Gang cầu, thành phần hóa học, đặc điểm chế tạo, tổ chức tế vi và cơ tính

Gang cầu là gì – Thành phần tương tự gang xám,Gang Xám – Công Nghệ Kỹ Thuật 360 (gangthep360.com) chỉ khác là để cầu hóa phải biến tính bằng Mg hay Ce: gang lỏng trước khi rót vào khuôn được đựng trong thùng kín, cho Mg vào rồi cho tiếp FeSi (chống biến trắng). Mg hòa tan vào gang lỏng một lượng thích hợp (0,01 – 0,1%) là grafit phát triển đều theo mọi phương, do đó có dạng cầu.

Sau khi biến tính, gang có thành phần như sau: 3,0 – 3,6%C; 1,1 – 2,9%Si; 0,3 – 0,7% Mn; dưới 0,02%S và dưới 0,1%P.

Gang cầu là gì? Thành phần hóa học của gang cầu thường bao gồm các nguyên tố sau:

• Carbon (C): Thường chiếm khoảng 3.0 – 4.0%. Carbon trong gang cầu chủ yếu tồn tại dưới dạng graphit cầu, giúp tăng độ bền và khả năng chống mài mòn.
• Silicon (Si): Thường chiếm khoảng 1.8 – 3.0%. Silicon giúp thúc đẩy sự hình thành của graphit cầu và tăng khả năng chống oxi hóa.
• Mangan (Mn): Thường chiếm khoảng 0.1 – 1.0%. Mangan giúp cải thiện độ cứng và độ bền của gang cầu.
• Magie (Mg): Thường chiếm khoảng 0.03 – 0.06%. Magie là yếu tố quan trọng giúp chuyển đổi cấu trúc graphit từ dạng tấm (flaky) sang dạng cầu (nodular).
• Lưu huỳnh (S) và Phốt pho (P): Hai nguyên tố này thường có hàm lượng rất thấp (dưới 0.05%) vì chúng có thể gây ra các khuyết tật trong gang và làm giảm chất lượng sản phẩm.
• Đồng (Cu): Có thể có hoặc không, thường dưới 1%. Đôi khi được thêm vào để tăng độ bền và khả năng chống ăn mòn.
• Niken (Ni), Chrom (Cr), và Molypden (Mo): Đôi khi được thêm vào với lượng nhỏ để cải thiện các tính chất đặc biệt như độ bền nhiệt và khả năng chịu mài mòn.

Gang cầu – theo tổ chức nền kim loại, gang cầu được chia làm ba loại:

• Gang cầu peclit với tổ chức P +Gr (dạng cầu). Trong gang này lượng cacbon liên kết khoảng 0,8%.
• Gang cầu ferit – peclit với tổ chức : F + P + Gr (dạng cầu). Hàm lượng cacbon liên kết trong đó nhỏ hơn 0,8%. Hình 2 là tổ chức tế vi của gang cầu F + P + Gr.
• Gang cầu ferit với tổ chức: F + Gr (dạng cầu). Trong gang này toàn bộ cacbon nằm dưới dạng tự do.

• Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (σ b = 400 – 800MPa, σ 0,2 = 250 -652MPa), tương đương với thép cacbon.
• Độ dẻo và độ dai nhất định (δ = 2 – 15%, ak = 300 – 600kJ/m²).

Quá trình chế tạo gang cầu:

1. Lựa chọn nguyên liệu đầu vào

• Thép phế liệu và gang thỏi: Chọn thép phế liệu và gang thỏi có hàm lượng tạp chất thấp.
• Hợp kim tạo cầu: Magie (Mg) là nguyên tố chủ yếu để tạo cấu trúc graphit cầu.

2. Nấu chảy

• Lò nấu chảy: Thường sử dụng lò cảm ứng hoặc lò cao để nấu chảy nguyên liệu.
• Kiểm soát nhiệt độ: Nhiệt độ nấu chảy thường ở khoảng 1350-1500°C. Nhiệt độ phải được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo quá trình tạo cầu diễn ra hiệu quả.

3. Thêm hợp kim tạo cầu

• Thêm Magie (Mg): Hợp kim Magie thường được thêm vào gang lỏng để tạo ra cấu trúc graphit cầu. Có thể sử dụng hợp kim Fe-Si-Mg hoặc Mg nguyên chất.
• Phương pháp thêm: Có thể thêm trực tiếp vào lò hoặc sử dụng phương pháp tiêm hợp kim (injection).

4. Kiểm soát quá trình đông đặc

• Tạo cầu: Quá trình này đòi hỏi kiểm soát kỹ lưỡng về tốc độ làm nguội và nhiệt độ để đảm bảo graphit có hình dạng cầu.
• Biến tính: Thêm các nguyên tố như Cerium (Ce) hoặc Calcium (Ca) để cải thiện chất lượng graphit cầu.

5. Đúc khuôn

• Khuôn đúc: Sử dụng các khuôn cát hoặc khuôn kim loại tùy theo yêu cầu sản phẩm.
• Đổ khuôn: Gang lỏng được đổ vào khuôn và để nguội, quá trình này phải được kiểm soát để tránh các khuyết tật như co ngót hay nứt.

6. Xử lý nhiệt

• Ủ mềm (annealing): Thực hiện ủ mềm để giảm ứng suất nội và cải thiện độ dẻo dai.
• Nung cải thiện (heat treatment): Có thể thực hiện các quá trình xử lý nhiệt khác để tối ưu hóa các tính chất cơ học.

7. Kiểm tra chất lượng

• Kiểm tra thành phần hóa học: Đảm bảo hàm lượng các nguyên tố đúng với yêu cầu kỹ thuật.
• Kiểm tra cơ tính: Đánh giá độ bền kéo, độ dẻo dai và các đặc tính cơ học khác.
• Kiểm tra cấu trúc graphit: Sử dụng kính hiển vi để kiểm tra hình dạng và phân bố của graphit cầu.

8. Gia công và hoàn thiện

• Gia công cơ khí: Các sản phẩm đúc có thể cần được gia công thêm để đạt kích thước và độ chính xác mong muốn.
• Sơn phủ và bảo vệ: Các biện pháp sơn phủ hoặc xử lý bề mặt có thể được thực hiện để bảo vệ sản phẩm khỏi ăn mòn và cải thiện tuổi thọ.

Tham khảo kiến thức về gang cầu là gì tại Khoa Cơ Khí – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Faculty of Mechanical Engineering – University of Science and Technology – The University of Danang – Chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy (udn.vn)

Gang cầu – Tác giả: Phòng kỹ thuật – Công Nghệ Kỹ Thuật 360