Gang và thép đều là hợp kim của sắt với cacbon; khác biệt cốt lõi nằm ở lượng cacbon. Thép chứa dưới khoảng 2% cacbon (thường chỉ 0,05–1%), còn gang chứa khoảng 2–4% cacbon cùng một ít silic. Vài phần trăm chênh lệch ấy khiến gang chảy thấp hơn, đúc dễ nhưng giòn, còn thép dẻo, dai, rèn và cán được.
Vì sao chỉ vài phần trăm cacbon lại tạo ra hai vật liệu khác hẳn nhau?
Nguyên tử cacbon rất nhỏ so với nguyên tử sắt, nên nó không thay chỗ sắt mà chen vào khe giữa các nguyên tử sắt. Ở nhiệt độ cao, sắt có một dạng tinh thể gọi là austenit có khe đủ rộng để hoà tan tối đa khoảng 2,1% cacbon (con số chính xác trong sách là 2,14%). Đây chính là ranh giới giữa thép và gang:
- Dưới ngưỡng này, toàn bộ cacbon có thể tan hết vào sắt khi nung nóng. Khối kim loại đồng nhất, rèn và cán được ở nhiệt độ cao. Đó là thép.
- Trên ngưỡng này, phần cacbon dư không tan nổi, buộc phải tách ra thành graphit (than chì) hoặc xêmentit (Fe₃C, một hợp chất cứng và giòn). Những mảng tách ra ấy làm vật liệu giòn, không rèn được. Đó là gang.
Nói cách khác, ngưỡng khoảng 2% không phải con số do người đặt cho tiện, mà xuất phát từ giới hạn hoà tan thật của cacbon trong sắt.
Giản đồ sắt – cacbon nói gì?
Giản đồ sắt – cacbon là "bản đồ" mà mọi sinh viên cơ khí, luyện kim đều phải học. Trục ngang là phần trăm cacbon, trục đứng là nhiệt độ. Mỗi vùng trên bản đồ cho biết ở thành phần và nhiệt độ đó, sắt tồn tại ở pha nào. Bản giản lược chỉ cần nhớ vài mốc:
| Mốc | Thành phần cacbon | Nhiệt độ (khoảng) | Ý nghĩa |
|---|---|---|---|
| Sắt nguyên chất chảy | 0% | 1.538 °C | Điểm chảy cao nhất trên giản đồ |
| Giới hạn hoà tan trong austenit | khoảng 2,1% | khoảng 1.147 °C | Ranh giới thép – gang |
| Điểm cùng tinh (eutectic) | khoảng 4,3% | khoảng 1.147 °C | Thành phần chảy thấp nhất, gang đúc tốt |
| Điểm cùng tích (eutectoid) | khoảng 0,77% | 727 °C | Austenit chuyển thành peclit khi nguội chậm |
| Xêmentit | 6,67% | — | Giới hạn phải của giản đồ thực dụng |
Hai điều đọc được ngay từ bảng: thứ nhất, càng nhiều cacbon thì nhiệt độ bắt đầu chảy càng hạ, tới điểm cùng tinh khoảng 4,3% cacbon chỉ còn khoảng 1.147 °C. Thứ hai, thép không có một điểm chảy cố định mà chảy trong một khoảng, thường đâu đó giữa 1.400 và 1.500 °C tuỳ loại.
Vì sao gang dễ đúc còn thép dễ rèn?
Gang: sinh ra để đổ khuôn
Gang chảy ở khoảng 1.150–1.300 °C, thấp hơn thép khoảng 200–300 độ. Ở thời chưa có lò điện, mức chênh này là cả một khoảng cách công nghệ: lò cao thời xưa đủ nóng để nấu chảy gang, nhưng chưa đủ để nấu chảy thép với số lượng lớn. Gang lỏng lại rất loãng, điền vào các góc khuôn hẹp tốt. Gang xám còn có điểm hay là khi đông đặc, graphit tách ra chiếm thêm thể tích, bù lại một phần co ngót, nên vật đúc ít bị rỗ co.
Nhưng gang không chịu được uốn. Các mảng graphit hoặc xêmentit trong gang giống những vết nứt có sẵn. Gõ mạnh, va đập, uốn cong thì gang gãy chứ không cong. Không thể rèn gang bằng búa như rèn thép.
Thép: sinh ra để cán, kéo, rèn
Thép ở nhiệt độ cao là austenit đồng nhất, rất dẻo. Nhà máy cán phôi thép nóng đỏ qua các trục để thành thép cây, thép tấm, thép hình. Nguội đi, thép vẫn uốn được, kéo được thành dây, dập được thành vỏ xe. Đổi lại, thép khó đúc hơn gang: cần nhiệt độ cao hơn, co ngót nhiều hơn, khuôn phải chịu nhiệt tốt hơn.
Thép chia ra những loại nào theo lượng cacbon?
Ngay trong thép, cacbon cũng chia thành nhiều cấp. Ranh giới mỗi sách ghi hơi khác, nhưng tinh thần chung như sau:
| Loại | Cacbon (khoảng) | Tính chất | Ví dụ dùng |
|---|---|---|---|
| Thép cacbon thấp | dưới 0,25% | Rất dẻo, dễ hàn, không cứng lắm | Thép tấm vỏ xe, thép xây dựng, ống thép |
| Thép cacbon trung bình | 0,25–0,6% | Cân bằng bền và dai, nhiệt luyện được | Trục, bánh răng, ray tàu |
| Thép cacbon cao | 0,6–1% hoặc hơn | Cứng, giữ cạnh sắc, kém dẻo, khó hàn | Lò xo, dây cáp, dụng cụ cắt |
| Gang | khoảng 2–4% | Đúc tốt, giòn, chịu nén tốt | Thân máy, nắp hố ga, nồi gang |
Ngoài cacbon, thép hợp kim còn thêm mangan, crom, niken, molipđen, vanađi để có thêm tính chất như chống gỉ, chịu nhiệt, chống mài mòn. Còn "sắt rèn" thời xưa (dùng cho cầu sắt thế kỷ 19) là sắt rất ít cacbon, lẫn sợi xỉ, nay gần như không còn sản xuất.
