CHƯƠNG 8: HÓA BỀN BỀ MẶT THÉP
9.1. Giới thiệu chung về gang
- Theo thành phần hoá học: Gang là hợp kim của Fe với C mà trong đó thành phần C > 2,14%.
- Theo tổ chức tế vi: Gang là hợp kim của Fe với C mà trong tổ chức có Le.
Các cách định nghĩa trên đều tương ứng với trạng thái cân bằng giả ổn định theo đúng giản đồ trạng thái Fe - Fe3C
9.1.2. Phân loại
Trong quá trình sử dụng để tiện phân loại người ta dựa vào tổ chức tế vi của gang.
Trên cơ sở đó, gang được phân thành các loại sau:
- Gang trắng: Là gang có cacbon tồn tại ở dạng Xe(Fe3C). Như vậy, tổ chức tế vi của gang trắng hoàn toàn phù hợp với giản đồ giả ổn định Fe - Fe3C luôn luôn có chứa hỗn hợp cùng tinh Le.
- Gang xám, cầu, dẻo là loại gang trong đó phần lớn hay toàn bộ cacbon ở dưới dạng tự do - graphit với các hình dạng khác nhau: tấm, cầu, bông. Trong tổ chức không có Le, do đó tổ chức tế vi không phù hợp với giản đồ trạng thái Fe - C. Tổ chức
phi kim loại - Graphit và nền kim loại gồm F và Xe. Khi tất cả cacbn ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức chỉ gồm có F, còn khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức có thể là F - P; P hoặc P - Xe.
Chính do đặc điểm về tổ chức tế vi như vậy mà các loại gang có cơ tính và công dụng khác nhau.
9.1.3. Cơ tính và tính công nghệ
- Cơ tính: Nhìn chung gang là loại vật liệu có độ bền dẻo thấp, độ dòn cao Xe là pha cứng và dòn, sự tồn tại của nó với một lượng lớn và tập trung trong gang trắng làm dễ dàng cho sự tạo vết nứt dưới tác dụng của tải trọng kéo. Do đó, gang trắng có độ bền kéo thấp và độ dòn cao.
Trong gang xám, dẻo, cầu tổ chức Graphit như là các lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm gang kém bền. Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit, lớn nhất ở gang xám với graphit dạng tấm và bé nhất ở gang cầu với graphit dạng cầu tròn. Vì vậy, gang cầu có độ bền cao nhất, tính dẻo tốt nhất trong các loại gang. Song sự có mặt của graphit trong gang có một số ảnh hưởng tốt đến cơ tính như tăng khả năng chống mòn do ma sát, làm tắt rung động và dao động cộng hưởng
- Tính công nghệ
Gang có tính đúc và tính gia công cắt không tốt: các loại gang thường dùng có thành phần gần cùng tinh nên nhiệt độ chảy thấp, do đó độ chảy lỏng cao và đó là một trong những yếu tố quan trọng của tính đúc, graphit trong các gang xám, dẻo và cầu làm phôi dễ gãy vụn khi gia công cắt.
9.1.4. Công dụng
Nói chung gang có cơ tính tổng hợp không cao như thép nhưng có tính đúc tốt và rẻ nên dùng người ta dùng gang để làm rất nhiều các chi tiết máy như: bệ máy, vỏ, nắp, các bộ phận ít phải di chuyển hay có thể dùng gang cầu để làm trục khuỷu thay cho thép.
9.1.5. Sự hình thành graphit trong gang
Các loại gang có thành phần cacbon giống nhau (>2%) nhưng có loại chỉ tạo nên Xe như gang trắng, có loại lại tạo nên Graphit. Trong gang, graphit có thể có 3 dạng chủ yếu: tấm, cầu, nhưng dạng tấm của graphit trong gang xám là dạng tự nhiên.
9.1.5.1. Graphit
Graphit có mạng lục giác, trong đó các nguyên tử cacbon như được xếp thành từng lớp một: khoảng cách giữa các nguyên tử trên mỗi lớp rất gần nhau -1,42A0; còn giữa các lớp lại rất xa nhau -3,4A0. Do cấu trúc như vậy nên khi tạo thành từ trạng thái lỏng, graphit phát triển rất nhanh (theo các phương và mặt có mật độ nguyên tử lớn), làm các lớp này dài, rộng ra rất nhanh để có dạng tấm (phiến) cong. Chính vì vậy, graphit tấm là dạng tự nhiên của graphit trong gang.
