TÌM HIỂU về vật LIỆU GANG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỶ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG
KHOA CƠ KHÍ
LỚP 13CĐ-CK3

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU GANG

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đình Truyền
Lê Quốc Khánh

12/2014


Mục Lục

I)
1.
2.
3.
4.
II)
1.
2.
3.
4.
5.
III)
1.
2.
3.
4.

5.
IV)
1.
2.
3.

Các khái niệm chung
Định nghĩa
Sự hình thành graphit trong gang
Các đặc tính cơ bản của gang
Phân loại
Gang xám
Định nghĩa
Thành phần hóa học
Đặc tính
Ký hiệu TCVN và ứng dụng
Cơ tính, các yếu tố ảnh hưởng và những biện pháp
nâng cao cơ tính của gang xám
Gang cầu
Định nghĩa
Thành phần hóa học
Đặc điểm
Ký hiệu TCVN và ứng dụng
Cơ tính và những biện pháp nâng cao cơ tính
của gang cầu
Gang dẻo
Định nghĩa
Thành phần
Ký hiệu TCVN và ứng dụng

1
1
2
2
2
2
3
3
4
6
6
6
7
8
8
9
10


VẬT LIỆU GANG
I)
1.

Các khái niệm chung
Định nghĩa

- Gang là hợp kim của sắt với cacbon có thành phần cacbon lớn hơn 2,14%.
- Ngoài ra còn có một số nguyên tố thường gặp như Mn, Si, S, P.
- Mn và Si có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit và cơ tính của gang,
còn S và P có hại nên càng ít càng tốt.

2. Sự hình thành graphit trong gang
a) Các dạng cơ bản
Graphit tấm: phổ biến nhất, có hình phiến đỉnh nhọn, nằm phân cách nhau.
Graphit cầu: có cơ tính cao gần bằng thép.
Graphit giun: trung gian giữa Graphit tấm và Graphit cầu.
Than Graphit: được sử dụng nhiều tuy có độ bền thấp hơn thép nhưng rẻ, dễ
sản xuất, tinh giảm chấn và chịu nhiệt, chịu mài mòn tốt, tính đúc cao.
b) Quá trình Graphit hóa trạng thái lỏng
Để thúc đẩy quá trình Graphit hóa, có một số biện pháp như: - Đưa vào các
nguyên tố Graphit hóa: Al, Si, Cu, Co…và hạn chế một số nguyên tố ngăn
cản Graphit hóa(Mn, Mo, S, Cr, V…). Nếu lấy hệ số Graphit hóa của Si là
+1 thì mức độ ảnh hưởng Graphit:
Si

Al

+1 +0.5

Ti

Ni

Cu

Mn

Mo

S

Cr

V

+0.4 +0.35 +0.25 -0.25 -0.35 -1

-1

-2

Biến tính gang lỏng bằng cách tạo mầm Graphit.
Không nên hóa nhiệt lỏng quá cao làm mất mầm kết tinh do chúng nổi
lên trên bề mặt gang lỏng hoặc hóa tan vào gang lỏng.
c) Quá trình Graphit hóa trạng thái rắn
Đây là quá trình chuyển từ trạng thái cân bằng không ổn định (xementit)
sang trạng thái ổn định (Graphit).
Cơ chế gồm 4 giai đoạn kế tiếp:

3.

Cacbit phân hủy
Nguyên tử cacbon hòa tan vào dung dịch rắn
Nguyên tử cacbon khuếch tán vào dung dịch rắn
Nguyên tử cacbon kết tinh nên mầm Graphit
Các đặc tính cơ bản của gang
- Nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ nóng chảy hơn thép.
- Dễ nấu, luyện.
3

Tính đúc tốt.
Dễ gia công(trừ gang trắng).
Chịu nén tốt.
Phân loại
Người ta phân loại gang thành 2 loại chính, đó là gang trắng và gang
graphit.
+ Gang trắng: Có tổ chức tế vi của gang hoàn toàn phù hợp với giản đồ
trạng thái Fe-C và luôn chứa hỗn hợp cùng tinh ledeburit.
+ Gang graphit: là loại gang mà trong đó toàn bộ cacbon nằm dưới dạng
graphit.
Tùy theo hình dạng của graphit lại chia làm 3 loại: gang xám, gang cầu,
gang dẻo.
Trong tổ chức của gang này không có ledeburit nên tổ chức tế vi không
phù hợp với giản đồ trạng thái Fe-C.
Gang xám
Định nghĩa
Gang xám là một trạng thái trong nhiều trạng thái của gang mà dựa vào
vi cấu trúc của chúng để người ta phân loại. Bề mặt của gang xám ở mặt
gãy của gang có màu xám, là đặc trưng của ferit và graphit tự do.
Trong quá trình đông đặc, do tốc độ tản nhiệt chậm trong khuôn đúc bằng
cát, dẫn đến lượng graphit hòa tan trong sắt lỏng có đủ thời gian để giải
phóng thành các phiến nhỏ, có hình thù tự do( thường là dạng tấm).
Thành phần hóa học
-

4.

