- Thành phần hóa học ảnh hưởng rõ nét ñến ñộ co của hợp kim Ví dụ lượng graphit trong gang càng lớn sẽ làm giảm co thể tích (1%
5.2.3.Các nhân tố ảnh hưởng ñến tổ chức và tính chất của gang
c. Co ở trạng thái rắn: là sự co từ nhiệt ñộ của kim loại kết tinh xong ñến
5.2.3.Các nhân tố ảnh hưởng ñến tổ chức và tính chất của gang
Ảnh hưởng của thành phần hóa học ñến tính chất của gang Ảnh hưởng của những nguyên tố thường có trong gang
a. Những nguyên tố thường có trong gang là: cacbon, silic, mangan, lưu huỳnh và photpho.
- Cacbon và silic: hai nguyên tố này có ảnh hưởng tương tự nhau. Gang
chứa nhiều cacbon và silic thì graphit tự do trong gang càng nhiều, cơ
tính của gang càng thấp. Khi lượng cacbon trong gang không ñổi thì silic
là nhân tố chính thúc ñẩy sự grapit hóa; gang chứa nhiều silic càng mềm, người ta thay ñổi lượng silic ñể ñiều chỉnh thành phần tổ chức và cơ tính của gang. Thay ñổi lượng silic cũng có tác dụng tương tự như thay ñổi tốc ñộ nguội.
Các loại gang xám thường, phần lớn nấu bằng lò ñứng, lượng cacbon khoảng 3 – 3,6%. Do ñó khi ñúc các chi tiết máy có thành dày mỏng khác nhau phải thay ñổi thành phần silic ñể ñiều chỉnh thành phần tổ chức của gang, làm cho gang có cơ tính phù hợp yêu cầu.
- Mangan, với hàm lượng nhỏ (0,5 – 0,6%) chỉ làm nhiệm vụ chống lại tác dụng có hại của lưu huỳnh; khi hàm lượng mangan cao hơn, ñến 1,1% thì có tác dụng làm nhỏ hạt nâng cao cơ tính, nhưng nếu cao quá,
ñến 1,5% thì nó sẽ cản trở sự graphit hóa, làm gang dễ bị biến trắng, như vậy có tác dụng như tăng tốc ñộ nguội.
- Photpho: trong gang thường kết hợp với sắt ñể thành photphit sắt (Fe3P), photphit sắt kết hợp với sắt tạo thành cùng tinh hai nguyên (Fe3P + Fe) có ñiểm chảy khoảng 1050°C. Nếu có mặt xementit (Fe3C) thì cùng tinh photphit lại tạo thành cùng tinh ba nguyên (Fe3P + Fe + Fe3C) có nhiệt ñộ chảy thấp hơn, khoảng 950°C.
Đặc ñiểm của các cùng tinh photphit là ñộ cứng cao 400 – 600 HB, nhiệt
ñộ chảy thấp, có ñộ chảy loãng cao, nên gang dễ ñúc. Khi ñúc các ñồ mỹ
nghệ hoặc các chi tiết mỏng hình dạng phức tạp mà không cần chịu lực thì lượng photpho tăng lên ñến 1%. Gang có tỷ lệ photpho cao khó gia công. Khi ñúc các chi tiết chịu mòn thì lượng photpho cũng chỉ từ 0,4 – 0,6%. Còn với các chi tiết thông thường thì photpho từ 0,2 – 0,3% ñể bảo ñảm tính chảy loãng của gang, ñồng thời vẫn dễ gia công cơ.
- Lưu huỳnh (S), là nguyên tố có hại, làm gang bị biến trắng, khó ñúc, giòn, dễ rỗ khí. Vì vậy, phải hạn chế ở mức thấp nhất, trong bất kỳ loại gang ñúc nào, hàm lượng lưu huỳnh không ñược vượt quá 0,1 – 0,12%. Trong gang ñúc, lưu huỳnh ở dạng hợp chất sắt sunfua (FeS) có hại hơn các dạng khác. Khi cho thêm mangan vào nó sẽ chuyển thành dạng MnS ít hại hơn:
FeS + Mn MnS + Fe
Ảnh hưởng những nguyên tố hợp kim thường dùng cho gang xám: khi cần tạo cho gang có những tính chất ñặc biệt như bền, chịu nóng, chịu ăn mòn, chịu mài mòn,..., người ta pha thêm vào gang những nguyên tố hợp kim sau: crôm, niken, molipñen, titan, ñồng, nhôm và vanañi (khi lượng silic trong gang trên 4% và mangan trên 1,5%, hai nguyên tố này cũng ñược gọi là nguyên tố hợp kim)
Khi gang có pha nguyên tố hợp kim sẽ làm cho tổ chức và tính chất của gang khác hẳn gang xám thường.
