Chương 7: CÁC LOẠI GANG

Chương 7
CÁC LOẠI GANG
7.1TỔNG QUAN.
Gang cũng là hợp kim của sắt, cácbon và một hàm lượng nhất định các nguyên tố khác như
Si, Mn, P và S. Trong đó hàm lượng cácbon lớn hơn 2,14%.
Thành phần hóa học của gang thông thường bao gồm 2,0 – 4,0% C, 0,4 – 3,5% Si, 0,2 –
1,5% Mn, 0,04 – 0,65% P, 0,02 – 0,15% S.
Nếu căn cứ vào tổ chức trên giản đồ trạng thái Fe – C, thì gang khác thép ở chỗ trong tổ
chức của gang luôn có ledeburít biến thái là [P + Xe], còn trong thép không có tổ chức này.
Cần chú ý là trong thép sau cùng tích có tổ chức hai pha là peclít và xementít II chứ không phải
là ledeburít biến thái [P + Xe].
Ưu điểm nổi bật của gang là rẻ tiền, dễ luyện, có thể luyện bằng các lò thủ công, có tính
đúc tốt hơn nhiều so với thép và một số kim loại khác. Gang có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn
thép và sau khi đúc, vật đúc ít co, có khi còn nở ra nên gang có thể đúc được các chi tiết máy
phức tạp, nhỏ đến vài chục gam nhưng lại có thể đúc được những vật nặng đến vài tấn hoặc vài
chục tấn. Nhiều chi tiết máy đúc bằng gang lại tốt hơn bằng thép vì vật đúc bằng gang giảm
được chấn động.
Tuy nhiên, gang có độ bền và độ dai kém hơn thép nên không thể kéo thành sợi, cán thành
tấm, thành lá được.
Gang được sử dụng trong thực tế, ngoài sắt và các bon bao giờ cũng có một hàm lượng
nhỏ các tạp chất thường có như các nguyên tố Mn, Si, P, S và các tạp chất ẩn gồm các khí nitơ,
ôxy, hyđrô (với hàm lượng rất ít) cùng các tạp chất ngẫu nhiên. Những loại gang này được gọi
là gang thường.
Trong nhiều trường hợp người ta cố ý cho vào gang các nguyên tố đặc biệt với một hàm
lượng nhất định để làm thay đổi tổ chức và tính chất của gang. Các nguyên tố đặc biệt đó được
gọi là các nguyên tố hợp kim còn gang như vậy được gọi là gang hợp kim.
Gang có tổ chức tương ứng với giản đồ trạng thái Fe – C, ngoài phần cácbon hòa tan trong
austenít và ferít, toàn bộ các bon còn lại đều tồn tại ở trạng thái liên kết xementít Fe
3
C được gọi
là gang trắng. Gang trắng rất cứng và giòn, độ cứng có thể đạt tới 450 – 650 HB, không thể gia