II)
1.

2.

+

Cacbon:
Lượng cacbon càng nhiều thì khả năng graphit hóa càng mạnh, nhiệt độ
nóng chảy thấp nên dễ đúc, cơ tính thấp.
Lượng cacbon được khống chế vào khoảng 2.8 đến 3.5%.

+ Silic:
Silic là nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành graphit trong gang.
Hàm lượng khống chế vảo khoảng 1.5 đến 3%.
+ Magan:
Là nguyên tố cản trở sự tạo thành graphit.
Làm tăng độ cứng, độ bền của gang.
Hàm lượng khống chế vào khoảng 0.5 đến 1%.
+ Phốt pho:
Làm tăng độ chảy loãng.
Làm tăng tính chống mài mòn.
Hàm lượng khống chế vào khoảng 0.1 đến 0.5%.
+ Lưu huỳnh:
4


Làm cản trở sự tạo thành graphit.
Làm xấu tính đúc, giảm độ chảy loãng.
3.

4.

Là nguyên tố có hại, khống chế vào khoảng 0.06 đến 0.12%.
Đặc tính
Gang xám có một giá thành rẻ và khá dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng
chảy thấp(1350ºC) và không đòi hỏi khắt khe về tạp chất.
Gang xám có tính đúc tốt và khả năng tắt âm cao, do tổ chúc xốp nên
cũng là ưu điểm cho các vật cần liệu bôi trơn có chứa dầu nhớt.
Tuy vậy, gang xám giòn, khả năng chống uốn kém nên không thể rèn
được.
Khi làm nguội nhanh trong khuôn gang bị biến trắng rất khó gia công cơ
khí
Ký hiệu TCVN và ứng dụng
Theo tiêu chuẩn Việt Nam ký hiệu bằng GX, với hai số tiếp theo chỉ giới
hạn bền kéo và giới hạn bền uốn tính ra Kg/mm.
GX 12-28 _ gang xám ferit với các tấm graphit thô độ bền thấp
(@bk=120N/mm , @bu = 280N/mm ), không chịu mài mòn, thường
được dùng làm vỏ máy, nắp máy.
GX 15-32, GX 18-36 _ gang xám ferit – peclit với các tấm graphit
tương đối thô, có cơ tính trung bình, ít chịu mài mòn, được dùng làm các
chi tiết tải trọng nhẹ như vỏ hộp giảm tốc, bích, cacte.
GX 21-40, GX 24-44 _ gang xám peclit với các graphit tấm nhỏ mịn
qua tính, để làm các chi tiết tải trọng cao như bánh rang (tốc độ chậm)
bánh đà, sơ mi, xécmăng, thân máy quan trọng.
GX 32-52, GX 36-56 _ gang xám peclit rất nhỏ mịn, để làm các chi
tiết chịu tải trọng cao, chịu mài mòn như bánh răng chữ V, trục chính, vỏ
bơm thủy lực.

5


Hình 1: GX 12-28 dùng làm vỏ máy

5.
a.

b.

Cơ tính, các yếu tố ảnh hưởng và những biện pháp nâng cao cơ tính của
gang xám
Cơ tính
Độ bền thấp: 150 đến 400MPa(=0.5 thép thông d ụng)
Độ cứng thấp: 150 đến 250 HB
Độ dẻo, độ dai đều thấp
Chống mài mòn tốt
Graphit có khả năng làm tắt dao động.
Các yếu tố ảnh hưởng tới cơ tính

