Gang là gì? Tìm hiểu chi tiết thành phần, cấu tạo, và ứng dụng của chúng trong đời sống

Gang là loại hợp kim được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày với nhiều công dụng khác nhau. Bài viết này sẽ giúp bạn giải đáp những thắc mắc đó, đồng thời cung cấp cho bạn những thông tin chi tiết về tính chất, ứng dụng và quy trình sản xuất gang.

1. Gang là gì?

Gang là một loại hợp kim kim loại có nguyên tố chính là sắt (Fe), kết hợp với một lượng đáng kể cacbon (C). Để được phân loại là gang, hợp kim sắt phải có hàm lượng cacbon trên 2% theo trọng lượng. Ngoài sắt và cacbon, chúng cũng thường chứa các nguyên tố khác như silic (Si), mangan (Mn), phosphorus (P), sulfur (S), và các nguyên tố hợp kim khác.

Trong các ứng dụng công nghiệp, gang thường được sản xuất thông qua quá trình đúc hoặc luyện. Mặc dù hợp kim này có độ bền cao và khả năng chống mài mòn tốt, nhưng nó cũng có một số ưu điểm và nhược điểm cần được xem xét trước khi áp dụng vào các ứng dụng cụ thể. Tiếp theo, chúng ta sẽ đi vào chi tiết về thành phần hóa học và các tính chất của chúng.

2. Thành phần các nguyên tố trong gang

Thành phần hóa học của gang bao gồm nhiều nguyên tố khác có thể có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của nó. Các nguyên tố chính bao gồm :

Sắt (Fe): Chiếm hơn 95% trọng lượng của gang, là nguyên tố chính tạo nên độ cứng, độ bền và khả năng chịu tải của gang.

Carbon (C): Chiếm từ 2,14% đến 4,3% trong thành phần của gang. Carbon ảnh hưởng đến độ dẻo, độ cứng và khả năng gia công của chúng. Hàm lượng carbon sẽ quyết định liệu gang sẽ có cấu trúc đúc hay rèn.

Ngoài ra, hợp kim này còn có chứa các nguyên tố phụ khác bao gồm:

Silicon (Si): Tồn tại dưới dạng Graphit hoặc Cementit trong gang. Nguyên tố này ảnh hưởng đến độ bền, khả năng chống mài mòn và khả năng chảy loãng của chúng. Hàm lượng silicon thấp có thể làm tăng sự hình thành graphite và cải thiện khả năng chịu nhiệt của gang.

Mangan (Mn): Tăng độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn của gang. Hàm lượng mangan trong gang thường được kiểm soát để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của gang.

Phốt pho (P): Làm tăng độ dẻo và khả năng chảy loãng của gang, nhưng đồng thời làm giảm độ bền của nó. Phốt pho thường được thêm vào gang như một chất tạo hình khi đúc.

Lưu huỳnh (S): Làm giảm độ bền và khả năng gia công của gang. Hàm lượng lưu huỳnh thấp sẽ làm tăng tính dẻo và làm giảm khả năng gia công của nó.

3. Tính chất của gang

3.1 Tính chất hóa học của gang

Gang có những tính chất hóa học đặc biệt quan trọng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng của nó:

Khả năng chống ăn mòn: Hợp kim này có khả năng chống ăn mòn cao, đặc biệt là trong môi trường axit. Điều này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cần độ bền cao trong môi trường ăn mòn như ống dẫn nước và hệ thống xử lý hóa chất.

Khả năng oxy hóa: Mặc dù gang có khả năng chống oxy hóa tốt trong điều kiện khô ráo, nhưng nó vẫn có thể bị oxy hóa trong môi trường ẩm ướt. Điều này dẫn đến hiện tượng gỉ sét trên bề mặt, làm giảm tính thẩm mỹ và độ bền của các sản phẩm.

Khả năng khử: Chúng có thể hoạt động như một chất khử, giúp loại bỏ các ion kim loại từ dung dịch muối của chúng.

Khả năng hòa tan: Gang có thể hòa tan trong axit nitric loãng, tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học khác nhau.

3.2 Tính chất vật lý của gang

Tính chất vật lý của gang quyết định khả năng cơ học và độ bền của nó, cũng như khả năng chịu nhiệt và gia công:

Khối lượng riêng: Chúng có khối lượng riêng cao, dao động từ 7,2 đến 7,8 g/cm³. Điều này làm cho nó trở thành một vật liệu rất chắc chắn và có khả năng chịu tải trọng lớn.

