Buzz
| Các pha hợp kim của Sắt |
|---|
|
| Tổ chức tế vi |
|
| Các loại thép |
|
| Vật liệu khác trên cơ sở sắt |
|
Băng nhóm xám (tiếng Anh: gray iron, gray cast iron) là loại gang có cấu trúc tế vi với graphit. Tên gọi của gang xám xuất phát từ màu xám của vết nứt trong hợp kim, do sự hiện diện của graphit (than chì). Đây là loại gang phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong ngành đúc dựa trên trọng lượng.
Gang xám chủ yếu được sử dụng trong các khung vỏ máy móc, nơi yêu cầu độ cứng chống uốn (stiffness) cao hơn độ bền kéo, như trong các bộ phận động cơ, vỏ bơm, thân van, hộp điện và các chi tiết trang trí. Gang xám có khả năng dẫn nhiệt và nhiệt dung cao, vì vậy nó thường được dùng để chế tạo dụng cụ nấu ăn bằng gang và rôto phanh dĩa.
Cấu trúc
Để đạt được cấu trúc graphit tế vi, hợp kim sắt-cacbon (Fe-C) thường có thành phần hóa học từ 2,5 đến 4,0% cacbon và 1 đến 3% silic theo trọng lượng. Graphit có thể chiếm từ 6 đến 10% khối lượng của gang xám. Silic (Si) là yếu tố quyết định việc hình thành gang xám thay vì gang trắng, vì nó ổn định graphit, giúp tạo ra cấu trúc graphit thay vì cementit (Fe3C) trong hợp kim. Khi nồng độ silic đạt 3% khối lượng, carbon sẽ gần như không tồn tại dưới dạng cementit. Tốc độ đông đặc (solidification rate) cũng ảnh hưởng đến sự hình thành graphit; tốc độ càng chậm, thời gian để carbon khuếch tán và hình thành graphit càng dài. Tốc độ làm nguội chậm vừa phải tạo ra cấu trúc pearlit (pearlite), trong khi làm nguội nhanh tạo ra cấu trúc ferrit (ferritic). Để có cấu trúc ma trận ferrit hoàn toàn, hợp kim cần được ủ nguội (anneal). Làm nguội nhanh có thể ngăn chặn hoặc làm giảm quá trình graphit hóa, dẫn đến sự hình thành cementit và tạo ra gang trắng.
Graphit trong gang có dạng tấm phẳng trong không gian ba chiều. Khi quan sát ở không gian hai chiều, như trên bề mặt đánh bóng, graphit hiện ra dưới dạng sợi mảnh. Do graphit có độ bền thấp, chúng có thể xem như là các lỗ rỗng trong cấu trúc hợp kim. Các đầu của các tấm phẳng graphit tạo thành các rãnh khuyết, nơi ứng suất tập trung và làm tăng tính giòn của vật liệu. Sự hiện diện của các tinh thể graphit dạng tấm giúp gang xám dễ gia công, vì vật liệu dễ gãy dọc theo các tinh thể này. Gang xám có khả năng hấp thụ sốc tốt, vì vậy nó thường được dùng làm đế cho máy móc và thiết bị.
Phân loại
Tại Mỹ, gang xám thường được phân loại theo tiêu chuẩn ASTM A48. Theo tiêu chuẩn này, gang xám được phân loại dựa trên giới hạn bền kéo (tensile strength), đơn vị là ksi hoặc x10 psi; ví dụ, gang xám số 20 có giới hạn bền kéo là 20 ksi hoặc 20.000 psi (khoảng 140 MPa). Gang xám số 20 có cấu trúc ferrit và nồng độ cacbon cao. Gang xám với số càng cao, đến 40, có cấu trúc pearlit và nồng độ cacbon thấp hơn. Trên mức 40, gang xám cần quá trình gia cường và tôi luyện để cải thiện cấu trúc. Gang xám loại 80 là loại cao nhất nhưng rất giòn. Tiêu chuẩn ASTM A247 cũng được sử dụng để mô tả cấu trúc graphit trong hợp kim. Các tiêu chuẩn ASTM khác liên quan bao gồm: ASTM A126, ASTM A278 và ASTM A319.
