Chương 7: CÁC LOẠI GANG

Chia sẻ: Nguyễn Trọng Tuấn | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:13

1
557
lượt xem
137
download

Chương 7: CÁC LOẠI GANG

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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].

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 7: CÁC LOẠI GANG

  1. Chương 7 CÁC LOẠI GANG 7.1 TỔNG 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 Fe3C 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 Fe3C. Gang như vậy được gọi là gang graphít, đây là loại gang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí. 116
  2. 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. 7.2 CÁC 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 3C 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 A0 (Ăngstrong), còn giữa các lớp lại rất xa khoảng 3,40 A0. 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
  3. [[[ Hình 7.1 Các dạng graphít cơ bản trong gang 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 Hình 7.2 Dạng không gian của cơ học thấp nhưng lại có tính chất lý học, đặc biệt là tính đúc rất tốt. 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. 7.3 CÁC LOẠI GANG. 7.3.1 GANG TRẮNG Gang trắng có tổ chức tương ứng với giản đồ Fe – Fe3C 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 – Fe3C. 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 -
  4.  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 – Fe3C 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 3C. 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 3C 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 119
  5. 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. 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/mm2) 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/mm2. 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. - 120 -
  6.  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 phần hóa học của gang cầu gồm 3,0 -3,6%C; 2,0-3,0%Si; 0,2-1,0%Mn; không quá 0,15%P và không quá 0,14%S; và 0,04-0,08%Mg. Theo tổ nền kim loại, gang cầu có thể là nền ferít hay nền peclít hay nền ferít-peclit. Gang ferít gồm chủ yếu là ferít và graphít cầu, còn gang peclít có peclít dạng tấm hoặc xoĩcbít và graphít cầu, còn gang cầu ferít-peclít gồm có ferít, peclít và graphít cầu. Hình 7.7 mô tả tổ chức tế vi của gang cầu ferít-peclít. Hình 7.7 Tổ chức tế vi của gang cầu ferít - peclít. Do graphít ở dạng cầu là dạng ít chia cắt nền kim loại, hạn chế tối đa ảnh hưởng tập trung ứng suất khi chịu tải nên gang cầu có độ bền độ dẻo cao nhất trong các loại gang graphít, đặc biệt sau khi đã nhiệt luyện thích hợp, vì thế nó còn được gọi là gang có độ bền cao. Gang cầu được sử dụng ở nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau, thay thế thép một cách có hiệu quả trong nhiều sản phẩm và kết cấu. Từ gang cầu người ta chế tạo ra các thiết bị cán như trục cán với khối lượng tới 12 tấn, thiết bị búa máy, các chi tiết chịu va đập, có hình dạng phức tạp như trục khủyu động cơ xe ô tô, trục cam, bánh răng, xy lanh, vỏ tuốcbin hơi và nhiều chi tiết quan trọng khác làm việc với tải trọng tuần hoàn lớn và trong điều kiện chịu mài mòn. Theo tiêu chuẩn Việt Nam gang cầu được ký hiệu bằng chữ GC với hai cặp số tiếp theo chỉ chỉ giới hạn bền kéo (đơn vị là kG/mm2) và độ giãn dài tương đối (đơn vị là %). Thí dụ: ký hiệu GC 40-10 là mác gang cầu có giới hạn bền kéo là 40kG/mm2 và độ giãn dài tương đối là 10%. Trong một số trường hợp để tăng cao độ cơ tính người ta tiến hành nhiệt luyện. Để nâng cao độ bền người ta mang tôi rồi ram ở 500-6000C, để tăng độ dẻo người ta ủ cầu hóa peclít.  