Gang xám là gì? Thành phần, tính chất và ứng dụng

Gang xám là gì?

Gang xám là một hợp kim sắt có chứa 2,5 đến 4,0 phần trăm carbon và 1,0 đến 3,0 phần trăm silicon theo trọng lượng, trong đó phần lớn cacbon tồn tại dưới dạng mảnh than chì phân bố khắp nền sắt. Khi kiểm tra bề mặt vết nứt, những mảnh than chì đó tạo cho kim loại màu xám đặc trưng - đó là tên gọi của nó. Đây là dạng gang được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới, chiếm khoảng 70 đến 75 phần trăm tổng sản lượng gang trên toàn cầu .

Câu trả lời ngắn gọn cho "gang xám là gì" là: đây là vật liệu kỹ thuật chi phí thấp, có khả năng đúc cao với khả năng giảm rung tuyệt vời, cường độ nén tốt, khả năng gia công vượt trội và độ giòn vốn có. Nó là vật liệu được lựa chọn ở những nơi có độ giảm chấn, khả năng chống mài mòn và hình học phức tạp quan trọng hơn độ bền kéo hoặc độ bền va đập —bao gồm rất nhiều ứng dụng công nghiệp, ô tô và cơ sở hạ tầng.

Gang xám đã được sản xuất liên tục ít nhất từ ​​thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên ở Trung Quốc và tạo thành xương sống của sản xuất công nghiệp trong suốt thế kỷ 18 và 19. Bất chấp sự cạnh tranh từ sắt, thép và nhôm dẻo, nó vẫn không thể thay thế được trong các ứng dụng mà sự kết hợp các đặc tính cụ thể của nó không thể sánh bằng về mặt kinh tế bởi bất kỳ vật liệu nào khác.

Cấu trúc vi mô xác định gang xám

Đặc điểm nổi bật của gang xám là cấu trúc vi mô của nó: mảnh than chì nhúng trong nền kim loại ferit, ngọc trai hoặc kết hợp cả hai . Hiểu được cấu trúc vi mô này sẽ giải thích được hầu hết mọi tính chất cơ học và vật lý mà vật liệu thể hiện.

Mảnh than chì: Nguồn gốc của cả điểm mạnh và điểm yếu

Trong gang xám, lượng cacbon dư không thể hòa tan trong nền sắt sẽ kết tủa dưới dạng than chì trong quá trình hóa rắn. Hàm lượng silicon cao (1,0 đến 3,0 phần trăm) thúc đẩy quá trình than chì hóa này bằng cách ngăn chặn sự hình thành cacbua sắt (xi măng), nếu không sẽ tạo ra gang trắng—một vật liệu cứng, giòn, gần như không thể gia công được.

Các mảnh than chì hoạt động như một mạng lưới bên trong của các bộ tập trung ứng suất. Dưới tải trọng kéo, các vết nứt bắt đầu ở đầu nhọn của vảy và lan truyền nhanh chóng qua ma trận, tạo cho sắt xám độ bền kéo thấp và độ giãn dài gần như bằng không. Tuy nhiên, những vảy tương tự này mang lại những lợi ích quan trọng: chúng làm gián đoạn sự lan truyền vết nứt dưới sự rung động theo chu kỳ (giảm xóc), mang lại hiệu quả tự bôi trơn giúp giảm mài mòn và làm cho vật liệu đặc biệt dễ gia công vì các vảy đóng vai trò như máy cắt phoi.

Các loại vảy than chì: Phân loại theo tiêu chuẩn ASTM A247

ASTM A247 phân loại hình thái vảy than chì thành 5 loại ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học:

• Loại A (phân bố đồng đều, định hướng ngẫu nhiên): Loại vảy mong muốn nhất. Được sản xuất bằng tốc độ làm nguội vừa phải với sắt được cấy tốt. Cung cấp sự kết hợp tốt nhất giữa sức mạnh, khả năng gia công và giảm xóc.
• Loại B (nhóm hoa hồng): Được sản xuất bằng cách làm mát nhanh vừa phải. Tính chất cơ học giảm nhẹ so với Loại A. Thường gặp trong các vật đúc có tiết diện mỏng.
• Loại C (kích thước vảy chồng lên nhau, than chì kish): Liên kết với các chế phẩm hypereutectic. Các mảnh than chì sơ cấp lớn làm giảm độ bền đáng kể và cho thấy có vấn đề về thành phần hoặc quá trình cấy không đủ.
• Loại D (interdendritic, undercooled): Các vảy mịn, định hướng ngẫu nhiên được tạo ra bằng cách làm lạnh nhanh hoặc cấy dưới mức. Độ cứng cao hơn nhưng khả năng gia công giảm; phổ biến ở các phần mỏng hoặc gần bề mặt vật đúc.
• Loại E (xếp nhánh, hướng ưu tiên): Xảy ra ở bàn là có tính giảm hiệu lực mạnh khi làm nguội nhanh. Tạo tính định hướng trong các tính chất cơ học và giảm khả năng gia công.

Ma trận: Ferit, ngọc trai hoặc Hỗn hợp

Ma trận sắt bao quanh các mảnh than chì quyết định độ bền và độ cứng của sắt xám. A ma trận ngọc trai hoàn toàn mang lại độ bền kéo và độ cứng cao nhất (thường từ 200 đến 300 HB) vì ngọc trai—các lớp ferit và xi măng xen kẽ nhau—vốn đã mạnh hơn chỉ riêng ferit. A ma trận ferritic đầy đủ tạo ra loại sắt mềm hơn, dễ gia công hơn với độ bền thấp hơn. Hầu hết các loại sắt xám thương mại đều có ma trận hỗn hợp ferritic-pealitic, với phần ngọc trai được kiểm soát bởi thành phần hợp kim và tốc độ làm nguội.

Thành phần hóa học của gang xám

Các tính chất của gang xám được điều khiển trực tiếp bởi thành phần hóa học của nó. Năm yếu tố chiếm ưu thế trong thành phần và mỗi yếu tố đóng một vai trò luyện kim cụ thể:

Tương đương cacbon (CE) là một chỉ số đơn được sử dụng rộng rãi để dự đoán hành vi của sắt xám: CE = %C (%Si %P) / 3 . CE bằng 4,3 là eutectic; các giá trị dưới 4,3 là hypoeutectic (mạnh hơn, cứng hơn, tốt hơn cho các cấp cấu trúc) và các giá trị trên 4,3 là hypereutectic (nhiều chất lỏng hơn, tốt hơn cho các vật đúc phức tạp nhưng độ bền thấp hơn).

Tính chất cơ học của gang xám

Gang xám có đặc tính đặc biệt và không đối xứng cao. Điểm mạnh của nó chính xác là những đặc tính cần thiết nhất trong các ứng dụng nặng, dễ rung, chịu mài mòn cao; điểm yếu của nó—độ giòn và độ bền kéo thấp—chỉ cần xác định ranh giới sử dụng thích hợp.

• Độ bền kéo: 100 đến 400 MPa tùy theo cấp. Đây là kích thước cơ học yếu nhất của sắt xám — thấp hơn nhiều so với sắt và thép dẻo. Sắt xám không bao giờ được sử dụng trong vai trò kết cấu chịu lực chính.
• Cường độ nén: 3 đến 5 lần độ bền kéo của nó —thường từ 570 đến 1.380 MPa. Đây là lý do tại sao sắt xám vượt trội trong các ứng dụng như bệ máy công cụ, khối động cơ và kết cấu cột nơi tải trọng nén chiếm ưu thế.
• độ cứng: Số độ cứng Brinell 150 đến 320 (BHN). Bàn là ngọc trai cao cấp hơn đạt tới 300 BHN, mang lại khả năng chống mài mòn tuyệt vời. Độ cứng của sắt xám là lý do chính khiến nó được sử dụng cho các bộ phận phanh và bề mặt trượt của máy.
• Độ giãn dài: Ít hơn 1%—không có biến dạng dẻo trước khi gãy. Sắt xám vốn có tính giòn và không thể gia công nguội hoặc tạo hình sau khi đúc.
• Khả năng giảm rung: Lớn hơn thép từ 20 đến 25 lần và cao hơn đáng kể so với sắt dẻo. Các mảnh than chì hấp thụ và tiêu tán năng lượng rung động, làm cho sắt xám trở thành vật liệu chủ yếu cho đế máy công cụ, khối động cơ và khung máy nén, nơi việc kiểm soát cộng hưởng là rất quan trọng.
• Độ dẫn nhiệt: 46 đến 52 W/(m·K)—cao hơn hầu hết các loại thép và cao hơn đáng kể so với thép không gỉ. Điều này tạo điều kiện tản nhiệt trong rôto phanh, đầu xi lanh và dụng cụ nấu ăn.
• Mô đun đàn hồi: 66 đến 172 GPa—một phạm vi rộng phản ánh ảnh hưởng của thể tích, kích thước và hướng của vảy than chì đến độ cứng. Giá trị này thấp hơn thép (200 GPa), có nghĩa là sắt xám bị lệch nhiều hơn trên mỗi đơn vị ứng suất.