- Niken (Ni) có tác dụng graphit hóa nhưng yếu hơn silic. Niken làm
peclit nhỏ mịn, nên làm tăng cơ tính của gang, ñặc biệt niken có tác dụng làm ñồng ñều tổ chức của gang. Khi ñúc những chi tiết có thàng dày mỏng khác nhau nhiều, muốn có tổ chức ñồng ñều giữa chỗ dày và chỗ mỏng, thế nào cũng phải dùng niken. Tùy theo lượng niken trong gang nhiều hay ít mà tổ chức của gang thay ñổi theo.
Ví dụ, khi lượng niken trong gang là 0,5 – 2% tổ chức của gang là peclit mịn; ñặc ñiểm của gang này là chịu mài mòn tốt, bền, dễ gia công
cắt gọt, ñặc biệt tính chất của gang ổn ñịnh ở nhiệt ñộ cao. Do ñó, các chi tiết bằng gang làm việc trong ñiều kiện nóng (sơmi, séc măng...) thường pha thêm niken.
Khi lượng niken khoảng 2 – 4%, gang có ñộ bền khá cao, rắn, chịu va
ñập tốt và có thể gia công cắt gọt ñược. Gang này có tổ chức là xoocbit
Khi lượng niken khoảng 4 – 6%, gang có ñộ cứng thấp, ñặc biệt gang có tính chịu ăn mòn hóa học tốt. Những chi tiết chịu nước biển và kiềm
nếu pha vào gang 14 – 17% niken chịu ăn mòn tốt hơn nhiều so với gang xám (khoảng 10 – 15 lần).
- Crôm (Cr), Crôm là nguyên tố cản trở sự graphit hóa rất mạnh, gang có
crôm dễ bị biến trắng và khó gia công cắt gọt, khó ñúc. Mức ñộ ảnh hưởng của crôm ñến các tính chất của gang còn phụ thuộc vào lượng crôm trong gang.
Ví dụ: gang xám pha thêm 0,1 – 0,2% crôm có tác dụng làm nhỏ mịn peclit và làm nhỏ phiến graphit nên ñộ bền và ñộ cứng của gang tăng.
Nhưng gang có trên 0,2% Cr lại dễ bị biến trắng, khi trên 0,7% Cr, gang khó gia công cắt gọt. Chỉ khi cần ñúc chi tiết bằng gang peclit làm việc ở
nhiệt ñộ cao mới dùng tới 0,6% Cr ñể vẫn có thể gia công ñược. Tất nhiên nếu chi tiết làm việc ở nhiệt ñộ cao mà không cần gia công cắt gọt thì lượng crôm cao sẽ tốt hơn.
Khi lượng crôm trong gang trên 1,5%, gang bị biến trắng và giòn. Muốn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
giảm tính giòn, người ta giảm lượng cacbon trong gang xuống tới 2%.
Gang chứa 28 – 32% Cr và dưới 1,5%C có tính chống ăn mòn rất tốt và làm việc ñược ở nhiệt ñộ cao gần 1000°C cũng không bị oxy hóa.
Trong sản xuất ñúc ít khi dùng riêng rẽ niken hoặc crôm pha vào gang, mà dùng ñồng thời cả hai nguyên tố ñể hạn chế tính chất bất lợi của từng nguyên tố riêng lẻ.
Ví dụ, khi pha crôm vào gang ñể tăng bền, người ta thường pha thêm niken ñể chống tạo thành cacbit rắn khó gia công cắt gọt. Thường gang xám dùng ñúc xecmăng máy kéo pha tỉ lệ Cr:Ni khoảng 1:1
Ngược lại khi nấu gang niken thường pha thêm một ít crôm ñể khống chế tác dụng graphit hóa của niken làm giảm lượng graphit ñể gang có ñộ bền cao.
- Môlipñen (Mo), là nguyên tố có tác dụng cản trở sự graphit hóa. Khi
gang xám có dưới 1% Môlipñen, lượng cacbit không tăng nhưng tăng lượng Môlipñen lên tới 3% tác dụng kìm hãm sự graphit hóa tăng rõ rệt, nếu tăng lên trên 3% thì gang sẽ trắng.
Môlipñen là nguyên tố có tác dụng rất tốt, làm nhỏ mịn peclit và phiến graphit. Chỉ cần 0,25 – 0,6% Môlipñen là peclit và graphit ñã nhỏ mịn nên cơ tính của gang khá cao (vừa bền vừa cứng). Môlipñen có tác dụng
làm cho tổ chức peclit và tính chất của gang ổn ñịnh khi làm việc ở khoảng nhiệt ñộ 300 – 400°C.
