Gang là gì? Gang (cast iron) là hợp kim của sắt với cacbon có hàm lượng cacbon trên 2,14% khối lượng, thường 2,5–4,0%, kèm 1–3% silic. Lượng cacbon cao làm gang nóng chảy ở nhiệt độ thấp, đúc được hình dạng phức tạp, nhưng cũng làm gang giòn, không rèn hay cán được. Trong ngành van, gang là vật liệu thân van phổ biến nhất cho nước, nước thải và hơi áp thấp.
Mục lục
Gang là gì?
Về cấu tạo, gang là hợp kim sắt – cacbon có C vượt ngưỡng 2,14% của giản đồ Fe–Fe₃C, nên phần cacbon dư không hòa tan hết vào sắt mà tách ra thành graphit (dạng tấm, cầu, cụm) hoặc cementit Fe₃C. Dạng tồn tại của cacbon quyết định loại gang và cơ tính của nó; định nghĩa tổng quát có thể đối chiếu tại Cast iron (Wikipedia).
Hiểu gang là gì cũng là hiểu vì sao cacbon làm gang dễ đúc. Sắt nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1.538°C, nhưng khi cacbon tăng, điểm nóng chảy giảm dần và đạt cực tiểu ở khoảng 1.147°C tại thành phần 4,3% C (điểm eutectic). Gang công nghiệp nóng chảy ở khoảng 1.150–1.250°C, thấp hơn thép khoảng 200–300°C, nên rót vào khuôn dễ và tiết kiệm năng lượng hơn. Muốn so sánh với vật liệu có cacbon thấp hơn, xem bài thép là gì: thép dưới 2,14% C nên dẻo, rèn, cán và hàn được.
Thành phần hóa học của gang
Khi xét gang là gì về thành phần, cần kể cả các nguyên tố đi kèm: ngoài sắt và cacbon, gang luôn chứa silic, mangan, lưu huỳnh, phốt pho. Mỗi nguyên tố có vai trò riêng:
| Nguyên tố | Khoảng điển hình | Vai trò |
|---|---|---|
| Cacbon (C) | 2,5–4,0% | Tạo graphit hoặc cementit; quyết định tính đúc và độ giòn |
| Silic (Si) | 1–3% | Thúc đẩy cacbon kết tinh thành graphit thay vì cementit; tăng độ chảy loãng |
| Mangan (Mn) | Khoảng 0,2–1,0% | Trung hòa lưu huỳnh, tăng nhẹ độ bền |
| Lưu huỳnh (S) | Gang xám tới khoảng 0,12%; gang cầu thường dưới 0,02% | Tạp chất; trong gang cầu S phản ứng với Mg nên phải giữ rất thấp |
| Phốt pho (P) | Thường dưới 0,2% | Tạp chất; làm gang giòn hơn khi cao |
| Magie (Mg) | Dư khoảng 0,03–0,06% (chỉ gang cầu) | Biến tính để graphit kết tinh dạng cầu |
Silic đáng chú ý nhất: Si làm cementit kém bền hơn, nên khi gang nguội chậm, cacbon tách thành graphit và mặt gãy có màu xám. Khi Si thấp và nguội nhanh, cacbon giữ ở dạng cementit, mặt gãy trắng sáng và rất cứng: đó là gang trắng.
Phân loại gang
Câu hỏi gang là gì có nhiều đáp án vì gang gồm nhiều loại. Gang được phân loại theo hình dạng và dạng tồn tại của cacbon. Bốn nhóm chính là gang xám, gang cầu, gang dẻo (malleable) và gang trắng, cộng thêm nhóm gang hợp kim.
| Loại gang | Dạng cacbon | Độ bền kéo điển hình | Độ giãn dài | Đặc điểm |
|---|---|---|---|---|
| Gang xám | Graphit tấm | 200–350 MPa | Dưới 1% | Dễ đúc, gia công, giảm rung; giòn |
| Gang cầu | Graphit cầu | 400–700 MPa | 2–18% tùy mác | Bền, dẻo, chịu va đập |
| Gang dẻo (malleable) | Graphit cụm sau ủ | 300–700 MPa tùy mác | 2–12% tùy mác | Phụ kiện ren, chi tiết mỏng |
| Gang trắng | Cementit Fe₃C | Rất cứng, giòn | Gần như không | Chịu mài mòn |
Gang xám
Gang xám có graphit dạng tấm, mặt gãy màu xám. Các mác phổ biến là EN-GJL-200 và EN-GJL-250 (GG20, GG25 theo DIN cũ; FC200, FC250 theo JIS), bền kéo tối thiểu 200 và 250 MPa, độ giãn dài dưới 1%. Gang xám giòn vì tấm graphit có mép sắc và đóng vai trò như vết nứt sẵn có: khi kéo, ứng suất tập trung ở mép tấm và vết nứt lan nhanh. Khi nén, các khe này khép lại nên độ bền nén cao hơn độ bền kéo nhiều lần (khoảng 3–4 lần, tham khảo).