Trong ngành công nghiệp ô tô, tiêu chuẩn SAE Quốc tế J431 được sử dụng để xác định bậc (grade) của gang xám thay vì loại (class) như trong ASTM. Bậc gang xám được dựa trên tỷ lệ giữa giới hạn bền kéo và độ cứng Brinell (HB). Sự khác biệt về môđun đàn hồi kéo giữa các bậc gang xám phản ánh tỷ lệ graphit có trong gang, vì cấu trúc hợp kim chứa các tấm phẳng graphit, tạo nên tính chất xốp cho vật liệu.
| Loại | Giới hạn bền kéo (ksi) |
Giới hạn bền nén (ksi) |
Môđun kéo, E (Mpsi) |
|---|---|---|---|
| 20 | 22 | 83 | 10 |
| 30 | 31 | 109 | 14 |
| 40 | 57 | 140 | 18 |
| 60 | 62.5 | 187.5 | 21 |
| Bậc | Độ cứng Brinell | t/h | Mô tả |
|---|---|---|---|
| G1800 | 120–187 | 135 | Ferrit-pearlit |
| G2500 | 170–229 | 135 | Pearlit-ferrit |
| G3000 | 187–241 | 150 | Pearlit |
| G3500 | 207–255 | 165 | Pearlit |
| G4000 | 217–269 | 175 | Pearlit |
| t/h = Tensile strength/Hardness (Giới hạn bền kéo/ Độ cứng) | |||
Ưu điểm và nhược điểm
Gang xám là hợp kim phổ biến nhờ chi phí thấp và khả năng gia công dễ dàng. Các tinh thể graphit trong gang xám giúp giảm ma sát khi gia công và làm cho vật liệu dễ vỡ. Gang xám cũng có khả năng chống mài mòn tốt nhờ vào cấu trúc graphit tự làm trơn. Đặc biệt, graphit giúp gang xám hấp thụ sốc tốt và chuyển hóa năng lượng thành nhiệt, làm giảm chấn động.
| Tên vật liệu | Độ hấp thụ lực |
|---|---|
| Gang xám (cacbon tương đương cao) | 100–500 |
| Gang xám (cacbon tương đương thấp) | 20–100 |
| Gang cầu | 5–20 |
| Gang dẻo | 8–15 |
| Gang trắng | 2–4 |
| Thép | 4 |
| Nhôm | 0.47 |
| Logarit tự nhiên của tỉ số các cường độ liên tiếp | |
Gang xám có tính co ngót khi đông đặc thấp hơn so với các loại gang khác không chứa graphit. Silic trong gang xám giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn và tính chảy loãng khi đúc. Gang xám cũng dễ hàn hơn nhiều so với các hợp kim hiện đại khác, mặc dù giới hạn bền kéo và tính kéo sợi của nó thấp. Độ dẻo của gang xám, hay khả năng chịu biến dạng trước khi gãy, cũng khá hạn chế, dẫn đến tính bền va đập thấp.
Tham khảo
- DeGarmo, E. Paul; Black, J T.; Kohser, Ronald A. (2003), Materials and Processes in Manufacturing (ấn bản 9), Wiley, ISBN 9780471033066.
- Miller, Mark R. (2007), Welding Licensing Exam Study Guide, McGraw-Hill Professional, tr. 191, ISBN 9780071709972.
- Schweitzer, Philip A. (2003), Metallic materials, CRC Press, ISBN 9780203912423.
- Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Foundations of Materials Science and Engineering (ấn bản 4), McGraw-Hill, ISBN 9780072921946.
- Stefanescu, Doru Michael (2002), Science and engineering of casting solidification, Springer, ISBN 9780306467509.
- Gang xám
- Gang trắng
- Gang cầu
- Gang dẻo
Các liên kết tham khảo
- Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 385:1970 về gang xám: Sai số kích thước và khối lượng, các thông số dư cho gia công cơ học (Grey cast iron. Tolerances of dimensions and masses. Excess dimensions for mechanical treatment).
- Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 3902:1984 về gang xám và gang cầu: Cấu trúc vi mô và các phương pháp kiểm tra (Grey iron and spheroidal graphite iron casting. Microstructure and determination methods).
