TÌM HIỂU về vật LIỆU GANG

Tùy theo hình dạng của graphit lại chia làm 3 loại: gang xám, gang cầu, gang dẻo.. Khi nung nóng ở cao hơn 850oC để tôi, nền kim loại chuyển biến như thép đứng riêng rẽ: ferit thành Feγ,

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỶ THUẬT LÝ TỰ TRỌNG

KHOA CƠ KHÍ LỚP 13CĐ-CK3

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU GANG

Sinh viên thực hiện Nguyễn Đình Truyền

Lê Quốc Khánh

12/2014

Mục Lục

I) Các khái niệm chung

1. Định nghĩa 1

2. Sự hình thành graphit trong gang 1

3. Các đặc tính cơ bản của gang 2

4. Phân loại 2

II) Gang xám 1. Định nghĩa 2

2. Thành phần hóa học 2

3. Đặc tính 3

4. Ký hiệu TCVN và ứng dụng 3

5. Cơ tính, các yếu tố ảnh hưởng và những biện pháp 4

nâng cao cơ tính của gang xám III) Gang cầu 1. Định nghĩa 6

2. Thành phần hóa học 6

3. Đặc điểm 6

4. Ký hiệu TCVN và ứng dụng 7

5. Cơ tính và những biện pháp nâng cao cơ tính 8

của gang cầu IV) Gang dẻo 1. Định nghĩa 8

2. Thành phần 9

3. Ký hiệu TCVN và ứng dụng 10

VẬT LIỆU GANG

I) Các khái niệm chung

1. Định nghĩa

- Gang là hợp kim của sắt với cacbon có thành phần cacbon lớn hơn 2,14%

- Ngoài ra còn có một số nguyên tố thường gặp như Mn, Si, S, P

- Mn và Si có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành graphit và cơ tính của gang, còn S và P có hại nên càng ít càng tốt

2 Sự hình thành graphit trong gang

a) Các dạng cơ bản

Graphit tấm: phổ biến nhất, có hình phiến đỉnh nhọn, nằm phân cách nhau Graphit cầu: có cơ tính cao gần bằng thép

Graphit giun: trung gian giữa Graphit tấm và Graphit cầu

Than Graphit: được sử dụng nhiều tuy có độ bền thấp hơn thép nhưng rẻ, dễ sản xuất, tinh giảm chấn và chịu nhiệt, chịu mài mòn tốt, tính đúc cao

b) Quá trình Graphit hóa trạng thái lỏng

Để thúc đẩy quá trình Graphit hóa, có một số biện pháp như: - Đưa vào các nguyên tố Graphit hóa: Al, Si, Cu, Co…và hạn chế một số nguyên tố ngăn cản Graphit hóa(Mn, Mo, S, Cr, V…) Nếu lấy hệ số Graphit hóa của Si là +1 thì mức độ ảnh hưởng Graphit:

Si Al Ti Ni Cu Mn Mo S Cr V

+1 +0.5 +0.4 +0.35 +0.25 -0.25 -0.35 -1 -1 -2

Biến tính gang lỏng bằng cách tạo mầm Graphit

Không nên hóa nhiệt lỏng quá cao làm mất mầm kết tinh do chúng nổi lên trên bề mặt gang lỏng hoặc hóa tan vào gang lỏng

c) Quá trình Graphit hóa trạng thái rắn

Đây là quá trình chuyển từ trạng thái cân bằng không ổn định (xementit) sang trạng thái ổn định (Graphit)

Cơ chế gồm 4 giai đoạn kế tiếp:

Cacbit phân hủy

Nguyên tử cacbon hòa tan vào dung dịch rắn

Nguyên tử cacbon khuếch tán vào dung dịch rắn

Nguyên tử cacbon kết tinh nên mầm Graphit

3. Các đặc tính cơ bản của gang

- Nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ nóng chảy hơn thép

- Dễ nấu, luyện

- Tính đúc tốt.

