Gang xám, gang cầu, gang trắng: vì sao nắp cống và ống nước dùng khác

Gang xám, gang cầu và gang trắng đều là sắt chứa khoảng 2–4% cacbon, nhưng khác nhau ở hình dạng của phần cacbon dư: gang xám có graphit dạng tấm mỏng nên giòn mà hút rung tốt; gang cầu có graphit vo tròn thành hạt nên dai, chịu va đập gần như thép; gang trắng không có graphit mà chứa xêmentit nên rất cứng và giòn. Vì vậy ống cấp nước áp lực và nắp hố ga chịu xe tải dùng gang cầu, còn bệ máy, thân máy bơm hay dùng gang xám.

Vì sao cùng là gang mà tính chất khác xa nhau?

Trong gang, cacbon nhiều hơn mức sắt có thể hoà tan, nên phần dư phải tách ra. Nó có hai cách tách: thành graphit (cacbon gần như tinh khiết, mềm, dạng than chì) hoặc thành xêmentit (hợp chất Fe₃C rất cứng). Rồi graphit lại có thể mọc thành nhiều hình dạng. Chính hình dạng đó, chứ không phải lượng cacbon, quyết định gang chịu va đập tốt hay kém.

Hãy hình dung một tấm thép có hàng nghìn khe nứt nhỏ sắc cạnh bên trong: chịu kéo một chút là vết nứt lan từ khe này sang khe khác. Đó là gang xám với graphit dạng tấm. Còn nếu thay những khe nứt bằng những bọt tròn nhỏ, ứng suất phân bố đều quanh bọt, vết nứt khó bắt đầu hơn nhiều. Đó là gang cầu.

Gang xám là gì, dùng vào đâu?

Gang xám là loại gang lâu đời và phổ biến nhất. Graphit trong gang xám mọc thành những tấm mỏng cong queo, nhìn dưới kính hiển vi như những nét bút chì vẽ nguệch ngoạc. Mặt gãy có màu xám tối, đó là nguồn gốc cái tên.

• Điểm mạnh: đúc rất dễ, chảy loãng; ít co ngót; dễ cắt gọt vì graphit vụn ra như chất bôi trơn; chịu nén tốt; và đặc biệt hút rung động rất tốt.
• Điểm yếu: chịu kéo kém, độ giãn dài gần như bằng không (dưới 1%), va đập mạnh là vỡ.
• Dùng vào: bệ và thân máy công cụ (máy tiện, máy phay), thân máy bơm, vỏ hộp số, đĩa phanh ô tô, khối động cơ nhiều đời xe, nồi chảo gang, các tấm ghi lò.

Silic là "chìa khoá" của gang xám: silic thúc cacbon tách ra thành graphit thay vì xêmentit. Gang nguội chậm và nhiều silic thì xám; nguội nhanh, ít silic thì dễ thành trắng.

Gang cầu là gì, vì sao chịu va đập tốt hơn?

Gang cầu (còn gọi gang graphit cầu, và trong ngành nước thường gọi "gang dẻo") ra đời cuối thập niên 1940. Năm 1948, các nhà nghiên cứu ở Anh và Mỹ công bố gần như cùng lúc rằng thêm một lượng rất nhỏ xêri hoặc magie vào gang lỏng ngay trước khi rót sẽ khiến graphit mọc thành hạt tròn thay vì tấm. Magie trở thành cách dùng phổ biến vì rẻ và hiệu quả.

Lượng magie còn lại trong gang cầu chỉ khoảng vài phần trăm của một phần trăm (thường quanh 0,03–0,06%). Nhưng phải xử lý khéo: magie sôi ở khoảng 1.090 °C, thấp hơn nhiệt độ gang lỏng, nên khi cho vào nó bốc hơi, cháy sáng chói và sủi mạnh. Các xưởng đúc làm việc này trong gáo có ngăn đáy, có nắp chắn hoặc dùng dây lõi magie đưa vào bằng máy, người đứng xa và đeo đồ bảo hộ. Hiệu ứng của magie còn phai dần theo thời gian, nên gang đã xử lý phải rót trong vòng vài phút.

• Điểm mạnh: bền kéo cao gấp khoảng hai lần gang xám, giãn dài được từ vài phần trăm tới gần 20%, chịu va đập, uốn được một chút trước khi gãy. Vẫn giữ ưu điểm đúc dễ của gang.
• Điểm yếu: hút rung kém hơn gang xám, quy trình nấu khó hơn, cần kiểm soát lưu huỳnh rất thấp.
• Dùng vào: ống cấp nước và nước thải áp lực, phụ kiện đường ống, nắp hố ga và song chắn rác chịu tải nặng, trục khuỷu, giá đỡ, chi tiết hệ thống treo ô tô.

