Vật liệu cắt gọt và mài kim loại phần 3 - Gang và Thép

Gang là vật liệu đúc được dùng khá phổ biến để chế tạo máy và xây dựng cơ bản (ống, ghi lò, nắp, hộp...) tuy nhìn chung có cơ tính tổng hợp kém thép song có nhiều đặc điểm quý cần tận dụng triệt để; đó là nhiệt độ chảy thấp hơn, dễ nấu luyện, tính đúc tốt và dễ gia công cắt gọt. 

Trong công nghiệp thường chỉ dùng ba loại gang: xám, cầu, dẻo với tổ chức có grafit (làm cho gang có màu xẫm, tối), không có lêđêburit, khá mềm, dễ gia công cắt. Riêng gang trắng với tổ chức có lêđêburit, không có grafit (nên gang có màu sáng như thép được gọi là gang trắng), rất cứng (HB 400 - 500), giòn, không gia công cắt được, nói chung bị hạn chế sử dụng (chỉ dùng để luyện thép, đúc ủ gang dẻo và đúc gang xám biến trắng).

Tổ chức tế vi của gang

Đặc điểm về tổ chức tế vi quan trọng nhất chi phối các đặc điểm khác là phần lớn hay toàn bộ cacbon trong các gang chế tạo máy ở dạng tự do hay grafit (như vậy rất ít hay không có cacbon ở dạng liên kết hay cacbit). Tổ chức tế vi của gang được chia thành hai phần: phần phi kim loại là grafit hay cacbon tự do và phần còn lại là nền kim loại với các tổ chức khác nhau:

- Ferit khi toàn bộ C ở dạng tự do (nên không còn cacbon để kết hợp với Fe hay các kim loại để tạo thành xêmentit hay cacbit), không có cacbon liên kết.

- Ferit - peclit hay peclit khi phần lớn C ở dạng tự do và rất ít (< 0,80%) ở dạng liên kết, Các gang khác nhau chỉ là ở dạng của grafit như phân biệt trên tổ chức tế vi của các mẫu chưa tẩm thực (grafit không phản xạ ánh sáng có màu tối và nền kim loại chưa biết).

• Gang xám: grafit có dạng tấm (phiến, lá...), là dạng tự nhiên khi đúc.

• Gang cầu: grafit có dạng quả cầu tròn, phải qua biến tính đặc biệt.

• Gang dẻo: grafit có dạng cụm (tụ tập thành đám), qua phân hóa từ xêmentit.

Có thể xem gang chế tạo máy là thép (ferit, ferit - peclit, peclit) có lẫn grafit. Chính sự khác nhau của dạng grafit mà gang có cơ tính và công dụng khác nhau.

Thành phần hóa học và cách chế tạo

Để có được grafit và grafit với các dạng khác nhau, mỗi gang phải có những đặc điểm riêng về thành phần hóa học và cách chế tạo.

Sự tạo thành grafit hay grafit hóa.

Trong gang cacbon có thể tồn tại ở cả hai dạng: tự do và liên kết, vậy điều kiện tạo thành chúng ra sao ?

Trước tiên phải nói rằng grafit là pha ổn định nhất, còn xêmentit kém ổn định hơn (giả ổn định), song sự tạo thành grafit lại khó khăn hơn do so với xêmentit thành phần cacbon (%C) và cấu trúc của grafit sai khác quá nhiều với pha lỏng và austenit (như về %C của Xê, G, γ  và pha lỏng lần lượt là 6,67, 100, 2,14 và 3,0 - 4,0%C). Tuy nhiên nhờ có ảnh hưởng của thành phần hóa học và chế độ làm nguội khi đúc, sự tạo thành grafit của gang có thể trở nên dễ dàng hơn.

Thành phần hóa học

Bản thân cacbon cũng là yếu tố thúc đẩy sự tạo thành grafit. Trong số các nguyên tố trong gang, nguyên tố có ảnh hưởng mạnh nhất đến sự tạo thành grafit (grafit hóa) là silic. Silic càng nhiều hay đúng hơn tổng lượng %(C+Si) càng cao sự grafit hóa càng mạnh, càng hoàn toàn, cacbon liên kết (xêmentit) càng ít, thậm chí không có. Vì vậy về cơ bản người ta coi gang là hợp kim ba cấu tử Fe - C - Si.

