Gang là gì?

Gang (Cast Iron) là thuật ngữ dùng để chỉ một nhóm hợp kim kim loại có thành phần chính là sắt. Do tên gọi của nó, nhiều người nghĩ rằng gang là sắt nguyên chất 100%, nhưng điều này không đúng. Thực tế, thép carbon chứa hàm lượng sắt cao hơn gang.

Một hợp kim có thành phần chủ yếu là sắt phải chứa hơn 2% carbon thì mới được xem là gang. Ngoài carbon, gang còn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố hợp kim khác, phổ biến nhất là mangan và silic. Những nguyên tố hợp kim bổ sung này được sử dụng để điều chỉnh thêm các tính chất của gang, từ đó tạo ra nhiều dạng gang khác nhau với đặc điểm cụ thể.

Phân loại của gang

Nguyên tố hợp kim

Tính chất của gang được thay đổi bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim khác nhau. Sau carbon, silic là nguyên tố quan trọng nhất vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc carbon có kết tinh thành dạng graphit hay không. Khi hàm lượng silic thấp, carbon hòa tan trong sắt và hình thành cacbua sắt (Fe₃C), tạo nên gang trắng. Khi hàm lượng silic cao, carbon bị đẩy ra khỏi dung dịch, kết tinh thành graphit, tạo nên gang xám.

Các nguyên tố khác như mangan, crom, molypden, titan và vanadi có tác dụng ngược lại với silic, giúp carbon giữ lại trong dung dịch và hình thành các cacbua. Niken và đồng làm tăng độ bền và khả năng gia công, nhưng không ảnh hưởng đến lượng graphit hình thành.
Carbon ở dạng graphit giúp gang mềm hơn, giảm co ngót, làm giảm độ bền và khối lượng riêng.

Gang xám

Gang xám có cấu trúc vi mô chứa graphit, khiến mặt gãy của vật liệu có màu xám đặc trưng. Đây là loại gang được sử dụng phổ biến nhất và cũng là loại vật liệu đúc được dùng nhiều nhất theo khối lượng.
Thành phần hóa học của hầu hết các loại gang nằm trong khoảng 2,5–4,0% carbon, 1–3% silic, phần còn lại là sắt.
Gang xám có độ bền kéo và khả năng chịu va đập thấp hơn thép, nhưng độ bền nén tương đương thép carbon thấp và trung bình.

Gang trắng

Gang trắng có bề mặt gãy màu trắng do chứa cacbua sắt, còn gọi là xêmentit. Với hàm lượng silic thấp và tốc độ làm nguội nhanh, carbon trong gang trắng kết tủa ra khỏi dung dịch ở dạng pha siêu bền xêmentit (Fe₃C) thay vì graphit. Các hạt xêmentit hình thành trong quá trình kết tinh có kích thước tương đối lớn, tạo nên gang rất cứng nhưng giòn.

Gang dẻo

Gang dẻo được tạo ra từ gang trắng sau khi trải qua quá trình ủ nhiệt kéo dài 1–2 ngày ở nhiệt độ khoảng 950°C, rồi được làm nguội chậm trong 1–2 ngày tiếp theo.
Kết quả là carbon trong cacbua sắt được biến đổi thành graphit và ferit, giúp gang trở nên dẻo và dai hơn. Trong quá trình này, sức căng bề mặt làm cho graphit hình thành dưới dạng hạt cầu nhỏ thay vì các vảy mỏng.

Gang cầu 

Được phát triển vào năm 1948, gang cầu hay gang graphit cầu có các hạt graphit ở dạng cầu nhỏ li ti với cấu trúc đồng tâm. Nhờ đó, gang cầu có tính chất tương tự thép xốp, không bị tập trung ứng suất như gang xám.
Thành phần của gang cầu gồm 3–4% carbon, 1,8–2,8% silic, và thêm một lượng nhỏ magie (0,02–0,1%) cùng xeri (0,02–0,04%). Những nguyên tố này làm chậm quá trình phát triển của hạt graphit bằng cách liên kết với các mép lớp graphit, giúp hình thành cấu trúc cầu ổn định.

