một số tạp chất như lưu huỳnh và phốt pho cũng có thể có mặt. Sự khác biệt giữa sắt rèn và gang cũng có thể được tìm thấy trong các chi tiết về cấu trúc hóa học và tính chất vật lý.

Mặc dù cả thép và gang đều chứa vết cacbon và có vẻ giống nhau nhưng có sự khác biệt đáng kể giữa hai kim loại. Thép chứa ít hơn 2% carbon, cho phép sản phẩm cuối cùng đông cứng lại trong một cấu trúc vi tinh thể duy nhất. Hàm lượng carbon cao hơn của gang có nghĩa là nó đông cứng lại như một hợp kim không đồng nhất và do đó có nhiều hơn một cấu trúc vi tinh thể có trong vật liệu.

Chính sự kết hợp giữa hàm lượng carbon cao và sự hiện diện của silicon đã mang lại cho gang khả năng đúc tuyệt vời. Nhiều loại gang khác nhau được sản xuất bằng các kỹ thuật xử lý và xử lý nhiệt khác nhau, bao gồm sắt xám, sắt trắng, sắt dễ uốn, sắt dẻo và sắt than chì nén.

Sắt xám

Sắt xám được đặc trưng bởi hình dạng vảy của các phân tử than chì trong kim loại. Khi kim loại bị nứt, vết nứt xảy ra dọc theo các vảy than chì, khiến nó có màu xám trên bề mặt kim loại bị nứt. Cái tên sắt xám xuất phát từ đặc điểm này.

Có thể kiểm soát kích thước và cấu trúc ma trận của các mảnh than chì trong quá trình sản xuất bằng cách điều chỉnh tốc độ làm mát và thành phần. Sắt xám không dẻo như các dạng gang khác và độ bền kéo của nó cũng thấp hơn. Tuy nhiên, nó là chất dẫn nhiệt tốt hơn và có mức độ giảm rung cao hơn. Nó có khả năng giảm chấn cao gấp 20–25 lần so với thép và vượt trội hơn tất cả các loại gang khác. Gang xám cũng dễ gia công hơn các loại gang khác và đặc tính chống mài mòn của nó. Khiến nó trở thành một trong những sản phẩm gang có khối lượng lớn nhất.

Sản phẩm hardscape của chúng tôi được làm bằng sắt xám. Giảm rung và chống mài mòn là những đặc tính khiến vật liệu này trở thành vật liệu phù hợp cho nhiều ứng dụng trên đường phố. Sắt xám thô cũng tạo ra một lớp gỉ. Giúp nó an toàn khỏi bị ăn mòn ngay cả khi ở ngoài trời.

Sắt trắng

Với hàm lượng carbon phù hợp và tốc độ làm nguội cao, các nguyên tử carbon kết hợp với sắt để tạo thành cacbua sắt. Điều này có nghĩa là có rất ít hoặc không có phân tử than chì tự do trong vật liệu đông đặc. Khi cắt sắt trắng, mặt vết nứt có màu trắng do không có than chì. Cấu trúc vi tinh thể xi măng cứng và giòn với cường độ nén cao và khả năng chống mài mòn tốt.

Trong một số ứng dụng chuyên dụng, mong muốn có lớp sắt trắng trên bề mặt sản phẩm. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng chất dẫn nhiệt tốt để tạo thành một phần của khuôn. Điều này sẽ nhanh chóng hút nhiệt ra khỏi kim loại nóng chảy từ khu vực cụ thể đó. Trong khi phần còn lại của vật đúc nguội đi với tốc độ chậm hơn.

Một trong những loại sắt trắng phổ biến nhất là Ni-Hard Iron. Việc bổ sung hợp kim crom và niken mang lại cho sản phẩm này những đặc tính tuyệt vời cho các ứng dụng mài mòn trượt, va đập thấp.

Bàn là trắng và bàn là ni-hard thuộc phân loại hợp kim được gọi là ASTM A532; “Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn cho gang chịu mài mòn”.

Sắt dẻo

Sắt trắng có thể được xử lý thêm thành sắt dẻo thông qua quá trình xử lý nhiệt. Một chương trình làm nóng và làm mát mở rộng dẫn đến sự phân hủy các phân tử cacbua sắt, giải phóng các phân tử than chì tự do vào trong sắt. Tốc độ làm nguội khác nhau và việc bổ sung các hợp kim sẽ tạo ra một loại sắt dễ uốn với cấu trúc vi tinh thể.

Sắt dễ uốn (Sắt dạng nốt)

Sắt dễ uốn, hay sắt dạng nốt, có được các đặc tính đặc biệt thông qua việc bổ sung magiê vào hợp kim. Sự hiện diện của magiê làm cho than chì hình thành ở dạng hình cầu trái ngược với các mảnh sắt xám. Kiểm soát thành phần là rất quan trọng trong quá trình sản xuất. Một lượng nhỏ tạp chất như lưu huỳnh và oxy phản ứng với magie, ảnh hưởng đến hình dạng của các phân tử than chì. Các loại sắt dễ uốn khác nhau được hình thành bằng cách điều khiển cấu trúc vi tinh thể xung quanh hình cầu than chì. Điều này đạt được thông qua quá trình đúc hoặc thông qua xử lý nhiệt, như một bước xử lý tiếp theo.

