CHIA SẺ KINH NGHIỆM, Chia Sẻ Kinh Nghiệm Ống & Phụ Kiện, Chia Sẻ Kinh Nghiệm Van, Chưa được phân loại
Gang cầu là gì | Tiêu chuẩn | Thành phần
Gang cầu là gì, gang cầu được chế tạo từ vật liệu gì, tiêu chuẩn gang cầu. Là những câu hỏi chúng tôi thường xuyên nhận được trong quá trình cung cấp các van công nghiệp và phụ kiện gang, để giải đáp công ty đã yêu cầu các kỹ sư phụ trách nghiên cứu và viết bài giải đáp – Mời quý độc giả cùng tham khảo
Nội dung chính
1 Gang cầu là gì
Gang cầu là loại gang có tổ chức graphit thu gọn nhất ở dạng quả cầu tròn nên được gọi là gang cầu, do đó có độ bền cao nhất trong các loại gang có graphit (graphit hay còn gọi là than chì). Graphit dạng cầu nhờ biến tính bằng các nguyên tố Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm.
Gang cầu có các tiếng Anh như
- Ductile iron
- Ductile cast iron
- Nodular cast iron
- Spheroidal graphite iron
- Spheroidal graphite cast iron
- SG iron
Gang cầu bề ngoài cũng có màu xám tối như gang xám, nên không thể phân biệt được hai loại gang này bằng mắt thường, mặc dù gang cầu đắt hơn gang xám.
Do gang cầu có chứa thành phần nguyên liệu đắt hơn. Nhưng nó lại là lựa chọn kinh tế hơn gang xám. Do vật đúc bằng gang cầu thường nhẹ hơn ở cùng một kích thước, thiết kế. Nên tổng hòa, vật đúc từ gang cầu có chất lượng tốt hơn, mà giá thành cũng không chênh lệch nhiều, đôi khi còn rẻ hơn.
2 Tiêu chuẩn gang cầu là gì
Tiêu chuẩn gang cầu được quy định theo từng quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Nhật, Pháp, Việt Nam,… và tiêu chuẩn khác nhau như ASTM, ISO,… Theo đó thành phần, hàm lượng các thành phần hóa học có trong gang cầu, cũng như các chỉ số độ bền kéo và độ dãn dài cũng khác nhau
Dưới đây là một số ví dụ về mác gang cầu và bảng các tiêu chuẩn gang cầu
- Theo tiêu chuẩn JSC của Nhật Bản: Gang cầu có các mác FCD 450-10, FCD 500-7, FCD 600-3, FCD 700-2.
- Theo tiêu chuẩn của Mỹ:
- Theo tiêu chuẩn SAE có các loại mác gang cầu: D4018, D4512, D5506, D7003. Trong đó hai chữ số đầu chỉ theo đơn vị KSI (kilopound trên mỗi inch vuông), hai chữ số sau chỉ theo %
- Theo tiêu chuẩn ASTM ta có các loại mác gang: 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06, 100-7-3, 120-90-2. Trong đó các số lần lượt chỉ giá trị tối thiểu của ứng suất năng suất, ứng suất kéo và % giãn dài
- Tiêu chuẩn của Nga: CЧ10, CЧ15,.. . (Ký hiệu CЧ) đọc là Cê-che chỉ gang. Các mác gang có độ bền trung bình, σb = 150 – 200MPa, với nền ferit – peclit tấm tương đối thô như CЧ 20, CЧ25 được dùng làm các chi tiết chịu tải trọng nhẹ, ít chịu mài mòn như vỏ hộp giảm tốc, thân máy, bích, phụ kiện ống nước.
