Gang là gì? Đặc điểm, phân loại, ứng dụng của các loại Gang

Gang là gì? Chất liệu này có quan trọng trong các ngành công nghiệp hay không? Chất liệu gang có những ưu nhược điểm gì? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết qua nội dung dưới đây nhé!

Gang là gì?

Gang (cast iron) là một loại hợp kim bao gồm sắt, cacbon trong đó sắt chiếm tỷ trọng lớn hơn 95%. Hàm lượng cacbon trong gang thường nằm trong khoảng từ 2,14% đến 4%. Ngoài ra, gang còn chứa silic với tỷ lệ khoảng 1% đến 3%, và một số nguyên tố khác như lưu huỳnh, photpho và mangan.

Ngày nay, gang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày. Đặc biệt, nó được sử dụng để sản xuất các loại van công nghiệp như van bướm, van 1 chiều, van bi, van cổng,…

Lịch sử hình thành gang

Gang là một loại chất liệu có nguồn gốc từ rất lâu trước khi hành tinh chúng ta hình thành. Mặc dù, việc sử dụng gang đã được ghi nhận từ thế kỷ thứ 5, như các đồ vật bằng gang tại Giang Tô, Trung Quốc. Các vật liệu gang đã được áp dụng cho việc chế tạo vũ khí và đồ dùng hàng ngày từ thế kỷ 15.

Iron Bridge là cây cầu đầu tiên làm bằng gang trên thế giới
Iron Bridge là cây cầu đầu tiên làm bằng gang trên thế giới

Một sự bước tiến quan trọng xảy ra vào những năm 1770 khi cây cầu gang đầu tiên được xây dựng bởi Abraham Darby III tại Shropshire, Anh. Từ đó, gang đã được sử dụng rộng rãi trong xây dựng nhiều công trình, nhà ở và cầu đường…

Đặc điểm, tính chất của gang

Với thành phần hóa học gần với austenit, nhiệt độ nóng chảy của chất liệu này dao động từ 1150 đến 1200 °C, thấp hơn khoảng 300 °C so với sắt nguyên chất. Gang có màu xám chủ đạo, tính chất giòn và khả năng chống ăn mòn tốt.

Ngoài gang dẻo, các loại gang khác thường được xem là các kim loại giòn, thường không phù hợp cho quá trình gia công hàn. Tuy nhiên, điều đặc biệt về chúng là có tính năng dễ nấu luyện và đúc tốt, nhờ độ loãng chảy cao và ít bị co lại.

Các thành phần hợp kim có ảnh hưởng đáng kể đến màu sắc của gang khi gãy: gang trắng với tạp chất cacbua cho phép vết nứt diễn ra theo đường thẳng; gang xám với mảnh than chì tạo ra vết nứt uốn lượn và gây ra nhiều vết nứt mới; còn gang dẻo có hình cầu than chì “nốt” ngăn chặn sự tiếp tục phát triển của vết nứt.

Hầu hết các loại gang đều khá mềm nên dễ dàng gia công cắt gọt. Chính vì vậy, chất liệu này rất phổ biến trong lĩnh vực gia công đúc để tạo ra các chi tiết có hình dạng phức tạp như vỏ máy, thân máy, trục cán, ổ trượt, bánh răng…  và sản xuất thân van trong các loại van công nghiệp.

Tiến trình sản xuất gang trong lò cao

Hình ảnh quá trình sản xuất gang trong lò cao
Hình ảnh quá trình sản xuất gang trong lò cao

Khi đặt quặng sắt, than cốc và đá vôi vào lò cao và xếp thành từng lớp xen kẽ. Quá trình thông khí nhiệt độ cao được thực hiện từ phía dưới lên từ cả hai bên của lò.

C + O2 (t°) → CO2

C+ CO2 (t°) → 2CO

Trong quá trình này, khí CO chủ yếu được sử dụng để khử quặng sắt thành chất sắt (Fe). Điều đáng chú ý là, ngoài quặng sắt, một số oxit khác trong quặng như SiO và MnO cũng bị khử thành Si và Mn

3CO + Fe2O3 (t°) → 2Fe + 3CO2

Fe ở trạng thái nóng chảy sẽ hoà tan một lượng nhỏ carbon (C) và một số nguyên tố khác để tạo thành gang lỏng. Gang lỏng này sau đó sẽ được đưa xuống nồi lò và từ đó ra ngoài qua cửa tháo gang.