Trong các điều kiện khác như nhau, khi giảm %(C + Si) sự grafit hóa giảm dần.

• (C + Si) lớn, khoảng ≥ 6%, sự tạo thành grafit là mạnh nhất với nền ferit (không có cacbon liên kết).

• (C + Si) tương đối cao, khoảng 5,0 - 6,0%, có nền ferit - peclit (0,1 - 0,50%C liên kết).

• (C + Si) vừa phải, khoảng 4,2 - 5,0%, có nền peclit (0,60 - 0,80%C lien kết).

• (C + Si) thấp, < 4,0 - 4,3%C, có gang trắng (toàn bộ C của gang ở dạng liên kết).

Trong gang cũng có thể có các nguyên tố thúc đẩy tạo thành cacbit (còn gọi là gây hóa trắng gang) hay chống lại grafit hóa, chúng được đưa vào có chủ định, riêng các gang đều có khoảng 0,50%Mn (gây biến trắng, làm cứng gang, nó là tạp chất thường có của hợp kim Fe - C và với hàm lượng như vậy là có lợi cho cơ tính).

Tốc độ nguôi khi đúc và cách chế tạo

Yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến grafit hóa là tốc độ làm nguội khi đúc. Làm nguội chậm thúc đẩy tạo thành grafit, còn làm nguội nhanh thúc đẩy tạo thành cacbit, tạo ra gang trắng, gây biến trắng.

Như vậy lượng silic và tốc độ nguội ảnh hưởng lớn đến đến sự tạo thành grafit nói chung, còn dạng grafit khác nhau được tạo thành bằng các phương pháp khác nhau tức theo các đường đi khác nhau.

• Gang xám với grafit tấm là dạng tự nhiên được hình thành dễ dàng và đơn giản nhất: đúc thông thường.

• Gang cầu với grafit cầu là dạng thu gọn nhất được hình thành từ biến tính đặc biệt gang lỏng thông dụng (gang xám).

• Gang dẻo với grafit cụm (dạng đám) được hình thành qua hai bước: tạo ra xêmentit (gang trắng) rồi ủ để phân hóa nó thành grafit cụm.

Gang xám

Tuy dễ chế tạo, rẻ nhưng cơ tính kém.

• Độ bền thấp, giới hạn bền kéo < 350 - 400MPa (thường trong khoảng 150 - 350MPa), chỉ bằng nửa của thép thông dụng, 1/3 - 1/5 của thép hợp kim.

• Độ dẻo và độ dai thấp (δ ≈ 0,5%, aK < 100kJ/m2), có thể xem như vật liệu giòn.

Nguyên nhân cơ tính thấp của gang xám là do có tổ chức grafit tấm với độ bền rất thấp (có thể coi bằng không), có dạng bề mặt lớn, coi như vết nứt, rỗng chia cắt rất mạnh nền kim loại (thép) và sự tập trung ứng suất ở các đầu nhọn của tấm grafit làm giảm rất mạnh độ bền kéo. Tuy nhiên cấu trúc này ít làm hại độ bền nén (giới hạn bền nén của gang xám không kém thép).

Grafit nói chung và grafit tấm nói riêng cũng có những mặt có lợi.

• Grafit mềm (HB 2) và giòn, làm gang có độ cứng thấp (<< gang trắng) và phoi dễ gẫy nên dễ gia công cắt.

• Grafit có tính bôi trơn nên làm tăng tính chống mài mòn, với cùng độ cứng như nhau (hay thấp hơn chút ít) gang có tính chống mài mòn cao hơn thép là vì lý do này.

• Grafit có khả năng làm tắt dao động nên gang xám thường được dung làm đế, bệ máy (và cũng là để tận dụng khả năng chịu nén tốt).

