Vật liệu gang là gì? Graphite là gì? tổng quan về vật liệu gang

Khám Phá Thế Giới Gang: Từ Graphite Đến Các Loại Gang Đặc Biệt

Gang là một vật liệu quen thuộc trong đời sống và công nghiệp, từ những chiếc chảo gang trong bếp đến các chi tiết máy móc phức tạp. Nhưng bạn có biết rằng không phải tất cả gang đều giống nhau? Sự khác biệt nằm ở cách mà carbon, cụ thể là graphite hình thành bên trong gang. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về gang, vai trò của graphite, và bốn loại gang phổ biến: gang xám, gang xám biến trắng, gang cầu, và gang dẻo.

Graphite Là Gì?

Graphite là một dạng thù hình của carbon, bên cạnh các dạng nổi tiếng khác như kim cương và fullerene. Điều làm graphite đặc biệt chính là cấu trúc tinh thể độc đáo của nó, mang lại cho nó những tính chất vật lý và hóa học ấn tượng.

Gang Là Gì?

Gang là hợp kim của sắt (Fe) và carbon (C), với hàm lượng carbon vượt quá 2,14%. Ngoài ra, gang còn chứa các nguyên tố khác như silic (Si), mangan (Mn), và một ít lưu huỳnh (S) hay phốt pho (P). Khi gang nguội trong khuôn, carbon có thể tách ra khỏi sắt và tạo thành graphite—một dạng carbon tự do. Hình dạng của graphite (tấm, cầu, hay khối không đều) quyết định tính chất và công dụng của gang. Hãy cùng khám phá từng loại gang nhé!

1. Gang Xám: Loại Gang Phổ Biến Nhất

• Graphite: Ở dạng tấm, phiến, hay chuỗi, giống như những mảnh vụn nhỏ phân bố trong gang.

• Đặc điểm: Khi gãy, gang xám lộ ra màu xám đặc trưng của graphite.
• Tính chất:
  • Ưu điểm:
    • Giá rẻ, dễ sản xuất, nhiệt độ nóng chảy thấp (khoảng 1350°C).
    • Tính đúc tốt, dễ đổ khuôn thành các hình dạng phức tạp.
    • Khả năng tắt âm cao (giảm rung động), tổ chức xốp giúp giữ dầu bôi trơn.
  • Nhược điểm:
    • Dòn, chịu lực uốn kém, không rèn được.
    • Nếu nguội nhanh, bề mặt có thể biến thành gang trắng, khó gia công.
• Ứng dụng:
  • Băng máy công cụ (máy tiện, phay, bào).
  • Thân máy động cơ đốt trong.
  • Chi tiết chịu lực nén tốt nhưng không cần chịu uốn lớn.
• Ký hiệu (TCVN 1659-75):
  • "GX" + hai số chỉ giới hạn bền kéo và bền uốn tối thiểu (KG/mm²).
  • Ví dụ: GX15-32 (bền kéo ≥ 15 KG/mm², bền uốn ≥ 32 KG/mm²).
• Tại sao dùng?: Gang xám chiếm đến hơn 70% trọng lượng trong nhiều thiết bị nhờ chi phí thấp và khả năng chịu nén vượt trội.

Ví dụ đời thường: Hãy nghĩ gang xám như một tấm gỗ ép—rắn chắc khi bị đè nén, nhưng dễ gãy nếu bạn cố bẻ cong nó.

2. Gang Xám Biến Trắng: Kết Hợp Độ Cứng và Độ Dai

• Graphite: Lõi là graphite dạng tấm (như gang xám), nhưng bề mặt nguội nhanh biến thành gang trắng (không có graphite tự do, carbon kết hợp thành cementit—Fe₃C).
• Đặc điểm: Lớp bề mặt trắng, cứng, còn lõi xám, dai.
• Tính chất:
  • Bề mặt cứng, chống mài mòn tốt.
  • Lõi giữ được khả năng chịu lực của gang xám.
• Cách sản xuất: Đúc gang xám trong khuôn kim loại, để lớp ngoài nguội nhanh, tạo cấu trúc trắng.
• Ứng dụng:
  • Bi nghiền, trục nghiền, trục xay xát—những chi tiết cần bề mặt bền bỉ nhưng lõi vẫn chịu lực tốt.
• Tại sao dùng?: Đây là giải pháp “hai trong một” khi cần cả độ cứng bề mặt và độ dai bên trong.