Sự phân hủy của đá vôi CaCO3 dẫn đến sự hình thành CaO. CaO này sau đó tương tác với các oxit có trong quặng như SiO, MnO… để hình thành xỉ

CaO + SiO2 (t°) → CaSiO3

Xỉ trôi lên trên và sau đó được đưa ra ngoài qua cửa tháo xỉ

Khí thoát ra từ phía trên của lò cao, gần miệng lò

Một số loại gang thông dụng và tính ứng dụng

Có nhiều hình dạng khác nhau của gang, và do đó, chúng có các ứng dụng khác nhau trong cuộc sống hàng ngày. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về từng loại gang và cách gang được sử dụng trong cuộc sống con người.

Gang xám

Gang xám là một loại gang với cấu trúc graphit. Tên ‘gang xám’ được đặt ra từ màu xám phát sinh từ các vết nứt trong cấu trúc hợp kim, do sự có mặt của thành phần than chì.

Các thành phần chính trong gang xám gồm: Cacbon (C) trong khoảng từ 2.8% đến 3,5%; Silic (Si) trong khoảng từ 1,5% đến 3%; Mangan (Mn) từ 0,5% đến 1%; Phospho (P) từ 0,1% đến 0,2%; và lưu huỳnh (S) không vượt quá 0,08%. Đáng lưu ý là với sản phẩm đúc lớn, nồng độ photpho (P) có thể là từ 0,1% đến 0,12%.

Gang xám là một loại vật liệu có giá thành thấp và quá trình nấu luyện không phức tạp. Nhiệt độ nóng chảy  khá thấp, chỉ 1350 °C và không đòi hỏi kiểm tra nghiêm ngặt về tạp chất

Đây là loại gang phổ biến nhất và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành cơ khí.

Tuy nhiên, gang xám có tính dòn, khả năng chống uốn kém, không thể rèn. Khi bị làm nguội nhanh trong khuôn, gang trở nên giòn và khó gia công trong ngành cơ khí

Gang xám được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy, đặc biệt trong việc đúc các bộ phận máy lớn và phức tạp, những chi tiết không yêu cầu độ uốn lớn mà cần phải chịu lực nén mạnh. Chính vì vậy, gang xám được ứng dụng rộng rãi trong việc làm khung và vỏ cho các máy móc, hộp điện, hay vỏ bơm

Ngoài ra, vật liệu gang cũng được ứng dụng trong sản xuất các dòng van công nghiệp như van điều khiển điệnvan điều khiển khí nén, cũng như trong các dụng cụ nấu ăn cho nhà bếp và nhiều ứng dụng khác.

Van cổng công nghiệp được làm bằng gang xám
Van cổng công nghiệp được làm bằng gang xám

Gang dẻo

Gang dẻo là một loại vật liệu có khả năng kết hợp độ bền, chống va đập tốt, khả năng chống ăn mòn cao với khả năng chịu nhiệt từ 850℃ đến 1050℃. Thậm chí, có khả năng thay thế thép trong nhiều ứng dụng mà các loại gang khác không thể làm được.

Gang cầu

Gang cầu, được biết đến là gang bền cao, có thành phần than chì ở dạng cầu được tạo ra bằng cách biến tính gang xám lỏng với sự thêm nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm. Đây là loại gang có độ bền cao nhất trong số các loại gang, với cấu trúc graphit ở dạng cầu tròn. Bề ngoài của gang cầu cũng có màu xám tối giống với gang xám, do đó, khó có thể phân biệt về ngoại hình giữa hai loại gang này

Ứng dụng của gang cầu rất đa dạng, đặc biệt là trong việc chế tạo các chi tiết có thiết kế phức tạp, như trục khuỷu cho các động cơ. Vật liệu gang này cũng có khả năng chế tạo nhiều loại máy móc và sản phẩm công nghiệp, bao gồm cả van điều khiển khí nén và van điều khiển điện. Ngoài ra, gang cầu được sử dụng trong thiết kế hệ thống đường ống nước, bao gồm nắp ga, song chắn và lọc y

Gang trắng

Gang trắng, còn được gọi là gang thường, là một hợp kim của sắt và cacbon, với hàm lượng cacbon kết hợp trong Fe3C là khoảng 3-3,5%. Loại gang này thường có màu trắng sáng, độ cứng cao, tính giòn, khó cắt và khó hàn.