công cắt gọt được, độ co khi đúc lại rất lớn nên rất ít được sử dụng trong cơ khí mà chủ yếu
được dùng để làm nguyên liệu luyện thép, hoặc dùng để ủ ra gang dẻo hoặc dùng để đúc các
chi tiết chịu mài mòn như bi nghiền xi măng, trục cán đá, …
Trong những điều kiện nhất định về tốc độ nguội khi đúc, với tổng lượng % Si + %C thích
hợp, hoặc trong những điều kiện công nghệ nấu luyện cụ thể (thí dụ cho thêm Mg, Ce… vào
gang lỏng) thì cácbon tự do ở trong gang có thể tồn tại một phần hay toàn bộ ở dạng graphít mà
không tồn tại ở dạng liên kết Fe
3
C. Gang như vậy được gọi là gang graphít, đây là loại gang
được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí.
116
Tổ chức tế vi của gang graphít phụ thuộc vào tỉ lệ phân bố của cácbon ở pha graphít và
xementít. Người ta chia tổ chức của chúng ra làm hai phần: phần phi kim là graphít và nền kim
loại gồm có ferít và xementít. Khi tất cả cácbon ở dạng tự do thì nền kim loại chỉ gồm có ferít,
còn khi một phần cácbon ở dạng liên kết thì nền kim loại có thể là ferít – peclít, peclít, peclít –
xementít.
Chính do đặc điểm về tổ chức tế vi như nói trên mà các loại gang có cơ tính và có công
dụng khác nhau. Để có được tổ chức tế vi như mong muốn, mỗi loại gang cần có hàm lượng
các nguyên tố khác nhau.
7.2CÁC DẠNG GRAPHÍT TRONG GANG.
7.2.1 Sự tạo thành graphít trong gang lỏng.
Vấn đề đặt ra là các loại gang đều có hàm lượng cácbon giống nhau là lớn hơn 2% nhưng
có loại chỉ tạo nên trạng thái liên kết xementít Fe
3
C như gang trắng, có loại lại tạo nên graphít
là chủ yếu như gang xám, gang cầu và gang dẻo.
Như đã biết, năng lượng tự do của graphít luôn nhỏ hơn năng lượng tự do của xementít ở
mọi nhiệt độ nên về phương diện này sự tạo thành graphít là có lợi hơn. Tuy nhiên, công tạo
mầm của xementít lại nhỏ hơn của graphít rất nhiều, vì thế về phương diện này sự tạo thành
xementít lại có lợi hơn. Kết hợp cả hai yếu tố trên qua thực nghiệm người ta đã chỉ ra rằng sự

tạo thành graphít từ gang lỏng và từ austenít khi làm nguội chỉ xảy ra trong phạm vi nhiệt độ
hẹp và do đó phải làm nguội với tốc độ rất chậm. Điều này phù hợp với thực tế là cùng một
loại gang (có thành phần hóa học như nhau) nếu làm nguội với tốc độ chậm khi đúc dễ được
gang xám (cácbon ở dạng tự do graphít), còn làm nguội nhanh dễ được gang trắng (cácbon ở
dạng liên kết xementít).
Ngoài ra thành phần hóa học của gang cũng ảnh hưởng đến sự tạo thành graphít.
Cácbon là nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành graphít nên cácbon trong gang càng nhiều khả
năng tạo nên graphít trong gang càng lớn.
Silíc cũng là nguyên tố thúc đẩy mạnh sự tạo thành graphít vì nó làm giảm khả năng hòa
tan của cácbon ở trong gang lỏng và trong austenít vì thế trong gang trắng hàm lượng silíc
thường trong khoảng 0,3 – 0,5%, trong khi đó hàm lượng silíc trong gang graphít trong khoảng
1 – 3%.
Mangan là nguyên tố ngăn cản quá trình tạo thành graphít nên hàm lượng mangan trong
gang lớn dễ làm gang hóa trắng. Tuy nhiên mangan là nguyên tố làm tăng độ bền cho gang nên
trong gang graphít hàm lượng manang có trong khoảng 0,3 – 1,0%.
Như vậy điều chỉnh tổng lượng của cácbon với silíc và tốc độ làm nguội chúng ta có thể
điều chỉnh được mức độ tạo thành graphít trong gang.
7.2.2 Các dạng graphít trong gang.
Graphít có mạng lục giác như biểu thị trên hình 7.1 trong đó các nguyên tử cácbon như
được xếp thành từng lớp một. Khoảng các giữa các nguyên tử trong từng lớp rất gần nhau
khoảng 1,42 A
0
(Ăngstrong), còn giữa các lớp lại rất xa khoảng 3,40 A
0
.
Do có cấu trúc như vậy nên khi tạo thành từ trạng thái lỏng, graphít phát triển rất nhanh
theo các lớp (tức theo các phương và mặt có mật độ nguyên tử lớn) làm các lớp này dài, rộng
ra rất nhanh để có dạng tấm, phiến cong. Vì thế graphít tấm là dạng tự nhiên của graphít trong
gang. Tuy nhiên, graphít ở trong gang có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau tùy theo điều kiện
tạo thành.

