Giáo trình Vật liệu cơ khí (Nghề: Cắt gọt kim loại - CĐ/TC): Phần 1 - Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp

Giáo trình Vật liệu cơ khí phần 1 Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất chung của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của kim loại khi nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện. Mời các bạn cùng tham khảo!

(Ban hành kèm theo Quyết định số:……, ngày……, tháng……, năm 2017

của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp)

Đồng Tháp, năm 2017

2

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm

LỜI GIỚI THIỆU

Để đáp ứng nhu cầu về tài liệu học tập cho sinh viên và tạo điều kiện

thuận lợi cho giáo viên khi giảng dạy môn học “Vật liệu cơ khí” Nội dung của

giáo trình nhằm trang bị những kiến thức cơ bản về vật liệu của ngành Cơ khí cho sinh viên hệ cao đẳng nghề, trung cấp nghề

Nội dung gồm hai phần:

Phần thứ nhất: Vật liệu kim loại và nhiệt luyện gồm: những tính chất

chung của kim loại, gang, thép, kim loại màu và hợp kim màu, sự biến đổi tính chất của kim loại khi nhiệt luyện và các phương pháp nhiệt luyện

Phần thứ hai: Vật liệu phi kim loại gồm các tính chất và công dụng của

những vật liệu phi kim loại thường dùng trong ngành chế tạo cơ khí như, chất dẻo, gỗ, vật liệu compozit

Trong quá trình biên soạn đã tham khảo nhiều tài liệu vật liệu cơ khí của các trường dạy nghề và nhiều tài liệu khác

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được đồng nghiệp và bạn đọc góp ý kiến để tập tài liệu này ngày càng hoàn chỉnh hơn

Đồng Tháp, ngày ….tháng … năm 2017

Tham gia biên soạn

Chủ biên:

MỤC LỤC

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 2

LỜI GIỚI THIỆU 3

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM 5

1 Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim 5

2 Cấu tạo của kim loại và hợp kim 6

3 Tính chất chung của kim loại và hợp kim 10

4 Các phương pháp thử kim loại và hợp kim 12

5 Hiện tượng ăn mòn kim loại 17

6 Phương pháp chống ăn mòn kim loại 18

CHƯƠNG 2: GANG 21

1 Khái niệm chung về gang 21

2 Phân loại gang 24

CHƯƠNG 3 THÉP 35

1 Thành phần hoá học và ảnh hưởng của các nguyên tố 35

2 Ảnh hưởng của các nguyên tố tới tính chất của thép 36

3 Các phương pháp phân loại thép 38

4 Các loại thép cacbon 39

5 Thép hợp kim 44

6 Xác định mác thép bằng tia lửa mài 56

CHƯƠNG 4: NHIỆT LUYỆN VÀ HÓA NHIỆT LUYỆN 61

1 Khái niệm cơ bản về nhiệt luyện 61

2 Giản đồ trạng thái hợp kim Fe-C 63

3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt luyện 67

4 Các hình thức nhiệt luyện 68

5 Các dạng sai hỏng thường gặp khi nhiệt luyện 83

6 Hóa nhiệt luyện 87

CHƯƠNG 5: KIM LOẠI MÀU VÀ HỢP KIM MÀU 95

1 Đặc điểm và tính chất chung của kim loại màu 95

2 Nhôm và hợp kim nhôm 96

3 Đồng và hợp kim đồng 99

4 Thiếc – chì- kẽm 105

5 Hợp kim làm ổ trượt 106

CHƯƠNG 6: CAO SU-GỖ-AMIĂNG 113

1 CAO SU 113

2.GỖ 113

3.AMIĂNG 114

TÀI LIỆU CẦN THAM KHẢO 116

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KIM LOẠI VÀ HỢP KIM

- Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực sáng tạo trong học tập

1 Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim

Để xây dựng và phát triển nền kinh tế quốc dân vững mạnh cần phải phát triển công nghiệp nặng , trong đó ngành chế tạo cơ khí là quan trọng nhất

- Để chế tao các loại máy móc thiết bị cơ khí phải có vật liệu , trong đó kim loại là vật liêu chủ yếu Sở dĩ kim loại là vật liệu được sử dụng chủ yếu của ngành chế tạo cơ khí bởi nó có nhiều tính chất và ưu điểm quan trọng , ưu việt hơn hẳn so với các loại vật liệu khác