Bảng so sánh các tính chất của gang

Tính chất của gang

Các đặc tính của gang khiến nó trở thành vật liệu được ưa chuộng trong công nghiệp và dân dụng suốt nhiều thế kỷ:

• Độ bền nén cao: Dù giòn, gang có độ bền nén rất tốt, có thể chịu tải trọng lớn mà không bị biến dạng. Do đó, nó thường được sử dụng trong kết cấu chịu lực, máy móc nặng và các trụ đỡ xây dựng.
• Độ cứng: Sự hiện diện của carbon ở dạng graphit hoặc cacbua sắt làm tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn của gang. Điều này đặc biệt hữu ích cho các bề mặt chịu ma sát như bánh răng, pít-tông, ổ trượt.
• Khả năng chịu nén: Gang có khả năng chịu nén vượt trội, vì vậy thường được sử dụng cho cột và trụ trong công trình xây dựng cũng như các cấu kiện hạ tầng.
• Khả năng giữ nhiệt: Gang có khả năng hấp thụ và giữ nhiệt rất tốt, khiến nó trở thành vật liệu lý tưởng cho dụng cụ nấu ăn như chảo, nồi, khuôn nướng.

Quy trình sản xuất gang

Quá trình sản xuất gang cũng là lý do cho tên gọi của nó (“cast” – đúc).
Đầu tiên, quặng sắt được nung chảy trong lò cho đến khi hóa lỏng. Sau đó, kim loại nóng chảy được rót khuôn và để nguội tạo thành thỏi gang. Các thỏi gang này lại được nấu chảy lần thứ hai trong khuôn đúc cuối cùng.
Trong giai đoạn nấu lại, gang có thể được bổ sung thêm các nguyên tố hợp kim hoặc xử lý nhiệt để đạt được các đặc tính mong muốn, hình thành bốn nhóm gang như đã nêu ở trên.

Khi ở trạng thái nóng chảy, gang có tính chảy lỏng tốt hơn thép và nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, điều này khiến gang trở thành vật liệu lý tưởng cho quy trình đúc. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ luyện thép, việc sử dụng gang đã giảm dần trong vài thế kỷ gần đây.

Thành phần của gang

Gang là hợp kim chủ yếu gồm sắt, với lượng carbon và silic đáng kể, cùng một lượng nhỏ các nguyên tố khác. Dưới đây là thành phần chi tiết và đặc điểm của chúng:

• Sắt : Là kim loại nền của gang, chiếm phần lớn hợp kim, mang lại độ bền và tính từ.
• Carbon : Chiếm từ 2–4%, cao hơn nhiều so với thép. Hình thái của carbon ảnh hưởng mạnh đến tính chất vật liệu: carbon ở dạng graphit giúp gang mềm hơn và dễ gia công; còn ở dạng cacbua sắt giúp gang cứng hơn nhưng giòn.
• Silic : Thường chiếm 1–3%, có vai trò điều khiển quá trình kết tinh của graphit và ảnh hưởng đến độ bền cũng như độ dẻo của gang.
• Mangan : Có mặt với tỷ lệ nhỏ khoảng 0,5–1%, giúp ngăn chặn sự hình thành của sunfua sắt (FeS) – hợp chất làm yếu gang.
• Lưu huỳnh và Phosphor: Được giữ ở mức rất thấp, khoảng 0,08% S và tối đa 1% P. Lưu huỳnh làm gang giòn, trong khi phosphor giúp tăng độ chảy loãng và độ cứng.
  

Ứng dụng của gang

Gang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, và ít quan tâm đến đặc tính kết cấu. 

Điều này là do thép thường có thể được biến tính để có các đặc tính kết cấu mong muốn hơn gang cho nhiều dự án. Mặc dù trước khi thép trở nên phổ biến, gang đã phần nào được ưa chuộng cho các mục đích kết cấu.

Gang cũng có giá cả khá phải chăng do các yêu cầu về nguyên tố hợp kim cơ bản và chi phí sản xuất thấp. Do đó, ngày nay gang vẫn được sử dụng khá phổ biến trên toàn thế giới. 

Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của gang, mặc dù điều quan trọng cần biết là những ứng dụng này sẽ khác nhau tùy thuộc vào việc lựa chọn một trong bốn loại kim loại gang được đề cập ở trên:

• Đĩa phanh
• Bánh răng và đĩa truyền động
• Xích và đĩa xích
• Các chi tiết máy
• Đồ dùng nhà bếp (nồi, chảo gang)
• Chi tiết trang trí kiến trúc
• Thân động cơ
• Trục và thanh truyền các loại
• Ổ đỡ và vỏ hộp
• Thiết bị khai thác mỏ