Các cấp độ và tiêu chuẩn của gang xám

Gang xám được sản xuất theo cấp tiêu chuẩn xác định độ bền kéo tối thiểu và, trong một số tiêu chuẩn, phạm vi độ cứng. Các tiêu chuẩn chính được sử dụng trên toàn cầu là ASTM A48, ISO 185 và EN 1561.

ASTM A48 (Bắc Mỹ)

ASTM A48 phân loại sắt xám theo độ bền kéo tối thiểu tính bằng ksi. Số lớp trực tiếp bằng độ bền kéo tối thiểu: Cấp 20 = tối thiểu 138 MPa (20 ksi) . Các lớp nằm trong khoảng từ 20 đến 60, với số lượng cao hơn cho thấy các cấu trúc vi mô mạnh hơn, cứng hơn, nhiều ngọc trai hơn.

ISO 185 và EN 1561 (Quốc tế)

Theo tiêu chuẩn ISO 185 và tiêu chuẩn EN 1561 của Châu Âu, các loại sắt xám được chỉ định là EN-GJL-100 đến EN-GJL-350 , trong đó con số biểu thị độ bền kéo tối thiểu tính bằng MPa. EN-GJL-250 (độ bền kéo tối thiểu 250 MPa) gần tương đương với ASTM Class 35 đến 40 và là loại được chỉ định phổ biến nhất cho các ứng dụng kỹ thuật tổng hợp và ô tô ở Châu Âu và Châu Á.

Gang xám được sản xuất như thế nào

Việc sản xuất gang xám đơn giản hơn hầu hết các kim loại kỹ thuật khác, đây là lý do quan trọng khiến giá thành của nó thấp. Quá trình này nhìn chung nhất quán ở các xưởng đúc trên toàn thế giới, mặc dù chi tiết có thể khác nhau tùy theo loại thiết bị và yêu cầu cấp độ.