- Ngày nay , ngành công nghiệp vật liệu phát triển mạnh mẽ với nhiều loại vật liệu khác nhau như : Gỗ , thuỷ tinh , chất dẻo , Với các tính năng ngày càng tốt và sản lượng ngày càng cao , nhưng vẫn không thay thế hoàn toàn được cho kim loại và hợp kim

- Do đó , bên cạnh việc nghiên cứu thay thế các kim loại và hợp kim bằng các vật liệu phi kim loại có tính năng thích ứng , người ta vẫn tiếp tục nghiên cứu để tìm ra những kim loại và hợp kim có những tính năng ưu việt như : Nhẹ , bền , chịu ăn mòn , chịu nhiệt , chịu va đập ,

Việc nghiên cứu và sản xuất các loại gang , thép vẫn là trọng tâm của công nghiệp vật liệu nói riêng và của nền kinh tế quốc dân nói chung đối với tất

cả các nước có nền công nghiệp phát triển

2 Cấu tạo của kim loại và hợp kim

2.1 Cấu tạo của kim loại

2.1.1 Khái niệm về kim loại

Kim loại là vật liệu sáng dẻo có thẻ rèn được , có tính dẫn điện , nhiệt cao Phương diện hóa học kim loại là nguyên tố dễ nhường điện tử trong các phản ứng hóa học

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại

Trạng thái (e) trong nguyên tử được xác định bởi 4 số lượng tử:

Trong các lớp này được chia làm nhiều lớp con , tương ứng với số lượng

tử quỹ đạo l = 0 , 1, 2, 3, , (n-1) được ký hiệu bởi các lớp : s, p ,d ,f ,

Mỗi một trạng thái (e) trong nguyên tử tương ứng với một năng lượng xác định Theo cơ học lượng tử thì cấu hình (e) trong nguyên tử được cấu tạo như sau:

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14

Phân lớp con: s - Tối đa 2(e)

p - Tối đa 6(e)

d - Tối đa 10(e)

f - Tối đa 14(e)

2.1.3 Liên kết kim loại

Kim loại có cấu tao mạng tinh thể liên kết ở trong kim loại được gọi là liên kết kim loại

2.1.4 Cấu tạo mạng tinh thể kim loại

- Toàn bộ mạng không gian có thể xem như được tạo thành những hình khối nhỏ nhất đơn giản giống nhau mà cách sắp xếp các phân tử là đại diện chung cho toàn mạng những ô như vậy gọi là ô cơ bản

b Các kiều mạng tinh thể thường gặp

Lập phương thể tâm

Cấu tạo: Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các

nút (đỉnh) của hình lập phương và ở giữa mỗi hình lập phương có một nguyên

tử

- Khoảng cách a giữa tâm các nguyên tử kề nhau của ô cơ bản mạng tinh thể, gọi là thông số mạng Độ lớn đo bằng Ao ( Ángtrong ) 1Ao

= 10-8 cm

8

Hình: 1.3: Lập phương dày đặc

- Các kim loại có kiểu mạng này: Fe,Cr ,Mo ,W ,

Lục phương dày đặc

Cấu tạo: Trong các ô cơ bản kiểu mạng này có các nguyên tử nằm ở các

nút (đỉnh) của hình lục lăng hai nguyên tử nằm ở trung tâm hai mặt đáy và ba nguyên tử nằm ở trung tâm của ba khối lăng trụ tam giác

- Các kim loại có kiểu mạng này: Zn,Cu ,Mg ,

* Sự biến đổi mạng tinh thể của kim loại

Ở trạng thái rắn khi điều kiện ngoài trời thay đổi ( áp suất , nhiệt độ v.v )

tổ chức kim loại thay đổi theo Nghĩa là dạng ô cơ bản thay đổi hoặc thông số mạng có giá trị thay đổi người ta gọi đó là sự biến đổi mạng tinh thể

Ví dụ : Sự chuyển biến thù hình của sắt

Hình: 1.5: Mạng tinh thể

2.2 Cấu tạo của hợp kim

Trong thực tế kim loại nguyên chất rất ít dùng , độ bền thấp khả năng ứng dụng không cao Nên phải dùng tới thép hợp kim

2.2.1 Khái niệm chung

* Hệ thống (hệ): Tập hợp các pha ở trạng thái cân bằng

* Nguyên: Là những thành phần độc lập tạo nên các pha của (Hệ)