- Theo tiêu chuẩn của Việt Nam: Gang cầu theo TCVN được ký hiệu bằng hai chữ GC (Viết tắt của Gang Cầu) với hai cặp chữ số chỉ giá trị tối thiểu của giới hạn bền kéo và độ dẻo của gang. Theo đó, gang cầu ferit mác GC40-10 có giới hạn bền kéo > 400 MPA và độ dãn dài tương đối 10%. Theo tiêu chuẩn TCVN 5016-1987 ta có loại mác gang đặc trưng là: Mác gang cầu GC45-5 có 2 trị số được thể hiện đó là lực kéo cơ tính >=400 MPA và độ giãn dài 5%
- Theo tiêu chuẩn Anh – Châu Âu BS EN 124: Có các loại mác gang phổ biến FCD 500-7. Trong đó, các trị số được thể hiện lần lượt là lực chịu tải và độ bền kéo. Độ bền kéo của mác gang FCD 500-7 >= 500 MPa và độ giãn dài tương ứng là 7%
| Index | Country | Ductile Iron Grade | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | China | QT400-15 | QT400-18 | QT450-10 | QT500-7 | QT600-3 | QT700-2 | QT800-2 | QT900-2 |
| 2 | Japanese | FCD400 | — | FCD450 | FCD500 | FCD600 | FCD700 | FCD800 | — |
| 3 | USA | 60-42-10 | 60-40-18 | 65-45-12 | 70-50-05 | 80-60-03 | 100-70-03 | — | 120-90-02 |
| 4 | Russia | BЧ40 | — | BЧ45 | BЧ50 | BЧ60 | BЧ70 | BЧ80 | BЧ100 |
| 5 | Germany | GGG40 | — | — | GGG50 | GGG60 | GGG70 | GGG80 | — |
| 6 | Italy | GS370-17 | GS400-12 | GS500-7 | GS600-2 | GS700-2 | GS800-2 | — | — |
| 7 | France | FGS400-15 | FGS400-18 | FGS450-10 | FGS500-7 | FGS600-3 | FGS700-2 | FGS800-2 | FGS900-2 |
| 8 | England | 400/18 | 450/10 | 500/7 | 600/3 | 700/2 | 800/2 | 900/2 | — |
| 9 | Poland | ZS3817 | ZS4012 | ZS4505/5002 | ZS6002 | ZS7002 | ZS8002 | ZS9002 | — |
| 10 | India | SG370/17 | SG400/12 | SG500/7 | SG600/3 | SG700/2 | SG800/2 | — | — |
| 11 | Romania | — | — | — | — | FGN70-3 | — | — | — |
| 12 | Spanish | FGE38-17 | FGE42-12 | FGE50-7 | FGE60-2 | FGE70-2 | FGE80-2 | — | — |
| 13 | Belgium | FNG38-17 | FNG42-12 | FNG50-7 | FNG60-2 | FNG70-2 | FNG80-2 | — | — |
| 14 | Australia | 300-17 | 400-12 | 500-7 | 600-3 | 700-2 | 800-2 | — | — |
| 15 | Sweden | 0717-02 | — | 0727-02 | 0732-03 | 0737-01 | 0864-03 | — | — |
| 16 | Hungary | GǒV38 | GǒV40 | GǒV50 | GǒV60 | GǒV70 | — | — | — |
| 17 | Bulgaria | 400-12 | 380-17 | 450-5 | 500-2 | 600-2 | 700-2 | 800-2 | 900-2 |
| 18 | ISO | 400-15 | 400-18 | 450-10 | 500-7 | 600-3 | 700-2 | 800-2 | 900-2 |
| 19 | COPANT | — | FMNP4500 7 | FMNP55005 | FMNP6500 3 | FMNP7000 2 | — | — | — |
| 20 | Finland | GRP400 | — | GRP500 | GRP600 | GRP700 | GRP800 | — | — |
| 21 | Holland | GN38 | GN42 | GN50 | GN60 | GN70 | — | — | — |
| 22 | Luxemburg | FNG38-17 | FNG42-12 | FNG50-7 | FNG60-2 | FNG70-2 | FNG80-2 | — | — |
| 23 | Austria | SG38 | SG42 | SG50 | SG60 | SG70 | — | — | — |
| 24 | Europa-Norm | En-GJS-4 00-15 | En-GJS-4 00-18 | En-GJS-4 50-10 | En-GJS-500 -7 | En-GJS-6 00-3 | En-GJS-7 00-2 | En-GJS- 800-2 | En-GJS-9 00-2 |
3 Gang cầu được chế tạo từ vật liệu (nguyên tố hóa học) nào
Chúng tôi thường được đặt câu hỏi gang cầu được chế tạo từ vật liệu gì. Thực tế, bản chất gang cầu là một loại vật liệu và vật liệu này được có thành phần chính là nguyên tố sắt (Fe) và các thành phần nguyên tố hóa học khác với hàm lượng như bảng dưới đây
- Fe: 90 ~ 95%
- C: 3 ~ 3,6%
- Si: 2 ~3%
- Mn: 0,5 ~ 1%
- Ni: < 2%
- Mg: 0,04 ~ 0,08%
- P: < 0,15%
- S: < 0,03%
- và một số thành phần khác.
