Sự khác biệt giữa gang (Xám) và sắt dẻo là gì?

Sự khác biệt cơ bản giữa gang và sắt dẻo là ở chỗ cấu trúc vi mô và hiệu suất cơ học . Gang xám chứa than chì ở dạng vảy, làm cho nó giòn nhưng có khả năng giảm chấn rất tốt. Gang dẻo (còn gọi là sắt than chì dạng nốt hoặc hình cầu) chứa than chì ở dạng nốt sần hình cầu, giúp nó có độ bền kéo, độ giãn dài và khả năng chống va đập cao hơn đáng kể. Về mặt thực tế: sắt dẻo có thể uốn cong trước khi gãy; gang xám không được .

Cả hai vật liệu đều là hợp kim sắt-cacbon có hàm lượng cacbon thường từ 2,5% đến 4,0%, nhưng cách phân bổ cacbon — và các chất phụ gia được sử dụng trong quá trình đúc — quyết định mọi thứ về cách thức hoạt động của bộ phận cuối cùng trong quá trình sử dụng.

Gang xám là gì?

Gang xám là loại gang lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất. Tên của nó xuất phát từ màu xám có thể nhìn thấy trên bề mặt mới bị nứt, gây ra bởi sự hiện diện của mảnh than chì phân tán khắp nền sắt . Những mảnh này hoạt động như bộ tập trung ứng suất dưới tải trọng kéo, đó là lý do tại sao sắt xám bị gãy đột ngột với biến dạng dẻo tối thiểu.

Mặc dù có tính giòn, gang xám cung cấp một tập hợp các đặc tính hấp dẫn giúp nó phù hợp với nhiều ngành công nghiệp:

• Cường độ nén tuyệt vời (thường 570–1.000 MPa )
• Chống rung và giảm tiếng ồn vượt trội — lên đến Tốt hơn 10 lần so với thép
• Khả năng gia công rất tốt do than chì đóng vai trò là chất bôi trơn
• Khả năng chống mài mòn tuyệt vời trên bề mặt trượt
• Chi phí thấp và dễ dàng đúc các hình dạng phức tạp

Các lớp phổ biến bao gồm ASTM A48 Lớp 20 đến Lớp 60 , trong đó con số này đề cập đến độ bền kéo tối thiểu tính bằng ksi. Sắt xám Loại 30 có độ bền kéo khoảng 207 MPa, trong khi Loại 50 đạt xấp xỉ 345 MPa - vẫn thấp hơn nhiều so với loại sắt dẻo tương đương.

Các ứng dụng điển hình: khối động cơ, đĩa phanh, đế máy công cụ, phụ kiện đường ống, dụng cụ nấu ăn và nắp hố ga.

Gang dẻo là gì?

Gang dẻo được phát triển vào năm 1943 khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thêm một lượng nhỏ magiê (thường là 0,03–0,05%) thành sắt nóng chảy làm cho than chì đông đặc lại dưới dạng hình cầu chứ không phải dạng vảy. Sự thay đổi dường như nhỏ này trong hình thái than chì tạo ra sự cải thiện đáng kể về tính chất cơ học.

Các nốt hình cầu làm gián đoạn quá trình lan truyền vết nứt kém hiệu quả hơn nhiều so với dạng vảy, khiến vật liệu biến dạng dẻo trước khi bị gãy. Đây là lý do tại sao sắt dễ uốn còn được gọi là sắt dạng nốt hoặc sắt than chì hình cầu (SG) .

Các tiêu chuẩn cơ học chính cho sắt dẻo (Cấp 65-45-12 theo tiêu chuẩn ASTM A536):

• Độ bền kéo: 448 MPa (65 ksi)
• Sức mạnh năng suất: 310 MPa (45 ksi)
• Độ giãn dài: 12% - nghĩa là nó giãn ra một cách có thể đo được trước khi đứt
• Khả năng chống va đập: cao hơn đáng kể so với sắt xám ở mọi nhiệt độ

Các ứng dụng điển hình: trục khuỷu ô tô, tay lái, xi lanh thủy lực, trục tuabin gió, ống nước và cống rãnh, và các bánh răng hạng nặng.

Gang và sắt dẻo: So sánh đặc tính song song

Bảng dưới đây tóm tắt những khác biệt quan trọng nhất giữa gang xám và gang dẻo trên các đặc tính liên quan đến kỹ thuật:

Vai trò của hình thái than chì: Tại sao hình dạng lại thay đổi mọi thứ

Để hiểu lý do tại sao hai vật liệu này hoạt động khác nhau như vậy đòi hỏi phải xem xét điều gì xảy ra ở cấp độ vi cấu trúc khi có tải trọng tác dụng.