2.2.2 Cấu tạo của hợp kim

a Dung dịch đặc

Hợp kim có cấu tạo là dung dịch đặc khi nguyên tử của các nguyên tố thành phần có kích thước gần giống nhau Khi kết tinh, các hợp kim này tạo thành các mạng tinh thể trong đó có nguyên tử của các nguyên tố thành phần

a - Mạng tinh thể của sắt thay thế

b - Mạng tinh thể của dung dịch đặc thay thế

c - Mạng tinh thể của dung dịch đặc xen kẽ

Có hai loại dung dịch đặc:

* Dung dịch đặc thay thế:

Ví dụ : Cu và Ni: Nguyên tử Ni đẩy một số nguyên tử Cu ra khỏi nút mạng tinh thể và thay thế vào vị trí đó

10

* Dung dịch đặc xen kẽ

Nguyên tử của các nguyên tố hoà tan

Ví dụ : C , O2 , Bo , Nằm giữa xen kẽ vào những lỗ hổng của giữa các nút mạng tinh thể của nguyên tố kim loại cơ bản (dung môi)

b Hợp chất hóa học

Hợp chất có cấu tạo là hợp chất hóa học, khi nguyên tử của các nguyên tố khác nhau, tác dụng hóa học với nhau theo tỉ lệ chính xác giữa các nguyên tử có kiểu mạng nhất định và có thành phần hóa học xác định biểu diễn bằng một công thức hóa học

a Vẻ sáng mặt ngoài: Chia ra làm 2 loại: Kim loại màu và kim loại đen

- Kim loại màu và hợp kim đen: Là Fe và hợp kim của Fe với C (thép, gang)

- Kim loại màu và hợp kim màu: Là tất cả các kim loại và hợp kim còn lại

b Khối lượng riêng: Là số đo khối lƣợng vật chất chứa trong một đơn vị

thể tích của vật thể

) (Kg/m V

d Tính nóng chảy: Là tính chất của kim loại sẽ chảy loãng khi nung nóng

và khi làm nguội

e Tính dẫn điện: Là khả năng dẫn điện của kim loại và hợp kim

f Tính truyền nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt của kim loại và hợp kim

khi đốt nóng và khi làn nguội

a Khái niệm: Tính chất hoá học là khả năng của kim loại và hợp kim

chống lại tác dụng hóa học của môi trường xung quanh

b Các đặc trưng

Tính chất hóa học của kim loại và hợp kim biểu hiện ở hai dạng chủ yếu sau:

- Tính chống ăn mòn: Là khả năng chống lại sự ăn mòn của H2O và O2

của không khí ở nhiệt độ thường hoặc nhiệt độ cao

- Tính chịu axít: Là khả năng chống lại tác dụng của môi trường axít

3.3 Tính cơ học

a Khái niệm

Tính cơ học của kim loại hay còn gọi là cơ tính là khả năng chống lại tác dung của lực bên ngoài lên kim loại

b Các đặc trưng cơ bản của cơ tính

- Độ dẻo: Là khả năng thay đổi được hình dáng của kim loại và hợp kim

mà không bị phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực

- Đô bền: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự phá huỷ khi

có ngoại lực tác dụng

- Độ cứng: Là khả năng của kim loại và hợp kim chống lại sự biến dạng dẻo cục bộ của kim loại và hợp kim dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài tại chổ ta ấn vào đó một vật cứng hơn

- Độ đàn hồi: Là khả năng của kim loại và hợp kim có thể trở lại hình dáng hoặc trạng thái ban đầu sau khi bỏ lực tác dụng

3.4 Tính công nghệ

a Khái niệm

Tính công nghệ của kim loại và hợp kim là khả năng mà chúng có thể thực hiện được các phương pháp công nghệ để sản xuất các sản phẩm khác nhau

b Các đặc trưng

Tính đúc, tính hàn, tính gia công cắt gọt, gia công áp lực, tính nhiệt luyện

12

Hình: 1.6: Phương pháp Brinen

Một kim loại hay hợp kim nào đó mặc dù có những tính chất rất quan trọng nhưng tính công nghệ kém thì cũng rất khó được sử dụng rộng rãi vì khó chế tạo thành phẩm

