Gang théplà một nhóm hợp kim sắt-cacbon có hàm lượng cacbon lớn hơn 2%.Tính hữu dụng của nó bắt nguồn từ nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp.Các thành phần hợp kim ảnh hưởng đến màu sắc của nó khi bị nứt: gang trắng có tạp chất cacbua cho phép các vết nứt xuyên thẳng, gang xám có các vảy than chì làm chệch hướng vết nứt đi qua và tạo ra vô số vết nứt mới khi vật liệu bị vỡ, và gang dẻo có hình cầu. các "nốt" than chì ngăn vết nứt tiến triển thêm.

Carbon (C) dao động từ 1,8 đến 4% trọng lượng và silicon (Si) 1–3% trọng lượng, là các nguyên tố hợp kim chính của gang.Hợp kim sắt có hàm lượng carbon thấp hơn được gọi là thép.

Gang có xu hướng giòn, ngoại trừ gang dẻo.Với điểm nóng chảy tương đối thấp, tính lưu động tốt, khả năng đúc, khả năng gia công tuyệt vời, khả năng chống biến dạng và chống mài mòn, gang đã trở thành vật liệu kỹ thuật với nhiều ứng dụng và được sử dụng trong đường ống, máy móc và các bộ phận công nghiệp ô tô, chẳng hạn như xi lanh. đầu, khối xi lanh và hộp số.Nó có khả năng chống lại sự hư hỏng do quá trình oxy hóa.

Những đồ tạo tác bằng gang sớm nhất có niên đại vào thế kỷ thứ 5 trước Công nguyên và được các nhà khảo cổ phát hiện ở khu vực ngày nay là Giang Tô, Trung Quốc.Gang được sử dụng ở Trung Quốc cổ đại cho chiến tranh, nông nghiệp và kiến ​​trúc.Trong thế kỷ 15, gang được sử dụng làm súng thần công ở Burgundy, Pháp và ở Anh trong thời kỳ Cải cách.Lượng gang sử dụng cho pháo đòi hỏi phải sản xuất ở quy mô lớn. Cây cầu gang đầu tiên được xây dựng vào những năm 1770 bởi Abraham Darby III và được gọi là Cầu Sắt ở Shropshire, Anh.Gang cũng được sử dụng trong việc xây dựng các tòa nhà.

Các nguyên tố hợp kim

Tính chất của gang được thay đổi bằng cách thêm các nguyên tố hợp kim hoặc hợp kim khác nhau.Bên cạnh carbon, silicon là hợp kim quan trọng nhất vì nó đẩy carbon ra khỏi dung dịch.Tỷ lệ silicon thấp cho phép carbon tồn tại trong dung dịch tạo thành cacbua sắt và sản xuất gang trắng.Một tỷ lệ lớn silicon đẩy cacbon ra khỏi dung dịch tạo thành than chì và tạo thành gang xám.Các chất hợp kim khác, mangan, crom, molypden, titan và vanadi phản ứng với silicon, thúc đẩy việc giữ lại carbon và hình thành các cacbua đó.Niken và đồng làm tăng độ bền và khả năng gia công nhưng không làm thay đổi lượng than chì được hình thành.Cacbon ở dạng than chì làm cho sắt mềm hơn, giảm độ co ngót, giảm độ bền và giảm mật độ.Lưu huỳnh, phần lớn là chất gây ô nhiễm khi có mặt, tạo thành sắt sunfua, ngăn cản sự hình thành than chì và tăng độ cứng.Vấn đề với lưu huỳnh là nó làm cho gang nóng chảy trở nên nhớt, gây ra khuyết tật.Để chống lại tác dụng của lưu huỳnh, mangan được thêm vào vì cả hai tạo thành mangan sunfua thay vì sắt sunfua.Mangan sunfua nhẹ hơn so với nóng chảy nên có xu hướng nổi ra khỏi nóng chảy và đi vào xỉ.Lượng mangan cần thiết để trung hòa lưu huỳnh là 1,7 × hàm lượng lưu huỳnh + 0,3%.Nếu thêm nhiều hơn lượng mangan này thì các dạng cacbua mangan sẽ làm tăng độ cứng và độ lạnh, ngoại trừ trong sắt xám, nơi có tới 1% mangan làm tăng cường độ và mật độ.

