Gang (cast iron) là một loại vật liệu, được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, từ những vật dụng nhà bếp đơn giản như chảo, xoong nồi, đồ trang trí nội thất đến những chi tiết thiết bị máy móc phức tạp.

Nếu bạn là một nhà quản lý, kỹ sư hoặc đơn giản là người tò mò muốn tìm hiểu về gang, thì đây là một bài viết không thể bỏ qua. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu những thông tin liên quan đến gang.

Tìm hiểu về gang

Gang là một loại vật liệu được sử dụng để chế tạo nhiều loại dụng cụ, thiết bị, chi tiết máy móc và được sử dụng trong kết cấu xây dựng.

gang (cast iron) là một loại hợp kim sắt với cacbon (Carbon) với hàm lượng carbon, thường trong khoảng từ 2% đến 4%, tiếp đến là silic khoảng 1% đến 3%, mangan khoảng từ 0,1% đến 1% và một lượng nhỏ tạp chất lưu huỳnh (S) và phốt pho (P) còn sót lại trong quá trình chế tạo.

Phụ thuộc tỉ lệ thành phần các chất cấu thành của vật liệu, mà ta có những loại gang khác nhau, giữa chúng có sự khác biệt về tính chất.

Chúng được tạo thành bằng cách phối trộn thành phần nguyên liệu, trong các lò nấu đặc biệt, sau đó dung dịch gang nóng chảy được đổ vào các khuôn, khi dung dịch đó đông đặc lại ta thu được thành phẩm là các thỏi gang thô, hoặc những sản phẩm đúc có hình dạng nhất định.

Những sản phẩm và thiết bị được chế tạo từ gang

Lịch sử phát triển của gang

Có nhiều những nghiên cứu và phát hiện cho thấy, gang đã được sử dụng từ hàng ngàn năm trước đây, cho đến hiện tại, người ta tìm thấy những công cụ làm nông bằng gang, đầu tiên được sử dụng tại Trung Quốc.

Trong nhiều giai đoạn gang và thép được sử dụng song song với nhau, và thép thường được đánh giá cao hơn về các đặc tính cơ học, tuy nhiên do chi phí của gang thấp hơn, nên nó vẫn đóng góp vai trò vào sự phát triển chung của xã hội.

Đến thế kỷ 15 đã có quốc gia phương tây sử dụng gang để chế tạo súng thần công, thay vì sử dụng đồng như trước đó, nhằm tiết kiệm chi phí.

Khoảng thời gian sau đó gang được sử dụng trong xây dựng, ứng dụng trong công nghiệp để sản xuất các loại máy móc, đặc biệt kể từ khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất diễn ra.

Trải qua hàng nghìn năm kể từ khi được phát hiện, đến thời điểm hiện tại gang vẫn là loại vật liệu quan trọng và được sử dụng rất rộng rãi.

Tính chất của gang

Gang bao gồm nhiều chủng loại, và giữa chúng có sự khác biệt nhất định về chất, tuy nhiên những tính chất tiêu biểu của gang có thể kể đến như sau:

Cứng và giòn: Gang được giá cao về độ cứng tuy nhiên nó khá giòn, điều này nói lên gang chịu nén tốt, nhưng hạn chế về khả năng chịu uốn và chịu kéo. Đặc biệt khi chúng chịu lực đến giới hạn bị phá hủy, những mảnh vỡ gang sẽ văng ra rất nguy hiểm, điều này cần lưu ý.
Dễ gia công: Gang có thể được gia công bằng nhiều phương pháp khác nhau, đặc biệt là đúc để tạo thành những hình dạng đặc biệt.
Chống mài mòn tốt: Độ cứng cao mang lại cho gang, khả năng chống mài mòn.
Nhiệt độ nóng chảy: Khoảng từ 1150℃ đến 1300℃.
Giới hạn độ bền kéo đối với gang xám: Khoảng 295 MPa.
Giới hạn độ bền kéo đối với gang dẻo: Khoảng 580 MPa.
Độ cứng Brinell của gang xám: Khoảng 235 Mpa.
Độ cứng Brinell của gang dẻo: Khoảng 250 MPa.

4 loại gang phổ biến

Giống như nhiều vật liệu khác, gang cũng bao gồm nhiều chủng loại, sự hình thành những loại gang khác nhau phụ thuộc vào nhiều yếu tố.

Có loại gang nổi trội về độ dẻo dai, có loại nổi trội về độ cứng và cũng có loại có khả năng chống ăn mòn.

4 loại gang đang được sử dụng phổ biến bao gồm: Gang xám (gray cast iron), gang trắng (white cast iron), (ductile cast iron), (malleable cast iron).

Gang xám (gray cast iron)

Tên gọi gang xám xuất phát từ đặc điểm màu sắc của loại gang này, được biết đến là loại gang lâu đời nhất và vẫn được sử dụng phổ biến cho đến ngày hôm nay, do chúng đã quá quen thuộc với chúng ta, nên mỗi khi nhắc đến gang, nhiều người thường nghĩ đến gang xám.

Lấy loại gang xám – ASTM A48 Class 40 làm ví dụ.

Về thành phần hóa học tính trên trọng lượng:

Cacbon: 3,25 ~ 3,5%.
Silic: 2%.
Mangan: 0,6%.
Lưu huỳnh: Nhỏ hơn 0,15%.
Phốt pho: Nhỏ hơn 1%.
Sắt 92 ~ 94%.

Gang xám có khả năng chịu nén tốt, nhưng nó lại hạn chế về khả năng chịu kéo và chịu va đập, khả năng dẫn nhiệt tốt. Từ những những tính chất trên, gang xám được sử dụng để chế tạo dụng cụ nấu nướng, bộ phận đế và vỏ của các loại máy móc công nghiệp, một số loại chi tiết cơ khí.