Gang dẻo. Gang dẻo còn được gọi là gang rèn là loại gang có graphít ở dạng cụm. Để có được graphít dạng cụm này người ta phải ủ từ gang trắng trước cùng tinh, vì thế gang này còn có tên gọi nữa là gang cácbon ủ. Thành phần hóa học của gang cầu gồm 2,2-3,4%C; 1,0- 1,6%Si; 0,2-1,0%Mn; không quá 0,18%P và không quá 0,2%S.Vật đúc từ gang trắng để ủ thành gang dẻo phải có thành mỏng với độ dày không quá 50mm, nếu không khi kết tinh trong lõi của vật đúc sẽ tíêt ra graphít dạng tấm, gang trở nên không thuận lợi cho việc ủ thành gang dẻo vì thế hàm lượng cácbon và silíc trong gang dẻo thấp. 121
  7. Về cơ tính gang dẻo có thể coi như loại gang trung gian giữa gang xám và gang cầu nên nó được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy nông nghiệp, ô tô, máy dệt, trong đóng tầu, chế tạo noài hơi, toa xe và động cơ diezel. từ gang dẻo nhgười ta chế tạo ra các chi tiết có độ bền cao, làm việc trong điều kiện ma sát mạnh, chịu va đập và chịu tải trọng thay đổi dấu. Mật độ cao của vật đúc gang dẻo cho phép chế tạo các chi tiết của thiết bị dẫn nước và dẫn khí. Tính đúc tốt của gang trắng ban đầu (trước khi ủ thành gang dẻo) cho phép đúc vật đúc có hình dạng phức tạp. Tổ chức của nền kim loại được hình thành do chế độ ủ nên tùy thuộc chế độ khác nhau chúng ta có gang dẻo peclít và gang dẻo ferít. tổ chức tế vi của gang dẻo ferít được trình bày trên hình vẽ 7.8. Hình 7.8 Tổ chức tế vi của gang dẻo ferít. Nhược điểm chủ yếu của gang deo là giá thành khá cao do thời gian ủ kéo dài. Theo tiêu chuẩn Việt Nam gang dẻo được ký hiệu bằng chữ GZ với hai cặp số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo (đơn vị là kG/mm2) và độ giãn dài tương đối (đơn vị là %). Thí dụ: ký hiệu GZ 35-10 là mác gang dẻo có giới hạn bền kéo là 35kG/mm2 và độ giãn dài tương đối là 10%. Một số mác gang graphít thường gặp được trình bày trên bảng 7.1. Bảng 7.1 Một số mác gang graphít thường gặp. Mác gang σ k[N/m2] σu δ% HB Ak[kJ/m2] Dạng graphít GX 15-32 150 320 0,5 163 – 229 – Tấm thô GX 24-44 240 440 0,5 170 – 241 – Tấm mịn GC 40-60 400 600 0,5 207 – 269 – Tấm mịn GC 38-17 380 – 17 140 – 170 600 Cầu thơ GC 45-5 450 – 5 160 – 220 300 Cầ u GC 60-2 600 – 2 200 – 280 200 Cầ u GZ 30-6 300 – 6 163 – C ụm GZ 60-3 630 – 3 269 – C ụm - 122 -
  8.  Gang xám biến trắng. Ngoài gang xám bình thường trong thực tế chúng ta còn gặp loại gang xám biến trắng. Đây là loại gang có tổ chức thay đổi từ ngoài vào trong như sau: Lớp ngoài cùng là gang trắng (chứa ledeburít), trong cùng là gang xám (chứa graphít tự do) còn vùng trung gian là loại gang có chứa cả ledeburít và graphít tự do có tên là gang hoa râm. Gang xám biến trắng phải có thành phần thích hợp và được tạo ra lớp gang trắng trên bề mặt bằng cách làm nguội rất nhanh lúc ban đầu khi đúc. Thành phần hóa học của gang xám biến trắng gồm không quá 3,5%C; 0,7-0,7%Si, không quá 3%Mn còn S, P càng thấp càng tốt. Gang xám biến trắng thường được dùng để chế tạo ra trục cán, bánh xe goọng tầu hỏa, các chi tiết cam, má nghiền, đầu phun cát, đầu phun bi, ...  