thép và gang

CHƯƠNG 5
THÉP VÀ GANG
Từ khóa: Steel; Iron

1. GANG
1.1. Đặc điểm chung
1.1.1. Thành phần hóa học
•
C> 2,14%; thường dùng: 2,5 – 4,0%
•
Mn, Si: 0,5 – 3,0%; có tác dụng điều chỉnh
sự tạo thành graphit, cơ tính của gang
•
P, S: 0,05 – 0,5%; thường có hại cho
gang
•
Các nguyên tố hợp kim: Cr, Ni, Mo, Ti …
•
Các nguyên tố biến tính: Mg, Ce …

1.1.2. Tổ chức tế vi
•
Phân loại gang theo tổ chức tế vi:
- Gang trắng: toàn bộ C trong gang ở dạng Fe
3
C
→ tổ chức tế vi hoàn toàn phù hợp với giản đồ
giả ổn định Fe-Fe
3

C
- Gang xám, cầu, dẻo: phần lớn C ở dạng tự do:
graphit với các dạng: tấm, cầu, cụm. Tổ chức tế
vi không phù hợp với giản đồ Fe-Fe
3
C
•
Trong gang chứa graphit:
- Nền KL: F, F+P, P, P+Xê
- Phần phi kim: graphit
•
Do khác nhau về tổ chức tế vi → các loại gang
có cơ tính và công dụng khác nhau

1.1.3. Tính chất của gang
•
Độ bền kéo thấp, độ dòn cao
•
Sự có mặt của graphit: làm tăng khả năng
chống mài mòn do ma sát, làm tắt rung
động và dao động cộng hưởng
•
Tính công nghệ: tính đúc tốt; dễ gia công
cắt gọt

1.1.4. Công dụng
•
Được dùng nhiều trong chế tạo cơ khí,
dân dụng …
•

Các chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và ít va
đập
•
Thay thế thép trong một số trường hợp

1.2. Gang xám (GX; Grey Iron)
1.2.1. Sự tạo thành graphit trong GX
a. Graphit
•
Mạng lục giác
•
Có dạng tấm cong
•
Độ cứng gần như
bằng không

b. Sự tạo thành graphit trong hợp
kim Fe-C nguyên chất
•
Về năng lượng tự do: của graphit luôn
nhỏ hơn của Xê ở mọi nhiệt độ
•
Về công tạo mầm: của Xê nhỏ hơn của
graphit rất nhiều
•
Kết hợp cả 2 yếu tố: khả năng tạo thành
graphit từ gang lỏng trong HK Fe-C
nguyên chất chỉ có thể xảy ra trong
khoảng 1153-1147
0

C. Tương tự, khả năng
tạo thành graphit từ Aus- 740-727
0
C ⇒
phải làm nguội vô cùng chậm mới có khả
năng tạo grafit

Giản đồ trạng thái Fe-C ổn định
(Fe-C
graphit
)
1600
1400
1200
1000
800
600
400
0
1 2 3 4
90
L

+L
α + Graphite
Liquid +
Graphite
(Fe)
C
o

, wt% C
0.65
740°C
T(°C)
γ + Graphite
100
1153°C

Austenite
4.2 wt% C



c.Sự tạo thành graphit trong gang xám
Ảnh hưởng của TPHH
•
Cacbon: thúc đẩy sự tạo thành graphit. C
càng nhiều → khả năng tạo graphit càng
lớn. C= 2,5-4,0%
•
Silic: thúc đẩy mạnh sự tạo thành graphit.
Để điều chỉnh mức độ tạo graphit, lượng
Si trong gang xám 1,0-3,0%
•
Mangan: ngăn cản sự tạo thành graphit.
Tuy nhiên Mn có lợi về cơ tính. Mn= 0,5-
1,0%

Tốc độ nguội

•
Tốc độ nguội càng chậm càng thúc đẩy
quá trình tạo thành graphit
∀
⇒
- Cùng vật đúc: chỗ thành mỏng dễ biến
trắng hơn chỗ thành dày
- Đúc trong khuôn kim loại khó tạo thành
gang xám so với khuôn cát

1.2.2. Tổ chức tế vi
•
Phần lớn hoặc toàn bộ C nằm ở dạng
tự do: graphit
•
Do nhiều graphit: mặt gẫy của gang có
màu xám
•
Graphit có dạng tấm cong
•
Tùy mức độ tạo thành graphit, GX
được chia thành các tổ chức:
- GX ferit: tất cả C đều ở dạng graphit.
Gang có 2 pha: grafit tấm và nền ferit
- GX F-P: C liên kết chỉ khoảng 0,1-0,6%.
Tổ chức: grafit tấm và nền KL F-P
- GX P: C liên kết 0,6-0,8%. Tổ chức:
grafit tấm và nền KL P

1.2.3. Cơ tính

•
Do graphit dạng tấm → cơ tính gang xám
thấp hơn thép nhiều
∀
σ
k
= (1/3 – 1/5) σ
n
•
Độ dẻo, dai rất thấp
•
Độ cứng: 150-250 HB: dễ gia công cắt.