Cơ tính của kim loại và hợp kim có thể xác định được bằng cách thí nghiệm các mẫu vật trên các thiết bị chuyên dùng như:

b Phương pháp Brinen

Người ta dùng tải trọng P của máy ép thử độ cứng, ấn một viên bi bằng thép đã tôi cứng có đường kính D = ( 2,5; 5; 10mm) vào mặt vật liệu thử Giá trị của P chọn theo vật liệu và giá trị đường kính D

2 2

d D D D

P F

- Tải trọng tiêu chuẩn P = 200g 120Kg

- Mũi đâm có dạng hình tháp có góc hợp bởi 2 mặt đối diện là 1360

Trong đó:

F: diện tích vết lõm (mm2

) P: Tải trọng tác dụng (Kg) d: đường chéo vết lõm (mm)

𝐻𝑉 = 𝑃

𝐹 =2𝑃𝑠𝑖𝑛680

𝑑2

M thì bị đứt

Độ bền của vật liệu đƣợc xác định theo công thức:

TL - Giới hạn tỉ lệ ĐH - Giới hạn đàn hồi

CH - Giới hạn chảy B - Giới hạn bền

16

b Độ đàn hồi

Độ đàn hồi là khả năng của kim loại có thể thay đổi hình dạng dưới tác dung của lực bên ngoài rồi trở lại ban đầu khi bỏ lực tác dụng Độ đàn hồi được xác định bằng quá trình thử kéo

Xác định bằng cách: Gọi Pe là lực làm cho mẫu thử không hoàn toàn trở lại như chiều dài ban đầu (Biến dạng này không lớn hơn 0.005 chiều dài, biến dạng dư)

đó khi bỏ lực tác dụng bên ngoài

Độ dẻo được đánh giá bằng độ dãn dài tương đối và độ thắt tỉ đối

- Độ dãn dài tương đối: s = 1 0

100 lo

lo

- Độ thắt tỉ đối:  = 1 0

100 Fo

F

Trong đó: l0, F0 - Chiều dài và biến dạng của mẫu trước khi kéo

F1 - Tiết diện mẫu thử tại chỗ đứt

5 Hiện tượng ăn mòn kim loại

5.1 Khái niệm về ăn mòn kim loại

Sự ăn mòn kim loại là quá trình phá huỷ kim loại và hợp kim do tác dung hoá học của môi trường xung quanh Kết quả là kim loại bị ôxy hoá thành các ion dương và sẽ mất hết tính chất của kim loại

VD: Sắt, thép để lâu ngày bảo quản không tốt sẽ bị gỉ

b Ăn mòn điện hóa

Là sự phá huỷ của kim loại do kim loại tiếp xúc trực tiếp với chất điện ly tạo nên dòng điện

- Bản chất của ăn mòn điện hoá : Là một quá trình ôxy hoá - khử xảy ra trên bề mặt điện cực, ở cực âm xảy ra quá trình ôxy hoá kim loại, ở cực dương xảy ra quá trình khử các ion H+

( nếu dung dịch điện ly là axít )

- Ăn mòn điện hoá là dạng ăn mòn phổ biến và nghiêm trọng nhất, thường xảy ra đối với vỏ tàu biển, ống dẫn đặt trong lòng đất, kim loại tiếp xúc với không khí ẩm,

5.2 Tác hại

Gây thiệt hại lớn về nhiều mặt cho nền kinh tế quốc dân như : Phá huỷ máy móc thiết bị, một lượng lớn kim loại bị mất đi, ảnh hưởng đến sự an toàn về người và thiết bị

6 Phương pháp chống ăn mòn kim loại

6.1 Phương pháp phủ kim loại

Phương pháp phủ kim loại là phương pháp phủ một lớp kim loại ít bị ăn mòn hoặc không bị ăn mòn lên bề mặt chi tiết cần được bảo vệ Gồm các phương pháp sau:

c Cán dính một lớp kim loại bảo vệ

Thường dùng cho tấm kim loại bằng cách cán dính bề mặt tấm kim loại một lớp kim loại bảo vệ mỏng ( Pb, Al, Ni, )

d Phun một lớp kim loại bảo vệ

Được thực hiện bằng cách phun đắp lên chi tiết một lớp kim loại nóng chảy

- Cách tiến hành : Dây kim loạ bảo vệ ( Al, Cu, Ni, ) lắp vào một súng phun Dây kim loại được đốt nóng bằng khí nóng hoặc bằng điện, các hạt kim loại nóng chảy sẽ phun vào bề mặt chi tiết bằng luồng không khí nén có áp suất cao Các hạt kim loại nóng chảy bay ra khỏi súng phun và bám chặt vào bề mặt của chi tiết

