Hàm lượng carbon là biến số có ảnh hưởng nhất trong luyện kim gang. Gang được xác định bởi hàm lượng carbon từ 2,0% đến 4,5% trọng lượng - vượt xa phạm vi 0,02–2,0% của thép. Trong phạm vi này, ngay cả sự thay đổi 0,3% của carbon cũng có thể làm thay đổi cơ bản cấu trúc vi mô, độ bền cơ học, độ cứng, khả năng gia công và hoạt động nhiệt của vật đúc. Hiểu cách carbon tương tác với sắt - và với các nguyên tố hợp kim khác - là nền tảng của việc sản xuất vật đúc hoạt động đáng tin cậy khi sử dụng.
Không giống như thép, nơi lượng carbon được giữ ở mức thấp để tối đa hóa độ dẻo và độ bền, gang cố tình giữ mức carbon cao để đạt được khả năng đúc vượt trội, giảm rung và chống mài mòn. Sự khác biệt chính nằm ở dạng cacbon có trong ma trận kim loại đông đặc.
Carbon trong gang tồn tại ở một trong hai dạng chính: dạng than chì miễn phí (cacbon nguyên tố kết tủa trong quá trình hóa rắn) hoặc dưới dạng Cacbua sắt (Fe₃C, còn gọi là xi măngit) . Dạng nào chiếm ưu thế được xác định bởi hàm lượng carbon, tốc độ làm mát và sự hiện diện của các nguyên tố khác - đặc biệt là silicon. Sự khác biệt này không mang tính thẩm mỹ; nó xác định xem sắt có màu xám, trắng, dễ uốn hay dẻo - mỗi loại có đặc tính cơ học hoàn toàn khác nhau.
Các loại gang khác nhau không phải là các loại tùy ý - chúng là kết quả của phạm vi cacbon được kiểm soát có chủ ý kết hợp với các điều kiện xử lý cụ thể.
| Loại gang | Hàm lượng cacbon (%) | Dạng cacbon | Đặc điểm chính |
|---|---|---|---|
| Sắt xám | 2,5 – 4,0% | Than chì vảy | Khả năng gia công tốt, giảm xóc cao, độ bền kéo thấp |
| Sắt trắng | 1,8 – 3,6% | Xi măng (Fe₃C) | Cực kỳ cứng, giòn, chống mài mòn tuyệt vời |
| Sắt dẻo | 2,0 – 2,9% | Carbon nhiệt độ (hoa hồng) | Độ dẻo tốt sau khi ủ, chịu va đập |
| Sắt dẻo (nốt) | 3,2 – 4,2% | Than chì hình cầu | Độ bền kéo cao, độ dẻo, khả năng chống mỏi |
| Sắt than chì nén | 3,1 – 4,0% | Than chì dạng vermicular (hình con sâu) | Trung gian giữa sắt xám và sắt dẻo |
Carbon không hoạt động một cách cô lập. Silic và phốt pho cũng góp phần tạo nên tính chất "giống cacbon" hiệu quả của quá trình tan chảy. Các kỹ sư đúc sử dụng Công thức tương đương cacbon (CE) để giải thích cho những tương tác này:
CE = %C (%Si %P) / 3
Sắt nguyên chất đông cứng ở nhiệt độ 1.538°C. Điểm eutectic của hệ sắt-cacbon xảy ra ở CE = 4,3% , là thành phần có điểm nóng chảy thấp nhất (~1.150°C) và tính lưu động tốt nhất. Hầu hết sắt xám thương mại đều nhắm tới CE là 3,9–4,3% để cân bằng khả năng đúc với hiệu suất cơ học.
Mối quan hệ giữa hàm lượng carbon và tính chất cơ học không phải là tuyến tính - nó phụ thuộc rất nhiều vào cách phân phối carbon trong nền. Tuy nhiên, có những xu hướng định hướng rõ ràng.
Trong sắt xám, tổng lượng cacbon nói chung tăng lên làm giảm độ bền kéo bởi vì các vảy than chì càng thô và càng nhiều đóng vai trò là chất tập trung ứng suất. Sắt xám thường đạt được độ bền kéo của 150–400 MPa , so với 400–900 MPa đối với sắt dẻo trong đó cùng một loại cacbon hiện diện ở dạng hình cầu chứ không phải ở dạng vảy. Hình thái than chì quan trọng hơn tổng tỷ lệ phần trăm cacbon.
Lượng cacbon cao hơn ở dạng xi măng (sắt trắng) làm tăng độ cứng đáng kể - sắt trắng thường đạt tới 400–700 HBW , so với 150–300 HBW đối với sắt xám. Tuy nhiên, điều này phải trả giá bằng độ dẻo gần như bằng không. Trong vật đúc nguội, một lớp bề mặt sắt cứng màu trắng được cố ý tạo ra ở các bề mặt mài mòn trong khi phần lớn vẫn có màu xám.