Gang xám biến trắng

Trong sản xuất cơ khí hầu như không dùng gang trắng do quá cứng, không thể gia công cắt được, và giòn, song có sử dụng gang xám biến trắng (ở bề mặt) có tính chống mài mòn cao (với bề mặt có HB 400 - 600), như để làm bi, trục nghiền, trục xay sát. Muốn vậy khi đúc gang xám thay cho làm nguội thong thường người ta làm nguội nhanh những phần, bề mặt cần cứng (như đúc trong khuôn kim loại hay bằng cách đặt kim loại dẫn nhiệt nhanh trong phần khuôn cát tiếp giáp để tạo ra gang trắng).

Đôi khi dù không mong muốn, khi đúc vẫn nhận được gang xám biến trắng (do đúc trong khuôn kim loại, ly tâm, áp lực, ở các thành mỏng...). Để dễ gia công cắt phải đem ủ ở 700 - 750oC, xêmentit bị phân hóa thành ferit và grafit nhờ đó độ cứng giảm đi. Nếu ủ ở 600 - 650oC chỉ có khả năng làm mất ứng suất bên trong do làm nguội không đều khi đúc gây ra.

Gang cầu

Do grafit ở dạng thu gọn nhất (quả cầu tròn), ít chia cắt nền kim loại nhất, hầu như không có đầu nhọn để tập trung ứng suất, nên nó làm giảm rất ít cơ tính của nền, vì vậy gang cầu duy trì được 70 - 90% độ bền của nền kim loại (thép), tức không thua kém thép bao nhiêu và có thể thay thế nó.

Các đặc điểm về cơ tính của gang cầu là:

• - Giới hạn bền kéo và giới hạn chảy khá cao (σb = 400 - 800MPa, σ0.2 = 250 - 600MPa), tức là tương đương với thép cacbon chế tạo máy.

• - Độ dẻo và độ dai nhất định (δ = 2 ÷ 15%, aK = 300 ÷ 600kJ/m2), tuy có kém thép song cao hơn gang xám rất nhiều.

Đặc điểm chế tạo

Về phối liệu, gang cầu được chế tạo bằng cách biến tính gang xám (lỏng) nên về cơ bản thành phần của chúng giống nhau (C + Si cao) song cũng có nét khác biệt để làm cho biến tính tạo ra grafit cầu được thuận lợi:

• (C + Si) cao hơn (xem bảng 5.9).

• P, đặc biệt là S thấp hơn (< 0,03%) do S kết hợp với Mg thành MgS làm xấu cơ tính và tổn hao chất biến tính.

• Không có hay có rất ít nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Zn, Bi.

• Hợp kim hóa bằng Ni (< 2%), Mn (< 1%) để nâng cao hiệu quả của tôi + ram.

Về biến tính:

• Gang lỏng có nhiệt độ cao hơn bình thường khoảng 50 - 80oC (tức khoảng 1450oC).

• Biến tính (đặc biệt) cầu hóa: đưa Mg hay Ce (xêri) vào gang lỏng để phần còn lại trong thành phần gang phải trong giá trị nhỏ xác định (ví dụ đối với Mg là 0,04 - 0,08%).

• Biến tính grafit hóa bằng ferô silic, silicô canxi để chống biến trắng.

Công dụng chủ yếu của gang cầu là dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và va đập cao (như thép) đồng thời lại dễ tạo hình bằng phương pháp đúc. Chi tiết quan trọng điển hình làm bằng gang cầu là trục khuỷu. Đó là chi tiết có hình dạng phức tạp, chịu tải trọng lớn và va đập, chịu mài mòn khi làm bằng thép (ví dụ C45) phải dùng các phôi thép lớn qua rèn ép trên các máy ép lớn tạo ra phôi gia công với lượng dư lớn, tốn công cắt, nếu thay bằng gang cầu thiết bị sử dụng có phần đơn giản hơn tạo ra được vật đúc gần với thành phẩm hơn do đó chi phí gia công thấp hơn. Hơn nữa sau khi cùng tôi bề mặt, cổ trục khuỷu gang cầu có tính chống mài mòn cao hơn so với thép. Các hãng xe hơi nổi tiếng đã dung gang cầu trong động cơ xe du lịch và tải nhỏ.

