Đặc tính của gang và kỹ thuật hàn gang

Thành phần, tổ chức kim loại và tính chất của gang 

Gang là một trong những vật liệu kết cấu được dùng rộng rãi nhất trong các máy móc và thiết bị công nghiệp.

Thành phần của gang là hợp kim của Fe và C, với C > 2,14% (Hệ Fe-C) hoặc C > 2,11% (Hệ Fe – Fe3C), với Si, Mn, Mg, P, S và Cr, Ni, Ti, Mo tùy theo ứng dụng cụ thể.

Phân loại gang theo mức độ hợp kim hóa:

– Gang hợp kim thấp (hàm lượng các nguyên tố hợp kim < 2,5%).

– Gang hợp kim trung bình (2,5% ÷ 10%).

– Gang hợp kim cao (> 10%).

Phân loại theo trạng thái cacbon trong gang:

– Gang trắng: Cacbon tồn tại dưới dạng cemetnit Fe3C. Gang trắng cứng và giòn, được sử dụng chủ yếu làm các chi tiết chống mài mòn và để chế tạo gang dẻo.

– Gang xám: Phần lớn cacbon tồn tại dưới dạng Graphit. Dễ đúc, dễ gia công, chống rung động tốt. Sử dụng phổ biến trong chế tạo các chi tiết dạng khung bệ máy, vỏ hộp số, bánh răng lớn.

Phân loại theo hình dạng graphit:

– Gang xám thường: Graphit ở dạng tấm. Độ bền của loại gang này thấp.

– Gang biến tính: Graphit ở dạng hạt nhỏ; cơ tính tốt hơn so với gang xám thường.

– Gang dẻo: Graphit ở dạng cụm. Cơ tính của loại gang  này tốt.

Gang cầu. Graphit ở dạng cầu. Có độ bền cao và có thể nhiệt luyện để cải thiện cơ tính.

Các nguyên tố thúc đẩy sự graphit hóa trong gang là: C, Si, Al, Ni, Co, Cu.

Các nguyên tố cản trở sự graphit hóa trong gang là: S, V, Cr, Sn, Mo, Mn.

Theo mức độ graphit hóa, nền của gang sẽ là:

– Ferit: Gang có độ graphit hóa mạnh nhất.

– Ferit – Peclit.

– Peclit.

– Peclit – Cementit.

Tổ chức của gang phụ thuộc vào thành phần hóa học (chủ yếu C và Si) và tốc độ nguội khi kết tinh.

Thành phần hóa học trung bình tiêu biểu của gang thường dùng trong chế tạo máy: 3÷3,5%C; 1,5+2,5%Si; 0,6+1,2%Mn; 0,2+0,6%P; 0,05+0,15%S.

Độ cứng của gang thường vào khoảng 200HB.

Độ bền của gang phụ thuộc vào:

1. Pha nền (P hoặc F, …).

2. Lượng phân bố và hình dạng của Graphit.

3. Vật đúc thành mỏng (ống… ): GX12-28.

4. Chi tiết máy (xilanh, máy cắt gọt… ): GX21 – 40.

5. Chi tiết máy chịu tải trọng cao (bánh răng… ): GX24 – 44.

Đặc tính hàn của gang:

– Gang có khả năng chịu biến dạng dẻo thấp.

– Khi hàn gang có xu hướng hình thành các tổ chức tôi cứng và giòn.

– Tại vùng ảnh hưởng nhiệt xuất hiện các tổ chức gang trắng.

– Khó hàn gang ở tư thế hàn sấp.

– Mối hàn dễ bị rỗ.

– Các sản phẩm gang rất đa dạng.

Nguyên tắc lựa chọn công nghệ trong hàn gang

– Khắc phục sự xuất hiện của các tổ chức tôi và tổ chức biến trắng (gang trắng).

– Khắc phục các vấn đề liên quan đến tính dẻo thấp và khả năng dễ nứt của gang khi có ứng suất vượt quá độ bền của nó.

Phương pháp và kỹ thuật hàn gang:

Về mặt phương pháp thực hiện, các bước cần tiến hành:

1. Xác định kim loại cơ bản.

2. Phân biệt gang và thép đúc.

3. Chọn công nghệ hàn thích hợp cho các trường hợp.

4. Sửa chữa vật đúc mới bằng gang.

5. Yêu cầu về độ bền của mối hàn.

6. Khả năng gia công cơ mối hàn sau khi hàn.

Phân biệt gang và thép đúc:

Sửa chữa vật đúc mới bằng gang:

– Màu của mối hàn phải giống của kim loại cơ bản.