Hình 7.1 giới thiệu các dạng graphít cơ bản.
117
[[[
Hình 7.1 Các dạng graphít cơ bản trong gang
Hình 7.2 Dạng không gian của
graphít tấm cùng tinh nguội chậm.
Graphít cầu là dạng graphít có được nhờ biến tính gang lỏng bằng các chất biến tính cầu
hóa graphít như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm khác. Graphít cầu là dạng chia cắt ít nhất
nền kim loại nên chúng ít bị tập trung ứng suất khi có tải trọng tác dụng, vì thế gang chứa
graphít cầu có cơ tính cao gần bằng thép.
Graphít quả bông (đôi khi được gọi là bông tuyết) là graphít ở dạng và gang có chứa
graphít quả bông sẽ dẻo, có thể rèn được.
7.3CÁC LOẠI GANG.
7.3.1 GANG TRẮNG
Gang trắng có tổ chức tương ứng với giản đồ Fe – Fe
3
C và thường được chia làm ba loại
theo thành phần cácbon là gang trắng trước cùng tinh, gang trắng cùng tinh và gang trắng sau
cùng tinh.
 Gang trắng trước cùng tinh.
Gang trắng trước cùng tinh chứa hàm lượng các bon dưới 4,3 % ứng với bên trái điểm C
của giản đồ trạng thái Fe – Fe
3
C. Tổ chức tế vi của nó bao gồm peclít, xementít thứ hai và
ledeburít .
Trong tổ chức này, peclít là các hạt tối to, xementít thứ hai là phần sáng giữa các hạt tối
to còn ledeburít gồm các hạt tối nhỏ là peclít nổi đều trên nền sáng xementít.
- -
118
Trong gang có thể tồn tại nhiêu dạng

graphít cơ bản, trong đó graphít dạng tấm
(dạng I) là loại graphít thường gặp nhất.
Dạng khơng gian của nó được trình bày trên
hình 7.2.
Graphít tấm phân nhánh và chia cắt rất
mạnh hạt cùng tinh, các mép của nó thường
nhọn và là nơi tập trung ứng suất khi có tải
trọng tác dụng. Trên mặt cắt dưới kính hiển
vi, graphít tấm có hình phiến đỉnh nhọn, nằm
phân cách với nhau vì thế gang chứa graphít
tấm có tính chất cơ học thấp nhưng lại có
tính chất lý học, đặc biệt là tính đúc rất tốt.
 Gang trắng cùng tinh.
Gang trắng cùng tinh chứa hàm lượng các bon đúng bằng 4,3% ứng với điểm C của giản
đồ trạng thái Fe – Fe
3
C và tổ chức tế vi của nó chỉ có ledeburít (Hình 7.3).
Hình 7.3 Tổ chức tế vi ledeburít
 Gang trắng sau cùng tinh.
Gang trắng sau cùng tinh chứa hàm lượng các bon nhiều hơn 4,3 % ứng với bên phải
điểm C của giản đồ trạng thái Fe – Fe
3
C. Tổ chức tế vi của nó bao gồm xementít thứ nhất và
ledeburít.
Trong tổ chức của gang trắng sau cùng tinh xementít thứ nhất là các dải sáng to, thẳng
còn ledeburít là phần còn lại (hình 7.4).
Loại gang trắng này rất cứng và dòn nên không được sử dụng trong công nghiệp.
Hình 7.4 Tổ chức tế vi của gang trắng sau cùng tinh
Cần lưu ý:
Các tổ chức tế vi được trình bày ở trên ứng với giản đồ pha Fe - Fe