Gang giun. Gang giun là loại gang có graphít ở dạng giun là dạng trung gian giữa graphít tấm và graphít cầu. Để tạo ra gang giun người ta có thể dùng một trong hai cách sau: − Biến tính gang lỏng bằng lượng chưa đủ đề cầu hóa graphít nhờ các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm. − Biến tính gang lỏng bằng cách phối hợp các nguyên tố cầu hóa graphít như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm với các nguyên tố khử cầu hóa như Ti, al. Để chống khuynh hướng tạo xementít tự do khi kết tinh, gang lỏng cần được biến tính lần hai bằng các chất graphít hóa như fero Silíc (FeSi) hay silico – can xi (CaSi) ... Tổ chức tế vi của gang giun bao gồm 80% -100% graphít ở dạng giun và 0-20% graphít ở dạng cầu với nền kim loại có thể là ferít, ferít-peclít hay peclit. 7.4 So sánh 3 loại gang graphít thường gặp. Có thể nhận xét tổng quát về các đặc điểm các loại gang thường dùng là gang xám, gang cầu và gang dẻo như sau: − Cơ tính của gang phụ thuộc vào hình dạng, số lượng, kích thước và sự phân bố của graphít đồng thời phụ thuộc vào tổ chức của nền kim loại. − Graphít có hình dạng càng thu gọn, càng có ít đầu nhọn và số lượng càng ít, kích thước càng nhỏ và phân bố càng đồng đều thì cơ tính của gang càng cao. − Gang có tổ chức nền kim loại là peclít bền hơn gang có nền kim loại là ferít – peclít. Gang có tổ chức nền kim loại là ferít – peclít lại bền hơn gang có nền kim loại là ferít. Cơ tính các loại gang phụ thuộc của vào hình dạng graphít và nền kim loại được trình bày trên bảng 7.2. Bảng 7.2 Cơ tính các loại gang phụ thuộc của vào hình dạng graphít và nền kim loại. Cơ tính Gang xám Gang dẻo Gang cầu (graphít tấm) (graphít cụm) (graphít cầu) 123
  9. Ferít Peclít Ferít Peclít Ferít Peclít σ k (N/mm2) 120 -200 250 - 400 300 - 100 400 - 700 400 - 550 600 - 800 δ (%) 0,5 0,2 10 - 18 1-6 10 - 15 1-5 Độ cứng HB 118 - 148 220 - 240 117 – 190 140 - 269 127 - 187 200 - 283 Tính chất và ứng dụng của các loại gang phụ thuộc vào thành phần hóa học, tổ chức tế vi và cách chế tạo chúng (xem bảng 7.3) Bảng 7.3 Cơ tính các loại gang phụ thuộc vào hình dạng graphít và nền kim loại. Lọa i Gang trắng Gang xám Gang dẻo Gang cầu Chỉ tiêu 1 2 3 − − Không Tương ứng với tương ứng với giản đồ trạng thái Fe – C Tổ giản đồ trạng − Phần lớn chức thái Fe – C. hay toàn bộ cácbon ở dạng tự do graphít và có tổ tế vi − chức F + G, F + P + G và P + G. Tất cả cácbon ở dạng liên kết. graphít tấm graphít cụm graphít cầu − − − − Thành Ít Si. Nhiều Mn Ít Si Nhiều Si phần − − Nhiều Mn. Cĩ Mg, Ce. − − − − Cách Đúc. Đúc Đúc thành gang Đúc có dùnmg chế trắng chất biến tính − − là Mg va Ce tạ o Nguội nhanh. Nguội chậm − Ủ graphít hóa − − Mềm, dễ Cứng, không gia gai công cắt, phoi dễ gẫy vụn. công cắt gọt Cơ được. − − − σ b thấp σ b tốt σ b cao tính − giòn. − − − Rẻ, dễ chế tạo Đắt, chế tạo Tương đối khó phức tạp chế tạo Công − Dùng rất nhiều Dùng làm các Dùng ngày càng - 124 -
