Gang từ lâu đã được tìm thấy và sử dụng rộng rãi trong đời sống sinh hoạt bởi những sự rắn chắc, bền bỉ, được ứng dụng phổ biến trong đời sống đặc biệt là trong ngành cơ khí. Cùng bài viết này tìm hiểu về gang và những đặc tính của nó nhé:
Mục lục bài viết
1. Gang là gì?
– Gang là một hợp kim có thành phần chính bao gồm sắt (Fe) và carbon (C), kèm một số phụ gia kim loại khác như silic, mangan, lưu huỳnh, photpho và các nguyên tố hòa tan khác. Điều này để phân biệt gang với một hợp kim khác của sắt là thép có chứa lượng C ít hơn.
– Gang có tính chất dẻo, dễ gia công và giá thành rẻ. Gang có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp (trong khoảng 1150-1200°C), độ chảy loãng cao, tính đúc tốt nên khả năng chịu nén và chống mài mòn cao. Cũng vì vậy mà gang được sản xuất từ quá trình chế biến quặng sắt, có hàm lượng cacbon thấp hơn thép và chứa nhiều hơn các nguyên tố tạp khác. Gang được sử dụng rất phổ biến trong các ngành cơ khí, xây dựng, sản xuất thiết bị điện, sản xuất đồ gia dụng và nhiều lĩnh vực khác.
Nhìn chung người ta xem gang như là một loại hợp kim có tính giòn. Màu xám ở mặt gãy thường là đặc điểm nhận dạng của gang: chính là sự phân bổ ở dạng tự do của khối carbon, với hình thù dạng tấm khi hợp kim đông đặc.
– Hàm lượng các nguyên tốt chính trong gang bao gồm thông thường bao gồm:
C: 2,0÷4,0%
Mn: 0,2÷1,5%
P: 0,04÷0,65%
S: 0,02÷0,05%
Tùy theo thành phần hóa học cấu tạo mà gang được chia thành 2 nhóm chính bao gồm gang trắng và gang graphit. Trong đó gang graphit được sử dụng nhiều hơn do chúng khá mềm và dễ gia công với 3 loại là gang xám, gang cầu và gang dẻo.
2. Phân loại Gang:
Tùy theo thành phần hóa học cấu tạo mà gang được phân loại thành 2 nhóm chính gồm gang trắng và gang Graphit:
2.1. Gang trắng:
Gang trắng hay còn được biết đến là loại gang thông thường thường. Chúng được cấu tạo từ tổ hợp Fe – C, trong đó cacbon sử dụng có dạng liên kết là Fe3C từ 3-3,5%.
Loại gang trắng này có màu trắng, độ cứng và độ giòn cao, khá khó gia công đặc biệt là cắt hoặc hàn. Vì vậy đây là loại gang được dùng chủ yếu trong luyện thép hoặc chế tạo chi tiết máy chống ăn mòn cao. Ngoài ra chúng cũng có thể sử dụng đúc ủ ra các loại gang khác như gang dẻo, gang xám biến trắng.
2.2. Gang Graphit:
Khác với gàng trắng (hay gang thường), gang Graphit có hàm lượng cacbon cao hơn 2,14% và chứa thêm một số tạp chất Mn, Si, P, S… Cấu tạo của gang Graphit phần lớn ở dạng tự do rất ít hoặc không chứa Fe3C như gang trắng.
Gang Graphit tồn tại ở 3 thể chính gồm:
– Gang xám:
Đây là loại gang phổ biến nhất hiện nay được thiết kế tồn tại dưới dạng graphit ở dạng tấm, phiến, chuỗi…
+ Ưu điểm: Gang xám có giá thành khá rẻ, nhiệt độ nóng chảy chỉ từ 1350ºC, khả năng cách âm cao, tính đúc, uốn dẻo tốt. Giúp tăng độ mài mòn và làm giảm độ co ngót sau khi đúc.