Cũng như những nguyên tố hợp kim khác, gang môlipñen thường pha thêm những nguyên tố khác. Khi ñúc một vật ñúc có chiều dày khác nhau, ñể bảo ñảm ñồng ñều tổ chức phải cho thêm niken (khoảng 08 – 1%). Khi vật ñúc có thành dày khoảng 50 mm, phải tăng lượng niken ñể bảo ñảm tính ñồng ñều tổ chức và phải thêm một ít crôm ñể khống chế lượng graphit bảo ñảm cơ tính cho vật ñúc.
- Titan (Ti) có tác dụng làm cho graphit rất nhỏ mịn và phân bố ñều trong gang. Gang xám graphit ở dạng nhỏ mịn và phân bố ñều có cơ tính
cao, chịu ñược sự nung nóng và làm nguội ñột ngột.
- Vanañi (V) có tác dụng cản trở graphit hóa, làm cho gang bền, có ñộ
cứng cao, làm cho peclit ổn ñịnh ở nhiệt ñộ cao (khoảng 300 – 500°C). Thường vanañi ñược cho vào gang niken hoặc gang titan ñể trung hòa ảnh hưởng graphit hóa của niken hoặc titan. Vanañi còn là chất khử oxy rất tốt. Lượng vanañi trong gang khoảng 0,2 – 0,3%.
- Đồng (Cu) là nguyên tố có tác dụng graphit hóa yếu. Đồng làm tăng ñộ
cứng của gang và làm peclit nhỏ mịn. Tác dụng của ñồng tương tự như niken nên có thể dùng thay niken. Lượng ñồng trong gang thường dưới 7%, nếu lượng ñồng cao hơn sẽ làm giảm cơ tính của gang.
Khi cần tăng cơ tính gang xám peclit và làm ñồng ñều tổ chức, dùng 0,5% ñến 2% Cu (thành vật ñúc càng dày lượng ñồng càng nhiều)
Khi dùng ñồng thay niken ñể pha vào gang môlipñen dùng 1,5% Cu. Khi dùng ñồng thay niken cho vào gang crôm dùng 0,5 – 2% Cu.
- Nhôm (Al) là nguyên tố có tác dụng graphit hóa (dưới 3,5%), nếu lượng nhôm tăng tăng lên nữa lại có tác dụng cản trở sự graphit hóa. Khi
dùng lượng nhôm nhỏ, tác dụng graphit hóa khá mạnh, nhưng nhôm làm cho gang dễ bị rỗ khí hoặc rỗ xỉ vì gang chứa nhôm thường có ñộ chảy loãng thấp. Gang có chứa trên 8% nhôm là gang chịu nhiệt tốt nhưng giòn và rất khó ñúc.
- Silic (Si), khi lượng silic trong gang trên 4% gọi là gang silic, lượng silic càng cao gang chịu nhiệt càng tốt, mặt khác gang có lượng silic cao chịu ăn mòn tốt. Gang dùng làm chi tiết chịu nhiệt ở nhiệt ñộ 750°C
như ghi lò. Khuôn kim loại thường dùng gang có chứa tới 6 – 7% silic, gang chịu axit sunfuric và nitric thường có tới 12 – 20% silic. Gang có lượng silic cao khó nấu và khó ñúc.
- Magiê (Mg), khi lượng magie trong gang khoảng 0,04 – 0,06% thì graphit trong gang có dạng cầu, cơ tính của gang tốt hơn hẳn gang xám
thường, vừa có ñộ bền cao lại vừa có tính dẻo, thành phần của gang trước khi cho Magie vào cũng gần giống như gang xám thường. Đặc biệt khi lượng Magie thấp hơn giới hạn trên thì graphit không ở dạng cầu hoặc dạng cầu không hoàn toàn. Khi lượng Magie cao, gang dễ bị biến trắng. Magiê là chất dễ cháy, ñặc biệt là khi cho vào gang lỏng có nhiệt ñộ cao (khoảng 1450°C), magiê cháy và bốc hơi rất mạnh dễ gây tai nạn, nên cần có thiết bị thích hợp bảo ñảm an toàn. Thường phải cho thêm ferro silic ñể chống trắng.
- Xêdi (Ce), còn gọi là nguyên tố ñất hiếm. Xêdi có tác dụng giống như
magiê, khi cho vào gang lỏng graphit cũng thành hình cầu. Khi dùng
xêdi, cường ñộ bốc hơi kém hơn magiê nên ñỡ nguy hiểm hơn.
b. Ảnh hưởng của tốc ñộ nguội
Tốc ñộ nguội không những làm thay ñổi nền của gang mà còn trực tiếp ảnh hưởng ñến sự graphit hóa. Tăng tốc ñộ nguội, gang kết tinh thành Lêñêburit (có xementit), tốc ñộ nguội giảm gang sẽ xám nhưng nguội chậm quá hạt graphit càng to.