Bởi vì sắt dẻo bị biến dạng khi va chạm chứ không vỡ thành từng mảnh nên chúng tôi sử dụng vật liệu này để làm các cột trụ bằng gang. Đặc tính tác động của gang dẻo làm cho nó trở thành loại gang tốt để làm cột chắn gần các phương tiện giao thông.

Sắt than chì nén

Sắt than chì nén có cấu trúc than chì và các đặc tính liên quan là sự pha trộn giữa sắt xám và sắt trắng. Cấu trúc vi tinh thể được hình thành xung quanh các mảnh than chì cùn được liên kết với nhau. Một hợp kim, chẳng hạn như titan, được sử dụng để ngăn chặn sự hình thành than chì hình cầu. Sắt than chì nén có độ bền kéo cao hơn và độ dẻo được cải thiện so với sắt xám. Cấu trúc và tính chất vi tinh thể có thể được điều chỉnh thông qua xử lý nhiệt hoặc bổ sung các hợp kim khác.

Tổng hợp thành phần gang

Loại thành phần cho sắt đúc không hợp kim điển hình giá trị theo phần trăm (%)
Loại sắt	Carbon	Silicon	Manganese	Sulfur	Phosphorus
Sắt xám	2.5 – 4.0	1.0 – 3.0	0.2 – 1.0	0.02 – 0.25	0.02 – 1.0
Sắt dẻo	3.0 – 4.0	1.8 – 2.8	0.1 – 1.0	0.01 – 0.03	0.01 – 0.1
Sắt than chì nén	2.5 – 4.0	1.0 – 3.0	0.2 – 1.0	0.01 – 0.03	0.01 – 0.1
Sắt dễ uốn (Đúc màu trắng)	2.0 – 2.9	0.9 – 1.9	0.15 – 1.2	0.02 – 0.2	0.02 – 0.2
Sắt trắng	1.8 – 3.6	0.5 – 1.9	0.25 – 0.8	0.06 – 0.2	0.06 – 0.2

Tính chất cơ học của gang

Các tính chất cơ học của vật liệu cho biết nó phản ứng như thế nào dưới các ứng suất cụ thể, giúp xác định tính phù hợp của nó đối với các ứng dụng khác nhau. Các thông số kỹ thuật được thiết lập bởi các tổ chức như Hiệp hội Thử nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ (ASTM) để người dùng có thể tự tin mua vật liệu rằng chúng đáp ứng các yêu cầu cho ứng dụng của mình. Thông số kỹ thuật gang xám được sử dụng phổ biến nhất là ASTM A48.

Để xác định chất lượng của các sản phẩm đúc theo thông số kỹ thuật của chúng, thông lệ tiêu chuẩn là đúc một thanh thử nghiệm cùng với các vật đúc được thiết kế. Sau đó, các thử nghiệm của ASTM được áp dụng cho thanh thử nghiệm này và kết quả được sử dụng để đánh giá chất lượng của toàn bộ lô vật đúc.

Thông số kỹ thuật cũng rất quan trọng khi hàn các bộ phận bằng gang với nhau. Mối hàn phải đáp ứng hoặc vượt quá các đặc tính cơ học của vật liệu được hàn lại với nhau, nếu không, có thể xảy ra hiện tượng gãy và hỏng hóc.

Một số tính chất cơ học phổ biến của gang bao gồm:

Độ cứng – khả năng chống mài mòn và vết lõm của vật liệu

Độ dẻo dai – khả năng hấp thụ năng lượng của vật liệu

Độ dẻo – khả năng biến dạng của vật liệu mà không bị gãy

Độ đàn hồi – khả năng của vật liệu trở lại kích thước ban đầu sau khi bị biến dạng

Tính dẻo – khả năng biến dạng của vật liệu khi bị nén mà không bị vỡ

Độ bền kéo – ứng suất dọc lớn nhất mà vật liệu có thể chịu được mà không bị rách

Độ bền mỏi – ứng suất cao nhất mà vật liệu có thể chịu được trong một số chu kỳ nhất định mà không bị đứt.