- Dễ gia công(trừ gang trắng)

Chịu nén tốt

4. Phân loại

Người ta phân loại gang thành 2 loại chính, đó là gang trắng và gang graphit

+ Gang trắng: Có tổ chức tế vi của gang hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái Fe-C và luôn chứa hỗn hợp cùng tinh ledeburit

+ Gang graphit: là loại gang mà trong đó toàn bộ cacbon nằm dưới dạng graphit

Tùy theo hình dạng của graphit lại chia làm 3 loại: gang xám, gang cầu, gang dẻo

Trong tổ chức của gang này không có ledeburit nên tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe-C

II) Gang xám

1. Định nghĩa

Gang xám là một trạng thái trong nhiều trạng thái của gang mà dựa vào

vi cấu trúc của chúng để người ta phân loại Bề mặt của gang xám ở mặt gãy của gang có màu xám, là đặc trưng của ferit và graphit tự do

Trong quá trình đông đặc, do tốc độ tản nhiệt chậm trong khuôn đúc bằng cát, dẫn đến lượng graphit hòa tan trong sắt lỏng có đủ thời gian để giải phóng thành các phiến nhỏ, có hình thù tự do( thường là dạng tấm)

2. Thành phần hóa học

+ Cacbon:

Lượng cacbon càng nhiều thì khả năng graphit hóa càng mạnh, nhiệt độ nóng chảy thấp nên dễ đúc, cơ tính thấp

Lượng cacbon được khống chế vào khoảng 2.8 đến 3.5%

+ Silic:

Silic là nguyên tố thúc đẩy sự tạo thành graphit trong gang

Hàm lượng khống chế vảo khoảng 1.5 đến 3%

+ Magan:

Là nguyên tố cản trở sự tạo thành graphit

Làm tăng độ cứng, độ bền của gang

Hàm lượng khống chế vào khoảng 0.5 đến 1%

+ Phốt pho:

Làm tăng độ chảy loãng

Làm tăng tính chống mài mòn

Hàm lượng khống chế vào khoảng 0.1 đến 0.5%

+ Lưu huỳnh:

Làm cản trở sự tạo thành graphit.

Làm xấu tính đúc, giảm độ chảy loãng

Là nguyên tố có hại, khống chế vào khoảng 0.06 đến 0.12%

3. Đặc tính

Gang xám có một giá thành rẻ và khá dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng chảy thấp(1350ºC) và không đòi hỏi khắt khe về tạp chất

Gang xám có tính đúc tốt và khả năng tắt âm cao, do tổ chúc xốp nên cũng là ưu điểm cho các vật cần liệu bôi trơn có chứa dầu nhớt

Tuy vậy, gang xám giòn, khả năng chống uốn kém nên không thể rèn được

Khi làm nguội nhanh trong khuôn gang bị biến trắng rất khó gia công cơ khí

4. Ký hiệu TCVN và ứng dụng

Theo tiêu chuẩn Việt Nam ký hiệu bằng GX, với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo và giới hạn bền uốn tính ra Kg/mm

GX 12-28 _ gang xám ferit với các tấm graphit thô độ bền thấp (@bk=120N/mm , @bu = 280N/mm ), không chịu mài mòn, thường được dùng làm vỏ máy, nắp máy

GX 15-32, GX 18-36 _ gang xám ferit – peclit với các tấm graphit tương đối thô, có cơ tính trung bình, ít chịu mài mòn, được dùng làm các chi tiết tải trọng nhẹ như vỏ hộp giảm tốc, bích, cacte

GX 21-40, GX 24-44 _ gang xám peclit với các graphit tấm nhỏ mịn qua tính, để làm các chi tiết tải trọng cao như bánh rang (tốc độ chậm) bánh đà, sơ mi, xécmăng, thân máy quan trọng

GX 32-52, GX 36-56 _ gang xám peclit rất nhỏ mịn, để làm các chi tiết chịu tải trọng cao, chịu mài mòn như bánh răng chữ V, trục chính, vỏ bơm thủy lực

Hình 1: GX 12-28 dùng làm vỏ máy

5. Cơ tính, các yếu tố ảnh hưởng và những biện pháp nâng cao cơ tính của gang xám

a. Cơ tính

Độ bền thấp: 150 đến 400MPa(=0.5 thép thông d ụng)