+ Graphit : Số lượng, độ lớn, hình dạng va sự phân bố của graphit.
+ Nền kim loại : Nền kim loại có sơ tính cao thì gang xám cũng có cơ tính
cao.
c. Các biện pháp nâng cao cơ tính
Làm giảm lượng grafit, tức giảm số lượng vết nứt, rỗng. Muốn vậy trước
hết phải làm giảm lượng cacbon (tổng) của gang (vì Ctổng = Ctự do + Clk).
Để nấu chảy gang cacbon thấp (<3%) do nhiệt độ chảy tăng phải dùng lò
điện (thay cho lò đứng chạy than) hay pha thép vào gang.
Làm nhỏ mịn (làm ngắn) grafit, tức giảm kích thước vết nứt rỗng. Muốn
vậy phải biến tính gang lỏng bằng ferô mangan, ferô silic. Grafit trong gang
được chia thành tám cấp (theo ASTM) từ 1 đến 8, trong đó chiều dài trung
bình của cấp 8 là <0,015mm, cấp 1 là >1mm.
Cơ tính của các loại gang xám

6

Hợp kim hóa : + Hợp kim hóa cơ học (HKHCH) là quá trình nghiền bi
trong đó hỗn hợp bột dưới tác động năng lượng cơ học từ va chạm của bi-bi,
bi-tang nghiền.
+ Quá trình thường được thực hiện trong môi trường khí trơ. HKHCH là kỹ
thuật thay thế cho quá trình sản xuất bột kim loại và gốm ở trạng thái rắn.
+ Có 2 quá trình quan trọng nhất trong quá trình HKHCH là quá trình lặp
lại của hàn và phá hủy hạt bột. Quá trình hợp kim hóa chỉ có thể xảy ra nếu
có sự cân bằng giữa tốc độ hàn và tốc độ phá hủy, và kích thước hạt trung
bình đượcduy trìở trạng thái tương đối thô.
+ Các hợp kim với sự kết hợp khác nhau về nguyên t ố đã được tổng hợp
thành công nhờ tính duy nhất của quá trình có thể tổng hợp vật liệu mới từ
đáy của giản đồ pha.

Hình 2: Tổ chức tế vi của các loại gang xám
7


a. ferit
b. ferit – peclit
c.peclit
Tôi + ram. Khi tôi + ram, grafit là pha ổn định nên không có biến đổi gì
về tỷ lệ, hình dạng, kích thước và sự phân bố. Khi nung nóng (ở cao hơn
850oC) để tôi, nền kim loại chuyển biến như thép đứng riêng rẽ: ferit thành
Feγ, ferit – peclit thành austenit ít cacbon, peclit thành austenit với 0,6 0,8%C, khi làm nguội nhanh austenit chuyển biến thành mactenxit (với độ
cứng cao khác nhau) + grafit tấm và tùy thuộc vào nhiệt độ ram có
mactenxit ram hay trôxtit ram hay xoocbit ram + grafit tấm.
III)

Gang cầu
1. Định nghĩa
Gang cầu là một loại gang có tổ chức kim loại và graphit.
Gang cầu còn được gọi là gang bền cao có than chì ở dạng cầu nhờ biến
tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm.
Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang do than chì
ở dạng cầu tròn, bề ngoài cũng có màu xám tối như gang xám. Nên khi
nhìn bề ngoài không thể phân biệt hai loại gang này.
2. Thành phần hóa học
Gồm có: 3-3,6% C, 2-3% Si, 0,2-1% Mn, 0,04- 0,08% Mg, ít hơn
0,015% P, ít hơn 0,03% S. Gang c ầu có độ dẻo dai cao, đặc biệt sau khi
nhiệt luyện thích hợp.
Lượng cacbon và silic phải cao để đảm bảo khả năng than chì hóa (%C +
%Si) đạt tới 5%-6%. Không có hoặc không đáng kể (<0,1 – 0,01%) các
nguyên tố cản tr ở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là S. Có
một lượng nhỏ các chất biến tính Mg (0,04-0,08%) hoặc Ce. Có các
nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni (2%) Mn (<1%).
Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám song chỉ khác là than
chì của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim
loại: ferit, ferit – peclit và peclit. Chính điều này quyết định độ bền kéo
rất cao của gang cầu so với gang xám. Khác với gang xám, than chì dạng
cầu ở đây được tạo thành nhờ biến tính đặc biệt gang xám lỏng.
3. Đặc điểm
Sau khi biến tính cầu hóa than chì nhờ các nguyên tố Mg, Ce và các
nguyên tố đất hiếm, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các
nguyên tố than chì hóa như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang.
Nhờ các chất biến tính mà gang lỏng trở nên sạch các tạp chất như lưu
huỳnh và khí, làm tăng tốc độ hóa nguội cho gang và làm cho các tinh
thể than chì phát triển chủ yếu theo hướng thẳng góc với bề mặt cơ sở
của nó. Do đó than chì kết tinh thành hình cầu.