Trong thời gian gần đây gang cầu với sản lượng khá lớn được dùng để chế tạo ống nước (đường kính lớn) dùng trong xây dựng cơ bản vì nó có ưu điểm hơn so với các vật liệu thường dùng trước đây là gang xám và thép. Tuy gang xám dễ chế tạo (nấu chảy, đúc, rẻ) song do cơ tính thấp không chịu đựng được áp suất nước trong ống dẫn cao tới hàng chục at trong thời gian dài (lúc đó nước thẩm thấu qua grafit tấm dài với bề mặt lớn dễ đánh thủng phần nền kim loại mỏng xen giữa các tấm, gây rò rỉ, phá hủy). Còn thép khó đúc hơn do nhiệt độ chảy cao, co ngót lớn).

Gang dẻo

Do grafit ở dạng cụm (grafit tấm tụ thành từng đám còn gọi là cacbon ủ) và lượng cacbon của gang rất thấp nên gang dẻo có độ bền gần như gang cầu song hơn hẳn gang xám (σb = 300 - 600MPa, σ0,2 = 200 - 450MPa), song độ dẻo cao như gang cầu (δ = 3 - 15%).

Đặc điểm chế tạo

Về phối liệu, gang dẻo được chế tạo bằng cách ủ từ gang trắng nên về cơ bản thành phần hóa học của chúng giống nhau: (C + Si) thấp, song cũng có nét khác biệt để khi đúc vừa tạo ra gang hoàn toàn trắng song cũng để dễ grafit hóa khi ủ sau đó nên khi lấy C thấp đi thì Si lấy cao hơn (xem bảng 5.9).

Về lựa chọn sản phẩm. Sản phẩm đúc bằng gang dẻo phải có thành mỏng, không cho phép có thành nào dày quá 40mm (thường chỉ cho phép dưới 20 - 30mm) để bảo đảm nguội nhanh tạo ra gang hoàn toàn trắng.

Về ủ grafit hóa. Đây là giai đoạn dài nhất (2 - 3 ngày), chiếm tỷ lệ cao trong giá thành. Gang trắng được ủ trong khoảng 1000 - 700oC với sự grafit hóa của xêmentit như sau:

• Fe3C → Feγ(C) + Cgrafit cụm

• Fe3C → Feα + Cgrafit cụm.

Tùy thuộc vào cách tiến hành có thể có các loại gang dẻo sau:

• Gang dẻo lõi trắng, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường ôxy hóa làm thoát cacbon mạnh (thường dùng môi trường là quặng sắt) nên cacbon ủ (grafit) bị giảm mạnh nên mặt gãy có màu sang.

• Gang dẻo lõi đen, là loại quá trình ủ xảy ra trong môi trường trung tính hay không bị ôxy hóa mạnh, cacbon ủ vẫn còn nhiều nên mặt gãy vẫn có màu tối (trừ viền mép ngoài bị thoát cacbon gây trắng). Loại này chỉ có ở Hoa Kỳ.

Tùy thuộc vào nền kim loại, quá trình ủ grafit hóa có triệt để hay không, có:

• Gang dẻo ferit: grafit hóa triệt để, không có cacbit, xêmentit, thời gian ủ dài (khoảng hai - ba ngày) ở 1000 và 7000C.

• Gang dẻo peclit: grafit hóa vừa phải, nên kim loại còn khoảng 0,6 đến 0,8%C ở dạng cacbit, xêmentit, thời gian ủ tương đối ngắn (chưa đến hai ngày) chỉ ở 10000C.

• Gang dẻo ferit - peclit: trung gian giữa hai loại trên (thời gian ủ ở 7000C ngắn hơn so với khi ủ gang dẻo ferit.

Những chi tiết làm bằng gang dẻo phải thỏa mãn đồng thời ba yêu cầu là: hình dạng phức tạp, thành mỏng, chịu va đập. Chỉ cần không thỏa mãn một trong các yêu cầu trên việc chế tạo bằng gang dẻo hoặc là không thể được hoặc là không kinh tế, lúc đó làm bằng vật liệu khác rẻ hơn (ví dụ nếu không chịu va đập làm bằng gang xám, nếu hình dạng đơn giản làm bằng thép hàn...).

Thép