– Độ bền: 

Các chi tiết chịu lực cao (khung máy… ) cần độ bền tương đương kim loại cơ bản, mặc dù chi phí hàn có thể cao (hàn nóng, hàn vẩy).

– Độ kín nước:

Có thể hàn không đòi hỏi cao về cơ tính (giải pháp hàn nguội, chi phí thấp).

– Gia công cơ sau khi hàn:

Các chi tiết chính xác (lỗ xupap, bánh răng… ) đòi hỏi độ cứng nhất định để có thể gia công cơ sau khi hàn và chống mài mòn trong vận hành.

Các công nghệ chính cho hàn gang:

– Hàn khí (hàn nóng, nguội, nửa nguội).

– Hàn hồ quang tay (nóng, nguội).

– Hàn vảy đắp.

Hàn nóng: 

Nung nóng sơ bộ 600÷650ºC và giữ nó ở khoảng nhiệt độ đó trong suốt quá trình hàn. 

Nung nóng sơ bộ là điều bắt buộc khi hàn nóng gang.

Tốc độ nung: 120ºC/h. Làm nguội chậm sau khi hàn (120ºC/h/25mm chiều dày) trong lò hoặc trong vỏ bọc cách nhiệt. 

Nên dùng khuôn graphit để giúp tạo dáng mối hàn. 

Que hàn thường là loại có lõi bằng gang. Đường kính que hàn 14÷16mm. Vỏ bọc que hàn có chiều dày tối đa 2mm và phải bảo đảm hồ quang cháy đều và đủ bù lại lượng nguyên tố bị oxy hóa khi hàn cũng như chứa một lượng lớn các nguyên tố  graphit hóa.

Trước khi hàn, que hàn được sấy và ủ ở 200÷250ºC. Dòng điện hàn I = (60÷100)d

Phải chống nóng tốt cho thợ hàn và phải hàn thật nhanh.

Phương pháp hàn nóng ngày nay ít được sử dụng, mặc dù cho chất lượng mối hàn tương đương với kim loại cơ bản và dễ gia công cơ sau khi hàn. 

Hàn nguội: 

Năng lượng đường nhỏ để hạn chế tối thiểu sự xuất hiện các tổ chức tôi và tổ chức biến trắng 

Sử dụng công suất tối thiểu của nguồn nhiệt hàn. Khống chế nhiệt độ vật hàn trong quá trình hàn. 

 Đường hàn dài 2 đến 3cm sau đó để cho nguội xuống dưới 50 độ C rồi mới hàn tiếp.

Các loại que hàn phổ biến cho hàn nguội gang:

– Que hàn có lõi Ni: Thành phần max 0,15%C; max 0,75%Si; max 0,50%Mn; max 0,1%S; max 0,5%Fe; max 0,5%Cu; > 98%Ni. Graphit trong vỏ bọc, đường kính 2mm; 2,5mm; 3mm. Chủ yếu để hàn gang xám.

– Que hàn có lõi là hợp kim Ni – Fe: Thành phần max 0,25%C; max 0,5%Si; max 1%Mn; max 0,0025%S; min 37%Fe; min 0,50%Cu; 52 ÷ 60%Ni. Graphit trong vỏ bọc, đường kính 2mm; 2,5mm; 3mm. Cho mối hàn có cơ tính cao hơn loại trên, chủ yếu để hàn gang cầu. Vùng ảnh hưởng nhiệt troostit, sorbit, ledeburit phân tán. Độ cứng mối hàn HB 170 ÷ 200, vùng ảnh hưởng nhiệt HB 180 ÷ 240.

– Que hàn có lõi là hợp kim monel: Thành phần 67 ÷ 69% Ni; 27 ÷ 29%Cu; 2,5%Fe; 0,2%Si; 0,2%Mg. Cho môi trường ăn mòn.

Kỹ thuật nung nóng sơ bộ trong hàn gang:

1. Nung nóng sơ bộ khi hàn nửa nguội liên quan đến cơ tính của gang (độ dẻo bằng 0 và sự xuất hiện ứng suất, không phải để ngăn tổ chức biến trắng hay tổ chức tôi.

2. Không cần phải nung nóng sơ bộ khi mối hàn có khả năng co dãn tự do khi hàn, nguội và khi hàn đắp (ví dụ lên bề mặt bánh răng).

3. Thực chất của nung nóng sơ bộ ở đây là tạo biến dạng ngược và biến dạng hàn.

4. Có thể nung nóng sơ bộ cục bộ (các vật hàn có hình dạng đơn giản) hoặc toàn phần (với các chi tiết có độ cứng vững cao và hình dạng phức tạp).