Các nguyên tố hóa học có trong gang cầu và hàm lượng các thành phần hóa học đó có tầm quan trọng như thế nào. Lượng cacbon (C) và silic (Si) phải cao để đảm bảo khả năng than chì hóa (%C + %Si) đạt tới 5% ~ 6%, không có hoặc không đáng kể (<0,1% ~ 0,01%) các nguyên tố cản trở cầu hóa như Ti, Al, Sn, Pb, Zn, Bi và đặc biệt là hàm lượng của S. Có một lượng nhỏ các chất biến tính Mg (0,04-0,08%) hoặc Ce và có các nguyên tố nâng cao cơ tính như Ni (2%) và Mn (<1%).
Chi tiết vai trò hàm lượng của từng thành phần nguyên tố
- Gang cầu thường chứa các bon đương lượng (CEL) cao từ 4,3 đến 4,6% (là thành phần nguyên tố C và Si trong gang lỏng trước biến tính CEL=%C+%Si+%P/2) để chống biến trắng và do than chì ở dạng cầu sít chặt, ít chia cắt nền kim loại nên không làm giảm đáng kể tính chất cơ học của gang cầu.
- Hàm lượng Si không nên quá cao (nhỏ hơn 3%) để khỏi ảnh hưởng đến độ dẻo dai của gang cầu
- Hàm lượng S sau biến tính cầu hóa bằng Mg phải nhỏ hơn 0,03% thì gang mới nhận được than chì biến tính và hạn chế tạp chất “vết đen” do Mg tạo ra sẽ làm giảm tính chất cơ học của gang cầu.
- Hàm lượng Mn chọn tùy thuộc vào loại gang, với gang cầu ferit ở trạng thái đúc Mn nhỏ hơn 0,2%, ở gang cầu peclit chúng có thể lên tới 1%.
- Lượng P càng ít càng tốt vì P làm giảm tính dẻo dai của gang cầu.
Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám song chỉ khác là than chì của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit – peclit và peclit. Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám. Khác với gang xám, than chì dạng cầu ở đây được tạo thành nhờ biến tính đặc biệt gang xám lỏng.
4 Bảng thành phần hóa học của gang cầu
Theo từng tiêu chuẩn gang cầu khác nhau có thể thành phần hóa học và hàm lượng của chúng khác nhau. Tiêu chuẩn ASTM A536 của Mỹ là một trong những tiêu chuẩn được ứng dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia và mác gang QT của Trung Quốc cũng được áp dụng ngày càng phổ biến hơn, dưới đây là thành phần hóa học và làm lượng của các nguyên tố có trong gang cầu
| ASTM A536 | Chinese Grade | C | Si | Mn | P ≤ | S≤ | Mg | RE | Others | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 60-40-18 | QT400-18 | 3.6-3,8 | 2.3-2.7 | 0.5 | 0.08 | 0.025 | 0.03-0.05 | 0.02-0.03 | - | |
| 60-42-10 | QT400-15 | 3.5-3.6 | 3.0-3.2 | 0.5 | 0.07 | 0.02 | 0.04 | 0.02 | - | |
| 65-45-12 | QT450-10 | 3.4-3.9 | 2.7-3.0 | 0.2-0.5 | 0.07 | 0.03 | 0.06-0.10 | 0.03-0.10 | - | |
| 70-50-05 | QT500-7 | 3.6-3.8 | 2.5-2.9 | 0.6 | 0.08 | 0.025 | 0.03-0.05 | 0.03-0.05 | - | |
| 80-60-03 | QT600-3 | 3.6-3.5 | 2.0-2.4 | 0.5-0.7 | 0.08 | 0.025 | 0.035-0.05 | 0.025-0.045 | - | |
| 100-700-03 | QT700-2 | 3.7-4.0 | 2.3-2.6 | 0.5-0.8 | 0.08 | 0.02 | 0.035-0.065 | 0.035-0.065 | Mo 0.15-0.4 Cu 0.4-0.8 | |
| 120-90-02 | QT900-2 | 3.5-3.7 | 2.7-3.0 | 0.5 | 0.08 | 0.025 | 0.03-0.05 | 0.025-0.045 | Mo 0.15-0.25 Cu 0.5-0.7 |
5 Đặc điểm của gang cầu
Tổ chức tế vi của gang cầu cũng giống gang xám song chỉ khác là than chì của nó có dạng thu gọn nhất hình quả cầu bao gồm ba loại nền kim loại: ferit, ferit – peclit và peclit. Chính điều này quyết định độ bền kéo rất cao của gang cầu so với gang xám.