Gang cầu thường có CE cao (4,3-4,6%) để chống biến trắng và do than
chì ở dạng cầu sít chặt, ít chia cắt nền kim loại nên không làm giảm đáng
kể tính chất cơ học của gang. Hàm lượng Si không nên quá cao (nhỏ hơn
3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang. Hàm lượng S sau biến
8


4.

tính cầu hóa bằng Mg phải nhỏ hơn 0,03% thì gang mới nhận được than
chì biến tính và hạn chế tạp chất "vết đen" do MgS tạo ra sẽ làm giảm
tính chất cơ học của Gang. Hàm lượng Mn chọn tùy thuộc vào loại gang
cầu, với gang cầu ferit ở trạng thái đúc Mn nhỏ hơn 0,2%. Ở gang cầu
peclit chúng có thể lên tới 1%. Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm
tính dẻo dai của gang cầu.
Ký hiệu TCVN và ứng dụng
Theo tiêu chuẩn Việt Nam, ký hiệu gang cầu là GC, với hai số tiếp theo
chỉ giới hạn bền kéo (KG/mm2) và độ dãn dài tương đối.
GC 38-17 gang cầu ferit có độ bền thấp (@b < 450 N/mm2) độ dẻo cao
($>10%) ít dùng.
GC 45-05 gang cầu ferit – peclit có độ bền và độ dẻo trung bình, có thể
làm chi tiết máy thay thép.

Hình 3: GC 50-02 dùng làm trục khuỷu

GC 50-02 gang cầu peclit có độ bền tốt ở trạng thái đúc, chủ yếu được
dùng để chế tạo trục khuỷu, trục cán.
GC 70-03, GC 100-04, GC 120-04 gang cầu nhiệt luyện ra tổ chức nền
kim loại, dùng làm các chi tiết quan trọng.
Ngoài ra, Gang cầu với những đặc tính cơ hóa như độ nóng chảy thấp, độ

chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công, có khả năng chịu mài mòn, lại
có ưu thế vượt trội so với gang xám là có độ bền kéo tốt, lại vừa có khả
năng chịu uốn nén và độ giảm chấn tốt của gang dẻo, giá thành sản xuất
lại thấp hơn nhiều so với sản xuất gang dẻo hoặc sản xuất thép carbon
nên được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp quốc phòng và
phục vụ ngành xây dựng, cấp thoát nước… như sản xuất vỏ động cơ
diezen, các chi tiết vũ khí quân dụng, nắp hố ga, song chắn rác …

9


Hình 4: nắp hố ga làm từ gang cầu
5.

Cơ tính và những biện pháp nâng cao cơ tính của gang cầu
a. Cơ tính
+ Các đặc điểm về cơ tính của gang cầu:
Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (@b = 400 – 800Mpa, @0.2 =
250 – 600Mpa), tức là tương đương với thép cacbon chế tạo máy.
Độ dẻo và độ dai nhất định ($ = 2 – 15%, aK = 300 – 600KJ/m2), tuy có
kém hơn thép song cao hôn gang xám rất nhiều.
b. Các biện pháp nâng cao cơ tính
Do grafit ở dạng thu gọn nhất(quả cầu reon2), ít chia cat91 nền kim loại
nhất, hầu như không có đầu nhọn để tập chung ứng suất, nên nó làm
giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu duy trì được 70 – 90% độ bền
của nền kim loại(thép), tức không thua thép bao nhiêu và có thể thay thế
nó.

IV) Gang dẻo
1. Định nghĩa

Gang dẻo là loại gang trắng được ủ trong thời gian dài (đến vài ngày) ở nhiệt
độ từ 850 – 1050⁰C để tạo thành một loại gang có tính dẻo cao. Đây là vật liệu
có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang, thậm chí có
thể thay thế cho thép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại gang khác không có
khả năng.
2. Thành phần
a. Gang dẻo ferit:
10