Điểm nóng chảy: Điểm nóng chảy của gang tương đối thấp, dao động từ 1150°C đến 1200°C. Điều này làm cho quá trình chế tạo và gia công chúng trở nên thuận tiện và hiệu quả.

Tính co ngót và độ dãn nở vì nhiệt: Gang có tính chất co ngót khi nguội, cần được lưu ý trong quá trình đúc. Độ dãn nở vì nhiệt của gang thấp hơn so với thép, giúp cho các sản phẩm làm từ chúng giữ được hình dạng và kích thước ổn định trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Độ bền cao: Gang có độ bền cao, có thể chịu được tải trọng lặp đi lặp lại trong thời gian dài mà không gây ra sự suy giảm về cấu trúc hoặc tính chất của nó.

4. Ưu nhược điểm của gang

4.1 Ưu điểm

Gang là một loại vật liệu quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống và sản xuất nhờ những ưu điểm sau:

Độ bền cao: Độ bền nén cao hơn nhiều so với thép và nhiều loại vật liệu khác, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần độ bền cao như cầu đường, cột cầu, và kết cấu công trình.

Khả năng chống mài mòn tốt: Gang có khả năng chống mài mòn cao, đặc biệt là trong môi trường có tải trọng ma sát lớn.

Giá thành rẻ: So với thép và một số loại vật liệu khác, gang có giá thành rẻ hơn.

Dễ đúc: Gang có khả năng đúc tốt và dễ tạo hình thành các sản phẩm phức tạp.

Khả năng chịu nhiệt tốt: Gang có khả năng chịu nhiệt tốt, làm cho nó thích hợp cho các ứng dụng cần phải hoạt động ở nhiệt độ cao như lò nung, lò hơi, và các ứng dụng trong công nghiệp chế biến kim loại.

Khả năng chống rung tốt: Khả năng chống rung tốt, làm cho nó được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định cao như cầu, cột, và các kết cấu công trình.

4.2 Nhược điểm

Tuy sở hữu nhiều ưu điểm, gang cũng có một số hạn chế nhất định sau:

Độ giòn cao: Dễ bị nứt vỡ khi chịu tải trọng va đập mạnh, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp.

Khó gia công: So với thép và một số vật liệu khác, gang khó gia công hơn, làm tăng chi phí và thời gian sản xuất.

Khối lượng riêng cao: Gang có khối lượng riêng cao hơn so với nhiều vật liệu khác như thép, gốm sứ và có thể gây khó khăn trong vận chuyển và lắp đặt.

Tính co ngót cao: Có tính co ngót cao khi nguội. Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình đúc, vì nếu không kiểm soát được quá trình nguội, có thể dẫn đến nứt vỡ và hỏng hóc của sản phẩm.

Khả năng hàn khó: Quá trình hàn gang đòi hỏi kiến thức kỹ thuật và kỹ năng chuyên môn cao, đồng thời cần phải kiểm soát nhiệt độ cẩn thận.

Dễ bị gỉ sét: Mặc dù gang có khả năng chống ăn mòn tốt, nhưng nó vẫn dễ bị gỉ sét trong môi trường ẩm ướt, đặc biệt khi không được bảo dưỡng đúng cách.

5. Ứng dụng của gang

Gang là một vật liệu vô cùng đa dạng và linh hoạt, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ vào các đặc tính và ưu điểm của nó. Dưới đây là các ứng dụng phổ biến của gang trong đời sống:

Trong ngành chế tạo máy: Đúc các bộ phận máy lớn có độ phức tạp cao trong ngành công nghiệp chế tạo máy. Gang cũng được sử dụng trong sản xuất các bộ phận máy công cụ, như thân máy của động cơ đốt trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

Trong sản xuất các bộ phận máy công cụ: Sản xuất các bộ phận máy công cụ, như thân máy của động cơ đốt trong ngành công nghiệp chế tạo máy. Sản phẩm gang trong lĩnh vực này thường có khả năng chịu mài mòn cao và khả năng chống ăn mòn tốt.

Trong sản xuất van công nghiệp: Gang được sử dụng rộng rãi để sản xuất các loại van công nghiệp như van bướm, van cổng, van cầu, và van cân bằng trong môi trường làm việc khác nhau như nước, hơi nóng, và khí nén.

Sử dụng trong các công trình cơ sở hạ tầng: Sản xuất các thành phần cơ bản như trục khuỷu, ống nước có đường kính lớn, nắp hố ga, và song chắn.