Gang trắng (white cast iron)

Gang trắng tên gọi này xuất phát từ đặc điểm màu sắc, khi ta quan sát bề mặt đứt gãy của loại vật liệu này nó có màu trắng. Gang trắng rất cứng, giòn và không thể gia công, chính vì vậy nó rất ít khi được sử dụng trong gia công cơ khí.

Mặc dù có độ cứng cao mang lại khả năng chống mài mòn tốt, nhưng do quá giòn nên ứng dụng của gang trắng rất hạn chế, một số ứng dụng cụ thể của vật liệu này có thể kể đến như, chế tạo những bộ phận dãnh xoắn, chế tạo chi tiết cách bơm sử dụng cho dòng chảy của các loại hạt, hoặc lưu chất có chứa hạt mài mòn.

Tùy thuộc vào từng loại gang trắng khác nhau, thành phần hóa học của chúng có thể bao gồm:

Cacbon: 3,3%
Silic: Nhỏ hơn 0,8%
Crom: Khoảng 2,5%
Nickel: Khoảng 4%
Mangan: Nhỏ hơn 1,3%
Sắt: Khoảng 86%.

Gang cầu (ductile cast iron)

Ductile cast iron tại Việt Nam được biết đến với tên gọi phổ biến là gang cầu, tên gọi này xuất phát từ tổ chức tế vi của vật liệu, nếu quan sát vật liệu dưới kính hiển vi, ta thất chúng có các nốt sần màu đen (dạng hình cầu).

Gang cầu có khả năng chống va đập tốt hơn so với gang xám, do nó dẻo hơn tuy nhiên nó vẫn đạt được độ cứng nhất định vì thế có khả năng chống mài mòn.

Các ứng dụng điển hình của gang cầu bao gồm chế tạo các loại van công nghiệp, chế tạo khung thân máy, trục khuỷu, bánh răng, các bộ phận ô tô và máy móc khác vì khả năng gia công tốt, độ bền mỏi và mô đun đàn hồi cao hơn (so với gang xám, khả năng chống mài mòn.

Thành phần hóa học cơ bản của gang cầu:

Cacbon: Khoảng 3,5%
Silic: khoảng 2,2%
Crom: 0,08%
Magnesium: khoảng 0,5%
Mangan: 0,2%
Một lượng nhỏ tạp chất gồm: Phốt pho và lưu huỳnh
Sắt: khoảng 86%.

Gang dẻo (Malleable cast iron)

Về cơ bản gang dẻo là gang trắng, sau khi đã được nhiệt luyện bằng phương pháp ủ. Quá trình ủ khá phức tạp và cần quan tâm đến nhiều thông số về nhiệt độ, cũng như thời gian, đơn giản hóa ta có thể hiểu như sau:

Gang trắng được mang đi nung nóng, đạt đến nhiệt độ khoảng 920℃, sau đó được làm nguội từ từ (có thể trong thời gian từ 1 đến 2 ngày), sau khi vật nung nóng được để nguội hoàn toàn, vật liệu có nhiều cơ phù hợp hơn cho việc gia công cũng như sử dụng.

Quá trình nhiệt luyện sẽ làm thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu, từ đó dẫn đến những sự thay đổi về tính chất của vật liệu.

Và vì vậy thành phần các chất hóa học về gần giống với gang trắng.

Gang dẻo có khả năng gia công tốt, độ dẻo dai cho phép vật liệu chịu uống tốt hơn, hạn chế nứt gãy khi chịu va đập, độ bền mỏi cũng rất hữu ích cho việc sử dụng lâu dài, đối với các bộ phận chịu ứng suất cao, lặp đi lặp lại có tính chu kỳ.

Gang dẻo phù hợp cho việc chế tạo, các vật đúc có kích thước nhỏ, cần độ bền kéo tốt và khả năng uốn dẻo. Các ứng dụng của gang dẻo bao gồm nhiều bộ phận của ô tô, các loại thiết bị máy móc, phụ kiện đường ống,…

Ứng dụng của gang

Kể từ khi lần đầu tiên được phát hiện đến này, cùng với sự phát triển của công nghiệp, gang luôn là một trong những loại vật liệu, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để chế tạo ra các công cụ và thiết bị.

Một vài ví dụ về khả năng ứng dụng của loại vật liệu này có thể kể đến như:

Dụng cụ nấu ăn: Khả năng dẫn nhiệt và chịu được nhiệt độ cao, cho phép gang xám được sử dụng để làm chảo, xoong nồi.

Công trình xây dựng: Khả năng chịu nén tốt, độ cứng cao, chống mài mòn gang được sử dụng để chế tạo cầu đường, nắp cống,…

Đồ đạc nội thất: Các loại đồng trang trí nội thất như giá đỡ, bệ đèn, cột trụ, các chi tiết chân bàn ghế,… làm từ gang xuất hiện trong nhiều công trình công cộng, hoặc được sử dụng trong gia đình.

Van và phụ kiện đường ống: Các loại van gang (van bướm thân gang, van cầu gang, van bi gang,…)

Chế tạo máy: Gang được sử dụng, trong sản xuất các bộ phận và chi tiết của động cơ, bơm, máy kéo, máy xúc và các thiết bị công nghiệp khác. Tính chất bền, chịu mài mòn và khả năng đúc linh hoạt, dễ dàng làm cho gang trở thành vật liệu lý tưởng, cho các bộ phận máy móc, đặc biệt là những bộ phận có biên dạng phức tạp.

Xem thêm vật liệu nhựa pp.