Graphit còn hấp thụ dao động, bôi trơn bề mặt trượt và dễ gia công nên gang xám dùng làm bệ máy, thân bơm và đĩa phanh.
Gang cầu
Gang cầu (ductile iron) được xử lý bằng magie hoặc xeri trước khi rót để graphit kết tinh dạng cầu. Hạt graphit tròn không tạo mép sắc để tập trung ứng suất, nên gang cầu bền và dẻo hơn hẳn gang xám. Các mác thường gặp: EN-GJS-400-15 (GGG40, FCD400), EN-GJS-450-10 (FCD450) và EN-GJS-500-7 (GGG50). Số đầu là bền kéo tối thiểu theo MPa, số sau là độ giãn dài tối thiểu theo %.
Trên thị trường van Việt Nam, gang cầu thường được gọi là gang dẻo (ký hiệu FCD). Cách gọi này khác với gang dẻo đúng nghĩa (malleable) ở phần sau. Bảng ký hiệu tương đương EN, DIN, JIS, ASTM, cơ tính từng mác và cách chọn trên thân van có trong bài gang cầu và gang xám.
Gang dẻo (gang rèn, malleable)
Gang dẻo đúng nghĩa được làm từ gang trắng đúc thành hình, sau đó ủ kéo dài ở khoảng 900–950°C. Cementit phân hủy và cacbon tách ra thành các cụm graphit nhỏ (temper carbon), nên chi tiết trở nên dai hơn gang trắng ban đầu. Chủ yếu dùng cho chi tiết mỏng, nhỏ như phụ kiện ren theo ASTM A197 và EN 10242. Không nên nhầm với gang cầu: hai loại tạo graphit bằng hai cơ chế khác nhau (ủ sau khi đúc và biến tính Mg trước khi rót).
Gang trắng
Gang trắng ít gặp nhất trong ngành van: loại này chứa cacbon dưới dạng cementit Fe₃C, mặt gãy trắng bạc, độ cứng rất cao và giòn. Loại này hình thành khi Si thấp và gang nguội nhanh. Nhờ chịu mài mòn tốt, gang trắng dùng làm bi nghiền, tấm lót máy nghiền và bánh công tác bơm bùn cát; nó còn là phôi đầu vào của gang dẻo.
Gang hợp kim
Gang hợp kim có thêm Ni, Cr, Mo hoặc Cu để tăng chịu mài mòn, chịu nhiệt hoặc chịu ăn mòn. Ví dụ gang chứa crom cao dùng cho bơm bùn, gang austenit Ni-Resist (EN 13835, ASTM A439) chịu ăn mòn và nhiệt độ cao hơn gang thường. Nhóm này ít gặp trong van thông dụng.
Ưu và nhược điểm của vật liệu gang
Trong thiết kế, câu trả lời gang là gì so với thép khá ngắn: vật liệu rẻ, dễ đúc và chịu nén tốt, đổi lại kém dẻo.
Ưu điểm
- Đúc được hình dạng phức tạp, thành mỏng nhờ gang chảy loãng tốt ở nhiệt độ thấp.
- Giá thành thấp hơn thép đúc và inox cho cùng kích thước thân van.
- Gia công cắt gọt dễ, graphit làm gãy phoi và giảm ma sát.
- Giảm rung và ồn, thích hợp bệ máy, thân bơm.
- Độ bền nén cao, ổn định kích thước.
- Khối lượng riêng khoảng 7,0–7,2 g/cm³ (gang xám) và 7,1 g/cm³ (gang cầu), thấp hơn thép đôi chút; xem thêm bảng khối lượng riêng kim loại.
Nhược điểm
- Giòn, không chịu va đập; gang xám gần như không giãn dài (dưới 1%).
- Không rèn, cán, và rất khó hàn vì cacbon cao sinh ra tổ chức cứng, giòn ở vùng hàn.
- Bị gỉ trong môi trường ẩm nên thân van gang phải sơn phủ.
- Gang xám kém khi chịu thay đổi nhiệt độ đột ngột và áp lực xung.
Dẫn nhiệt của gang xám khoảng 45–55 W/(m·K), xấp xỉ hoặc cao hơn thép cacbon, nên gang không phải vật liệu cách nhiệt như nhiều tài liệu cũ viết. Nhược điểm nhiệt của gang đến từ độ giòn và giãn nở không đều, không phải từ khả năng dẫn nhiệt.