1. Chuẩn bị phí và nấu chảy: Nguyên liệu thô—gang, thép phế liệu, gang thu hồi (cổng, ống đứng, vật đúc bị loại) và hợp kim sắt—được nạp vào lò nung cảm ứng điện hoặc lò nung vòm. Lò Cupola sử dụng than cốc làm nhiên liệu là phương pháp truyền thống và vẫn phổ biến để sản xuất khối lượng lớn do chi phí năng lượng thấp hơn. Lò nung cảm ứng cung cấp khả năng kiểm soát thành phần chặt chẽ hơn và được ưu tiên cho công việc cấp cao hơn.
2. Điều chỉnh hóa học: Thành phần sắt nóng chảy được đo bằng phép đo phổ phát xạ quang học (OES) và được điều chỉnh bằng cách thêm ferrosilicon, ferromanganese hoặc các hợp kim chính khác. Hàm lượng cacbon được điều chỉnh bằng cách bổ sung cacbon (graphit) hoặc pha loãng bằng thép phế liệu. Mục tiêu CE được đặt theo cấp dự kiến ​​và độ dày mặt cắt của vật đúc.
3. Tiêm chủng: Trước khi đổ, chế phẩm ferrosilicon được thêm vào muôi hoặc trực tiếp vào dòng khuôn. Quá trình cấy thúc đẩy sự hình thành vảy than chì Loại A, làm giảm than chì chưa được làm lạnh (Loại D) và giảm thiểu sự hình thành lạnh ở các phần mỏng. Tiêm chủng muộn —thêm chế phẩm vào dòng kim loại khi nó đi vào khuôn—là phương pháp hiệu quả nhất và là phương pháp tiêu chuẩn trong các xưởng đúc hiện đại.
4. Chuẩn bị khuôn và đổ khuôn: Hầu hết sắt xám được đúc trong khuôn cát xanh (cát ẩm được nén xung quanh hoa văn). Kim loại được đổ ở nhiệt độ giữa 1.300°C và 1.450°C tùy thuộc vào độ dày và độ phức tạp của phần. Tính lưu động tuyệt vời của sắt xám—tốt hơn thép và sắt dẻo—cho phép nó lấp đầy các phần mỏng và hình học phức tạp một cách đáng tin cậy.
5. Sự đông đặc và rung chuyển: Sắt xám trải qua quá trình giãn nở eutectic trong quá trình hóa rắn dưới dạng kết tủa than chì, bù đắp một phần cho sự co lại thể tích tổng thể. Điều này làm giảm mức độ nghiêm trọng của độ xốp co ngót so với vật đúc bằng thép. Sau khi đông đặc, khuôn được lắc ra và vật đúc được tách ra khỏi cát.
6. Làm sạch và hoàn thiện: Các cổng, ống nâng và đèn chớp được loại bỏ bằng cách mài hoặc bắn nổ. Kiểm tra kích thước và kiểm tra độ cứng xác minh sự tuân thủ đặc điểm kỹ thuật. Ủ giảm căng thẳng ở 500°C đến 600°C đôi khi được thực hiện trên các vật đúc máy công cụ chính xác để giảm thiểu sự thay đổi kích thước trong quá trình gia công tiếp theo.

Gang xám được sử dụng ở đâu: Ứng dụng theo ngành

Vị thế của gang xám trong sản xuất được xây dựng dựa trên tập hợp các đặc tính cốt lõi—giảm rung, cường độ nén, chống mài mòn, khả năng đúc và khả năng gia công—làm cho nó trở thành vật liệu được ưu tiên cho một loại ứng dụng cụ thể và lớn mà không có vật liệu nào khác phù hợp trên cơ sở chi phí cho mỗi hiệu suất.

Ô tô: Khối động cơ và linh kiện phanh

Gang xám vẫn là vật liệu chủ đạo cho rôto phanh (đĩa) và trống phanh trong các phương tiện chở khách và thương mại bất chấp sự cạnh tranh từ vật liệu tổng hợp và gốm sứ. Độ dẫn nhiệt cao (tiêu tán nhiệt phanh nhanh chóng), đặc tính ma sát tuyệt vời (hệ số ma sát ổn định với má phanh) và chi phí trên mỗi kg rất thấp khiến nó không thể cạnh tranh về mặt chức năng và kinh tế cho ứng dụng này. Một rotor phanh của xe khách thông thường có trọng lượng 7 đến 12 kg và được sản xuất bằng sắt xám Loại 30 hoặc Loại 35.

Khối động cơ bằng sắt xám vẫn còn phổ biến ở các loại xe thương mại, động cơ diesel và động cơ xăng phân khối lớn, nơi khả năng giảm chấn của vật liệu giúp giảm tiếng ồn và độ rung so với nhôm. Các ống lót xi lanh bằng khối nhôm cũng thường được làm từ sắt xám để mang lại khả năng chống mài mòn cần thiết trên bề mặt lỗ khoan.

Máy công cụ và thiết bị công nghiệp

Đế, cột và bệ đỡ của máy tiện, máy phay, trung tâm gia công và máy mài hầu hết được đúc bằng sắt xám—chủ yếu là loại 30 đến 40. Khả năng giảm chấn của sắt xám là yếu tố quyết định : đế máy công cụ có khả năng giảm rung hiệu quả, tạo ra bề mặt hoàn thiện tốt hơn và tuổi thọ dụng cụ dài hơn so với mối hàn thép tương đương. Đế máy công cụ bằng sắt xám cũng có độ ổn định kích thước vượt trội theo thời gian, với độ nhạy giảm ứng suất dư thấp hơn so với kết cấu thép hàn.