6.2 Phủ một lớp vật liệu phi kim loại

a Sơn

Sơn là phương pháp công nghệ bảo vệ kim loại được sử dụng rộng rãi

nhất Ngoài mục đích bảo vệ kim loại còn có tác dụng trang trí làm đẹp sản

phẩm Có 3 loại sơn chính là : Sơn dầu, sơn vecni, sơn êmay

b Êmay

- Về tính chất hoá học và lý học có thể coi như là dạng Silicát không hoà

tan ( như thuỷ tinh ) Êmay có tính chịu ăn mòn cao trong các môi trường ăn

Thường dùng cao su, Êbônít phủ bề mặt kim loại của chi tiết trong ngàng

hoá học để bảo vệ cho các mặt trong của các thùng chứa khí, vật chuyển axít

6.3 Các phương pháp khác

a Tạo lớp axit bảo vệ

- Tạo nên trên bề mặt kim loại một lớp bảo vệ dưới dạng ôxit kim loại,

làm cho bề mặt của kim loại trở nên thụ động ( trơ ) đối với axit

- Cách tiến hành : Nhúng chi tiết vào dung dịch nóng chảy gồm :

NaOH ( 700  800 g/l ), NaNO3 ( 200  250 g/l ) ở t0 = ( 130  140)0C trong

thời gian 1 - 2 giờ Sau khi phủ trên bề mặt thép có màu đen (còn gọi là nhuộm

đen)

b Chế tạo thép không gỉ

Khi luyện thép, nếu cho thêm một lượng đủ lớn các nguyên tố Cr, Ni sẽ

tạo ra loại thép không gỉ, có thể chịu được xút, bazơ

Một số loại thép không gỉ thường dùng là: 12Cr13, 20Cr13, 30Cr13,

40Cr13, Cr17, Cr25

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Nêu khái niệm , đặc điểm , liên kết của kim loại ?

2 Nêu cấu tạo của mạng tinh thể kmi loại ?

3 Nêu khái niệm chung của hợp kim ?

4 Nêu cấu tạo của hợp kim ?

5 Nêu tính chất chung của kim loại và hợp kim ?

6 Trình bày phương pháp thử kéo của kim loại và hợp kim ?

7 Trình bày phương pháp thử độ cứng của kim loại và hợp kim ?

8 Cho biết các hiện tượng ăn mòn kim loại

9 Trình bày phương pháp chống ăn mòn kim loại bằng phương pháp phủ kim loại

10 Trình bày phương pháp chống ăn mòn kim loại bằng phương pháp phủ một lớp vật liệu phi kim loại và các phương pháp khác

CHƯƠNG 2: GANG

Mã chương: CMH10 - 02 Mục tiêu:

- Trình bày được khái niệm về gang, cách phân loại gang và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất chung của gang Giải thích được thành phần, công dụng

và ký hiệu của các loại gang thường dùng

- Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động và tích cực

1 Khái niệm chung về gang

Tổ chức tế vi của gang có graphit phụ thuộc vào tỷ lệ phân bố của cacbon

ở pha graphit và xêmentit Người ta chia tổ chức của chúng ra 2 phần: phần phi kim loại graphit, nền kim loại ferit và xêmentit

+ Khi tất cả cacbon ở dạng tự do thì nền kim loại của tổ chức là ferit; + Khi một phần cacbon ở dạng liên kết thì nền kim loại của tổ chức

là ferit - peclit, peclit hoặc peclit - xêmentit

22

Chính vì đặc điểm tổ chức tế vi như vậy mà các loại gang có cơ tính và công dụng khác nhau Để đạt được tổ chức tế vi quy định mỗi loại gang lại có thành phần các nguyên tố khác nhau

1.3 Cơ tính và tính công nghệ

a Cơ tính

Gang là vật liệu có độ bền kéo thấp, độ giòn cao

- Trong gang trắng tổ chức xêmentit là pha cứng giòn tồn tại với một lượng lớn 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 giòn cao

- Trong gang xám, gang biến tính, gang dẻo, gang cầu, tổ chức graphit tồn tại như những lỗ hổng có sẵn trong gang, là nơi tập trung ứng suất lớn, làm giảm