Gang trắng và gang rèn khác gì hai loại trên?

Gang trắng không có graphit. Toàn bộ cacbon dư nằm trong xêmentit, mặt gãy trắng sáng. Nó cứng tới mức dao tiện thường khó cắt, chỉ mài được, và rất giòn. Người ta dùng gang trắng (nhất là gang trắng hợp kim crom) làm bi nghiền, tấm lót máy nghiền đá, xi măng, những nơi cần chống mài mòn chứ không cần chịu va đập. Có loại trục cán chủ ý làm mặt ngoài nguội nhanh thành gang trắng cứng, lõi trong vẫn xám dai.

Gang rèn (tiếng Anh: malleable iron) thực ra không rèn được như thép. Người ta đúc ra gang trắng, rồi ủ rất lâu ở nhiệt độ cao, xêmentit phân huỷ thành những cụm graphit xốp như bông. Kết quả dai hơn gang xám nhiều. Gang rèn từng dùng nhiều cho cút nối ren ống nước, khoá móc, chi tiết nông cụ; nay nhiều chỗ đã được gang cầu thay thế vì gang cầu không cần ủ dài ngày.

Còn một loại nằm giữa gang xám và gang cầu là gang graphit giun: graphit ngắn, mập, đầu tù như con giun. Nó bền hơn gang xám mà vẫn dẫn nhiệt và hút rung khá, dùng cho thân động cơ diesel đời mới.

Bảng so sánh: chọn gang nào cho việc gì?

Số liệu trên là khoảng điển hình theo sổ tay vật liệu; từng mác cụ thể có giá trị riêng. Ở nhiều tiêu chuẩn, chính tên mác đã ghi hai con số này, ví dụ gang cầu "400-15" nghĩa là bền kéo tối thiểu khoảng 400 MPa và giãn dài tối thiểu khoảng 15%.

Vì sao nắp hố ga và ống nước lại dùng loại gang khác nhau?

Nắp hố ga trên vỉa hè chỉ chịu người đi bộ có thể làm bằng gang xám, đúc rẻ, nặng chắc. Nhưng nắp đặt giữa lòng đường chịu xe tải cán qua hàng nghìn lần mỗi ngày, có lúc bị va đập khi xe phanh gấp. Gang xám có thể nứt vỡ đột ngột, nên các thiết kế mới dùng gang cầu, vừa chịu tải vừa chịu va đập. Tiêu chuẩn châu Âu EN 124, được nhiều nơi tham khảo, chia nắp hố ga thành các cấp từ A15 tới F900 theo lực thử tính bằng kilônewton; cấp D400 thường dùng cho lòng đường ô tô.

Ống cấp nước ngầm chịu áp lực nước bên trong, chịu đất lún và xe chạy phía trên. Ống gang xám thời xưa hay nứt dọc khi nền đất chuyển động. Ống gang cầu, thường đúc ly tâm trong khuôn quay, có thể cong võng một chút mà không vỡ, nên đã thay thế ống gang xám ở hầu hết hệ thống cấp nước mới.

Một mẹo nhận biết khi thấy mảnh gang vỡ: mặt gãy xám tối, hạt thô, bôi tay có vệt than chì là gang xám; mặt gãy trắng sáng như bạc là gang trắng. Gang cầu thì ít khi vỡ ra thành mảnh, thường cong hoặc nứt có dấu kéo trước.

Góc nhìn hôm nay: gang không hề "lỗi thời"

Nhiều người nghĩ gang là vật liệu cũ, nhưng gang vẫn là vật liệu đúc được dùng nhiều nhất thế giới tính theo khối lượng. Lý do đơn giản: nó rẻ, đúc được hình phức tạp, và với gang cầu thì đủ bền cho hầu hết chi tiết máy. Ngày nay các xưởng đúc kiểm tra chất lượng gang cầu bằng kính hiển vi (đếm tỷ lệ graphit tròn) và bằng siêu âm đo tốc độ âm thanh trong vật đúc.

Lần tới đi trên vỉa hè, hãy nhìn các nắp hố ga: mặt sần có gân chống trượt, đường gờ đúc, đôi khi có ký hiệu cấp tải đúc nổi. Muốn tìm hiểu kỹ hơn, giáo trình "Công nghệ đúc" và "Vật liệu học" của các trường kỹ thuật có chương riêng về các loại gang kèm ảnh tổ chức tế vi.