Ví dụ đời thường: Hãy tưởng tượng như một chiếc bánh sandwich với lớp vỏ giòn bên ngoài và nhân mềm bên trong—vừa cứng cáp, vừa linh hoạt.

3. Gang Cầu: Sức Mạnh và Độ Dẻo Dai

• Graphite: Dạng cầu tròn, nhỏ gọn, được tạo ra bằng cách thêm magie (Mg), ceri (Ce), hoặc nguyên tố đất hiếm vào gang lỏng.
• Đặc điểm: Màu xám tối, khó phân biệt bằng mắt thường với gang xám.
• Thành phần hóa học:
  • 3-3,6% C, 2-3% Si, 0,2-1% Mn, 0,04-0,08% Mg.
  • Rất ít P (<0,015%) và S (<0,03%).
  • Tổng %C + %Si đạt 5-6% để đảm bảo tạo graphite.
• Tính chất:
  • Độ bền kéo và độ dẻo cao hơn gang xám.
  • Chịu va đập, mài mòn tốt.
  • Có thể cải thiện thêm bằng nhiệt luyện.
• Ứng dụng:
  • Trục khuỷu, bánh răng, trục cam.
  • Chi tiết chịu tải trọng lớn và va đập.
• Ký hiệu (TCVN):
  • "GC" + hai số chỉ bền kéo (MPa/10) và độ dãn dài (%).
  • Ví dụ: GC40-10 (bền kéo ≥ 400 MPa, độ dãn ≥ 10%).
• Tại sao dùng?: Gang cầu rẻ hơn thép 30-35%, rẻ hơn hợp kim màu 3-4 lần, nên là lựa chọn kinh tế để thay thế thép hoặc gang dẻo.

Ví dụ đời thường: Nghĩ về gang cầu như một quả bóng cao su—đàn hồi, khó vỡ, và chịu được lực tốt hơn các loại gang khác.

4. Gang Dẻo: Linh Hoạt Như Thép

• Graphite: Hạt graphite không đều, được tạo ra bằng cách ủ gang trắng ở 850-1050°C trong vài ngày.
• Đặc điểm: Kế thừa ưu điểm của gang (đúc tốt, giá rẻ) nhưng dẻo hơn, gần giống thép.
• Tính chất:
  • Độ bền và độ dẻo cao.
  • Chịu mài mòn, dễ gia công, điểm nóng chảy thấp.
• Ứng dụng:
  • Chi tiết phức tạp, mỏng, chịu va đập (ví dụ: phụ kiện ống, dụng cụ cầm tay).
• Ký hiệu (TCVN):
  • "GZ" + hai số chỉ bền kéo (KG/mm²) và độ dãn dài (%).
  • Ví dụ: GZ35-10 (bền kéo ≥ 35 KG/mm², độ dãn ≥ 10%).
• Tại sao dùng?: Gang dẻo là “người hùng thầm lặng” khi bạn cần một vật liệu vừa mạnh, vừa dễ chế tạo, lại tiết kiệm chi phí.

Ví dụ đời thường: Hãy tưởng tượng gang dẻo như một sợi dây thép mỏng—cứng cáp nhưng vẫn uốn được theo ý muốn.

So Sánh Nhanh Các Loại Gang

Graphite Quan Trọng Như Thế Nào?

Hình dạng graphite giống như “nhân vật chính” quyết định tính chất của gang:

• Tấm (gang xám): Như những vết nứt nhỏ, làm gang dòn.
• Cầu (gang cầu): Như những viên bi tròn, giúp gang bền và dẻo.
• Hạt không đều (gang dẻo): Tăng độ linh hoạt mà vẫn giữ sức mạnh.

Kết Luận

Gang không chỉ là một khối kim loại đơn giản. Từ gang xám giá rẻ, gang xám biến trắng cứng cáp, gang cầu mạnh mẽ, đến gang dẻo linh hoạt, mỗi loại đều có “sứ mệnh” riêng trong công nghiệp và đời sống. Lần tới khi bạn cầm một chiếc chảo gang hay ngồi sau tay lái xe, hãy nhớ rằng: tất cả là nhờ graphit và cách nó “sống” trong gang!