Đặc Điểm và Tính Chất Của Gang: A-Z Giải Mã Vật Liệu Quan Trọng

1. Gang Là Gì?

Gang là một hợp kim của sắt và carbon, trong đó hàm lượng carbon chiếm từ 2% đến 5%. Ngoài ra, gang còn chứa một số nguyên tố khác như silic (Si), mangan (Mn), lưu huỳnh (S), và phốt pho (P). Theo Sách giáo khoa Hóa học lớp 9, gang có tính chất cứng và giòn hơn so với sắt nguyên chất.

Trong lĩnh vực cơ khí, gang là một trong những vật liệu được sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong chế tạo máy và gia công khuôn mẫu. Dựa vào thành phần hóa học và tổ chức tế vi, gang được chia thành hai nhóm chính: gang graphit và gang trắng.

2. Thành Phần và Tính Chất Của Gang

2.1. Thành Phần Của Gang

• Gang thường: Thành phần được xác định theo tỷ lệ phần trăm khối lượng của các nguyên tố phổ biến như silic, carbon, phốt pho, mangan và lưu huỳnh trong giới hạn thông thường.
• Gang hợp kim (gang đặc biệt): Để tạo ra gang hợp kim, cần hàm lượng silic cao hơn 4% hoặc hàm lượng mangan cao hơn 1,5%, cùng với sự hiện diện của các nguyên tố khác.

2.2. Tính Chất Của Gang

Gang, tương tự như hợp kim hai nguyên tố carbon và sắt, có nhiệt độ nóng chảy dao động từ 1150°C đến 1200°C, thấp hơn khoảng 300°C so với sắt nguyên chất.

Gang được biết đến là một hợp kim giòn. Màu xám ở mặt gãy là dấu hiệu đặc trưng giúp nhận biết gang, thể hiện sự phân bố của carbon ở dạng tự do và hình thành các tấm khi hợp kim đông đặc.

3. Phân Loại và Ứng Dụng Của Các Loại Gang

3.1. Gang Thường (Gang Trắng)

Gang trắng là hợp kim của sắt và carbon, trong đó carbon tồn tại ở dạng liên kết Fe3C với hàm lượng từ 3% đến 3.5%. Do đó, gang trắng luôn chứa hỗn hợp cùng tinh và được chia thành ba loại:

• Gang trắng cùng tinh: %C = 4.3%.
• Gang trắng trước cùng tinh: %C ≤ 4.3%.
• Gang trắng sau cùng tinh: %C ≥ 4.3%.

Gang trắng có màu sáng trắng, độ cứng cao, độ giòn lớn và khó gia công bằng hàn hoặc cắt. Vì vậy, gang trắng chủ yếu được sử dụng để chế tạo các chi tiết máy cần khả năng chống ăn mòn cao hoặc trong luyện thép. Ngoài ra, nó còn được dùng để đúc và ủ thành các loại gang khác như gang xám biến trắng và gang dẻo.

3.2. Gang Graphit

Gang graphit là hợp kim của sắt và carbon, trong đó carbon chiếm hơn 2.14%, cùng với các tạp chất như Si, Mn, P, S,… Phần lớn carbon trong gang graphit tồn tại ở dạng tự do graphit với nhiều hình dạng khác nhau như cầu, tấm và cụm. Gang graphit có thể không chứa hoặc chứa rất ít Fe3C.

Dựa vào hình dạng của graphit, gang graphit được phân loại thành các loại sau:

• Gang xám: Đây là loại gang phổ biến nhất, trong đó carbon tồn tại dưới dạng graphit phiến, tấm hoặc chuỗi. Gang xám có giá thành rẻ, khả năng cách âm tốt và uốn dẻo tốt. Nhiệt độ nóng chảy của gang xám thấp, khoảng 1350°C. Tuy nhiên, nó có bề mặt xù xì, trọng lượng nặng, tính thẩm mỹ không cao, độ giòn lớn và khó rèn.
• Gang cầu: Gang cầu có cấu trúc graphit dạng quả cầu tròn, đặc tính chống va đập tốt, độ bền cao, khả năng chống mài mòn và độ bền dẻo. Gang cầu chứa 4.3% – 4.6% carbon và silic. Nó được sử dụng rộng rãi trong sản xuất van công nghiệp và chế tạo các chi tiết máy trung bình và lớn cần chịu tải trọng cao và có hình dạng phức tạp.
• Gang dẻo: Gang dẻo là dạng graphit cụm bông, được ủ “graphit hóa” ở nhiệt độ khoảng 850 – 1050°C từ gang trắng. Gang dẻo có độ bền cơ học tốt, tính dẻo cao, tính thẩm mỹ cao và tuổi thọ dài. Tất cả các loại van trong ngành van công nghiệp đều có thể được chế tạo từ gang dẻo. Tuy nhiên, do giá thành cao và công nghệ sản xuất phức tạp, nó ít được sử dụng hơn.
• Gang xám biến trắng: Thực chất là gang xám, nhưng khi đúc trong khuôn, bề mặt sẽ được làm nguội nhanh chóng và chuyển đổi thành gang trắng.
• Gang graphit ngắn: Tinh thể graphit ngắn và dày hơn so với gang xám. Các hạt hợp kim gang được nung ở nhiệt độ cao và ép vào khuôn ở áp suất cao để liên kết các hạt graphit với nhau, tạo thành tổ chức gang.

4. Sản Xuất Gang Như Thế Nào?

4.1. Nguyên Liệu Sản Xuất

Nguyên liệu chính để sản xuất gang là quặng sắt trong tự nhiên, chủ yếu là các oxit sắt như:

• Quặng hematit: Chứa Fe2O3, phổ biến ở Thái Nguyên, Yên Bái, Hà Tĩnh,…
• Quặng manhetit: Chứa Fe3O4.

4.2. Nguyên Lý Sản Xuất

Quá trình sản xuất gang dựa trên nguyên lý dùng carbon oxit (CO) để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim.

4.3. Quy Trình Sản Xuất

1. Quặng sắt, đá vôi và than cốc được đưa vào lò cao và xếp thành từng lớp xen kẽ nhau.
2. Không khí nóng được thổi từ phía dưới vào hai bên lò.
3. Phản ứng tạo ra khí CO.
4. Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt, một số oxit khác cũng bị khử tạo thành đơn chất.
5. Sắt nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ carbon và các chất khác, tạo ra gang lỏng rồi chảy xuống nồi và được đưa ra ngoài.
6. Đá vôi bị phân hủy thành CaO. CaO kết hợp với oxit SiO2 tạo thành xỉ. Xỉ nhẹ nổi lên trên và được đưa ra ngoài.
7. Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên.

5. Một Số Câu Hỏi Thường Gặp

• Ký hiệu của gang là gì?
  • Gang xám: Theo TCVN 1659 – 75, ký hiệu là GX kèm theo hai số chỉ độ bền kéo (ví dụ: GX12-28).
  • Gang dẻo: Ký hiệu là GZ kèm theo hai số chỉ độ giãn dài và bền kéo tương đối (%).
  • Gang cầu: Ký hiệu là GC với hai cặp số chỉ giá trị tối thiểu của giới hạn bền kéo và độ dẻo.
• Gang là kim loại gì?

Gang là hợp kim của Fe và C, với hàm lượng carbon lớn hơn 2.14%.

• Gang tiếng Anh là gì?

Tên tiếng Anh của gang là Cast iron.

Kết Luận

Hy vọng rằng với những thông tin chi tiết trên, bạn đọc đã có được cái nhìn toàn diện về đặc điểm tính chất của gang là gì, cũng như các phân loại và ứng dụng của nó. Việc hiểu rõ về vật liệu này sẽ giúp bạn đưa ra lựa chọn phù hợp nhất cho các ứng dụng cụ thể trong công việc và sản xuất.