Gang là hợp kim sắt-carbon với hàm lượng carbon lớn hơn 2,14% — ngưỡng này phân biệt gang với thép (thép có %C ≤ 2,14%, xem ký hiệu và cách đọc mác thép). Điểm quyết định cơ tính của từng loại gang không phải bản thân hàm lượng carbon, mà là dạng tồn tại của carbon trong tổ chức kim loại — cụ thể là hình dạng của các hạt graphit tự do.
| Loại gang | Dạng graphit | Cơ tính chính | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| Gang xám | Tấm (flake) | Giòn, giảm chấn/tắt rung tốt, dễ đúc, dễ gia công, rẻ | Thân máy, vỏ hộp, bàn máy |
| Gang cầu (gang dẻo nốt) | Cầu/nốt tròn | Dai và bền kéo cao hơn hẳn gang xám, có độ giãn dài | Trục khuỷu, bánh răng, ống áp lực |
| Gang dẻo (rèn) | Cụm bông | Dai, phù hợp chi tiết nhỏ thành mỏng | Phụ tùng nhỏ, chi tiết đường ống |
| Gang trắng | Không có graphit (toàn xementit Fe₃C) | Rất cứng, giòn, chịu mài mòn cao | Má nghiền, bi nghiền, lớp chịu mòn |
Vì sao dạng graphit quyết định cơ tính
Graphit tự do trong tổ chức gang đóng vai trò như những "khoảng trống" cơ học trong nền kim loại — hình dạng của chúng quyết định mức độ tập trung ứng suất khi chịu tải. Graphit dạng tấm (gang xám) có các cạnh sắc, tạo điểm tập trung ứng suất mạnh — khiến gang xám giòn, gần như không có độ giãn dài trước khi gãy. Graphit dạng cầu tròn (gang cầu), nhờ được biến tính bằng magie trong quá trình đúc, có bề mặt trơn và không có cạnh sắc — giảm mạnh hiệu ứng tập trung ứng suất, giúp gang cầu dai và bền kéo cao hơn hẳn gang xám dù cùng nền hợp kim.
Gang xám
Cấu trúc chứa graphit dạng tấm phân tán trong nền kim loại. Tính chất nổi bật: giòn (độ giãn dài gần bằng 0), nhưng bù lại có khả năng giảm chấn và tắt rung rất tốt (các tấm graphit hấp thụ năng lượng dao động), dễ đúc (chảy lỏng tốt, ít co ngót), dễ gia công cắt gọt (phoi vụn, không dính dao) và giá thành thấp. Nhờ tổ hợp tính chất này, gang xám là vật liệu kinh điển cho thân máy, vỏ hộp giảm tốc, bàn máy công cụ — những chi tiết cần độ cứng vững và khả năng hấp thụ rung động hơn là chịu va đập/kéo.
Gang cầu (gang dẻo nốt)
Graphit được biến tính (thường bằng magie) để kết tinh thành dạng cầu/nốt tròn thay vì tấm. Kết quả: gang cầu có độ bền kéo và độ dai cao hơn nhiều so với gang xám, đồng thời vẫn giữ được một phần ưu điểm dễ đúc của họ gang. Nhờ vậy gang cầu được dùng cho các chi tiết chịu tải động cao hơn thân máy tĩnh — trục khuỷu, bánh răng công suất trung bình, ống dẫn chịu áp lực.
Gang dẻo (rèn)
Sản xuất bằng cách ủ nhiệt gang trắng trong thời gian dài để carbon dạng xementit phân hủy thành graphit dạng cụm bông (temper carbon) thay vì tấm hay cầu. Kết quả cũng là một loại gang dai, phù hợp cho các chi tiết nhỏ, thành mỏng — nhưng quy trình sản xuất (ủ kéo dài) khiến gang dẻo ít phổ biến hơn gang cầu trong sản xuất hiện đại (gang cầu đạt cơ tính tương tự nhanh hơn qua biến tính trực tiếp lúc đúc).
Gang trắng
Không có graphit tự do — toàn bộ carbon tồn tại dưới dạng hợp chất xementit (Fe₃C) cứng. Kết quả là vật liệu rất cứng nhưng cực kỳ giòn, không thể gia công cắt gọt thông thường (phải mài). Ứng dụng tận dụng đúng đặc tính này: má nghiền, bi nghiền, các lớp lót chịu mài mòn trong thiết bị nghiền/đập vật liệu — nơi độ cứng chống mài mòn quan trọng hơn độ dai.
