các nguyên tố khác nhau như Si, Mn, P và S. Gang thông dụng thường chứa 2,0 - 4,0%C; 0,4-3,5%Si; 0,2-1,5%Mn; 0,04-0,65%P; 0,02-0,15%S.
Để nhanh chóng phản đoán tổ chức của gang khi kết tinh cùng tinh và có thể sử dụng giản đồ trạng thái Fe-C cho đơn giản, người ta dùng khái niệm cacbon đương lượng (Cdl, %) và mức độkết tinh (SE); Cdl= C + 1/3(Si +P); SE= Cdl/4,3
Trong đó C, Si, P là hàm lượng (%) cacbon, silic và photpho có trong gang. Đặc trưng nổi bật nhất trong tổchức tế vi của gang là chứa lêđêburit trong hệ ổn định giảvà graphit trong hệ ổn định. Sựhình thành các tổ chức này là hậu quảcủa sự kết tinh lần thứnhất từlỏng sang rắn, đặc biệt là sựkết tinh cùng tinh quyết định. Khi kết tinh theo hệ ổn định giả, ta có gang trắng, ở đó hầu hết cacbon ở dạng liên kết trong hợp chất Fe3C. Nếu gang kết tinh theo hệ ổn định ta được gang xám,ở đây phần lớn cacbon nằmở dạng graphit.
So với thép, do có graphit, gang có độbền thấp nhưng lại rẻ, dễsản xuất và lại có một số tính chất đặc biệt như tính giảm chấn tốt, chịu xung nhiệt tốt, chịu mài mòn trong điều kiện bôi trơn không đầy đủ, có tính đúc rất tốt nên được sửdụng rất rộng rãi trong công nghiệp.
2.7.1.1. Sựhình thành graphit trong gang
Graphit trong gang có thể tồn tại ở các dạng khác nhau. Graphit tấm (dạng I) là graphit thường gặp nhất trong gang. Graphit tấm phân nhánh và chia cắt rất mạnh hạt cùng tinh, các mép của nó thường nhọn là nơi tập trung ứng suất khi có tải trọng tác dụng. Trên mặt cắt dưới kính hiển vi, graphit tấm có hình phiến đỉnh nhọn, nằm phân cách với nhau. Vì thế gang xám có tính chất cơ học thấp nhưng lại có tính chất lý học, đặc biệt là tính đúc rất tốt.
Graphit cầu là dạng graphit phổbiến trong gang bền cao (gang cầu) nhờ biến tính gang lỏng bằng các chất cầu hóa graphit như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm khác. Nhờgraphitởdạng cầu là dạng chia cắt ít nhất nền kim loại nên chúng ít bịtập trungứng suất khi có tải trọng tác dụng. Vì vậy, gang cầu có cơ tính cao gần bằng thép.
Graphit giun là dạng trung gian giữa graphit tấm và graphit cầu và là dạng phổ biến trong gang giun. Dạng graphit này dược hình thành nhờ biến tính gang lỏng bằng lượng nhỏ các nguyên tốcầu hóa graphit như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm hoặc biến tính phối hợp với các nguyên tố cầu hóa graphit với các nguyên tố khử cầu như Ti, Al,… Graphit giun cũng phân nhánh mạnh trong hạt cùng tinh nhưng các mép và đỉnh đều tù và tròn nên phối hợp các tính chất cơ học tốt của gang cầu và tính đúc cũng như tính ch ất lý học tốt của gang xám.
Graphit quảbông là graphitở dạng cụm và tồn tại phổbiến trong gang dẻo.
2.7.1.2. Quá trình graphit hóa của gang khi kết tinh
γ+ Xê và γ +Gr theo nhiệt độ cho thấy năng lượng tự do của graphit luôn nhỏ hơn năng lượng tự do của Xê trong mọi khoảng nhiệt độ. Về mặt này, graphit là pha ổn định nhất. Nhưng công tạo mầm của Xê lại nhỏ hơn của graphit rất nhiều vì thành phần và cấu trúc của Xê rất gần với gang lỏng. Vì vậy, graphit có thểtrực tiếp tiết ra từ pha lỏng hoặc phân hủy từXe.
Đặc điểm của gang xám khi kết tinh là có phảnứng cùng tinh. Ngoài ra, pha tiết ra đầu tiên đối với gang trước cùng tinh là austenit còn sau cùng tinh là graphit. Cùng tinh austenit và graphit được tạo ra trong khoảng nhiệt độ tương đối hẹp, từ 11530C đến 11470C. Trạng thái hóa lý của gang lỏng cũng như điều kiện nguội có ảnh hưởng trực tiếp tới độquá nguội của gang.
2.7.1.3. Quá trình graphit hóa của gangởtrạng thái rắn
Quá trình graphit hóa ở trạng thái rắn là quá trình chuyển biến tổ chức từ trạng thái cân bằng không ổn định của xêmenit dạng Fe3C hoặc (Fe, Me)3C và của dung dịch rắn quá bão hòa cacbon thành các tổchức trạng thái cân bằngổn định graphit.
Trên nhiệt độ vùng chuyển biến cùng tích, quá trình graphit hóađược thểhiệnở các phương trình sau :
-Đối với gang trắng và gang có chứa Xê tựdo: Fe3C→ 3Fe( C) + C(gr) -Đối với gang xám:γ-Fe*(C)→ Fe(C) + C(gr)
Quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tích xảy ra theo phương trình sau: - Khi gang nguội tương đối nhanh:γ-Fe(S)→ P + C(gr)
- Khi gang nguội rất chậm:γ-Fe(S)→ Fe(C) + C(gr)
Giữ gang lâu ở khoảng dưới nhiệt độ chuyển biến cùng tích một chút (đối với gang thông thường là 650 -7500C), sẽcó phảnứng graphit hóa xêmenit trong peclit: Fe3C→ 3Fe(C) + C(gr)
Ở đây γ-Fe(C), γ-Fe*(C), γ-Fe(S) là austenite bão hòa C, austentit quá bão hòa C và austenite có thành phần C ở điểm S trong giản đồpha Fe – C; Fe(C) là ferit, C(gr) là cacbonở dạng graphit.
Như vậy, tùy theo tổ chức của gang nhận được sau khi kết tinh, thành phần gang và điều kiện nguội mà quá trình graphit hóa xảyra khác nhau. Sư graphit hóa xêmenit theo phảnứng rất điển hình cho quá trìnhủgang trắng ra gang dẻo.
Trong gang xám, ở đây hầu hết cacbon đã tồn tại ở dạng graphit thì quá trình graphit hóa kểcả ở nhiệt độ cao và cả khi chuyển biến cùng tích chỉ còn theo hai giai đoạn khuếch tán cacbon trong dung dịch rắn tới graphit và kết tinh cacbon lên graphit.
Tăng hàm lượng các nguyên tố graphit hóa như C, Si và làm gang nguội chậm qua vùng chuyển biến cùng tích sẽ làm tăng quá trình graphit hóa. Tổchức cuối cùng của gang sẽ làα-Fe và graphit. Tăng hàm lượng của các nguyên tố cacbit hóa như Cr, Mo, Mn, V,… và các nguyên tố ổn định peclit như Ni, Cu cũng như làm gang ngu ội
tương đối nhanh sẽ gây cản trở quá trình graphit hóa khi chuyển biến cùng tích và tổ chức nhận được cuối cùng là peclit và graphit.