1.2.4. Ký hiệu gang xám theo
TCVN
•
TCVN ký hiệu gang xám bằng hai chữ GX
với hai số tiếp theo lần lượt chỉ giới hạn
bền kéo và bền uốn tính theo kG/mm
2

Các mác GX theo TCVN
Số hiệu Giới
hạn bền
kéo,
N/mm2
Giới
hạn bền
uốn,
N/mm2

Độ
dãn
dài,
%
Dạng
graphit
Nền
kim
loại
Công
dụng
GX00
- - - - -
Các chi tiết
không quan trọng
GX12-28
>120 >280
∼ 0,5
Tấm thô to P-F
Các chi tiết chịu
tải nhẹ, không
chịu mài mòn
GX15-32
>150 >320
∼ 0,5
Tấm thô to P-F
Chi tiết chịu tải
trung bình, ít chịu
mài mòn: cacte,
mặt bích, thân

máy bơm …
GX18-36
>180 >360
∼ 0,5
Tấm thô to P-F
GX21-40
>210 >400
∼ 0,5
Tấm khá+
mịn
P-ít F
Các chi tiết chịu
tải cao và chịu
mài mòn: sơ mi,
bánh răng,
piston, xilanh …
GX24-44
>240 >440
∼ 0,5
Tấm nhỏ
mịn
P-ít F

Các mác GX theo TCVN
Số hiệu Giới
hạn bền
kéo,
N/mm2
Giới
hạn bền

uốn,
N/mm2
Độ
dãn
dài,
%
Dạng
graphit
Nền
kim
loại
Công dụng
GX28-48
> 280 > 480
∼ 0,5
Tấm nhỏ
mịn
P - nt -
GX32-52
> 320 > 520
∼ 0,5
Tấm nhỏ
mịn
P
Các chi tiết chịu tải
trọng cao và tải
trọng động, chịu
mài mòn cao: trục
chính, vỏ bơm thủy
lực, bánh răng chữ

V …
GX36-56
> 360 > 560 - Tấm rất
nhỏ mịn
P
GX40-60
> 400 > 600 - Tấm rất
nhỏ mịn
P
GX44-64
> 440 > 640 - Tấm rất
nhỏ mịn
P

1.3. Gang cầu
(Ductile Cast Iron)
1.3.1. Tổ chức tế vi
•
Graphit: có dạng
cầu → độ bền kéo
rất cao so với GX
•
Nền: F, F+P, P

1.3.2. Thành phần hóa học
∀
≡ GX, nhưng có thêm chất
biến tính Mg, Ce với lượng
rất nhỏ
•

Mg, Ce: có tác dụng cầu
hóa graphit
•
Cách chế tạo gang cầu: nấu
chảy gang xám; điều chỉnh
thành phần hoá học; khử S;
biến tính cầu hoá bằng Mg
(Ce)

1.3.3. Cơ tính
•
Graphit cầu: ít chia cắt nền KL, ít tập trung
ứng suất → ít làm giảm cơ tính nền KL
(còn 70-90%)
•
Độ dẻo, dai tương đối
•
Cơ tính tổng hợp: gần bằng thép cacbon

1.3.4. Ký hiệu gang cầu theo
TCVN
•
Ký hiệu gang cầu bằng 2 chữ GC và 2 số
tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo (kG/mm2)
và độ dãn dài δ (%)

Các mác gang cầu theo TCVN
Ký hiệu Giới hạn bền
kéo, N/mm2
Giới hạn

chảy, N/mm2
Độ dãn dài,
δ, %
GC 38-17 > 380 > 240 > 17
GC 42-12 >420 > 280 > 12
GC 45-5 >450 > 330 > 5
GC 50-2 >500 > 380 > 2
GC 60-2 >600 > 400 > 2
GC 70-3 >700 > 400 > 3
GC 80-3 >800 > 500 > 3
GC 100-4 >1000 > 700 > 4
GC 120-4 >1200 > 900 > 4

1.4.Gang dẻo
(Malleable Iron)
1.4.1. Mở đầu
•
Tổ chức tế vi:
- Graphite ở dạng cụm và được hình thành
khi ủ
- Nền: F; F+P; P
•
Cách chế tạo: nấu gang; đúc thành vật
đúc có tổ chức là gang trắng; ủ graphite
hoá

1.4.2. Thành phần hoá học
•
Graphit không được phép tạo thành khi
kết tinh ⇒:

- Σ(C + Si) phải đủ thấp
- Phải nguội đủ nhanh (thành mỏng)
•
%C= 2,2 – 2,8; %Si= 0,8 – 1,4

1.4.3.Ủ gang trắng thành gang dẻo
1. Nung gang trắng TCT ở khoảng 1000
0
C:
P+Xe
II
+(P+Xe) → γ+(γ+Xe) (Xe
II
còn rất ít)
2. Giữ nhiệt ở 1000
0
C trong 10 – 20 h:
Xe → γ + Gr
3. Làm nguội chậm từ 1000
0
C xuống 700
0
C:
- Từ 1000
0
C xuống A
1
: γ → γ + Xe
II
- Xe

II
bị phân hoá: Xe
II
→ γ + Gr
- Dưới A
1
: γ + Gr → P + Gr (Gang dẻo P)
4. Nếu tiếp tục giữ nhiệt ở 700
0
C (30h):
Xe (trong P) → F + Gr (Gang dẻo F)

1.4.4. Cơ tính
•
Độ bền cao hơn GX nhưng kém GC
•
Độ dẻo: δ= 5 – 10%

Tổng kết các loại gang