Trong chạm khắc trang trí: Chạm khắc trang trí bề mặt như mài dũa dễ dàng. Sự linh hoạt trong gia công và khả năng tạo hình của gang làm cho nó trở thành vật liệu phù hợp cho các ứng dụng nghệ thuật và trang trí.

6. Các loại gang phổ biến hiện nay

Trên thị trường hiện nay có đa dạng các loại gang với chủng loại, đặc điểm, và cách sử dụng khác nhau. Hãy cùng Nhà Máy P69 tìm hiểu chi tiết về các loại này dưới đây nhé:

6.1 Gang trắng

Gang trắng, còn được gọi là loại gang thường, được cấu tạo từ hợp kim Fe – C, trong đó hàm lượng cacbon thường từ 3 – 3,5%. Đây là loại hợp kim có màu trắng, cứng và độ giòn cao, tạo ra khó khăn trong quá trình gia công, đặc biệt là trong các công đoạn cắt hoặc hàn.

Do tính chất này, chúng thường được sử dụng chủ yếu trong luyện thép hoặc chế tạo các chi tiết máy yêu cầu khả năng chống ăn mòn cao. Bên cạnh đó, gang trắng cũng có thể được sử dụng để đúc ủ thành các loại khác như gang dẻo hoặc gang xám biến trắng. Ưu điểm của gang trắng:

Chịu nhiệt tốt: Gang trắng có khả năng chịu nhiệt tốt, giúp nó phù hợp cho các ứng dụng làm việc ở nhiệt độ cao.

Khả năng chống ăn mòn: Do thành phần cacbon và sự phân tán đồng đều của các tạp chất, gang trắng thường có khả năng chống ăn mòn cao.

Tính chịu tải cao: Gang trắng thường có độ bền cơ học cao, giúp nó phù hợp cho các ứng dụng chịu tải trọng lớn.

6.2 Gang xám

Gang xám có thành phần chủ yếu là cacbon tồn tại dưới dạng graphit tự do. Đặc điểm nổi bật của chúng là màu sắc xám đặc trưng trên bề mặt gãy, là sự kết hợp của ferit và graphit tự do. Loại hợp kim này là vật liệu được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật. Ưu điểm của gang xám:

Giá thành rẻ: Gang xám là một trong những loại gang có giá thành phải chăng nhất trên thị trường.

Nhiệt độ nóng chảy thấp: Với nhiệt độ nóng chảy chỉ khoảng 1350ºC, gang xám dễ dàng nóng chảy và đúc thành hình dạng mong muốn.

Khả năng cách âm cao: Tính năng cách âm cao của gang xám là một điểm mạnh, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu yếu tố cách âm như trong sản xuất các thiết bị phục vụ trong môi trường ồn ào.

Đúc tốt: Loại hợp kim này có khả năng đúc tốt, giúp tạo ra các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp đòi hỏi sự chính xác và độ bền.

6.3 Gang Graphit

Gang Graphit, một loại gang khác biệt so với gang truyền thống, nổi bật với hàm lượng cacbon cao hơn, thường vượt quá mức 2,14%, và thường chứa thêm một số tạp chất như Mn, Si, P, S… Cấu tạo của gang Graphit phần lớn tồn tại ở dạng tự do, ít hoặc không chứa Fe3C.

Gang Graphit, với khả năng tự do của các hạt graphit, thường có đặc điểm cơ lý khác biệt so với gang trắng. Điều này thường dẫn đến tính chất đàn hồi và độ bền cơ học cao hơn, làm cho nó phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Trong ngành công nghiệp, gang Graphit thường được sử dụng trong sản xuất các chi tiết máy móc, van công nghiệp, các thành phần cơ sở hạ tầng, và nhiều ứng dụng khác. Khả năng chống mài mòn và độ bền cao của gang Graphit là những ưu điểm quan trọng, giúp nó trở thành một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và tuổi thọ cao.

6.4 Gang cầu

Gang cầu có dạng ngoại hình giống như quả cầu, nổi bật với đặc tính độ bền cao, khả năng chống va đập, bền dẻo và khả năng chống mài mòn tốt. Thành phần chính của chúng thường bao gồm 4,3 – 4,6% nguyên tố C và Si.