  10. Chỉ dùng gang xám để làm các chi chi tiết thành nhiều thay thế biến trắng bề tiết chịu nén mỏng, phức thép để làm các dụng mặt để làm các cao, chịu kéo tạp và chịu va chi tiết chịu tải chi tiết chịu mài thấp và chịu va đập. trọng va đập mòn đập. dạng phức tạp. 7.5 MỘT SỐ LOẠI GANG ĐẶC BIỆT. Gang đặc biệt là những loại gang mà ngoài thành phần hóa học thông thường đã nêu trên người ta cố ý cho thêm một số nguyên tố hợp kim nhất định nhằm đạt được tính chất đặc biệt nào đó để sử dụng trong những điều kiện làm việc nhất định. Hai loại gang đặc biệt thường gặp là gang chịu ăn mòn và gang chịu nhiệt. 7.5.1 Gang chịu ăn mòn. Gang chịu ăn mòn chủ yếu là gang hợp kim cao, chúng có thể là gang xám hay gang cầu khi có chứa các nguyên tố hợp kim như Si, Cr, Ni vượt qua giới hạn xác định. Gang chịu ăn mòn bao gồm có mấy loại sau: − Gang silíc cao: Gang này còn có tên gọi là hợp kim sắt – silíc, có tổ chức nền kim loại là ferít và ferít giàu silíc. Thành phần của gang này ứng với thành phần cùng tinh. Thành phần hóa học của gang silíc cao nằm trong giới hạn 12-17%Si; 0,3 – 0,8%Mn; nhỏ hơn 0,1%P; nhỏ hơn 0,07%S. Gang silíc cao có độ bền kém, độ cứng cao, giòn và khó gia công nhưng có thể làm việc trong môi trường axít HNO 3, H2SO4 và trong môi trường axít HCl với nồng độ nhỏ hơn 30%. Khi tăng Si tới 17% và cho thêm 3,5 – 4,0%Mo gang silíc cao sẽ làm việc được trong môi trường HCL với mọi nồng độ. − Gang Crôm cao có thể chức ferít – cácbít với thành phần hóa học gồm 0,5 – 2,5%Si; 0,3 - 1,0%Mn; 20-30%Cr; nhỏ hơn 0,1%P; nhỏ hơn 0,1%S. Gang crôm cao có cơ tính khá, độ cứng cao, khó gia công, làm việc tốt trong các môi trường HNO3, H3PO4, trong dung dịch muối và trong các chất hữu cơ không hoàn nguyên. − Gang nikel cao có tổ chức nền kim loại là austenít. Thành phần hóa học của loại gang này gồm 1,0 – 2,75%Si; 0,4 - 1,5%Mn; 14 – 30%Ni; nhỏ hơn 0,4%P; nhỏ hơn 0,12%S. Lọai gang này có cơ tính khá, dễ gia công cắt gọt, làm việc tốt trong môi trường H2SO4, HCL và trong môi trường axít có tính ôxy hóa yếu và kiềm ở điều kiện chịu ăn mòn, mài mòn vcà chịu nóng. 7.5.2 Gang chịu nhiệt. Để đảm bảo cho gang có thể làm việc được ở nhiệt độ cao, người ta cho vào gang một số nguyên tố hợp kim như Cr, Si, Al với một hàm lượng nhất định đủ để tạo ra trên bề mặt gang một lớp ôxýt bền, sít chặt làm cho cho gang không bị ôxy hóa và trương nở tiếp theo. Tùy theo các nguyên tố hợp kim được dùng mà người ta chia gang chịu nhiệt này ra làm mấy loại sau: − Gang chịu nhiệt hợp kim silíc có tổ chức nền kim loại là ferít với thành phần hóa học gồm 1,6 – 2,5%C; 4,0 – 6,0%Si; 0,4 – 0,8%Mn. Lọai gang này có thể làm việc được dưới 6000C nếu là gang xám và có thể làm việc được tới 900 – 1.000C nếu là gang cầu. − Gang chịu nhiệt crôm cao với 2,4 – 3,6%C và12 – 18%Cr có tổ chức cácbít cùng tinh và peclít có thể làm việc được trong điều kiện chịu mài mòn và 125
  11. chịu nhiệt. Gang chịu nhiệt crôm cao với 2,5 – 2,9%C và25 – 29%Cr có tổ chức cácbít cùng tinh, máctenxít, austenít và ferít có thể làm việc được đến nhiệt độ 9000C. Gang chịu nhiệt crôm cao với hàm lượng cácbon thấp với 1,0 – 2,0%C và25 – 29%Cr có tổ chức cácbít cùng tinh và ferít có thể làm việc trong điều kiện bị ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao tới 1.1000C. − Gang chịu nhiệt nikel cao có tổ chức austenít và có thể làm việc được đến nhiệt độ 8000C. − Gang chịu nhiệt nhôm cao với 1,3 – 1,7%C; 1,3 – 1,6%Si; 0,4 – 1,0%Mn và 18 - 25%Al còn được gọi là “chugan”. Chugan có thể làm