Vì vậy, gang trắng thường được sử dụng để luyện thép hoặc chế tạo các chi tiết máy đòi hỏi khả năng chống ăn mòn cao.

>>> Tìm hiểu thêm: Inox sus 304 là gì? Inox 304 có bền và tốt không? 

Ưu nhược điểm của gang

Để hiểu rõ hơn về các ưu điểm và hạn chế của chất liệu này, chúng ta sẽ cùng xem những nội dung dưới đây nhé!

Ưu điểm của gang

✅ Với độ bền cao và khả năng chịu nhiệt xuất sắc, gang được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi tính chất bền bỉ cao.

✅ Khả năng kháng ăn mòn và chống oxy hóa giúp gang  trở thành chất liệu phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự chống chịu với hiện tượng ăn mòn, như các bể chứa hóa chất và các thành phần xử lý nước thải.

✅ Tính khả năng dẫn điện và nhiệt tốt của gang phù hợp cho nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp điện và nhiệt.

✅ Với giá thành thấp hơn so với nhiều loại chất liệu khác, đặc biệt là gang xám, gang được lựa chọn rộng rãi trong các ứng dụng sản xuất có chi phí thấp

Nhược điểm của gang

✖️ Ngoài những ưu điểm nêu trên, chất liệu này cũng phải đối mặt với một số hạn chế như:

✖️ Khả năng chống va đập thấp, làm cho chất liệu này dễ bị vỡ nếu tác động mạnh.

✖️ Dưới điều kiện nhiệt độ thấp, chất liệu này có khả năng bị nứt vỡ.

✖️ Việc tái chế gang đang đối mặt với nhiều thách thức và khó khăn, đặc biệt trong ngành công nghiệp

✖️ Chất liệu gang có trọng lượng khá nặng nên không phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sự nhẹ nhàng

Các phương pháp bảo quản cho chất liệu gang tốt nhất

Gang là một chất liệu có tính chất bền và độ bền cơ học cao, nhưng nếu không được bảo quản đúng cách, có thể bị ăn mòn và gỉ sét. Dưới đây là một số cách để bảo quản chất liệu này:

Phủ sơn Epoxy để bảo quản sản phẩm làm từ chất liệu gang
Phủ sơn Epoxy để bảo quản sản phẩm làm từ chất liệu gang

▪️ Để bảo quản gang, việc sơn phủ là một phương pháp phổ biến. Sơn phủ giúp ngăn chặn sự tiếp xúc giữa gang và không khí cũng như nước, làm giảm thiểu oxi hóa và gỉ sét.

▪️ Bảo quản sản phẩm gang trong môi trường khô ráo là một biện pháp phòng ngừa tối ưu. Điều này giúp bảo vệ khỏi sự tác động của nước và làm giảm thiểu quá trình oxi hóa.

▪️ Dùng dầu là một phương pháp bảo quản sản phẩm gang phổ biến và có hiệu quả. Dầu bảo vệ bề mặt của sản phẩm, ngăn chặn tình trạng rỉ sét hiệu quả

▪️ Thực hiện kiểm tra định kỳ là một biện pháp quan trọng để bảo quản sản phẩm gang. Qua kiểm tra này, chúng ta có thể phát hiện sớm bất kỳ dấu hiệu của gỉ sét và oxy hóa trên sản phẩm, đảm bảo rằng sản phẩm được bảo vệ khỏi tác động của những vấn đề.

▪️ Chất liệu gang có độ bền khá cao, tuy nhiên để đảm bảo sự bảo quản hiệu quả, việc tuân thủ các phương pháp bảo quản đúng cách là rất quan trọng. Điều này có thể giúp kéo dài tuổi thọ và tăng tính ứng dụng của sản phẩm gang.

Hy vọng với những thông tin mà Van Wonil Hàn Quốc tổng hợp được, các bạn sẽ hiểu rõ hơn về chất liệu Gang là gì, những đặc điểm và tính chất ứng dụng của gang trong đời sống!

>>> Tham khảo thêm: Đặc tính cao su epdm là gì ? Những ứng dụng nổi bật trong ngành van công nghiệp