Độ cứng thấp: 150 đến 250 HB

Độ dẻo, độ dai đều thấp

Chống mài mòn tốt

Graphit có khả năng làm tắt dao động

b. Các yếu tố ảnh hưởng tới cơ tính

+ Graphit : Số lượng, độ lớn, hình dạng va sự phân bố của graphit

+ Nền kim loại : Nền kim loại có sơ tính cao thì gang xám cũng có cơ tính cao

c Các biện pháp nâng cao cơ tính

Làm giảm lượng grafit, tức giảm số lượng vết nứt, rỗng Muốn vậy trước hết phải làm giảm lượng cacbon (tổng) của gang (vì Ctổng = Ctự do + Clk)

Để nấu chảy gang cacbon thấp (<3%) do nhiệt độ chảy tăng phải dùng lò điện (thay cho lò đứng chạy than) hay pha thép vào gang

Làm nhỏ mịn (làm ngắn) grafit, tức giảm kích thước vết nứt rỗng Muốn vậy phải biến tính gang lỏng bằng ferô mangan, ferô silic Grafit trong gang được chia thành tám cấp (theo ASTM) từ 1 đến 8, trong đó chiều dài trung bình của cấp 8 là <0,015mm, cấp 1 là >1mm

Cơ tính của các loại gang xám

Hợp kim hóa : + Hợp kim hóa cơ học (HKHCH) là quá trình nghiền bi trong đó hỗn hợp bột dưới tác động năng lượng cơ học từ va chạm của bi-bi, bi-tang nghiền

+ Quá trình thường được thực hiện trong môi trường khí trơ HKHCH là kỹ thuật thay thế cho quá trình sản xuất bột kim loại và gốm ở trạng thái rắn + Có 2 quá trình quan trọng nhất trong quá trình HKHCH là quá trình lặp lại của hàn và phá hủy hạt bột Quá trình hợp kim hóa chỉ có thể xảy ra nếu

có sự cân bằng giữa tốc độ hàn và tốc độ phá hủy, và kích thước hạt trung bình đượcduy trìở trạng thái tương đối thô

+ Các hợp kim với sự kết hợp khác nhau về nguyên t ố đã được tổng hợp thành công nhờ tính duy nhất của quá trình có thể tổng hợp vật liệu mới từ đáy của giản đồ pha

Hình 2: Tổ chức tế vi của các loại gang xám

a ferit b ferit – peclit c.peclit

Tôi + ram Khi tôi + ram, grafit là pha ổn định nên không có biến đổi gì

về tỷ lệ, hình dạng, kích thước và sự phân bố Khi nung nóng (ở cao hơn 850oC) để tôi, nền kim loại chuyển biến như thép đứng riêng rẽ: ferit thành Feγ, ferit – peclit thành austenit ít cacbon, peclit thành austenit với 0,6 - 0,8%C, khi làm nguội nhanh austenit chuyển biến thành mactenxit (với độ cứng cao khác nhau) + grafit tấm và tùy thuộc vào nhiệt độ ram có mactenxit ram hay trôxtit ram hay xoocbit ram + grafit tấm

III) Gang cầu

1. Định nghĩa

Gang cầu là một loại gang có tổ chức kim loại và graphit

Gang cầu còn được gọi là gang bền cao có than chì ở dạng cầu nhờ biến tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm

Gang cầu là loại gang có độ bền cao nhất trong các loại gang do than chì

ở dạng cầu tròn, bề ngoài cũng có màu xám tối như gang xám Nên khi nhìn bề ngoài không thể phân biệt hai loại gang này

2. Thành phần hóa học

Gồm có: 3-3,6% C, 2-3% Si, 0,2-1% Mn, 0,04- 0,08% Mg, ít hơn 0,015% P, ít hơn 0,03% S Gang c ầu có độ dẻo dai cao, đặc biệt sau khi nhiệt luyện thích hợp

Lượng cacbon và silic phải cao để đảm bảo khả năng than chì hóa (%C +

%Si) đạt tới 5%-6% Không có hoặc không đáng kể (<0,1 – 0,01%) các nguyên tố cản tr ở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là S Có một lượng nhỏ các chất biến tính Mg (0,04-0,08%) hoặc Ce Có các nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni (2%) Mn (<1%)

Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám song chỉ khác là than chì của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit – peclit và peclit Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám Khác với gang xám, than chì dạng cầu ở đây được tạo thành nhờ biến tính đặc biệt gang xám lỏng