độ bền kéo của gang Mức độ tập trung ứng suất phụ thuộc vào hình dạng graphit, lớn nhất ở gang xám graphit dạng tấm, nhỏ nhất ở gang cầu với graphit hình cầu nên gang cầu có độ bền cao nhất, phối hợp với tính dẻo tốt nhất

b Tính công nghệ

- Tính đúc tốt (nhiệt độ nóng chảy thấp, độ chảy loãng cao)

- Tính gia cắt gọt tốt (graphit có độ cứng, độ bền thấp, phoi dễ gẫy vụn)

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chất của gang

a Ảnh hưởng của tốc độ nguội

Tốc độ nguội là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến cấu trúc tinh thể của gang

- Tốc độ nguội nhanh sẽ thúc đẩy sự hình thành xêmentit được gang trắng

- Tốc độ nguội chậm thúc đẩy hình thành graphit được gang xám

Tốc độ nguội phụ thuộc vào khuôn đúc là cát hay kim loại và phụ thuộc vào chiều dày vật đúc

Trong một vật đúc tính chất của gang có thể khác nhau, tùy theo tốc độ nguội Nếu phần nào nguội nhanh sự hình thành của xêmentit nhiều sẽ được gang trắng, phần nguội chậm thì graphit hình thành nhiều được gang xám Vì vậy khi đúc các chi tiết bằng gang có hình dáng phức tạp, lợi dụng điều kiện này người ta đã sản xuất ra loại gang nguội cứng làm trục máy cán, bánh xe lửa, lưỡi cày

b Ảnh hưởng của các nguyên tố hóa học

* Cacbon ( C )

Cacbon trong gang có thể tồn tại ở trạng thái hợp chất hoá học xêmentit

23

(Fe3C) hoặc ở trạng thái tự do graphit

- Xêmentít có độ cứng cao nên khi %C tăng thì % Fe3C cũng tăng, làm gang tăng độ cứng khó gia công cắt gọt, tăng độ giòn, giảm độ bền

- Graphit có độ bền rất thấp (là vết nứt trong gang) nên khi %C tăng thì graphit cũng tăng, làm tăng vết nứt giữa nền kim loại và graphit (tạo ra các khoảng trống), giảm độ bền, nhưng khả năng cắt gọt càng tốt, tính chịu mài mòn của gang càng cao

Cacbon làm tăng tính đúc cho gang, tăng khả năng chảy loãng, giảm nhiệt

độ nóng chảy, gang lỏng dễ điền đầy khuôn

* Silic ( Si )

- Silic là nguyên tố làm tăng rất mạnh graphit hóa trong gang, graphit hóa càng nhiều càng dễ hình thành gang xám

- Silic làm tăng tính đúc cho gang (tăng khả năng chảy loãng, giảm nhiệt

độ nóng chảy), tăng tính chịu mài mòn, chống ăn mòn

- Phôtpho làm cho gang tăng tính giòn

* Lưu huỳnh ( S )

- Lưu huỳnh là nguyên tố làm cản trở graphit hóa thúc đẩy hình thành xêmentit làm hóa trắng gang

- Làm giảm tính đúc (giảm độ chảy loãng) của gang

Ngoài ra trong gang còn đưa vào gang 1 số nguyên tố hợp kim như Cr làm tăng lượng peclit của nền kim loại, làm nhỏ mịn peclit và graphit, nâng cao độ bền, độ cứng và tính chống mài mòn Mo làm nhỏ hạt, hóa bền nền kim loại, tăng tính thấm tôi Cu thúc đẩy sự hình thành graphit, làm nhỏ mịn peclit Ti có

24

tác dụng chủ yếu làm nhỏ hạt Ni với lượng cao (15%) mở rộng khu vực

ôstenit để gang đạt được tổ chức ôstenit

2 Phân loại gang

- Do cacbon ở trạng thái Xê nên tính chất của gang rất cứng (650  750)

HB và giòn Không thể gia công cắt gọt, không thể dùng gang thuần trắng để chế tạo các chi tiết máy có độ chính xác cao

- Phương pháp chế tạo chỉ ở dạng vật đúc

d Ký hiệu

Phần lớn gang trắng dùng để luyện thép nên ký hiệu theo phương pháp luyện thép Theo lò luyện - Nhiên liệu - Số hiệu