Gang được làm ra thế nào, rồi biến thành thép ra sao?
Hai vật liệu này nối nhau thành một dây chuyền. Trong lò cao, quặng sắt bị than cốc khử ở nhiệt độ cao. Sắt đi qua vùng có rất nhiều cacbon nên ngấm cacbon tới khoảng 4%, chảy ra đáy lò thành gang lỏng. Gang ra từ lò cao chưa dùng ngay được vì quá nhiều cacbon và tạp chất.
Gang lỏng sau đó đổ sang lò thổi ôxy. Ôxy thổi vào đốt bớt cacbon thành khí CO, CO₂, đốt silic, mangan, phốt pho thành xỉ. Lượng cacbon tụt từ khoảng 4% xuống dưới 1%, gang trở thành thép. Phản ứng tự toả nhiệt mạnh tới mức nhiệt độ mẻ thép tăng lên mà không cần đốt thêm nhiên liệu. Đường thứ hai làm thép là lò hồ quang điện, nấu chủ yếu sắt thép phế liệu, không cần qua gang.
Ngược lại, gang dùng để đúc vật dụng thường được nấu lại từ gang thỏi và phế liệu trong lò đứng hoặc lò cảm ứng tại các xưởng đúc, có điều chỉnh silic, cacbon cho đúng loại gang cần.
Làm sao phân biệt đồ gang với đồ thép bằng mắt thường?
Không có cách nào chắc chắn tuyệt đối ngoài phân tích trong phòng thí nghiệm, nhưng vài dấu hiệu giúp đoán khá tốt:
- Bề mặt: đồ gang đúc thường có mặt sần như da cam, có đường gờ ở mặt phân khuôn, cạnh dày, góc bo tròn. Đồ thép cán hoặc dập thường phẳng, mỏng đều.
- Âm thanh: gõ nhẹ, gang xám kêu "cộp" đục và tắt nhanh vì graphit hấp thụ rung. Thép kêu vang, ngân lâu hơn. Đây là lý do bệ máy công cụ hay làm bằng gang: nó nuốt rung động.
- Mặt gãy: gang xám gãy ra mặt màu xám tối, hạt thô, bôi tay thấy vệt đen của than chì. Thép gãy thường sáng hơn, có dấu kéo dãn.
- Khi chịu lực: rơi mạnh xuống nền xi măng, đồ gang xám có thể nứt vỡ, đồ thép thường chỉ móp méo.
Cả gang lẫn thép đều bị nam châm hút, nên nam châm không giúp phân biệt hai thứ này.
Góc nhìn hôm nay: gang và thép trong đời sống Việt
Ở Việt Nam, Khu Gang thép Thái Nguyên là nơi lò cao đầu tiên ra gang, mở đầu cho ngành luyện kim hiện đại; ngày nay các khu liên hợp gang thép ven biển chạy theo cùng dây chuyền gang lỏng sang lò thổi ôxy, còn nhiều nhà máy khác nấu thép từ phế liệu bằng lò điện. Đồ gang vẫn quanh ta: nắp hố ga trên vỉa hè, ống cấp nước ngầm, thân máy bơm, chiếc chảo gang trong bếp. Thép thì ở khắp nơi, từ cốt bê tông trong tường nhà tới con ốc trong chiếc xe máy.
Ai muốn đi sâu hơn có thể tìm giáo trình "Vật liệu học" hoặc "Kim loại học và nhiệt luyện" ở thư viện các trường đại học kỹ thuật; chương giản đồ sắt – cacbon là chương nền tảng. Một bài tập hay để tự làm: lần tới thấy nắp hố ga, hãy để ý mặt sần, đường gờ đúc, độ dày của nó và đoán xem vì sao người ta chọn gang thay vì thép tấm.
Câu hỏi thường gặp
Gang và thép khác nhau thế nào?
Gang chứa khoảng 2–4% cacbon, chảy ở nhiệt độ thấp hơn, đúc dễ nhưng giòn. Thép chứa dưới khoảng 2% cacbon, dẻo và dai, cán, rèn, hàn được. Cả hai đều là hợp kim sắt – cacbon.
Gang nóng chảy ở bao nhiêu độ?
Gang thường chảy trong khoảng 1.150–1.300 °C tuỳ thành phần cacbon và silic. Gang có khoảng 4,3% cacbon chảy thấp nhất, khoảng 1.147 °C, thấp hơn sắt nguyên chất (khoảng 1.538 °C) gần 400 độ.
Vì sao gang giòn mà thép dẻo?
Trong gang, cacbon dư tách ra thành mảng graphit hoặc xêmentit cứng giòn, hoạt động như những vết nứt sẵn có. Thép có ít cacbon hơn nên phần lớn cacbon tan trong sắt, khối kim loại liên tục và biến dạng được.
Có biến gang thành thép được không?
Được, đó chính là cách các nhà máy lớn làm thép. Gang lỏng từ lò cao được thổi ôxy để đốt bớt cacbon và tạp chất, hạ cacbon từ khoảng 4% xuống dưới 1%.
Nồi gang và chảo thép khác nhau ở điểm gì?
Nồi gang đúc nên dày, nặng, giữ nhiệt lâu nhưng dễ nứt khi va mạnh hoặc gặp lạnh đột ngột. Chảo thép thường cán mỏng, nhẹ hơn, nóng nhanh hơn và chịu va đập tốt hơn.