Hệ ký hiệu mác gang
JIS dùng ký hiệu FC cho gang xám (JIS G5501) và FCD cho gang cầu (JIS G5502) — số theo sau ký hiệu là giới hạn bền kéo tối thiểu tính bằng MPa (đây là quy ước đặt tên, không phải trị đo tuyệt đối của một mẫu cụ thể). Ví dụ: FC200 nghĩa là bền kéo tối thiểu 200 MPa; FCD500 nghĩa là bền kéo tối thiểu 500 MPa.
TCVN dùng ký hiệu GX + 2 số cho gang xám (số biểu thị bền kéo/bền uốn), GC + 2 số cho gang cầu (bền kéo/độ giãn dài), và GZ cho gang dẻo — ví dụ GX12-28, GC45-15, GZ33-8 (chuẩn tham chiếu TCVN 1659 — Gang, ký hiệu và mác).
Về trị số độ cứng (HB) và bền kéo tuyệt đối của từng mác cụ thể, các nguồn tham khảo phổ biến hiện có sự chênh lệch giữa các tài liệu — bài này không trích trị số tuyệt đối để tránh dẫn sai, chỉ khẳng định xu hướng đã kiểm chứng nhất quán: gang cầu có bền kéo và độ dai cao hơn đáng kể so với gang xám ở cùng mức xử lý.
Chọn gang theo cơ tính
Nguyên tắc chọn nhanh: cần giảm chấn + dễ gia công + chi phí thấp cho chi tiết chịu tải tĩnh (thân máy, bàn máy) → gang xám. Cần chịu tải động, va đập, hoặc yêu cầu độ dai (trục khuỷu, bánh răng, chi tiết áp lực) → gang cầu. Cần chi tiết nhỏ thành mỏng, dai → gang dẻo. Cần bề mặt chịu mài mòn cực cao, chấp nhận giòn (má nghiền, bi nghiền) → gang trắng.
Liên hệ với bài khác
Gang khác thép ở bản chất hàm lượng carbon và tổ chức graphit — xem thêm cách đọc ký hiệu mác thép ở ký hiệu và cách đọc mác thép. Quy đổi tương đương giữa các hệ tiêu chuẩn (JIS/ISO/TCVN/DIN) nói chung xem ở chuyển đổi tiêu chuẩn TCVN – ISO – JIS – DIN. Cách đo độ cứng HB cho gang (phù hợp vật liệu không đồng nhất, phôi thô) xem ở phương pháp đo độ cứng: Rockwell, Brinell, Vickers.
FAQ
Gang xám và gang cầu khác nhau ở đâu là quan trọng nhất? Ở hình dạng graphit: gang xám có graphit dạng tấm sắc cạnh gây tập trung ứng suất mạnh (giòn); gang cầu có graphit dạng cầu tròn nhờ biến tính magie, gần như không gây tập trung ứng suất (dai, bền kéo cao hơn nhiều). Cùng là "gang" nhưng cơ tính khác biệt lớn hoàn toàn do hình dạng graphit, không phải do hàm lượng carbon.
Số trong ký hiệu FC200 hay GX12-28 có nghĩa là gì? Với JIS (FC200), số là giới hạn bền kéo TỐI THIỂU tính bằng MPa mà mác đó phải đạt được — không phải hàm lượng carbon hay bất kỳ đại lượng nào khác. Với TCVN (GX12-28), 2 số thường biểu thị 2 chỉ tiêu cơ tính khác nhau (ví dụ bền kéo và bền uốn) tùy loại gang.
Vì sao gang xám vẫn được dùng rộng rãi cho thân máy dù giòn hơn gang cầu? Vì với thân máy — chi tiết chủ yếu chịu tải tĩnh và cần hấp thụ rung động từ các bộ phận chuyển động — khả năng giảm chấn tốt, dễ đúc hình dạng phức tạp, dễ gia công và chi phí thấp của gang xám quan trọng hơn độ dai. Gang cầu đắt hơn và thường dành cho chi tiết chịu tải động trực tiếp.
Gang trắng có gia công cắt gọt được như gang xám không? Không — vì gang trắng rất cứng và giòn (toàn bộ carbon ở dạng xementit cứng, không có graphit "mềm" giúp phoi dễ vỡ), nên không gia công cắt gọt thông thường được, chỉ có thể tạo hình bằng mài hoặc đúc đúng hình dạng cuối cùng ngay từ đầu.