việc được đến nhiệt độ 9000C. Nếu dùng chất biến tính để cầu hóa graphít có thể làm tăng độ bền và cải thiện tính chất làm việc cho loại gang này. 7.6 ĐẶC ĐIỂM NHIỆT LUYỆN GANG. Quá trình nhiệt luyện gang chỉ làm thay đổi tổ chức nền kim loại chứ không làm thay đổi hình dạng của graphít cho nên quá trình chuyển biến tổ chức nền kim loại của gang khi nung nóng và làm nguội về cơ bản giống như. Tuy nhiên, quá trình nhiệt luyện gang cũng có một số đặc điểm khác biệt so với nhiệt luyện thép do có sự khác nhau về thành phần hóa học và nhất là quá trình graphít hóa trong gang. Đặc điểm nổi bật nhất của gang là do điều kiện graphít hóa rất khác nhau khi đúc nên tổ chức nền kim loại ban đầu của gang trước khi nhiệt luyện rất khác nhau và thay đổi từ ferít, ferít – peclít tới peclít vì thế khi nhiệt luyện gang phải giữ ở nhiệt độ và thời gian rất khác nhau phụ thuộc vào tổ chức ban đầu của gang để bão hòa cácbon cho austenít từ cácbít trong peclít hay từ graphít. Quá trình bão hòa cácbon cho austenít từ graphít thường xảy ra chậm chạp nên cần nhiệt độ cao hơn hay thời gian giữ lâu hơn so với quá trình bão hòa cácbon cho austenít từ cácbít trong peclít. Trong gang sự thiên tích của các nguyên tố Si, Mn và các nguyên tố hợp kim rất rõ ràng từ trung tâm hạt (xung quang graphít) tới biên giới tinh thể. Chính vì thế ngay trong một tinh thể, quá trình chuyển biến pha khi nung nóng hay làm nguội cũng khác nhau. Quá trình graphít hóa có thể đạt được bằng cách ủ ở nhiệt độ cao (950 – 1.0500C) để phân hủy các bít như ủ gang trắng để có được gang dẻo chẳng hạn. Có thể nhận được một phần hay tòan bộ tổ chức nền kim loại là ferít, bảo đảm cho gang có độ cứng thấp và độ dẻo cao bằng cách ủ mềm ở nhiệt độ dưới điểm chuyển biến cùng tích (650 – 7500C). Ngòai ra, đối với gang chúng ta có thể dùng các phương pháp ủ khử ứng suất tương tự như khi nhiệt luyện thép. 7.7 MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH BẰNG GANG. 7.7.1 Bệ, thân máy. Bệ và thân các máy cắt gọt, rèn dập, các động cơ ơtơ, diezel ... phần lớn được làm bằng gang xám (một số loại chịu va đập mạnh làm bằng gang cầu). Việc sử dụng này rất thích hợp vì gang xám có tính đúc tốt và chịu rung. − Để chế tạo các bệ máy và thân máy tĩnh, chịu tải trọng nhẹ, người ta thường dùng các mác gang GX15 – 32; GX18 – 36. − Để chế tạo các bệ máy và thân máy di động, chịu tải trọng nhe và trung bình, người ta thường dùng các mác gang GX21 – 40; GX24 – 47. - 126 -
  12. − Để chế tạo các bệ máy và thân máy quan trọng, chịu tải trọng lớn, độ chính xác cao, người ta thường dùng các mác gang GX28 – 48; GX32 – 52. Sau khi đúc xong, các bệ máy, thân máy được đem hóa già (để ngòai trời) 9 – 12 tháng để ứng suất trong giảm đến mức không gây ra sai lệch kích thước quá mức cho phép. Trong trường hợp cầnt hiết, người ta thường đem ủ khử ứng suất ở 500 – 6000C. Sau khi xử lý như trên xong, các bệ máy, thân máy mới được đem gia công sẽ bảo đảm cho thân máy và bệ nmáy ít bị biến dạng và thay đổi kích thước trong quá trình máy làm việc sau này. Để nâng cao độ chính xác khi làm việc của các máy công cụ, các sống trượt của chúng cần được hóa bền bằng cách tôi cao tần hay dùng gang với hàm lượng phốt pho cao tới 0,4 – 0,6%. 