Các loại gang, phân loại, thành phần, tính chất, đánh dấu và ứng dụng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Ngày nay hầu như không có khu vực nào trong cuộc sống của con người mà gang không được sử dụng. Vật liệu này đã được nhân loại biết đến từ khá lâu và đã chứng minh bản thân một cách xuất sắc trên quan điểm thực tế. Gang là cơ sở của rất nhiều bộ phận, cụm và cơ cấu, và trong một số trường hợp, thậm chí là một sản phẩm tự cung tự cấp có khả năng thực hiện các chức năng được giao cho nó. Vì vậy, trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu kỹ về hợp chất chứa sắt này. Chúng ta cũng sẽ tìm hiểu các loại gang là gì, các tính năng vật lý và hóa học của chúng.

Định nghĩa

Gang là một hợp kim thực sự độc đáo của sắt và cacbon, trong đó Fe chiếm hơn 90%, và C không quá 6,67%, nhưng không dưới 2,14%. Ngoài ra, cacbon có thể được tìm thấy trong gang ở dạng xi măng hoặc than chì.

Carbon cung cấp cho hợp kim một độ cứng đủ cao, tuy nhiên, đồng thời, nó làm giảm tính dễ uốn và độ dẻo. Kết quả là gang là một vật liệu giòn. Ngoài ra, các chất phụ gia đặc biệt được thêm vào một số loại gang nhất định, có thể cung cấp cho hợp chất những đặc tính nhất định. Vai trò của các nguyên tố hợp kim có thể là: niken, crom, vanadi, nhôm. Chỉ số khối lượng riêng của gang là 7200 kilôgam trên mét khối. Từ đó có thể kết luận rằngtrọng lượng của gang là một chỉ số không thể gọi là nhỏ.

Bối cảnh lịch sử

Luyện sắt từ lâu đã được con người biết đến. Lần đề cập đầu tiên về hợp kim này có từ thế kỷ thứ sáu trước Công nguyên.

Vào thời cổ đại, Trung Quốc sản xuất gang có nhiệt độ nóng chảy khá thấp. Gang bắt đầu được sản xuất ở Châu Âu vào khoảng thế kỷ 14, khi lò cao lần đầu tiên được sử dụng. Vào thời điểm đó, việc đúc sắt như vậy được sử dụng để sản xuất vũ khí, vỏ đạn, các bộ phận xây dựng.

Ở Nga, việc sản xuất gang tích cực bắt đầu từ thế kỷ 16 và sau đó được mở rộng nhanh chóng. Trong thời của Peter I, Đế chế Nga đã có thể vượt qua tất cả các quốc gia trên thế giới về sản lượng sắt, nhưng một trăm năm sau, nó lại bắt đầu mất vị thế trên thị trường luyện kim màu.

Gang đã được sử dụng để tạo ra nhiều loại tác phẩm nghệ thuật từ thời Trung cổ. Đặc biệt, vào thế kỷ thứ 10, các bậc thầy Trung Quốc đã đúc một hình sư tử thực sự độc đáo, nặng hơn 100 tấn. Bắt đầu từ thế kỷ 15 ở Đức, và sau đó ở các nước khác, nghề đúc gang trở nên phổ biến. Hàng rào, mạng lưới, tác phẩm điêu khắc công viên, đồ nội thất sân vườn, bia mộ được làm từ nó.

Vào những năm cuối của thế kỷ 18, nghề đúc sắt tham gia nhiều nhất vào kiến trúc của Nga. Và thế kỷ 19 thường được gọi là "thời đại gang", vì hợp kim này được sử dụng rất tích cực trong kiến trúc.

Tính năng

Có nhiều loại khác nhaugang, tuy nhiên, nhiệt độ nóng chảy trung bình của hợp chất kim loại này là khoảng 1200 độ C. Con số này nhỏ hơn 250-300 độ so với yêu cầu đối với quá trình luyện thép. Sự khác biệt này có liên quan đến hàm lượng cacbon khá cao, dẫn đến liên kết ít chặt chẽ hơn với các nguyên tử sắt ở cấp độ phân tử.