+ Nhược điểm: Gang xám có trọng lượng lớn, nặng, bề mặt khá xù xì, không mang tính thẩm mỹ cao, độ giòn cao làm khó rèn. Do đó chỉ được ứng dụng chủ yếu ở ngành kỹ thuật tại khu công nghiệp, nhà máy sản xuất…
– Gang cầu
Gang cầu là sản phẩm vật liệu được thiết kế bên ngoài có dạng quả cầu với đặc tính có độ bền cao, chống va đập tốt, tính bền dẻo, tính chống mài mòn tốt. Do thành phần của gang cầu gồm 4,3 – 4,6% nguyên tố C và Si. Hiện nay, gang cầu được ứng dụng tốt và phổ biến trong sản xuất các loại van công nghiệp như van cổng, van bướm, van một chiều… nhằm đảm bảo an toàn, chất lượng và đáp ứng một cách tốt nhất điều kiện, môi trường hay lĩnh vực cần sử dụng…Ngoài ra, còn được dùng để chế tạo các chi tiết máy trung bình và lớn có hình dạng phức tạp, cần chịu tải trọng cao, chịu kéo và va đập tốt.
– Gang dẻo
Gang dẻo là dạng graphit cụm bông, đã được ủ “graphit hóa” từ gang trắng ở nhiệt độ từ 850-1050⁰C.
+ Ưu điểm: Có tính dẻo, độ bền cơ học tốt và tính thẩm mỹ cao, có tính chống chịu tốt, tuổi thọ cao kể cả trong điều kiện khắc nghiệt từ môi trường như nhiệt độ cao, áp lực lớn.
+ Nhược điểm: So với gang xám thì gang dẻo ít được sử dụng hơn do có giá thành cao và công nghệ sản xuất phức tạp.
3. Đặc điểm của Gang:
Là vật liệu có tính ứng dụng cao trong ngành cơ khí, gang có các đặc tính bao gồm:
– Độ bền cao: Gang có độ bền cao, chịu được tải trọng cao, lực tác động lớn. Gang có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao trong khoảng 1150 – 1200 độ C do thành phần hóa học gần điểm Austectic nhưng thấp hơn so với sắt nguyên chất.
– Độ cứng: Gang có độ cứng cao, đặc biệt là ở dạng gang xám.
– Khả năng chống ăn mòn: Gang có khả năng chống ăn mòn tốt hơn các loại kim loại khác, đặc biệt là gang sỏi.
– Dễ gia công: Gang có độ dẻo dai cao, dễ dàng chịu được các phương pháp gia công như hàn, phay, tiện, mài,…
– Tính năng đàn hồi cao: Gang có tính năng đàn hồi cao, đặc biệt là dạng gang trắng.
– Khả năng dẫn nhiệt và điện: Gang có khả năng dẫn nhiệt và điện kém hơn so với các kim loại khác.
– Tính chất từ tính: Gang có tính chất từ tính mạnh, có thể sử dụng trong các ứng dụng về nam châm.
– Tính chất siêu dẫn điện: Đặc biệt, gang Ferit hay còn gọi là Ferrite (Fe) có tính chất siêu dẫn điện, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các loại từ điện, biến dòng điện, biến áp, …
– Độ giòn cao, có tính đúc tốt, độ loãng chảy cao dễ nấu luyện. Tuy nhiên không phù hợp để gia công hàn mà phù hợp sử dụng trong gia công đúc để làm những chi tiết tương đối phức tạp như: Vỏ máy, bánh đai, thân máy, bánh đà, trục khuỷu, trục cán, ổ trượt, bánh răng…
4. Ứng dụng của Gang:
Với những ưu điểm, đặc tính nổi bật như nêu trên, hiện nay gang được ứng dụng để sản xuất trong rất nhiều lĩnh vực phổ biến. Cụ thể:
– Trong ngành chế tạo máy: Giúp đúc các băng máy lớn có độ phức tạo cao, không cần phải chịu độ uốn nhưng cần chịu lực nén tốt.
– Trong sản xuất các băng máy công cụ (tiện, phay, bào,…), thân máy của động cơ đốt trong…
– Trong sản xuất van công nghiệp: van bướm, van cổng trong hệ thống máy bơm, van cầu, van cân bằng trong môi trường nước, hơi nóng, khí nén,…
– Gang cầu được sử dụng làm trục khuỷu, ống nước có đường kính lớn, nắp hố ga, song chắn… vì có độ an toàn cao, dễ thi công, giá thành rẻ.