Đường ống, Van và Cơ sở hạ tầng Nước

Ống gang xám là xương sống của hệ thống phân phối nước đô thị từ thế kỷ 19 trở đi. Trong khi sắt dẻo đã thay thế phần lớn sắt xám trong lắp đặt đường ống dẫn nước mới, Hàng trăm nghìn km đường ống nước bằng sắt xám vẫn được sử dụng trên toàn thế giới , một số đã hơn 100 tuổi. Van sắt xám, nắp hố ga và các bộ phận thoát nước tiếp tục được sản xuất với số lượng lớn cho các ứng dụng cơ sở hạ tầng, nơi tải trọng nén và khả năng chống ăn mòn quan trọng hơn độ bền kéo.

Dụng cụ nấu nướng và thiết bị nấu ăn

Dụng cụ nấu nướng bằng gang—chảo, lò nướng kiểu Hà Lan, vỉ nướng—là loại gang xám trong ứng dụng dễ thấy nhất của người tiêu dùng. Khả năng tỏa nhiệt cao và khả năng phân bổ nhiệt đều của vật liệu khiến nó vượt trội hơn thép không gỉ mỏng cho các công việc đòi hỏi khả năng truyền nhiệt đều và ổn định. Một chiếc chảo sắt xám được nấu chín kỹ sẽ tạo ra một lớp dầu polyme hóa chống dính tự nhiên, kết hợp độ xốp của vật liệu và kết cấu bề mặt trong một bề mặt nấu ăn chức năng. Dụng cụ nấu bằng gang chất lượng sẽ tồn tại qua nhiều thế hệ khi được bảo quản đúng cách.

Máy nén, máy bơm và linh kiện thủy lực

Xi lanh và khung máy nén, thân máy bơm và khối van thủy lực thường được đúc bằng sắt xám Loại 30 đến 40. Khả năng chịu áp suất của vật liệu dưới ứng suất vòng nén, kết hợp với khả năng gia công tuyệt vời cho các bề mặt lỗ khoan và bịt kín chính xác, cũng như khả năng chống mài mòn và mài mòn tốt từ các hạt truyền qua chất lỏng, khiến nó trở thành sự lựa chọn đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí cho các thiết bị năng lượng chất lỏng hoạt động ở áp suất lên tới 250 thanh .

Gang xám so với các loại gang khác: Khi nào nên sử dụng loại nào

Gang không phải là một vật liệu duy nhất - nó là một gia đình. Việc lựa chọn đúng thành viên trong dòng đó đòi hỏi phải hiểu rõ từng loại mang lại lợi ích gì và đặc tính của sắt xám mang lại lợi thế hay bất lợi cho nó.

Chọn sắt xám khi độ giảm rung, cường độ nén, khả năng gia công và chi phí thấp là những ưu tiên và tải trọng kéo hoặc khả năng chống va đập không phải là yêu cầu thiết kế. Chọn sắt dẻo khi cần độ bền kéo, độ giãn dài hoặc khả năng chống sốc. Chỉ chọn sắt trắng cho các ứng dụng có độ mài mòn cao mà không cần khả năng gia công.

Khả năng gia công: Tại sao gang xám là một trong những kim loại dễ gia công nhất

Gang xám là chuẩn mực cho khả năng gia công của các kim loại đen. Các mảnh than chì đóng vai trò là máy cắt phoi, tạo ra các phoi ngắn, giòn thay vì các phoi dài, dạng sợi như thép. Điều này làm giảm đáng kể lực cắt, nhiệt độ dụng cụ và tốc độ mài mòn dụng cụ. Than chì cũng hoạt động như một chất bôi trơn khô giữa dụng cụ và phôi, làm giảm ma sát hơn nữa.