Tại thời điểm nấu chảy và kết tinh sau đó, cacbon chứa trong gang không có thời gian để thâm nhập hoàn toàn vào mạng tinh thể phân tử của sắt, và do đó gang cuối cùng trở nên khá giòn. Về vấn đề này, nó không được sử dụng ở những nơi có tải động liên tục. Nhưng đồng thời, nó rất tuyệt vời cho những bộ phận có yêu cầu tăng cường sức mạnh.

Công nghệ sản xuất

Hoàn toàn tất cả các loại gang đều được sản xuất trong lò cao. Trên thực tế, bản thân quá trình nấu chảy là một hoạt động khá tốn công sức, đòi hỏi sự đầu tư vật chất nghiêm túc. Một tấn gang cần khoảng 550 kg than cốc và gần một tấn nước. Khối lượng quặng nạp vào lò sẽ phụ thuộc vào hàm lượng sắt. Thông thường, quặng được sử dụng, trong đó sắt chiếm ít nhất 70%. Nồng độ nguyên tố thấp hơn là điều không mong muốn, vì sử dụng nó sẽ không kinh tế.

Sản xuất giai đoạn đầu

Luyện sắt như sau. Trước hết, quặng được đổ vào lò, cũng như các loại than luyện cốc, dùng để tạo áp suất và duy trì nhiệt độ cần thiết bên trong trục lò. Ngoài ra, các sản phẩm này trong quá trình đốt cháy tham gia tích cực vào các phản ứng hóa học đang diễn ra trongvai trò của chất khử sắt.

Đồng thời, một chất trợ dung được nạp vào lò, đóng vai trò như một chất xúc tác. Nó giúp đá tan chảy nhanh hơn, thúc đẩy quá trình giải phóng sắt.

Điều quan trọng cần lưu ý là quặng phải trải qua quá trình xử lý sơ bộ đặc biệt trước khi được đưa vào lò. Nó được nghiền trong một nhà máy nghiền (các hạt nhỏ tan nhanh hơn). Sau đó, nó được rửa để loại bỏ các hạt không chứa kim loại. Sau đó, nguyên liệu thô được nung, do đó, lưu huỳnh và các nguyên tố ngoại lai khác được loại bỏ khỏi nó.

Giai đoạn sản xuất thứ hai

Khí tự nhiên được cung cấp cho lò được nạp và sẵn sàng hoạt động thông qua các vòi đốt đặc biệt. Than cốc làm nguyên liệu thô nóng lên. Trong trường hợp này, carbon được giải phóng, kết hợp với oxy và tạo thành một oxit. Oxit này sau đó tham gia vào quá trình thu hồi sắt từ quặng. Lưu ý rằng khi lượng khí trong lò tăng lên, tốc độ phản ứng hóa học giảm xuống và khi đạt đến một tỷ lệ nhất định, nó sẽ dừng lại hoàn toàn.

Cacbon dư thừa thâm nhập vào chất nóng chảy và tham gia với sắt, cuối cùng tạo thành gang. Tất cả những yếu tố chưa tan chảy nằm trên bề mặt và cuối cùng sẽ bị loại bỏ. Chất thải này được gọi là xỉ. Nó cũng có thể được sử dụng để sản xuất các vật liệu khác. Các loại gang thu được theo cách này được gọi là gang đúc và gang.

Khác biệt

Cách phân loại gang đúc hiện đại cho phép phân chia các hợp kim này thành các loại sau:

• Trắng.
• Một nửa.
• Xám với than chì vảy.
• Than chì dạng nốt có độ bền cao.
• Dẻo.

Chúng ta hãy xem xét từng cái riêng biệt.