Để có gang dẻo ferit, Người ta tiến hành ủ trong môi trường trung tính trong
thời gian dài bảo đảm sù graphit hoá toàn bộ các loại xêmentit của gang
trắng. Gang trắng ban đầu bao gồm tổ chức cùng tinh với tổ chức P + Xe II +
(P + Xe) được nung nóng tới 1000 0C, tại nhiệt độ này gang trắng có tổ
chức g + (g + Xe) khoảng 1,8% (ứng với giới hạn bão hòa - đường SE ở
10000C).
Trong qúa trình giữ lâu (10 - 15 giờ) ở nhiệt độ cao này sẽ xảy ra qúa trình
graphit hoá lần thứ nhất. Nó gồm sự phân huỷ của xêmentit cùng tình và
xêmentit thứ cấp (có số lưnợg nhỏ ở nhiệt độ đó). Có quá trình phân hoá của
xêmentit cùng tinh (g + Xe) – lêđêburit theo phản ứng:
Fe3 10000C

g1, 8 + G

C
Sau khi xênmentit cùng tinh phân hoá hết, tổ chức của gang chỉ còn austenit
với 1, 8%C và graphit. Cuối giai đoạn graphit hoá lần mét, gang có tổ chức
gồm austenit và vật lẫn cácbon ủ (graphit côm). Sau đó giảm nhiệt độ chậm
dần. Khi đó xảy ra giai đoạn trung gian của sù graphit hoá, đó là sự phân
huỷ của xêmentit thứ cấp được tiết ra. Giai đoạn thứ hai của sù graphit hoá

xảy ra hoặc là khi làm nguội rất chậm trong khoảng nhiệt độ cùng tích, hoặc
là khi giữ lâu (25 - 30 giờ) ở nhiệt độ thấp hơn thấp hơn mét Ýt so với nhiệt
độ chuyển biến cùng tích (720 - 740 0C). Trong qúa trình giữ nhiệt này
xêmentit của pectit bị phân huỷ.
- Theo giản đồ trạng thái Fe – C, khi làm nguội auxennit sẽ tiết ra xêmentit
II, do vậy làm nguội tõ 10000C đến A1 có quá trình:
1 g0, 8 + XeII

g1, 8
0000 - 7000C

Xêmentit II được tạo thành lại bị graphit hoá theo phản ứng:
Fe3C

g0, 8 + G
11


Do vậy tại nhiệt độ A1 gang có tổ chức g0, 8 + G và làm nguội xuống dưới
A1có tổ chức P + G.
Giữ nhiệt lâu ở 7000C (khoảng 30h) xêmentit trong cùng tích peclit bị phân
hoá theo phản ứng:
Fe3C 7000C

a+ G

Sau khi xêmentit cùng tích phân hoá hết, gang chỉ có tổ chức F + G tức là
gang dẻo ferit.
Kết quả việc ủ lâu 70 – 80 giờ, toàn bộ cácbon được tiết ra dưới dạng tự do à
hình thành tổ chức gồm fectil và các bon ủ.

b. Gang dẻo péclit.
Gang dẻo pectit nhận được bằng cách ủ trong môi trường ôxy hoá . Trong
trường hợp này thời gian giữ nhiệt của qúa trình graphit hoá lần thứ nhất
được tăng lên sau đó tiến hành làm nguội liên tục cho đến nhiệt độ 20 0C. Bởi
vậy sù graphit hoá xêmentit của peclit thực tế không xảy ra, gang có tổ chức
péctlil và cácbon ủ. Trường hợp xêmentit của cùng tích chưa phân hoá hết,
gang sẽ có tổ chức ferit + peclit + graphit, tức là gang dẻo ferit – peclit.
3. Ký hiệu TCVN và ứng dụng
Theo tiêu chuẩn Việt Nam ký hiệu là GZ với hai số tiếp theo có ý nghĩa
như gang cầu.
GZ35 – 10; GZ37 – 12; GZ50 – 04; GZ60 – 03.
Gang dẻo được dùng làm các chi tiết nhỏ, hình dạng phức tạp, có thành
phần mỏng, chịu va đập như trong công nghiệp dệt, ôtô như các chi tiết
trục khuỷu(bơm dầu khí), guốc hãm, máy dệt, cuốc bàn.

12


Hình 5: Cuốc bàn làm từ gang dẻo

Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn đồng thời ba yêu cầu là:
hình dạng phức tạp, thành mỏng, chịu va đập. Chỉ cần không thỏa mãn
một trong các yêu cầu trên việc chế tạo bằng gang dẻo hoặc là không thể
được hoặc là không kinh tế, lúc đó làm bằng vật liệu khác rẻ hơn (ví dụ
nếu không chịu va đập làm bằng gang xám, nếu hình dạng đơn giản làm
bằng thép hàn...).

13

NHẬN XÉT
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
..................................................................
................................................................
14


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. TaiLieu.vn – google.com
2. sites.google.com – google.com

15