Than chì vảy trong sắt xám

Trong sắt xám, các mảnh than chì về cơ bản là các vết nứt có sẵn trong ma trận kim loại . Khi tác dụng lực kéo, ứng suất tập trung ở đầu nhọn của các vảy này, khiến vết nứt lan truyền nhanh chóng mà hầu như không bị biến dạng dẻo. Đây là định nghĩa trong sách giáo khoa về gãy giòn. Độ giãn dài thường nhỏ hơn 1%, nghĩa là phần sắt xám không đưa ra cảnh báo nào trước khi hỏng - nó chỉ đơn giản là đứt ra.

Than chì dạng nốt trong sắt dẻo

Trong sắt dẻo, các nốt hình cầu không có đầu nhọn. Ứng suất không thể tập trung và lan truyền dễ dàng xung quanh một quả cầu. Thay vào đó, ma trận sắt bao quanh các nốt sần biến dạng dẻo, hấp thụ năng lượng trước khi hình thành bất kỳ vết nứt nào. Đây là lý do tại sao sắt dẻo kéo dài giữa 2% và 18% trước khi gãy, tùy thuộc vào cấp độ - đưa ra cảnh báo cơ học rõ ràng về tình trạng quá tải.

Lớp và tiêu chuẩn: Cách phân loại từng vật liệu

Cả hai vật liệu đều được tiêu chuẩn hóa bởi ASTM International, với các thông số kỹ thuật khác nhau phản ánh phạm vi hiệu suất khác nhau của chúng.

Các loại gang xám (ASTM A48)

• Lớp 20: Độ bền kéo 138 MPa - ứng dụng ứng suất thấp, trang trí hoặc phi cấu trúc
• Lớp 30: 207 MPa - máy móc và nhà ở đa năng
• Lớp 40: 276 MPa - linh kiện ô tô và thủy lực
• Lớp 50/60: 345–414 MPa — ứng dụng cường độ cao; đạt tới giới hạn trên của khả năng chứa sắt xám

Các loại gang dẻo (ASTM A536)

• Lớp 60-40-18: Độ bền kéo 414 MPa, năng suất 276 MPa, độ giãn dài 18% - dẻo nhất, được sử dụng trong đường ống và phụ kiện
• Lớp 65-45-12: Độ bền kéo 448 MPa, năng suất 310 MPa, độ giãn dài 12% - loại đa năng được sử dụng rộng rãi nhất
• Lớp 80-55-06: Độ bền kéo 552 MPa, năng suất 379 MPa, độ giãn dài 6% - bộ phận kết cấu ô tô
• Lớp 100-70-03: Độ bền kéo 689 MPa, năng suất 483 MPa, độ giãn dài 3% - ứng dụng cường độ cao, độ dẻo thấp
• Lớp 120-90-02: Độ bền kéo 827 MPa, năng suất 621 MPa - đạt tới cường độ của nhiều loại thép

Sự khác biệt về sản xuất và sản xuất

Quá trình sản xuất cả hai loại vật liệu này bắt đầu bằng việc nấu chảy gang và phế liệu trong lò vòm hoặc lò cảm ứng điện. Sự khác biệt quan trọng xảy ra ở giai đoạn điều trị:

Sản xuất sắt xám

Sắt xám được sản xuất bằng cách kiểm soát hàm lượng silicon (thường 1,0–3,0% ) và tốc độ làm nguội. Hàm lượng silicon cao hơn và làm mát chậm hơn thúc đẩy sự hình thành vảy than chì. Không cần chất phụ gia xử lý đặc biệt, giúp giảm chi phí sản xuất. Hợp kim được đổ và làm nguội - bề mặt vết nứt màu xám hình thành một cách tự nhiên.

Sản xuất sắt dẻo

Sắt dễ uốn đòi hỏi một quá trình xử lý magiê - bằng cách thêm trực tiếp các hợp kim chứa magie vào muôi (quy trình làm bánh sandwich) hoặc bằng cách phun dây. Vì magie có nhiệt độ sôi rất thấp (1.090°C) và sắt nóng chảy ở khoảng 1.200–1.400°C nên bước này đòi hỏi kỹ thuật cao và có thể tạo ra khói và phản ứng đáng kể. Sau khi xử lý bằng magie, bước sau tiêm chủng (thêm chế phẩm gốc silicon) đảm bảo số lượng nốt sần đồng đều trong suốt quá trình đúc. Quá trình xử lý bổ sung này chiếm chi phí cao hơn 10–30% so với sắt xám.