Với tính chất vật liệu này, gang cầu thường được sử dụng phổ biến trong sản xuất các loại van công nghiệp như van cổng, van bướm, van một chiều và nhiều loại van khác. Sự bền bỉ và độ tin cậy của gang cầu là yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và chất lượng của các hệ thống van trong các ứng dụng công nghiệp.

Ngoài ra, chúng cũng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo các chi tiết máy trung bình và lớn, đòi hỏi chịu tải trọng cao và có khả năng chống va đập tốt. Sự kết hợp giữa độ bền cao và khả năng chịu tải trọng làm cho gang cầu trở thành lựa chọn ưa thích trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.

6.5 Gang dẻo

Gang dẻo có cấu trúc graphit ở dạng cụm bông, được ủ “graphit hóa” từ gang trắng ở nhiệt độ từ 850 – 1050⁰C. Loại hợp kim này thường có tính chất đặc biệt, kết hợp giữa tính dẻo, độ bền cơ học tốt và tính thẩm mỹ cao.

Ưu điểm chính của chúng là tính dẻo cao, cho phép nó được chế tạo thành các chi tiết có hình dạng phức tạp mà không gặp khó khăn lớn. Đồng thời, gang dẻo cũng có độ bền cơ học tốt, giúp nó chịu được tải trọng và va đập mà không bị biến dạng hoặc vỡ vụn.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, nhưng gang dẻo cũng có một số nhược điểm. So với gang xám, chúng thường có giá thành cao hơn và công nghệ sản xuất phức tạp hơn. Do đó, việc sử dụng gang dẻo thường được hạn chế trong các ứng dụng đặc biệt hoặc khi yêu cầu cao về tính chịu mài mòn và độ bền. Tuy nhiên, trong những trường hợp cần tính linh hoạt và thẩm mỹ cao, gang dẻo vẫn là một lựa chọn tốt và đáng xem xét.

7. Quy trình sản xuất gang đạt tiêu chuẩn

Quy trình sản xuất gang đạt tiêu chuẩn gồm 6 bước sau:

Chuẩn bị nguyên liệu: Nguyên liệu chính bao gồm quặng sắt, than cốc, đá vôi, đá dolomit,…được lựa chọn và kiểm tra chất lượng kỹ lưỡng trước khi đưa vào quá trình sản xuất.

Nấu quặng: Tiếp theo, quặng sắt được đưa vào lò nấu để loại bỏ các tạp chất không mong muốn. Quá trình nấu quặng bao gồm hai giai đoạn chính là nấu oxide và nấu khử. Quặng sắt được nung nóng trong lò để chuyển thành oxit sắt. Sau đó, oxit sắt sẽ được khử thành sắt, chuẩn bị cho quá trình luyện gang tiếp theo.

Luyện gang: Quặng sắt đã qua giai đoạn nấu được đưa vào lò luyện gang để sản xuất. Trong quá trình luyện, quặng sắt được pha trộn với các nguyên liệu khác như than cốc và đá vôi. Sự tương tác giữa các nguyên liệu và nhiệt độ cao trong lò sẽ tạo ra khí CO, khí này sẽ khử quặng sắt thành gang và loại bỏ các tạp chất không mong muốn khác.

Tách lẻ: Sau khi luyện gang, sản phẩm được tách ra khỏi các tạp chất còn lại thông qua các phương pháp nghiền, sàng lọc và sắp xếp gang theo kích cỡ.

Tạo hình và gia công: Gang được đưa vào các khuôn để tạo hình các sản phẩm mong muốn như thép xây dựng, ống cống, bánh xe. Sau đó, chúng còn được gia công để tạo ra các sản phẩm cuối cùng.

Kiểm tra chất lượng: Trước khi xuất xưởng, sản phẩm gang sẽ được kiểm tra chất lượng một cách kỹ lưỡng để đảm bảo đáp ứng các tiêu chuẩn đặt ra.

Hy vọng bài viết trên đã giúp bạn hiểu rõ hơn về gang và ứng dụng của nó trong đời sống hiện nay. Nếu bạn còn bất kỳ thắc mắc nào hoặc muốn tìm hiểu thêm về chất liệu này, xin vui lòng liên hệ P69 để được hỗ trợ.

CÔNG TY CỔ PHẦN ĐẦU TƯ P69

• Nhà máy sản xuất: Km 18, đường Đại Lộ Thăng Long, Khu CN Thạch Thất Quốc Oai, Hà Nội
• Số điện thoại: 0966686969 | Hotline: 0989188982
• Email: kd1@cokhip69.com.vn
• Website: https://cokhip69.com.vn