3
C chỉ phù hợp với
thực tế khi hợp kim có hai nguyên tố chủ yếu là sắt và các bon (tức lượng nguyên tố khác lẫn
vào hợp kim rất nhỏ) và ở trạng thái ủ (tức được làm nguội chậm). Khi làm nguội nhanh hợp
kim có thể có tổ chức không cân bằng và không phù hợp với giản đồ pha nữa.
7.3.2 GANG GRAPHÍT.
Căn cứ vào hình dạng của graphít tồn tại trong gang, người ta chia gang graphít ra làm
ba loại chính là gang xám, gang cầu và gang dẻo. Tuy nhiên còn có các loại phụ là gang biến
trắng và gang giun.
 Gang xám.
Gang xám là loại gang có graphít ở dạng tấm. Thành phần hóa học của gang xám dao động
trong khoảng 2,8 – 3,6%C; 1 – 3%Si; 0,5 – 1,6%Mn; 0,02 – 0,3%P và 0,02 – 0,15%S. Ngoài ra
nó còn có thể chứa một số lượng không lớn Cr, Ni và đồng được đưa vào từ quặng. Hầu hết
các nguyên tố này đều ảnh hưởng đến điều kiện graphít hóa, số lượng graphít, tổ chức nền kim
loại và do đó đến tính chất của gang xám.
119
Cơ tính của gang xám phụ thuộc vào tính chất của nền kim loại và chủ yếu vào số lượng,
hình dạng và kích thước của graphít. Độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn của gang
tăng cùng sự tăng của lượng péclít trong nền kim loại, nền này về cấu tạo tương tự như thép.
Graphít có ảnh hưởng quyết định là do dạng tấm của nó có độ bền rất thấp, tác dụng như
vết cắt hay vết nứt, chen vào nền kim loại và làm yếu nó. Các graphít càng lớn và hình dạng
càng phẳng độ bền chống đứt của gang xám càng kém.
Theo tiêu chuẩn Việt Nam gang xám được ký hiệu bằng chữ GX với hai cặp số chỉ giới hạn
bền kéo (đơn vị là kG/mm
2
) và giới hạn bền uốn (đơn vị là kG/mm
2
). Thí dụ: ký hiệu GX 12-
28 có nghĩa là mác gang xám ới giới hạn bền kéo là 12kG/mm
2

và giới hạn bền uốn là 28
kG/mm
2
.
Theo tổ chức nền kim loại, gang xám được chia thành ba loại:
Gang xám peclít với tổ chức gồm péclít và graphít. Gang xám peclít biến tính có cơ
tính cao nhất do graphít nhỏ mịn, thường được dùng rộng rãi làm thân máy bơm, máy nén, van
hãm thủy khí …. Trong gang xám này có chứa một hàm lượng cácbon liên kết khoảng hơn
0,8%. Tổ chức tế vi của loại gang xám peclít được trình bày trên hình 7.5.
Hình 7.5 Tổ chức tế vi của gang xám peclít.
Gang xám ferít - peclít với tổ chức gồm ferít, péclít và graphít thường được dùng làm
các chi tiết chịu tải trọng tĩnh và tải trong động cao như trung bình như blốc xylanh, bầu máy,
pistơn, tang trống ly hợp,thân của máy cái, bánh răng và các vật đúc khác. ... Trong gang xám
này có chứa một hàm lượng cácbon liên kết nhỏ hơn 0,8%. Tổ chức tế vi của ba loại gang xám
ferít - peclít được trình bày trên hình 7.6.
Hình 7.6 Tổ chức tế vi của gang xám ferít – peclít.
Gang xám ferít với tổ chức gồm ferít và graphít thường được dùng làm các chi tiết chịu
tải trọng nhỏ và trung bình như nắp, mặt bích, bánh đà, ổ trục, vỏ hộp giảm tốc, bệ máy, tang
trống phanh, đóa ly hợp, ... Trong gang xám này toàn bộ cácbon nằm ở dạng graphít.
 Gang cầu.
Gang cầu là loại gang có graphít ở dạng cầu. Để có được graphít dạng cầu này người ta đã
phải dùng chất biến tính Mg, Ce hoặc các nguyên tố đất hiếm trong khi nấu luyện gang. Thành
- -
120