7.7.2 Sơmi. Sơ mi (còn được gọi là ống lót) của động cơ đốt trong thường được chế tạo bằng gang xám hoặc gang hợp kim do graphít trong gang bảo đảm tính bơi trơn tií«t khi xéc măng truợt tr6en nó. Với sơ mi chịu masát khơ, người ta thường dùng gang xám mác GX21 – 40 với hàm lượng phốt pho thấp ( Khỏang trên 0,2%P) và tôi cao tần bề mặt làm việc để đạt được độ cứng khoảng 42 – 45HRC. Để chế tạo sơ mi chịu masát ướt, gnười ta dùng gang xác GX24 – 44 với hàm lượng phốt pho cao hơn (có thể tới 0,4%P) để có được độ cứng khoảng 229 – 269HB (không tôi cao tần bề mặt làm việc). Để chống mài mòn tốt cho sơ mi của động cơ ơtơ Zin – 130 (của Nga), người ta dùng ống bằng gang xám austenít chêm vào phần trên của sơ mi, nơi làm việc nhiều nhất do gang xám austenít có tính chống mài mòn rất cao. 7.7.3 Xéc măng. Xéc măng (còn được gọi là vòng găng) là những vòng mỏng lắp vào đầu píttông. Khi làm việc, xéc măng tiếp xúc với sơ mi nên yêu cầu chủ yếu đối với xéc măng là khả năng giữ được lực đàn hoài ở nhiệt độ cao tới 350 – 4500C, bảo đảm kín khe hở giữa pittông và sơ mi, ít bị mài mòn và không làm mòn thành sơ mi. Phần lớn xéc măng ơtơ được làm bằng gang graphít (chủ yếu là gang xám và một phần là gang cầu) vì graphít làm tăng khả năng bơi trơn, mềm, thỏa mãn được điều kiện ít bị mài mòn và ít làm mỏng thành sơ mi. Gang dùng để làm xéc măng: − Có nền kim loại chủ yếu là peclít hoặc peclít dạng xoócbít còn lượng ferít cho phép rất ít (khơn gvượt quá 5%). − Có cùng tinh phốtphít và graphít rất nhỏ mịn − Có độ cứng khoảng 96 – 106HRB (vòng găng bé nên thường đo độ cứng bằng đơn vị HRB tường đương với 210 – 269HB) Để đảm bảo đạt được các yêu cầu trên cần phải khống chế chặt chẽ thành phần hóa học và công nghệ đúc. Trong dây chuyền sản xuất tiến tiến người ta đúc rời từng chiếc xéc măng một thay cho đúc thành ống dài rồi cắt rời thành từng chiếc như trước kia. Đúc rời từng chiếc một như vậy dễ đạt tổ chức đồng nhất vì thành mỏng. Sau khi đúc người ta đem gia công và ram khử ứng suất. [ 127
  13. 7.7.4 Trục khủyu. Hiện nay, nhiều nơi trên thế giới đã sử dụng gang cầu thay thế cho thép để chế tạo trục khủyu vì những lý do sau đây:  Tiết kiệm kim loại. Khi chế tạo trục khủyu từ thép bằng phương pháp dập, tỉ lệ trọng lượng phơi dập với thành phẩm rất lớn (có khi tới 90/48), trong khi đúc bằng gang cầu tỉ lệ này rất thấp (49/41).  Giảm thiểu gia công. Sử dụng gang cầu thay cho thép để chế tạo trục khủyu giảm được nguyên công rèn, dập và các nguyên công cơ khí khác cũng như nhiệt luyện, đồng thời dễ nhận được cấu trúc hình dáng thỏa mãn tốt hơn các yêu cầu đặt ra.  Cổ trục lâu mòn hơn. Tính chống mài mòn của cổ trục khủyu gang cầu tốt hơn thép khoảng 1,8 đến 4 lần. Trục khủyu bằng thép sau khi chạy 50.000 – 60.000km đã bị mòn cổ và phải mang đi sửa chữa lớn. Trong khi đó trục khủyu làm bằng gang cầu chạy được 100.000km cổ trục vẫn chưa mòn đến mức phải đưa đi sửa chữa lớn. Tại Nga, trục khủyu của các loại động cơ ô tô ΓAZ đều được làm bằng gang cầu GC 50 – 1,5 có nền kim loại là peclít hai đạt được bằng cách ủ cầu hóa ở 680 – 7200C trong 6 – 8giờ rồi tôi bề mặt cổ trục để đạt độ cứng 50 – 60HRC. Tại Mỹ, trục khủyu xe ô tô Ford được sản xuất cũng bằng gang cầu với thành phần gồm 3,5 – 4,0%C; 2,5%Si; 0,5%MN; 0,1– 0,2%Cr; 0,01%S; 0,05%P; 0,02%Mg; 0,2%Cu và 0,1%Ni. - 128 -
Đồng bộ tài khoản