3. Đặc điểm

Sau khi biến tính cầu hóa than chì nhờ các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm, gang lỏng còn được biến tính lần hai bằng các nguyên tố than chì hóa như FeSi, CaSi để chống biến trắng cho gang Nhờ các chất biến tính mà gang lỏng trở nên sạch các tạp chất như lưu

huỳnh và khí, làm tăng tốc độ hóa nguội cho gang và làm cho các tinh thể than chì phát triển chủ yếu theo hướng thẳng góc với bề mặt cơ sở của nó Do đó than chì kết tinh thành hình cầu

Gang cầu thường có CE cao (4,3-4,6%) để chống biến trắng và do than chì ở dạng cầu sít chặt, ít chia cắt nền kim loại nên không làm giảm đáng

kể tính chất cơ học của gang Hàm lượng Si không nên quá cao (nhỏ hơn 3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang Hàm lượng S sau biến

tính cầu hóa bằng Mg phải nhỏ hơn 0,03% thì gang mới nhận được than chì biến tính và hạn chế tạp chất "vết đen" do MgS tạo ra sẽ làm giảm tính chất cơ học của Gang Hàm lượng Mn chọn tùy thuộc vào loại gang cầu, với gang cầu ferit ở trạng thái đúc Mn nhỏ hơn 0,2% Ở gang cầu peclit chúng có thể lên tới 1% Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm tính dẻo dai của gang cầu

4. Ký hiệu TCVN và ứng dụng

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, ký hiệu gang cầu là GC, với hai số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo (KG/mm2) và độ dãn dài tương đối

GC 38-17 gang cầu ferit có độ bền thấp (@b < 450 N/mm2) độ dẻo cao ($>10%) ít dùng

GC 45-05 gang cầu ferit – peclit có độ bền và độ dẻo trung bình, có thể làm chi tiết máy thay thép

GC 50-02 gang cầu peclit có độ bền tốt ở trạng thái đúc, chủ yếu được dùng để chế tạo trục khuỷu, trục cán

GC 70-03, GC 100-04, GC 120-04 gang cầu nhiệt luyện ra tổ chức nền kim loại, dùng làm các chi tiết quan trọng

Ngoài ra, Gang cầu vớinhững đặc tính cơ hóa như độ nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công, có khả năng chịu mài mòn, lại

có ưu thế vượt trội so với gang xám là có độ bền kéo tốt, lại vừa có khả năng chịu uốn nén và độ giảm chấn tốt của gang dẻo, giá thành sản xuất lại thấp hơn nhiều so với sản xuất gang dẻo hoặc sản xuất thép carbon nên được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp quốc phòng và phục vụ ngành xây dựng, cấp thoát nước… như sản xuất vỏ động cơ diezen, các chi tiết vũ khí quân dụng, nắp hố ga, song chắn rác …

Hình 3: GC 50-02 dùng làm trục khuỷu

5. Cơ tính và những biện pháp nâng cao cơ tính của gang cầu

a. Cơ tính

+ Các đặc điểm về cơ tính của gang cầu:

Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (@b = 400 – 800Mpa, @0.2 =

250 – 600Mpa), tức là tương đương với thép cacbon chế tạo máy

Độ dẻo và độ dai nhất định ($ = 2 – 15%, aK = 300 – 600KJ/m2), tuy có kém hơn thép song cao hôn gang xám rất nhiều

b. Các biện pháp nâng cao cơ tính

Do grafit ở dạng thu gọn nhất(quả cầu reon2), ít chia cat91 nền kim loại nhất, hầu như không có đầu nhọn để tập chung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu duy trì được 70 – 90% độ bền của nền kim loại(thép), tức không thua thép bao nhiêu và có thể thay thế nó

IV) Gang dẻo

1 Định nghĩa

Gang dẻolà loạigang trắng được ủ trong thời gian dài (đến vài ngày) ở nhiệt

độ từ 850 – 1050 C để tạo thành một loại gang có⁰ tính dẻocao Đây là vật liệu

có độ bền cao lại kế thừa được những tính chất tốt vốn có của gang, thậm chí có thể thay thế chothép trong rất nhiều ứng dụng mà các loại gang khác không có khả năng