Niken là một trong những nguyên tố hợp kim phổ biến nhất vì nó tinh chế cấu trúc ngọc trai và than chì, cải thiện độ dẻo dai và làm giảm sự khác biệt về độ cứng giữa các độ dày của mặt cắt.Crom được thêm vào với lượng nhỏ để khử than chì tự do, tạo ra độ lạnh và vì nó là chất ổn định cacbua mạnh;niken thường được thêm vào kết hợp.Một lượng nhỏ thiếc có thể được thêm vào để thay thế cho 0,5% crom.Đồng được thêm vào trong muôi hoặc trong lò nung với tỷ lệ 0,5–2,5% để giảm độ lạnh, tinh chế than chì và tăng tính lưu động.Molypden được thêm vào theo thứ tự 0,3–1% để tăng độ lạnh và tinh chỉnh cấu trúc than chì và ngọc trai;nó thường được thêm vào cùng với niken, đồng và crom để tạo thành bàn ủi có độ bền cao.Titan được thêm vào như một chất khử khí và khử oxy, nhưng nó cũng làm tăng tính lưu động.0,15–0,5% vanadi được thêm vào gang để ổn định xi măng, tăng độ cứng và tăng khả năng chống mài mòn và nhiệt.0,1–0,3% zirconi giúp tạo thành than chì, khử oxy và tăng tính lưu động.

Trong nấu chảy sắt dẻo, bismuth được thêm vào, ở tỷ lệ 0,002–0,01%, để tăng lượng silicon có thể thêm vào.Trong sắt trắng, boron được thêm vào để hỗ trợ sản xuất sắt dẻo;nó cũng làm giảm tác dụng làm thô của bismuth.

Gang xám

Gang xám được đặc trưng bởi cấu trúc vi mô grafit của nó, khiến cho các vết nứt của vật liệu có vẻ ngoài màu xám.Đây là loại gang được sử dụng phổ biến nhất và là vật liệu đúc được sử dụng rộng rãi nhất dựa trên trọng lượng.Hầu hết gang có thành phần hóa học gồm 2,5–4,0% carbon, 1–3% silicon và phần còn lại là sắt.Gang xám có độ bền kéo và khả năng chống va đập kém hơn thép, nhưng cường độ nén của nó tương đương với thép cacbon thấp và trung bình.Các tính chất cơ học này được kiểm soát bởi kích thước và hình dạng của các mảnh than chì có trong vi cấu trúc và có thể được mô tả theo hướng dẫn do ASTM đưa ra.