– Trong lĩnh vực trang trí bằng chạm khắc trang trí bề mặt có thể mài dũa dễ dàng.
5. Sản xuất gang:
– Nguyên liệu để sản xuất gang: quặng sắt, ví dụ như quặng manhetit (chứa Fe304), quặng hematit; than cốc (than tinh luyện); không khí có nhiều oxi và một số chất phụ gia khác như đá vôi CaCO3, …
– Nguyên tắc sản xuất gang: Dùng cacbon oxit để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện.
– Quá trình sản xuất gang: Quặng, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải được đưa vào lò cao qua miệng lò và xếp thành từng lớp xen kẽ với nhau. Không khí nóng được thổi từ 2 bên lò từ dưới lên.
+ Phản ứng tạo thành khí CO:
C(r) + O2(k) → CO2(k) (điều kiện có nhiệt độ)
C(r) + CO2(k) → 2CO(k) (điều kiện có nhiệt độ)
+ Tính khử của oxit sắt thành sắt: 3CO(k) + Fe2O3(r) → 2Fe(r) + 3CO2(k) (điều kiện có nhiệt độ cao)
+ Một số oxit khác có trong quặng như MnO2, SiO2,… cũng bị khử để tạo thành đơn chất Mn, Si,…
+ Sắt nóng chảy hòa tan 1 lượng nhỏ cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.
+ Đá vôi bị phân hủy thành CaO, kết hợp với SiO2 có trong quặng để tạo thành xỉ.
CaO(r) + SiO3(r) → CaSiO3(r) (điều kiện có nhiệt độ)
+ Xỉ nhẹ nổi lên trên và được thải ra ngoài ở cửa thải xỉ.
+ Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên gần miệng lò.
6. Một số câu hỏi về những hợp kim của sắt:
Câu 1. Thế nào là hợp kim? Thế nào là gang và thép? Nêu thành phần, tính chất, ứng dụng của gang và thép.
Bài làm:
Các bạn xem lại trong phần lý thuyết ở trên nhé!
Câu 2. Hãy cho biết nguyên tắc sản xuất gang và viết các PTHH.
Bài làm: (xem chi tiết hơn trong phần lý thuyết)
– Nguyên tắc sản xuất gang: là dùng CO khử oxit sắt ở t° cao trong lò luyện kim (lò cao).
– Các PTHH trong quá trình sản xuất gang:
C + O2 (t°) → CO2
C+ CO2 (t°) → 2CO
3CO + Fe2O3 (t°) → 2Fe + 3CO2
CaO + SiO2 (t°) → CaSiO3
Câu 3. Hãy cho biết nguyên tắc luyện gang thành thép và viết các PTHH.
Bài làm: (xem chi tiết hơn trong phần lý thuyết)
– Nguyên tắc sản xuất gang là: oxi hóa một số kim loại và phi kim ra khỏi gang. Phần lớn các nguyên tố bị loại bỏ là Si, Mn, C…
– Các PTHH trong quá trình sản xuất thép:
Si + O2 (t°) → SiO2
2Mn + O2 (t°) → 2MnO
C + O2 (t°) → CO2
S + O2 (t°) → SO2
4P + 5O2 (t°) → 2P2O5
Câu 4. Những khí thải (CO2, SO2…) trong quá trình sản xuất gang, thép có ảnh hưởng như thế nào đến môi trường xung quanh? Dẫn ra một số phản ứng để giải thích. Thử nêu biện pháp để chống ô nhiễm môi trường ở khu dân cư gần cơ sở sản xuất gang thép.
Bài làm:
Khí CO2 và SO2 là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng mưa axit ảnh hưởng đến các loài động thực vật, con người và các công trình xây dựng. Ngoài ra, khí CO2 còn là nguyên nhân gây ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính, làm cho Trái Đất nóng lên.
Để hạn chế ô nhiễm môi trường do các khí này gây ra, chúng ta cần:
– Xử lý các khí thải trước khi thải ra môi trường bằng cách hấp phụ bằng nước vôi trong.
– Xây dựng các nhà máy luyện gang thép ở xa khu dân cư.
– Trồng nhiều cây xanh để lọc khí, làm giảm sự ảnh hưởng của các khí độc hại.