- Gang trắng dùng để luyện thép trong lò Mactanh - Ký hiệu M

- Gang trắng dùng để luyện thép trong lò Becsơme - Ký hiệu Б

- Gang trắng dùng để luyện thép trong lò Tômat - Ký hiệu T

- Nhiên liệu bằng than cốc - Ký hiệu K

- Nhiên liệu bằng than củi - Ký hiệu Д

- Gang có chất lượng cao - ký hiệu πB (ở đầu ký hiệu)

- Các số phía sau ký hiệu chỉ số hiệu của gang

Ví dụ: πB MK5 - Gang trắng chất lượng cao số 5, nhiên liệu bằng than cốc, luyện lò Mactanh

e Công dụng

- Dùng để chế tạo các bộ phận chịu mài mòn như: bề mặt vành bánh xe lu,

bi nghiền, trục cân, mép lưỡi cày…

- Dùng để luyện thép

- Ủ thành gang dẻo

Tùy theo mức độ tạo thành graphit mạnh hay yếu, gang xám chia ra các tổ

chức như sau ( Hình 4.1):

- Gang xám ferit có mức độ tạo thành graphit mạnh nhất, trong đó tất cả cacbon nằm ở trạng thái tự do graphit, không có xêmentit Tổ chức là những tấm, phiến graphit trên nền kim loại ferit;

- Gang xám ferit - peclit có mức độ tạo thành graphit mạnh, gần như hoàn toàn cacbon nằm ở trạng thái tự do graphit, chỉ có khoảng (0,1 ÷ 0,6)%C ở trạng thái liên kết hóa học xêmentit Tổ chức là những tấm, phiến graphit trên nền kim loại ferit - peclit;

- Gang xám peclit có mức độ tạo thành graphit bình thường, phần lớn cacbon nằm ở trạng thái tự do graphit, khoảng (0,6 ÷ 0,8)%C ở trạng thái liên kết hóa học xêmentit Tổ chức là những tấm, phiến graphit trên nền kim loại peclit

b Thành phần

Thành phần các nguyên tố trong gang xám phải đảm bảo mức độ tạo thành graphit và cơ tính theo yêu cầu Thành phần các nguyên tố trong gang nằm trong giới hạn như sau:

- Tính đúc tốt: Nhiệt độ chảy loãng thấp (1100 ÷ 1300)0C, tính lưu động tốt, độ co thể tích ít

- Tính gia công cắt gọt tốt: Do cacbon ở dạng graphit có độ cứng thấp, độ bền thấp, phoi vụn dễ gãy

- Tính bôi trơn tốt, chịu mài mòn (do tác dụng của graphit)

- Giảm được chấn động và dao động cộng hưởng (do tác dụng của các lỗ hổng graphit)

- Dẫn nhiệt kém, gang xám có thể hàn được nhưng trước khi hàn phải nung nóng vật hàn tới nhiệt độ (400 ÷ 500)0C để tránh nứt

d Ký hiệu

* Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 1659 – 75)

Bảng 4.5 Cơ tính của các số hiệu gang xám

Số hiệu

gang xám

Giới hạn bền kéo N/mm2

Độ giãn dài (%)

Giới hạn bền uốn N/mm2

Giới hạn bền nén N/mm2

Độ cứng

HB không nhỏ hơn

27

Ký hiệu bằng hai chữ GX và 2 cặp số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo ( бBK)

và giới hạn bền uốn ( бBU) tính ra kG/mm2

Bảng 3.1 trình bày các số hiệu gang

xám và cơ tính quy định của chúng

- GX21 - 40; GX24 - 44; GX28 - 48 có cơ tính tương đối cao (nền kim loại là P, lẫn một ít F với tấm G nhỏ mịn) dùng để làm các chi tiết chịu tải trọng tĩnh cao và chịu mài mòn như bánh đà, bánh răng, sơ mi, pittông, xi lanh máy nén khí và máy hơi nước, bệ máy công cụ và các thiết bị

- GX32 - 52; GX36 - 56; GX40 - 60 có cơ tính cao nhất (nền kim loại là P với tấm G rất nhỏ mịn) dùng để làm các chi tiết chịu tải trọng tĩnh cao và chịu tải trọng động, chịu mài mòn cao như bánh răng chữ V, trục chính, vỏ bơm thủy lực, van trượt áp suất cao

