Bài 33. Hợp kim của sắt

Tiết 54:
HỢP KIM CỦA SẮT
I. GANG:
1-Khái niệm:
- Gang là hợp kim của sắt với cacbon trong đó có từ 2-5% khối lượng cacbon, ngoài ra còn một lượng nhỏ các nguyên tố khác
- Các nguyên tố thường gặp là Mn, Si, P, S.
+Mn và Si là hai nguyên tố có tác dụng điều chỉnh sự tạo thành grafít và cơ tính của gang.
+Còn P và S là các nguyên tố có hại trong gang nên càng ít càng tốt.

*Các đặc tính của gang:
- Nhiệt độ chảy thấp, nên dễ nấu chảy hơn thép.
- Tính đúc tốt.
- Dễ gia công cắt (trừ gang trắng).
- Chịu nén tốt.
- Dễ nấu luyện.

2-Phân loại:
 Tùy theo tổ chức tế vi và thành phần hóa học của gang, người ta chia gang thành 2 loại chính là:
+ Gang trắng: Có tổ chức tế vi của gang hoàn toàn phù hợp với giản đồ trạng thái Fe-C và luôn chứa hỗn hợp cùng tinh Ledeburit (nên gang có màu sáng như thép được gọi là gang trắng)
+ Gang có grafit ( làm cho gang có màu xẫm, tối ): Là loại gang trong đó phần lớn hoặc toàn bộ lượng Cacbon nằm dưới dạng tự do – grafhit.
 Tuỳ theo hình dạng của graphit, lại chia thành 3 loại: gang xám, gang dẻo và gang cầu.
 Trong chương trình phổ thông ta chỉ tìm hiểu 2 loại gang đó là : gang trắng và gang xám.
a- Gang xám:
- Gang xám là loại gang mà phần lớn hay toàn bộ cacbon tồn tại ở dạng than chì.
-Là loại gang phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật.
 Ưu điểm: Gang xám có một giá thành rẻ và khá dễ nấu luyện, có nhiệt độ nóng chảy thấp (1350°C) và không đòi hỏi khắt khe về tạp chất,có tính đúc tốt và khả năng tắt âm cao, do tổ chức xốp nên cũng là ưu điểm cho các vật liệu cần bôi trơn có chứa dầu nhớt.

 Nhược điểm: Tuy vậy, gang xám dòn, khả năng chống uốn kém, không thể rèn được. Khi làm nguội nhanh trong khuôn, gang bị biến trắng rất khó gia công cơ khí.

- Gang xám được sử dụng rất nhiều trong ngành chế tạo máy, đúc các băng máy lớn, có độ phức tạp cao, các chi tiết không cần chịu độ uốn lớn, nhưng cần chịu lực nén tốt.

b- Gang trắng:
Gang trắng là gang chưa ít cacbon hơn gang xám, mà cacbon chủ yếu nằm dưới dạng liên kết – Hợp chất Xementit (Fe3C).

+ Gang trắng cứng và giòn nên không dùng được trong chế tạo cơ khí.
+ Gang trắng chủ yếu dùng để luyện thép, để ủ thành gang dẻo, làm bi nghiền và làm mép lưỡi cầy.

3- Sản xuất gang:
a. Nguyên tắc: Khử quặng sắt oxit bằng than cốc trong lò cao(phương pháp nhiệt luyện)



b. Nguyên liệu :
- Quặng sắt oxit (thường là quặng hematit đỏ ) Chứa ít nhất 30% Fe, không chứa S
- Than cốc (cung cấp nhiệt cháy, tạo ra CO, tạo thành gang)

+3 +8/3 +2 0
Fe2O3  Fe3O4  FeO  Fe
c. Các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình luyện quặng thành gang:

Nguyên liệu
Thổi không khí đã làm giàu oxi và sấy nóng tại ~900oC
(1) C +O2  CO2 H<0
(2) CO2 + C  2CO H>0
CO
CO
CO
(3) 3Fe2O3 + CO  2Fe3O4 + CO2
(4) Fe3O4 + CO  3FeO + CO2
(5) FeO + CO  Fe + CO2
Gang lỏng:
Fe + >2%C
Xỉ CaSiO3
Khí lò cao: CO2, CO, H2, …
(3a) CaCO3  CaO + CO2
(5a) CaO + SiO2  CaSiO3
Lò cao
+ Phản ứng tạo chất khử CO: Thổi không khí nóng (khoảng 600 – 8000C) được nén vào lò cao ở phía trên nồi lò :
toC
C + O2
Nhiệt lượng của phản ứng tỏa ra làm nhiệt độ của lò cao lên tới trên 18000C
CO2 + Q
CO2 + C
2CO - Q
toC
+ Phản ứng khử sắt oxit : thực hiện ở thân lò, có nhiệt độ 400-8000C
Fe2O3 + CO
Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO
3
2
FeO + CO2
FeO + CO
3
Fe + CO2
toC
toC
toC
Phản ứng này thu nhiệt nên nhiệt độ phần trên của bụng lò khoảng 13000C
- Phần trên của thân lò, t0 khoảng 4000C:
- Phần giữa của thân lò, t0 khoảng 500- 6000C:
- Phần dưới của thân lò, t0 khoảng 700- 8000C:
+ Phản ứng tạo xỉ :Ở bụng lò, t0 khoảng 10000C:
* Chất chảy là CaCO3 :
CaCO3 CaO + CO2
CaO + SiO2 CaSiO3
6CaO + 2P2O5 2Ca3(PO4)2
to
* Chất chảy là SiO2 :
SiO2 + MnO MnSiO3
to
to
CaSiO3, Ca3(PO4)2, MnSiO3 là xỉ, dễ nóng chảy, nhẹ hơn sắt nổi lên trên tách ra bảo vệ gang không bị oxi hóa bởi không khí. Sau một thời gian người ta tháo gang và xỉ ra khỏi lò.
to
d, Sự tạo thành gang :
Sắt nóng chảy có hoà tan một phần cacbon và một lượng nhỏ các nguyên tố : Si,Mn… tạo thành gang
3Fe + C ? Fe3C
to
Xementit (gang) có nhiệt độ nóng chảy nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của Fe
Ngoài ra các tạp chất SiO2, MnO, P2O5 cũng bị khử tạo thành Mn, Si, P tan trong gang nóng chảy (tạp chất có ích) ; S là tạp chất có hại (nhiều S thì gang giòn nên chọn nguyên liệu có ít hoặc không có S)
MnO + C ? Mn + CO
SiO2 + 2C ? Si + 2CO
P2O5 + 5C ? 2P + 5CO
to
to
to
Công ty Gang thép Thái Nguyên

Công suất: >200.000 tấn gang lỏng/năm
(570 tấn/ ngày, đêm)
 Sản phẩm: Gang đúc và gang luyện thép
 Thiết bị chính: 
- 3 lò cao: 120m3 và 100 m3, 500 m3   
- Máy thêu kết: 27 m2
       - Máy đúc gang liên tục    

II-ỨNG DỤNG CỦA GANG TRONG CHI TIẾT MÁY:

1. Bánh răng:

2. Thân động cơ đốt trong:

3. Lưỡi phay bằng gang:

4. Các băng máy công cụ
(tiện, phay, bào,...)

5. Trục khuỷu:

Bài thuyết trình của nhóm em đến đây là kết thúc.
Cảm ơn cô và các ban đã chú ý lắng nghe!