• Tốc độ cắt: Các lớp Ferritic (Lớp 20–25) có thể được gia công ở 200 đến 300 m/phút với dụng cụ cacbua được phủ. Các loại Pearlitic (Loại 40–60) yêu cầu tốc độ giảm từ 100 đến 200 m/phút do độ cứng và độ mài mòn cao hơn.
• Gia công khô là tiêu chuẩn: Không giống như thép, sắt xám thường được gia công khô. Chất làm mát có thể gây ra vết nứt do sốc nhiệt ở sắt xám ở bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ và phôi và thường tránh được trong các nguyên công tiện, phay và móc lỗ.
• Bề mặt hoàn thiện: Máy bằng sắt xám có độ hoàn thiện bề mặt Ra 0,8 đến 3,2 μm với dụng cụ cacbua tiêu chuẩn trong nguyên công tiện và móc lỗ, đủ cho hầu hết các bề mặt ổ trục và bịt kín mà không cần mài thêm.
• Độ mài mòn trên dụng cụ: Mặc dù dễ cắt nhưng các mảnh than chì vẫn bị mài mòn nhẹ đối với các cạnh của dụng cụ cắt, đặc biệt là ở các loại có hàm lượng silicon cao. Các công cụ cacbua phủ (TiN, TiCN, Al₂O₃) hoặc CBN được sử dụng để sản xuất khối lượng lớn nhằm duy trì tuổi thọ ổn định của công cụ.

Hạn chế của gang xám và khi nào không nên sử dụng

Mỗi vật liệu đều có ranh giới sử dụng phù hợp. Hiểu được những hạn chế của sắt xám giúp ngăn ngừa các lỗi thiết kế nghiêm trọng và hướng dẫn các quyết định thay thế vật liệu chính xác.

• Không sử dụng trong các kết cấu chịu lực căng sơ cấp: Sắt xám không bao giờ được là thành phần chịu tải chính trong kết cấu chịu ứng suất kéo hoặc uốn đáng kể. Độ giãn dài gần bằng 0 của nó có nghĩa là nó không đưa ra cảnh báo trước khi bị đứt và không có sự phân phối lại dẻo của tình trạng quá tải.
• Không có tác động hoặc tải sốc: Các ứng dụng liên quan đến tải trọng tác động đột ngột—đầu búa, móc nâng, giá đỡ quan trọng về an toàn—về cơ bản không tương thích với đặc tính gãy giòn của sắt xám. Thay vào đó phải dùng sắt hoặc thép dễ uốn.
• Khó hàn: Hàm lượng carbon cao và độ giòn của sắt xám khiến cho việc hàn trở nên khó khăn về mặt kỹ thuật và không đáng tin cậy. Có thể sửa chữa hàn bằng cách làm nóng trước 300°C đến 600°C và các điện cực gốc niken, nhưng các mối hàn bằng sắt xám không bao giờ đáng tin cậy như kim loại gốc và không nên sử dụng trong các ứng dụng kết cấu hoặc chịu áp lực.
• Không thể gia công nguội: Sắt xám không có khả năng biến dạng dẻo ở nhiệt độ phòng. Nó không thể uốn cong, tạo hình, cuộn hoặc kéo. Tất cả việc tạo hình phải được thực hiện bằng cách đúc hoặc gia công.
• Ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt: Sắt xám bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt, axit hoặc mặn. Lớp phủ bảo vệ—sơn, epoxy, lớp phủ bitum—được yêu cầu cho dịch vụ ngoài trời hoặc chôn lấp. Các mảnh than chì có thể hoạt động như cực âm trong tế bào điện, đẩy nhanh quá trình hòa tan sắt trong môi trường chứa chất điện phân mà không cần bảo vệ.
• Độ nhạy của phần: Các đặc tính thay đổi đáng kể theo độ dày tiết diện trong cùng một vật đúc. Các phần mỏng nguội nhanh hơn, tạo ra các cấu trúc vi mô mịn hơn, cứng hơn; phần dày nguội dần, tạo ra than chì thô hơn và ma trận mềm hơn. Thiết kế phải tính đến sự thay đổi này hoặc chỉ định phạm vi độ cứng tại các vị trí quan trọng.