9.1.5.2. Sự tạo thành graphit trong gang
Để xét khả năng tạo thành graphit trong gang h•y lần lượt xét các yếu tố năng lượng tự do và công nghệ tạo mầm của graphit và Xe.
* Điều kiện năng lượng: Năng lượng tự do của Graphit luôn luôn nhỏ hơn của Xe ở mọi khoảng nhiệt độ. Như vậy, về phương diện này sự tạo thành Graphit có lợi hơn.
Nhưng năng lượng tự do chỉ là yếu tố quyết định chiều hướng của quá trình, sự kết tính ra Graphit có thực hiện được hay không còn phụ thuộc vào công tạo mầm nữa.
* Công tác mầm: Công tạo mầm của Xe nhỏ hơn của Graphit rất nhiều. Do vậy về phương diện này, sự tạo thành Xe có lợi hơn sở dĩ, công tạo mầm Graphit lớn hơn Xe là do:
- Về thành phần hoá học: Graphit có 100%C, còn Xe có 6,67%C còn gang lỏng khoảng 34%C, <2,14%C. Từ đó thấy rằng, từ gang lỏng và từ , để tạo nên Xe, cacbon phải khuếch tán, ba động ít hơn so với khi tạo nên Graphit.
- Về cấu tạo mạng tinh thể: có mạng lập phương gần với Xe hơn là với Graphit có mạng lục giác.
+) Sự tạo thành Graphit từ gang lỏng và từ khi làm nguội chỉ xảy ra trong phạm vi nhiệt độ hẹp, muốn xảy ra phải làm nguội với tốc độ rất chậm.
+) Sự tạo thành graphit từ gang lỏng và từ là quá trình chậm chạp vì công tạo mầm graphit lớn và cần sự khuếch tán nhiều của cacbon.
9.1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành Graphit khi kết tinh
* Thành phần hoá học: thành phần hoá học của gang ảnh hưởng lớn đến sự tạo thành graphit. Gang là hợp kim ngoài Fe, C ra còn chứa nhiều các nguyên tố khác như Mn, Si, P, S...chúng có ảnh hưởng khác nhau đến sự tạo thành Graphit.
Si là nguyên tố thúc đẩy mạnh sự tạo thành Graphit vì nó làm giảm khả năng hoà tan của cacbon ở trong gang lỏng và trong . Để điều chỉnh mức độ tạo thành graphit, lượng Si trong các loại gang thay đổi trong phạm vi từ 0,3 0,5% đối với gang trắng và từ 1 3% đối với các loại gang còn lại.
Mn là nguyên tố ngăn cản sự tạo thành Graphit, Mn quá nhiều dễ làm gang, hoá trắng. Tuy nhiên, Mn là nguyên tố có lợi về mặt cơ tính.
* Tốc độ nguội
Tốc độ nguội khi kết tinh lúc đúc gang có ảnh hưởng mạnh đến sự tạo thành Graphit. Tốc độ nguội càng chậm càng thúc đẩy quá trình tạo ra Graphit. Vì vậy, đúc trong khuôn cát dễ tạo thành gang xám hơn đúc trong khuôn kim loại. ảnh hưởng tổng hợp và thành phần hoá học (%C + %Si) và tốc độ nguội đến mức độ tạo thành Graphit được biểu thị như sau:
I- Gang trắng (vùng không có Gr)
II- Gang xám Peclit (vùng Gr hoá bộ phận) III- Gang xám Ferit (vùng Gr hoá hoàn toàn)
* Sự phân hoá của Xe
Ngoại sự tạo thành Graphit từ trạng thái lỏng và từ khi kết tinh, còn có sự tạo thành Graphit từ Xe ở trạng thái rắn. Xe là pha không hoàn toàn ổn định, ở điều kiện nhiệt độ nhất định, nó sẽ bị phân hoá thành hỗn hợp + Gr hoặc F + Gr.
ở nhiệt độ cao hơn 7270C, lúc đó khi giữ nhiệt lâu Xe sẽ phân hoá thành và Gr còn ở nhiệt độ thấp hơn 7270C, lúc đó Xe sẽ phân hoá thành F và Gr. Quá trình phân hoá Xe ở trạng thái rắn được sử dụng để nhiệt luyện gang đạt đến mức độ tạo thành lượng graphit mong muốn.