- Giới hạn bền kéo: σb = 400 ~ 800 Mpa
- Giới hạn chảy: σ0.2 = 250 ~ 600 Mpa
- Độ dẻo: δ = 2 ~ 15%
- Độ dai: aK = 300 ~ 600 kJ/m2
Các đặc tính cơ học của cang cầu tuy kém so với thép song cao hơn gang xám rất nhiều, một số chỉ số giới hạn bền kéo và giới hạn chảy được đánh giá tương đương với thép cacbon chế tạo máy. Nên gang cầu được ứng dụng các loại van công nghiệp như: Van cầu gang, van cổng gang, van bướm gang,…
Mặc dù rất kho phân biệt gang cầu với gang xám bằng mắt thường, tuy nhiên ta có thể dựa vào dấu hiệu co ngót ở sản phẩm gang cầu (gang cầu dễ tạo thành lõm co và xốp co), hoặc bằng cách gõ vào sản phẩm đúc từ gang cầu sẽ có tiếng kêu trong và thanh (rất vang), còn nếu gõ vào sản phẩm đúc từ gang xám sẽ có tiếng kêu đục, trầm.
6 Ưu và nhược điểm của gang cầu là gì
Gang cầu có rất nhiều ưu điểm nên được sử dụng khá phổ biến hiện nay, đặc biệt là trong các sản phẩm kim loại dạng đúc
6.1 Ưu điểm của gang cầu
Với các thành phần hóa học cùng hàm lượng phân tích như ở trên, ưu điểm và tính chất chính của gang cầu
- Tính đúc tốt và độ chảy loãng cao
- Độ co ngót ít, dễ điền đầy vào khuôn
- Khả năng chịu nén cao
- Tải trọng tĩnh khá tốt
- Khả năng chịu mài mòn cao
Bên cạnh các ưu điểm trên, gang cầu còn mang những điểm nổi bật riêng:
- Vì graphit trong gang ở dạng cầu nên gang cầu có độ bền cao hơn gang xám nhiều
- Độ dẻo đảm bảo
- Gang cầu vừa có tính chất của thép vừa có tính chất của gang
- Nếu được nhiệt luyện, độ cứng và độ bền của gang cầu có thể được tăng cao hơn
6.2 Nhược điểm của gang cầu
Vì là một loại gang bền nhất trong các loại gang nên giá thành của gang cầu cao hơn so với nhiều loại gang khác.
7 Ứng dụng của gang cầu là gì
Việc sử dụng gang cầu vào công nghiệp rất có hiệu quả. Ví dụ: Để đúc sản phẩm bằng gang cầu có trọng lượng 1 tấn, giá của vật phẩm đúc bằng gang này rẻ hơn vật đúc bằng thép hợp kim từ 30 ~ 35% rẻ hơn loại vật đúc bằng hợp kim màu 3 đến 4 lần và rẻ hơn loại phôi thép rèn tử 2 đến 3 lần.
Gang cầu thường dùng làm các chi tiết vừa chịu tải trọng kéo và va đập cao (như thép) đồng thời lại dễ chế tạo bằng phương pháp đúc, nên được ứng dụng để chế tạo các ống nước đường kính lớn, nắp hố ga, song chắn, phụ kiện nối ống bằng gang… vì giá thành rẻ, độ an toàn cao và thi công dễ dàng.
Nhờ những ưu điểm trên mà gang cầu được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế cho thép trong trường hợp chi tiết có hình dáng phức tạp, do đó giảm được hao phí nguyên vật liệu mà vẫn đảm bảo được điều kiện làm việc. Ví dụ, gang cầu còn dùng để chế tạo các chi tiết máy trung bình và lớn, hình dạng phức tạp, chịu tải trọng cao, chịu kéo và va đập như các loại trục khuỷu, trục cán…