Gang trắng

Gang trắng hiển thị các bề mặt bị nứt màu trắng do sự hiện diện của kết tủa cacbua sắt gọi là xi măng.Với hàm lượng silicon (chất tạo than chì) thấp hơn và tốc độ làm nguội nhanh hơn, cacbon trong gang trắng kết tủa ra khỏi trạng thái nóng chảy dưới dạng xi măng pha siêu bền, Fe.₃C chứ không phải là than chì.Xi măng kết tủa từ sự tan chảy tạo thành các hạt tương đối lớn.Khi cacbua sắt kết tủa, nó rút cacbon ra khỏi quá trình tan chảy ban đầu, di chuyển hỗn hợp về phía pha gần với eutectic hơn, và pha còn lại là austenite sắt-cacbon thấp hơn (khi làm lạnh có thể biến đổi thành martensite).Các cacbua eutectic này quá lớn để mang lại lợi ích cho cái được gọi là làm cứng kết tủa (như ở một số loại thép, nơi kết tủa xi măng nhỏ hơn nhiều có thể ức chế [biến dạng dẻo] bằng cách cản trở sự chuyển động của các trật khớp thông qua ma trận ferit sắt nguyên chất).Đúng hơn, chúng làm tăng độ cứng khối của gang đơn giản nhờ vào độ cứng rất cao và phần thể tích đáng kể của chúng, sao cho độ cứng khối có thể xấp xỉ theo quy tắc hỗn hợp.Trong mọi trường hợp, chúng mang lại độ cứng nhưng phải trả giá bằng độ dẻo dai.Vì cacbua chiếm phần lớn vật liệu nên gang trắng có thể được phân loại một cách hợp lý là gốm kim loại.Sắt trắng quá giòn để sử dụng trong nhiều thành phần kết cấu, nhưng có độ cứng và khả năng chống mài mòn tốt và chi phí tương đối thấp, nó được sử dụng trong các ứng dụng như bề mặt mài mòn (cánh quạt và hình xoắn ốc) của máy bơm bùn, lớp lót vỏ và thanh nâng trong quả cầu máy nghiền và máy nghiền tự sinh, bi và vòng trong máy nghiền than, và răng của gầu đào của máy xúc lật (mặc dù thép đúc martensitic cacbon trung bình phổ biến hơn cho ứng dụng này).

Rất khó để làm nguội các vật đúc dày đủ nhanh để đông cứng hoàn toàn lớp nóng chảy như gang trắng.Tuy nhiên, có thể sử dụng phương pháp làm nguội nhanh để đông cứng lớp vỏ gang trắng, sau đó phần còn lại nguội chậm hơn để tạo thành lõi gang xám.Việc đúc kết quả, được gọi làđúc ướp lạnh, có lợi ích là bề mặt cứng với phần bên trong cứng hơn một chút.

Hợp kim sắt trắng có hàm lượng crôm cao cho phép các vật đúc lớn (ví dụ, cánh quạt nặng 10 tấn) được đúc trong cát, vì crom làm giảm tốc độ làm mát cần thiết để sản xuất cacbua thông qua độ dày lớn hơn của vật liệu.Crom còn tạo ra cacbua có khả năng chống mài mòn ấn tượng.Các hợp kim có hàm lượng crom cao này có độ cứng vượt trội nhờ sự hiện diện của cacbua crom.Dạng chính của các cacbua này là dạng eutectic hoặc dạng M sơ cấp.₇C₃cacbua, trong đó "M" đại diện cho sắt hoặc crom và có thể thay đổi tùy theo thành phần của hợp kim.Các cacbua eutectic tạo thành các bó thanh lục giác rỗng và phát triển vuông góc với mặt phẳng đáy lục giác.Độ cứng của các cacbua này nằm trong khoảng 1500-1800HV.

Gang dẻo

Sắt dễ uốn bắt đầu dưới dạng đúc bằng sắt trắng, sau đó được xử lý nhiệt trong một hoặc hai ngày ở khoảng 950 ° C (1.740 ° F) và sau đó làm nguội trong một hoặc hai ngày.Kết quả là cacbon trong cacbua sắt biến thành than chì và ferit cộng với cacbon (austenit).Quá trình chậm cho phép sức căng bề mặt biến than chì thành các hạt hình cầu chứ không phải dạng vảy.Do tỷ lệ khung hình thấp hơn, các nhân vật chính tương đối ngắn và xa nhau, đồng thời có tiết diện thấp hơn so với vết nứt hoặc phonon đang lan truyền.Chúng cũng có ranh giới cùn, trái ngược với dạng vảy, giúp giảm bớt các vấn đề về tập trung ứng suất thường gặp ở gang xám.Nhìn chung, tính chất của gang dẻo giống với thép nhẹ hơn.Có giới hạn về mức độ lớn của một bộ phận có thể được đúc bằng sắt dẻo, vì nó được làm từ gang trắng.

Gang dẻo