Bảng dưới đây tóm tắt một số tính chất cơ học quan trọng của các loại gang khác nhau:

	Độ cứng Brinell	Sức căng	Mô đun đàn hồi	% Độ dài (trên 50mm)
Sắt xám loại 25	187	29.9 ksi	16.1 Msi	–
Sắt xám loại 40	235	41.9 ksi	18.2 Msi	–
Sắt loại dễ uốn 60-40-18	130 – 170	60 ksi	24.5 Msi	–
Sắt dễ uốn loại 129-90-02	240 – 300	120 ksi	25.5 Msi	–
CGI lớp 250	179 max	36.2 ksi min		3
CGI cấp 450	207 – 269	65.2 ksi min		1

Ứng dụng phổ biến của Gang

Các đặc tính khác nhau của các loại gang khác nhau dẫn đến mỗi loại phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

Ứng dụng sắt xám

Một trong những đặc điểm chính của sắt xám là khả năng chống mài mòn ngay cả khi nguồn cung cấp dầu bôi trơn bị hạn chế (ví dụ: thành xi lanh phía trên trong khối động cơ). Sắt xám được sử dụng để chế tạo khối động cơ và đầu xi lanh, ống góp, đầu đốt gas, hộp số, vỏ và vỏ.

Ứng dụng sắt trắng

Quá trình làm lạnh được sử dụng để tạo ra sắt trắng tạo ra một vật liệu giòn có khả năng chống mài mòn và mài mòn rất cao. Vì lý do này, nó được sử dụng để chế tạo lớp lót máy nghiền, vòi phun nổ, guốc phanh đường sắt, vỏ máy bơm bùn, cuộn máy cán và máy nghiền. Ni-Hard Iron được sử dụng đặc biệt cho cánh trộn, mũi khoan và khuôn dập, tấm lót cho máy nghiền bi, máng than và thanh dẫn dây để kéo dây.

Ứng dụng của sắt dễ uốn

Bản thân sắt dẻo có thể được chia thành các loại khác nhau, mỗi loại có thông số kỹ thuật riêng và ứng dụng phù hợp nhất. Nó dễ gia công, có độ mỏi và độ bền tốt, đồng thời có khả năng chống mài mòn. Tuy nhiên, tính năng nổi tiếng nhất của nó là độ dẻo. Gang dẻo có thể được sử dụng để chế tạo các khớp tay lái, cổ cày, trục khuỷu, bánh răng chịu tải nặng, các bộ phận treo của ô tô và xe tải, các bộ phận thủy lực và bản lề cửa ô tô.

Ứng dụng của sắt dẻo

Các loại sắt dẻo khác nhau tương ứng với các cấu trúc vi tinh thể khác nhau. Các thuộc tính cụ thể làm cho sắt dẻo trở nên hấp dẫn là khả năng giữ và lưu trữ chất bôi trơn, các hạt mài mòn không bị mài mòn và bề mặt xốp giữ lại các mảnh vụn mài mòn khác. Sắt dẻo được sử dụng cho các bề mặt chịu lực nặng, dây xích, bánh xích, thanh kết nối, bộ phận truyền động và trục, đầu máy toa xe lửa, máy móc nông nghiệp và xây dựng.

Các ứng dụng của sắt than chì nén

Sắt than chì nén đang bắt đầu được biết đến trong các ứng dụng thương mại. Sự kết hợp các đặc tính của sắt xám và sắt trắng tạo ra sản phẩm có độ bền cao và độ dẫn nhiệt cao—thích hợp cho khối và khung động cơ diesel, ống lót xi lanh, đĩa phanh cho tàu hỏa, ống xả và đĩa bánh răng trong máy bơm cao áp.

Gia công và hoàn thiện

Đặc tính độ cứng của gang đòi hỏi phải lựa chọn cẩn thận vật liệu máy công cụ. Cacbua phủ có hiệu quả trong môi trường gia công sản xuất, nhưng các vật liệu mới hơn đang được phát triển liên tục khi công nghệ được cải tiến.

Bề mặt hoàn thiện của các sản phẩm gang thay đổi rất nhiều tùy theo mục đích sử dụng. Một vài ứng dụng phổ biến:

• Mạ điện
• Nhúng nóng
• Phun nhiệt
• Lớp phủ khuếch tán
• Lớp phủ chuyển đổi
• Tráng men sứ
• Lớp phủ hữu cơ lỏng
• Sơn hữu cơ dạng bột khô

Gang và tương lai

Kể từ khi được sử dụng lần đầu cách đây hơn 3.000 năm. Sắt vẫn là một phần không thể thiếu trong xã hội loài người. Sản xuất sắt đã trải qua một chặng đường dài. Kể từ hàng thế kỷ rèn sắt cho đến khi phát minh ra gang trong thời đại công nghiệp.

Kể từ đó, sắt rèn phần lớn đã trở nên lỗi thời ngoại trừ mục đích sử dụng trang trí. Ngược lại, gang vẫn đang phát triển về:

• Thành phần
• Cấu trúc vi mô
• Tính chất cơ học – tiếp tục tạo được dấu ấn trong thế giới hiện đại.

 

CÔNG TY TNHH THƯƠNG MẠI KỸ THUẬT VŨ TẤN

Địa chỉ: 118/48/33 Đường Liên khu 5-6, Phường Bình Hưng Hòa B, Quận Bình Tân, Tp HCM

Mail: info@vutanco.com | Fanpage: facebook.com/congtyvutan

Web: www.vutanco.com & www.titan.net.vn

Điện thoại: 0909930075