Ở đâu gang xám vẫn tốt hơn sắt dẻo

Bất chấp các đặc tính cơ học vượt trội của gang dẻo trong hầu hết các loại liên quan đến lực căng, gang xám vẫn giữ được những lợi thế kỹ thuật thực sự trong một số trường hợp:

• Giảm chấn rung: Các mảnh than chì trong sắt xám tiêu tán năng lượng rung động hiệu quả hơn nhiều. Đây là lý do tại sao khối động cơ, bệ máy tiện và vỏ máy nén vẫn thường được làm từ sắt xám - những mảnh sắt này hấp thụ rung động có thể gây ra mệt mỏi hoặc tiếng ồn.
• Điện trở chu trình nhiệt: Bàn ủi màu xám xử lý việc sưởi ấm và làm mát nhiều lần tốt hơn trong các ứng dụng như cánh quạt phanh và ống xả , trong đó nứt do mỏi nhiệt là dạng hư hỏng chính.
• Khả năng gia công: Các mảnh than chì bôi trơn dụng cụ cắt, giảm mài mòn dụng cụ và lực cắt. Các bộ phận máy bằng sắt xám thường Nhanh hơn 15–25% hơn các bộ phận sắt dễ uốn tương đương.
• Chi phí: Đối với các ứng dụng không yêu cầu độ bền kéo hoặc độ dẻo cao, sắt xám mang lại hiệu suất phù hợp với chi phí thấp hơn.

So sánh ứng dụng: Chọn bàn ủi phù hợp cho công việc

Việc lựa chọn giữa sắt xám và sắt dẻo về cơ bản là một câu hỏi loại tải, hậu quả hư hỏng và tổng chi phí . Sử dụng khung này làm điểm bắt đầu:

Cân nhắc chi phí: Khi mức giá cao hơn là hợp lý

Sắt dễ uốn thường có giá thành Nhiều hơn 10–30% so với sắt xám mỗi kg, được thúc đẩy bởi quá trình xử lý magie, kiểm soát hóa học chặt chẽ hơn và xử lý tan chảy phức tạp hơn. Tuy nhiên, phương trình tổng chi phí thường thiên về sắt dẻo trong các ứng dụng kết cấu:

• Phần nhẹ hơn: Vì sắt dẻo bền hơn nên các nhà thiết kế có thể sử dụng thành mỏng hơn để đạt được cùng mức tải trọng, giảm tổng trọng lượng và chi phí vật liệu của vật đúc thành phẩm.
• Giá trị chế độ lỗi: Trong các bộ phận quan trọng về mặt an toàn (móc cần cẩu, bộ phận lái, bình áp lực), khả năng sắt dẻo bị biến dạng rõ ràng trước khi hư hỏng nghiêm trọng có thể ngăn ngừa tai nạn và chi phí trách nhiệm liên quan.
• Chi phí thay thế: Trong cơ sở hạ tầng bị chôn vùi như đường ống dẫn nước, ống sắt dẻo có tuổi thọ lâu hơn đáng kể dưới áp lực mặt đất thay đổi, giảm chu kỳ đào và thay thế tốn kém.

Ngược lại, đối với các bộ phận có khối lượng lớn, ứng suất thấp - phụ kiện đường ống, đối trọng, khung chỉ chịu tải nén - sắt xám vẫn là sự lựa chọn hợp lý về mặt kinh tế .

Tóm tắt: Những bài học quan trọng dành cho kỹ sư và người mua

1. Sắt dễ uốn bền hơn và chịu va đập tốt hơn - độ bền kéo của nó có thể cao hơn gấp đôi so với sắt xám ở các cấp tương đương.
2. Sắt xám giảm rung tốt hơn — lên tới 10× so với thép và nhiều hơn đáng kể so với sắt dẻo.
3. Hình dạng than chì là nguyên nhân gốc rễ của mọi khác biệt lớn - vảy tạo ra sự tập trung ứng suất; nốt sần thì không.
4. Máy sắt xám nhanh hơn và chi phí ít hơn - quan trọng đối với việc sản xuất số lượng lớn các bộ phận không quan trọng.
5. Sắt dễ uốn hư hỏng an toàn - nó biến dạng rõ ràng trước khi bị gãy, khiến nó trở nên cần thiết cho các ứng dụng chịu tải và chịu áp lực.
6. Cả hai vật liệu đều được tiêu chuẩn hóa — ASTM A48 cho sắt xám, ASTM A536 cho sắt dẻo — cho phép đặc điểm kỹ thuật trực tiếp theo cấp độ trong bản vẽ kỹ thuật.

Việc lựa chọn giữa chúng không phải là cái nào "tốt hơn" về mặt tổng thể - mà là việc làm cho các đặc tính vật liệu phù hợp với yêu cầu dịch vụ. Khi tải trọng chủ yếu là các vấn đề về nén và giảm chấn thì sắt xám sẽ thắng. Trong trường hợp độ bền kéo, độ dẻo và khả năng chống va đập là rất quan trọng thì sắt dẻo là lựa chọn chính xác.