Gang trắng

Loại gang này là loại gang mà hầu như tất cả cacbon được liên kết hóa học. Trong kỹ thuật cơ khí, hợp kim này không được sử dụng thường xuyên, vì nó cứng, nhưng rất giòn. Ngoài ra, nó không thể được gia công bằng các công cụ cắt khác nhau, và do đó được sử dụng để đúc các bộ phận không yêu cầu bất kỳ gia công nào. Mặc dù loại gang này cho phép mài bằng bánh mài. Gang trắng có thể là gang thông thường và hợp kim. Đồng thời, việc hàn nó gây ra những khó khăn, vì nó đi kèm với việc hình thành các vết nứt khác nhau trong quá trình làm mát hoặc nung nóng, và cũng do sự không đồng nhất của cấu trúc hình thành tại điểm hàn.

Bàn là đúc chống mài mòn màu trắng có được bằng cách kết tinh sơ cấp của hợp kim lỏng trong quá trình làm nguội nhanh. Chúng được sử dụng phổ biến nhất cho các ứng dụng ma sát khô (ví dụ như má phanh) hoặc để sản xuất các bộ phận có khả năng chịu mài mòn và nhiệt cao hơn (cuộn cán của máy cán).

Nhân tiện, gang trắng có tên gọi như vậy do bề mặt vết nứt của nó là một bề mặt kết tinh nhẹ, tỏa sáng. Cấu trúc của loại gang này là sự kết hợp của ledeburite, đá trân châu và xi măng thứ cấp. Nếu gang này được hợp kim hóa, thì ngọc trai sẽ chuyển hóa thànhtroostit, austenit hoặc mactenxit.

Nửa gang

Việc phân loại gang đúc sẽ không đầy đủ nếu không đề cập đến nhiều loại hợp kim kim loại này.

Loại gang này được đặc trưng bởi sự kết hợp giữa cacbua eutectics và graphit trong cấu trúc của nó. Nhìn chung, cấu tạo đầy đủ có dạng như sau: graphit, ngọc trai, ledeburite. Nếu gang được xử lý nhiệt hoặc tạo hợp kim, điều này sẽ dẫn đến sự hình thành austenit, mactenxit hoặc troostite dạng thấu kính.

Loại gang này khá giòn nên việc sử dụng rất hạn chế. Bản thân hợp kim có tên gọi như vậy bởi vì sự đứt gãy của nó là sự kết hợp của các vùng tối và sáng của cấu trúc tinh thể.

Vật liệu kỹ thuật phổ biến nhất

Gang xám GOST 1412-85 chứa khoảng 3,5% cacbon, từ 1,9 đến 2,5% silic, lên đến 0,8% mangan, lên đến 0,3% phốt pho và ít hơn 0,12% lưu huỳnh.

Graphit trong gang như vậy có dạng phiến. Nó không yêu cầu sửa đổi đặc biệt.

Các tấm graphit có tác dụng làm suy yếu mạnh và do đó gang xám được đặc trưng bởi độ bền va đập rất thấp và hầu như không có độ giãn dài (dưới 0,5%).

Gang xám được gia công tốt. Cấu trúc hợp kim có thể như sau:

• Ferit-graphite.
• Ferit-ngọc trai-than chì.
• Perlite-graphite.

Gang xám hoạt động ở khả năng nén tốt hơn nhiều so với ở trạng thái căng. Anh cũngmối hàn khá tốt, nhưng điều này đòi hỏi phải gia nhiệt trước và các thanh gang đặc biệt có hàm lượng silic và cacbon cao nên được sử dụng làm vật liệu phụ. Nếu không làm nóng trước, việc hàn sẽ khó khăn vì gang sẽ tẩy trắng trong khu vực mối hàn.

Gang xám được sử dụng để sản xuất các bộ phận hoạt động mà không cần tải trọng (puli, nắp, giường).