Ngoài các số hiệu gang trong tiêu chuẩn nhà nước, trong sản xuất cơ khí còn dùng nhiều các loại gang hợp kim chưa tiêu chuẩn hóa Để làm sơmi dùng gang hợp kim Cr - Cu - Ni với lượng niken cao, có tổ chức ôstenit hay Cr - Mo -

Cu, có tính chống mài mòn tốt Để làm xecmăng dùng gang hợp kim Cr- Mo -

Ti Trong công nghiệp hóa dùng gang silic cao chịu axit Để làm các chi tiết chịu nhiệt độ cao (trong lò nung) dùng gang hợp kim crôm cao…

- Kết cấu vật đúc đồng đều và nhỏ hạt từ ngoài vào tâm (sự chênh lệch về

cơ tính từ ngoài vào trong tâm vật đúc ít hơn so với gang xám, đối với vật đúc lớn vẫn đảm bảo độ bền cao)

- Khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tốt (trong không khí, axit, kiềm rất tốt)

- Có thể nhiệt luyện để nâng cao cơ tính

- Chế tạo vật đúc bằng gang biến tính đơn giản không cần thiết bị

Ví dụ: GBT 30 - 40 là gang biến tính viết theo (TCVN) có giới hạn bền

kéo tối thiểu là 30KG/mm2

hay(k  30kG/mm2), giới hạn bền uốn tối thiểu là 40KG/mm2 hay (u  40kG/mm2)

e Công dụng

Gang biến tính chủ yếu dùng để chế tạo chi tiết chịu tải trọng nhỏ như:

- Trong cơ khí chế tạo: Dùng làm thân máy, ổ gá dao, mâm cặp máy tiện

- Trong nghành mỏ: Dùng chế tạo bánh xe có răng cỡ lớn làm việc ngoài trời với vận tốc chậm, giá của máy cần trục, tấm nghiền của máy nghiền quặng…;

- Trong công nghiệp chế tạo ôtô, máy nổ: Dùng làm thùng hãm, ống lót,

xi lanh, xécmăng, thiết bị chứa khí của máy hơi nước…

29

b Thành phần và cách chế tạo

* Thành phần

Để đạt được vật đúc ở dạng gang trắng, đồng thời khi ủ xêmentit phân hóa

thành graphit, trong gang phải có ít thành phần cacbon và silic rồi làm nguội

nhanh Lượng cacbon trong gang giảm độ dẻo càng cao Nhưng cacbon quá ít

sẽ khó nấu chảy

Lượng silic trong gang cần vừa đủ để không gây ra graphit khi đúc

Nhưng nếu silic quá ít sẽ không thúc đẩy được graphit khi ủ

Thành phần hóa học của gang dẻo khi đúc như sau:

Do graphit tập trung đều, gọn hơn nên gang dẻo có độ bền, độ dẻo cao

hơn gang xám Giới hạn bền kéo б BK = (30 ÷ 60) kG/mm2

; độ giãn dài tương đối  = (2 ÷ 12)%; độ cứng HB = (160 ÷ 260)

ủ

Hình 2.2:Tổ chức tế vi của gang dẻo

a Gang dẻo ferit b Gang dẻo ferit - Peclit c Gang dẻo Peclit

30

d Ký hiệu

* Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1659 - 75

GZ và 2 cặp số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo бBK tính ra (kG/ mm2) và

độ giãn dài tương đối  tính ra (%) Bảng 4.6 trình bày các số hiệu gang dẻo và

cơ tính quy định của chúng

Ví dụ: GZ30 - 6 - Gang dẻo có бBK = 30 kG/mm2;  = 6%

Bảng 4.6 Cơ tính của các số hiệu gang dẻo

Số hiệu gang

Giới hạn bền kéo N/mm2

Độ giãn dài

(%)

Độ cứng

HB, kG/mm2 Tổ chức tế vi không nhỏ hơn không lớn hơn

Gang dẻo ferit

Gang dẻo peclit

e Công dụng

Gang dẻo có cơ tính tổng hợp tốt hơn gang xám nhưng đắt do quá trình nấu luyện, chế tạo lâu, tốn nhiệt và thời gian ủ nên gang dẻo chủ yếu được dùng làm

chi tiết máy đồng thời thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Hình dáng phức tạp;

- Tiết diện mỏng;

- Chịu va đập