2 Thành phần

a Gang dẻo ferit:

Hình 4: nắp hố ga làm từ gang cầu

Để có gang dẻo ferit, Người ta tiến hành ủ trong môi trường trung tính trong thời gian dài bảo đảm sù graphit hoá toàn bộ các loại xêmentit của gang trắng Gang trắng ban đầu bao gồm tổ chức cùng tinh với tổ chức P + XeII + (P + Xe) được nung nóng tới 10000C, tại nhiệt độ này gang trắng có tổ chức g + (g + Xe) khoảng 1,8% (ứng với giới hạn bão hòa - đường SE ở

10000C)

Trong qúa trình giữ lâu (10 - 15 giờ) ở nhiệt độ cao này sẽ xảy ra qúa trình graphit hoá lần thứ nhất Nó gồm sự phân huỷ của xêmentit cùng tình và xêmentit thứ cấp (có số lưnợg nhỏ ở nhiệt độ đó) Có quá trình phân hoá của xêmentit cùng tinh (g + Xe) – lêđêburit theo phản ứng:

Fe3

C

10000C g1, 8 + G

Sau khi xênmentit cùng tinh phân hoá hết, tổ chức của gang chỉ còn austenit với 1, 8%C và graphit Cuối giai đoạn graphit hoá lần mét, gang có tổ chức gồm austenit và vật lẫn cácbon ủ (graphit côm) Sau đó giảm nhiệt độ chậm dần Khi đó xảy ra giai đoạn trung gian của sù graphit hoá, đó là sự phân huỷ của xêmentit thứ cấp được tiết ra Giai đoạn thứ hai của sù graphit hoá xảy ra hoặc là khi làm nguội rất chậm trong khoảng nhiệt độ cùng tích, hoặc

là khi giữ lâu (25 - 30 giờ) ở nhiệt độ thấp hơn thấp hơn mét Ýt so với nhiệt

độ chuyển biến cùng tích (720 - 740 0C) Trong qúa trình giữ nhiệt này xêmentit của pectit bị phân huỷ

- Theo giản đồ trạng thái Fe – C, khi làm nguội auxennit sẽ tiết ra xêmentit

II, do vậy làm nguội tõ 10000C đến A1 có quá trình:

0000 - 7000C

g0, 8 + XeII

Xêmentit II được tạo thành lại bị graphit hoá theo phản ứng:

Fe3C g0, 8 + G

Do vậy tại nhiệt độ A1 gang có tổ chức g0, 8 + G và làm nguội xuống dưới

A1có tổ chức P + G

Giữ nhiệt lâu ở 7000C (khoảng 30h) xêmentit trong cùng tích peclit bị phân hoá theo phản ứng:

Fe3C7000C a+ G

Sau khi xêmentit cùng tích phân hoá hết, gang chỉ có tổ chức F + G tức là gang dẻo ferit

Kết quả việc ủ lâu 70 – 80 giờ, toàn bộ cácbon được tiết ra dưới dạng tự do à hình thành tổ chức gồm fectil và các bon ủ

b Gang dẻo péclit.

Gang dẻo pectit nhận được bằng cách ủ trong môi trường ôxy hoá Trong trường hợp này thời gian giữ nhiệt của qúa trình graphit hoá lần thứ nhất được tăng lên sau đó tiến hành làm nguội liên tục cho đến nhiệt độ 200C Bởi vậy sù graphit hoá xêmentit của peclit thực tế không xảy ra, gang có tổ chức péctlil và cácbon ủ Trường hợp xêmentit của cùng tích chưa phân hoá hết, gang sẽ có tổ chức ferit + peclit + graphit, tức là gang dẻo ferit – peclit

3 Ký hiệu TCVN và ứng dụng

Theo tiêu chuẩn Việt Nam ký hiệu là GZ với hai số tiếp theo có ý nghĩa như gang cầu

GZ35 – 10; GZ37 – 12; GZ50 – 04; GZ60 – 03

Gang dẻo được dùng làm các chi tiết nhỏ, hình dạng phức tạp, có thành phần mỏng, chịu va đập như trong công nghiệp dệt, ôtô như các chi tiết trục khuỷu(bơm dầu khí), guốc hãm, máy dệt, cuốc bàn