Việc chỉ định loại gang này xảy ra theo nguyên tắc sau: SCH 25-52. Hai chữ cái chỉ ra rằng đây là gang xám, số 25 là chỉ số độ bền kéo (tính bằng MPa hoặc kgf / mm2), số 52 là độ bền kéo hiện tại uốn cong.

Sắt dễ uốn

Gang đúc có điểm khác biệt cơ bản so với các "anh em" khác của nó ở chỗ nó có chứa than chì dạng nốt. Nó thu được bằng cách đưa các chất điều chỉnh đặc biệt (Mg, Ce) vào hợp kim lỏng. Số lượng các thể vùi than chì và kích thước tuyến tính của chúng có thể khác nhau.

Điều gì tốt về than chì hình cầu? Thực tế là dạng như vậy làm yếu đi một cách tối thiểu nền kim loại, do đó, có thể là kim loại lê, ferit hoặc lêlitic-ferit.

Do sử dụng xử lý nhiệt hoặc tạo hợp kim, đế gang có thể có dạng thấu kính-troostit, mactenxit, Austenit.

Các cấp độ của gang dẻo là khác nhau, nhưng nói chung, ký hiệu của nó như sau: VCh 40-5. Dễ dàng đoán HF là gang có độ bền cao, số 40 là chỉ sốđộ bền kéo (kgf / mm2), số 5 liên quan đến độ giãn dài, được biểu thị bằng phần trăm.

Sắt dễ uốn

Cấu trúc của gang dẻo là sự hiện diện của than chì trong đó ở dạng vảy hoặc hình cầu. Đồng thời, graphit bong tróc có thể có độ mịn và độ rắn khác nhau, do đó, có ảnh hưởng trực tiếp đến cơ tính của gang.

Gang dẻo công nghiệp thường được sản xuất với gốc ferit, mang lại độ dẻo cao hơn.

Hình dạng đứt gãy của gang dẻo ferritic có màu đen mượt như nhung. Lượng đá trân châu trong cấu trúc càng cao thì sự đứt gãy càng nhẹ.

Nói chung, gang dẻo thu được từ gang trắng đúc do nung lâu trong lò nung đến nhiệt độ 800-950 độ C.

Ngày nay, có hai cách để sản xuất gang dẻo: kiểu Âu và Mỹ.

Phương pháp của Mỹ là mài mòn hợp kim trong cát ở nhiệt độ 800-850 độ. Trong quá trình này, than chì nằm giữa các hạt sắt tinh khiết nhất. Kết quả là gang trở nên nhớt.

Theo phương pháp của Châu Âu, vật đúc đang hao mòn quặng sắt. Nhiệt độ đồng thời khoảng 850-950 độ C. Carbon đi vào quặng sắt, do đó lớp bề mặt của vật đúc được khử cacbon và trở nên mềm. Gang trở nên dễ uốn, trong khi lõi vẫn giòn.

Ghi nhãn của sắt dễ uốn: KCh 40-6, trong đó KCh, tất nhiên, là sắt dễ uốn; 40 - chỉ số độ bền kéo;6 - độ giãn dài,%.

Các chỉ số khác

Đối với việc phân chia gang theo độ bền, cách phân loại sau được áp dụng ở đây:

• Cường độ tiêu biểu: σv lên đến 20 kg / mm2.
• Tăng sức mạnh: σv=20 - 38 kg / mm2.
• Độ bền cao: σv=40 kg / mm2trở lên.

Theo độ dẻo, gang được chia thành:

• Không linh hoạt - độ giãn dài dưới 1%.
• Nhựa thấp - từ 1% đến 5%.
• Nhựa - từ 5% đến 10%.
• Tăng độ dẻo - hơn 10%.

Tóm lại, tôi cũng muốn lưu ý rằng các đặc tính của bất kỳ loại gang nào cũng bị ảnh hưởng khá nhiều ngay cả bởi hình dạng và tính chất của vật liệu rót.