Gang trong van công nghiệp
Với người mua van, câu trả lời gang là gì khá thực dụng: đây là vật liệu thân van mặc định cho nước và các môi chất không ăn mòn ở áp thấp. Thân và nắp van cổng, van bướm, van một chiều, lọc Y cho nước, nước thải và nước làm mát đa số làm bằng gang. Thân van được sơn tĩnh điện hoặc phủ epoxy, lớp dày thường từ khoảng 250 µm trở lên với van cấp nước (tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng). Bảng dưới tóm tắt cách gang xám và gang cầu (FCD/GGG) được chọn theo từng loại van.
| Loại van | Gang xám (FC/GG) | Gang cầu (FCD/GGG) |
|---|---|---|
| Van cổng gang | Nước sạch áp thấp, PN10 | Cấp nước đô thị, PCCC, PN10–PN16 |
| Van bướm gang | Nước sạch, HVAC áp thấp | Nước sạch, nước thải, PN10–PN16 |
| Lọc Y gang | Nước, dầu nhẹ áp thấp | Nước, hơi áp thấp, PN16 |
| Van một chiều | Trạm bơm áp thấp | Trạm bơm có nguy cơ búa nước |
Giới hạn của gang cũng cần nhớ. Gang xám không dùng cho hơi áp cao, đường có búa nước hoặc nhiệt độ rất thấp vì giòn. Gang cầu chịu áp và va đập tốt hơn nhưng vẫn không thay được thép đúc ở hơi quá nhiệt, dầu khí dễ cháy hay môi chất ăn mòn. Với các trường hợp đó, hãy tham khảo cách chọn vật liệu van theo hơi, dầu, khí nén, hóa chất. Dải PN và nhiệt độ cụ thể phụ thuộc hãng và loại gioăng (tham khảo, đối chiếu catalogue của hãng).
Ứng dụng khác của gang
Ngoài van, gang xuất hiện ở nhiều chi tiết cần đúc nhanh và chịu nén. Các ứng dụng chính:
- Thân máy, bệ máy, vỏ hộp số, đĩa phanh: gang xám nhờ giảm rung và dẫn nhiệt tốt.
- Nắp hố ga, song chắn rác: gang cầu theo EN 124, chịu tải xe qua lại.
- Ống và phụ kiện cấp thoát nước: ống gang cầu theo ISO 2531.
- Nồi, chảo, bếp lò gang: làm bằng gang xám, giữ nhiệt tốt nhưng nặng và giòn. Dao, kéo không làm từ gang vì cần thép có độ dai và nhiệt luyện được.
Quy trình sản xuất gang
Về nguồn gốc, gang là sản phẩm đầu tiên của lò cao. Gang lò cao (gang thỏi) được luyện từ quặng sắt như hematit Fe₂O₃ hay manhetit Fe₃O₄. Quặng, than cốc và đá vôi nạp vào lò cao; than cốc cháy tạo khí CO ở khoảng 1.500–2.000°C, CO khử oxit sắt thành sắt lỏng hấp thụ khoảng 4% cacbon. Đá vôi kết hợp với tạp chất thành xỉ nổi lên trên gang lỏng.
Gang đúc được nấu lại trong lò cupol hoặc lò điện cảm ứng từ gang thỏi, thép phế và gang hồi. Xưởng điều chỉnh C, Si, Mn, rồi rót vào khuôn cát. Với gang cầu, gang lỏng được biến tính bằng hợp kim Mg và cấy mầm bằng FeSi ngay trước khi rót.
Viva cung cấp van và phụ kiện bằng gang tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao hàng toàn quốc. Liên hệ kỹ thuật để chọn đúng loại gang theo môi chất, áp suất và nhiệt độ.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp
Gang có bị gỉ không?
Gang bị gỉ khi tiếp xúc ẩm và oxy, giống thép cacbon. Thành gang thường dày nên gỉ bề mặt không làm hỏng chi tiết nhanh, nhưng thân van gang vẫn cần sơn epoxy hoặc sơn tĩnh điện. Trong nước biển hay hóa chất ăn mòn, nên chuyển sang inox, nhựa hoặc van có lớp lót.
Gang dẻo và gang cầu có phải là một?
Về kỹ thuật là hai loại khác nhau. Gang cầu (ductile iron, FCD/GGG) có graphit cầu nhờ biến tính magie. Gang dẻo đúng nghĩa (malleable) có graphit cụm nhờ ủ gang trắng. Tuy nhiên, trong báo giá van tại Việt Nam, gang dẻo thường được dùng để chỉ gang cầu, nên hãy xem ký hiệu FCD hay GGG trên thân.
Gang có hàn được không?
Gang hàn khó vì cacbon cao tạo vùng cứng, giòn ở mép mối hàn, dễ nứt do ứng suất. Sửa chữa thường hàn nóng với gia nhiệt sơ bộ khoảng 300–600°C hoặc hàn nguội bằng que gốc niken (tham khảo). Chi tiết chịu áp như thân van không nên hàn sửa nếu không có quy trình và kiểm tra áp lực lại.