Người ta làm nguội nhanh khi chuyển biến cùng tích ñể ñạt tổ chức peclit, còn ở vùng chuyển biến cùng tinh nguội chậm ñể tạo graphit, giảm xementit. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tốc ñộ nguội còn làm thay ñổi cả hình dạng và sự phân bố graphit.
c. Các yếu tố ảnh hưởng khác.
Quá nhiệt và nhiệt ñộ rót.
Quá nhiệt là nâng cao nhiệt ñộ của gang lỏng cao hơn nhiệt ñộ nóng chảy hoàn toàn của nó. Quá nhiệt làm gang kết tinh ra graphit nhỏ mịn, giảm lượng
graphit, tăng lượng cacbon liên kết làm cho gang có xu hướng biến trắng, giảm tính di truyền xấu của gang (vì quá nhiệt có tác dụng hòa tan, giảm bớt những mầm graphit thô to trong nguyên liệu và thay ñổi lượng khí hòa tan trong kim loại).
Với gang có thể quá nhiệt ñến 1600°C ñộ bền sẽ tăng, nhưng nếu cao hơn nữa
ñộ bền lại giảm vì hạt graphit thô to.
Với tốc ñộ quá nhiệt nhất ñịnh, nhiệt ñộ rót càng thấp, gang càng ít có xu hướng hóa trắng, ñộ bền giảm. Vì vậy, thường rót ở nhiệt ñộ 1320°C – 1450°C.
Biến tính
Trong sản xuất gang có nhiều cách biến tính khác nhau, ñể ñạt những mục ñích khác nhau, nhưng ñều nhằm làm tăng ñộ bền của gang.
Khi chế tạo gang cầu ta phải dủng chất cầu hóa như Mg hoặc Xêdi (Ce – nguyên tố ñất hiếm) ñể graphit ñạt dạng cầu.
Điều chú ý là các chất cầu hóa này thường cản trở sự graphit hóa, nên người ta phải ñồng thời dùng thêm silic dưới dạng Ferrosilic (FeSi) nữa ñể tạo ra gang xám.
Khi sản xuất gang dẻo, biến tính nhằm rút ngắn thời gian ủ gang trắng và thường dùng một lượng nhỏ nhôm.
Khi sản xuất gang graphit tấm chất lượng cao thì biến tính có nhiệm vụ tạo ra graphit mịn và nền peclit ñồng nhất.
Nhiệt luyện
Để thay ñổi cơ tính của gang sau khi kết tinh, người ta dùng phương pháp nhiệt luyện nhằm:
Phân hóa xementit ñể tạo nên graphit làm cho gang mềm hơn.
Chuyển biến austenit thành tổ chức không cân bằng có cơ tính cao hơn peclit như troxtit, xoocbit hoặc mactenxit. Hai yếu tố chủ yếu làm thay ñổi nền của gang và graphit là nhiệt ñộ và thời gian.
5.2.3. Đặc ñiểm khi ñúc gang xám
Gang xám ñược sử dụng nhiều vì có tính ñúc rất tốt thể hiện ở các mặt sau:
- Tính chảy loãng cao vì vậy ñúc ñược các vật ñúc thành mỏng, phức tạp.
- Khối lượng riêng của gang lớn, chảy loãng cao nên ít lẫn các tạp chất xỉ và bọt khí.
- Độ co của gang nhỏ nên hạn chế ñộ lõm co, rỗ co.
Để tăng ñộ chảy loãng của gang, người ta tăng hàm lượng Si, P. Để giảm lượng co ngót phải hạn chế nhiệt ñộ rót , dùng khuôn khô. Để giảm ñộ hòa tan khí thì tăng ñộ quá nhiệt, sấy và làm sạch nguyên liệu khi nấu...
Công nghệ ñúc gang xám tương ñối ñơn giản và có thể ñúc gang trong các loại khuôn. Nói chung chỉ cần chọn phối liệu thích hợp, mà không cần ñến những biện pháp xử lý phức tạp trong quá trình nấu.
Một ñiều cần chú ý là chiều dày thành vật ñúc ảnh hưởng nhiều ñến cơ tính. Thành vật ñúc dày, mức ñộ graphit hóa tăng, hạt của nền cơ sở to, kết quả ñộ bền giảm.
Thường không dùng gang xám ñể ñúc những vật có thành mỏng khác nhau nhiều vì nếu muốn thành dày có tổ chức peclit thì ở phần thành mỏng lại có xementit, ngược lại ñảm bảo thành mỏng không bị trắng thì tổ chức chỗ thành dày bị nhiều ferrit.