Sắt xám có về cơ bản không có độ dẻo (độ giãn dài <0,5%) do các mảnh than chì đóng vai trò như các rãnh bên trong. Sắt dễ uốn, có cùng hàm lượng cacbon hoặc cao hơn nhưng ở dạng nốt sần, đạt được độ giãn dài bằng 2–18% tùy thuộc vào loại - một sự cải tiến đáng kể chỉ được thực hiện bằng cách thay đổi hình thái than chì thông qua xử lý magiê chứ không phải bằng cách giảm lượng carbon.
Than chì tự do hoạt động như một chất bôi trơn tích hợp trong quá trình gia công, đó là lý do tại sao sắt xám là một trong những kim loại dễ gia công nhất . Hàm lượng than chì cao hơn (cacbon cao hơn trong sắt xám) thường cải thiện khả năng gia công. Ngược lại, sắt trắng cực kỳ khó gia công do hàm lượng xi măng của nó và thường chỉ được sử dụng ở dạng đúc hoặc nghiền.
Ngoài các tính chất cơ học, hàm lượng cacbon ảnh hưởng trực tiếp đến sự xuất hiện các khuyết tật đúc thông thường - một số do quá nhiều cacbon, một số khác do quá ít.
Carbon và silicon đều thúc đẩy sự giãn nở của than chì trong quá trình hóa rắn . Khi than chì kết tủa, nó giãn nở về thể tích, chống lại một phần sự co ngót xảy ra khi kim loại lỏng nguội đi. Hàm lượng cacbon cao hơn trong sắt xám (CE gần 4,3%) tạo ra sự giãn nở than chì đủ để đạt được độ co rút ròng gần như bằng không , giảm nhu cầu về ống đứng lớn. Sắt xám cacbon thấp hơn (CE ~ 3,6%) có thể biểu hiện độ co rút thực tế của 0,5–1,5% , đòi hỏi phải thiết kế ống nâng cẩn thận.
Trong sắt hypereutectic (CE > 4,3%), than chì sơ cấp kết tủa trước phản ứng eutectic và có thể nổi lên bề mặt trên của vật đúc hoặc khuôn. Cái này than chì "kish" tạo ra các lỗ rỗng trên bề mặt, tạp chất và các khuyết tật về mặt thẩm mỹ. Kiểm soát carbon dưới ngưỡng siêu âm sẽ ngăn ngừa sự hình thành kish.
Khi hàm lượng cacbon và tốc độ làm nguội không khớp nhau - đặc biệt ở những phần mỏng có đường biên CE - sự hình thành một phần sắt trắng xảy ra dọc theo các vùng sắt xám. Cái này vi cấu trúc "lốm đốm" tạo ra độ cứng không đồng nhất và không thể đoán trước, làm cho việc gia công không nhất quán và hiệu suất cơ học không đáng tin cậy. Nó được coi là một khiếm khuyết trong tất cả các thiết kế đúc nguội có chủ ý.
Carbon không bao giờ hoạt động một mình. Silicon là nguyên tố graphit hóa mạnh nhất trong gang và hợp tác trực tiếp với carbon để xác định cấu trúc vi mô cuối cùng. Hàm lượng silicon trong gang thương mại thường dao động từ 1,0% đến 3,0% .
Đây là lý do tại sao chỉ chỉ định carbon là không đủ — các kỹ sư xưởng đúc luôn chỉ định cả carbon và silicon cùng nhau và thường giám sát CE làm tham số điều khiển tổng hợp.
Kiểm soát hàm lượng carbon trong sản xuất vừa là một môn hóa học vừa là một quy trình xử lý. Các phương pháp sau đây là tiêu chuẩn thực hành trong các xưởng đúc hiện đại:
Hàm lượng carbon là biến số chính của luyện kim gang - nhưng tác dụng của nó luôn được thể hiện thông qua sự tương tác với tốc độ làm mát, hàm lượng silicon và điều kiện xử lý. Tổng lượng carbon xác định lượng than chì hoặc cacbua có thể hình thành; môi trường xử lý xác định cái nào thực hiện. Cho dù mục tiêu là khả năng giảm chấn của sắt xám, khả năng chống mài mòn của sắt trắng hay độ dẻo dai của sắt dẻo, việc đạt được chất lượng đúc ổn định bắt đầu bằng việc kiểm soát cacbon chính xác được hỗ trợ bởi phân tích nóng chảy theo thời gian thực. Đối với các kỹ sư đúc cũng như người mua sản phẩm đúc, việc chỉ định và xác minh carbon — luôn bên cạnh silicon và CE — không phải là tùy chọn; nó là điểm khởi đầu của mọi buổi casting chất lượng.
