Bí Mật Về Những Nguyên Tố Tạo Nên Grafit Trong Gang

Nguyên tố quan trọng tạo nên Grafit của gang là gì? Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao có một số loại gang lại mềm dẻo, dễ gia công trong khi một số khác lại rất cứng và giòn chưa? Đáp án nằm ở grafit hay graphite – một loại than chì hình thành trong gang. Vậy điều gì đã tạo nên sự hiện diện của grafit trong gang? Hãy cùng GOAT khám phá các nguyên tố đóng vai trò quan trọng trong quá trình này!

⭐ Có thể bạn quan tâm: 

• Khối lượng riêng của Gang là bao nhiêu?
• So sánh Gang cầu và Gang xám

CẤU TRÚC GRAFIT LÀ GÌ? 

______

Định nghĩa Grafit là gì

Khi nói về "các cấu trúc grafit" trong gang, chúng ta đang đề cập đến sự hình thành của carbon ở dạng than chì thay vì dạng cacbua sắt (cementite - Fe₃C). Chúng khác nhau như thế nào? Câu trả lời có ngay sau đây!

Để thấy được tầm quan trọng của grafit, ta cũng cần hiểu Cementite là gì. 

Minh họa tinh thể grafit của 5 loại gang (Nguồn ảnh: Goat sưu tầm và biên tập)

• (a) Gray cast iron - Gang xám
• (b) White cast iron - Gang trắng
• (c) Malleable cast iron - Gang dẻo
• (d) Ductile (or nodular) cast iron - Gang cầu
• (e) Compacted-graphite cast iron - Gang graphit ngắn

Do đó, trong quá trình sản xuất gang, người ta thường hạn chế cementite hình thành nhằm đảm bảo gang có tính chất mềm dẻo và dễ uốn hơn. Thay vào đó, người ta thúc đẩy sự hình thành của grafit (hay graphite) – dạng carbon tự do giúp cải thiện độ bền và tính chất gia công của vật liệu.

______

Vai trò của Cấu trúc grafit (hay Graphite)

Cấu trúc grafit có vai trò quan trọng trong việc quyết định tính chất cơ học của gang. (Điều này đã được Goat nhắc nhiều đến trong các bài viết về gang).

Sự tạo thành grafit trong gang giúp chúng trở nên mềm dẻo hơn, giảm độ giòn và dễ gia công hơn so với khi carbon kết tinh thành các hợp chất cứng và giòn như cementite.

❝
Chính cấu trúc grafit làm cho gang xám và gang cầu có đặc tính cơ học khác nhau và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Cụ thể, có hai loại gang chính liên quan đến sự hình thành grafit:

Hình ảnh cấu trúc tinh thể của gang xám và gang cầu dưới kính hiển vi điện tử (Nguồn ảnh: Sưu tầm)

______

Nguyên tố carbon (C) – Linh hồn của grafit trong gang

❝
Carbon (C) chính là yếu tố không thể thiếu trong gang, chiếm khoảng 2,5% đến 4% trong thành phần của gang.

Với hàm lượng carbon cao, gang có khả năng kết tinh thành các cấu trúc grafit.

Điều này không chỉ giúp gang trở nên dẻo, dễ uốn mà còn giảm thiểu độ giòn, giúp gia công dễ dàng hơn.
______

Silicon (Silic - Si) – Người bạn đồng hành không thể thiếu để tạo nên grafit

Silicon (Si) là một yếu tố khác có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự hình thành grafit

Silicon làm giảm sự hòa tan của carbon, từ đó thúc đẩy carbon kết tinh thành grafit thay vì biến thành các hợp chất giòn như cementite (Fe3C). Đó là lý do tại sao gang có hàm lượng silicon cao thường rất mềm và dễ chế tạo.
______

Sulfur (S) và mangan (Mn) – Kẻ đối nghịch và đồng minh bất đắc dĩ

Trong khi silic thúc đẩy sự hình thành grafit, Lưu huỳnh - Sulfur (S) lại đóng vai trò đối nghịch. Sulfur ngăn cản quá trình kết tinh grafit và thúc đẩy sự hình thành cementite, khiến gang trở nên giòn và khó gia công. Do đó, việc giảm sulfur trong gang là điều cần thiết để tạo ra nhiều grafit hơn.

Mangan, tuy là một đồng minh trong một số trường hợp, nhưng cũng có thể trở thành kẻ đối nghịch trong việc hình thành grafit. Ở mức thấp, mangan giúp ngăn chặn sulfur hình thành cementite và tạo điều kiện cho sự hình thành grafit. Nhưng nếu mangan quá cao, nó lại làm tăng khả năng hình thành các hợp chất giòn, khiến grafit khó có cơ hội xuất hiện.

______

Magie (Mg) – Nhà điêu khắc Grafit hình cầu

❝
Magie là một trong những nguyên tố quan trọng giúp thay đổi hình dạng của grafit từ dạng tấm (trong gang xám) sang dạng cầu (trong gang cầu).

Nếu bạn đang nghiên cứu về gang cầu và muốn biết để có được graphit dạng cầu người ta đã phải cho vào gang chất biến tính gì? Thì câu trả lời đó chính là Magie và Cerium. Quá trình này gọi là cầu hóa gang.

Magie đóng vai trò quan trọng trong việc tạo hạt grafit hình cầu, tăng cường độ dẻo và khả năng chịu lực. Bên cạnh đó, chúng cũng giúp ổn định cấu trúc grafit cầu trong quá trình đông đặc.

Sự hiện diện của magie giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học của gang, làm cho gang cầu mạnh mẽ và dẻo dai hơn.

______

Cerium (Ce) – Nhà bảo hộ cho Grafit hình cầu

Cerium (Ce) cũng giúp tạo ra grafit hình cầu trong gang cầu, tương tự như magie. Nó không chỉ giúp chuyển đổi grafit từ dạng vảy thành hình cầu mà còn khử tạp chất, làm cho các hạt grafit cầu hình thành đều và ổn định hơn. Nhờ đó, gang cầu trở nên bền, dẻo và ít bị giòn nứt, rất phù hợp cho các ứng dụng cần độ bền cao.

______

Phosphor (P) và các yếu tố khác

Dù không trực tiếp gây ảnh hưởng lớn, phosphor (P) ở mức nhỏ có thể làm thay đổi quá trình kết tinh của gang. Một lợi ích của phốt pho ở mức thấp là nó có thể cải thiện tính lỏng của gang, giúp dễ dàng đổ khuôn hơn. Tuy nhiên, nếu hàm lượng quá cao, nó có thể làm giảm khả năng hình thành grafit và tăng sự hình thành các hợp chất cứng và giòn như cementite, ảnh hưởng đến tính chất cơ học của gang.

Quá trình làm nguội và các nguyên tố có thể góp phần tạo ra các loại gang với cấu trúc grafit khác nhau (Nguồn ảnh: Sưu tầm)

Bên cạnh các yếu tố trên, tốc độ làm nguội cũng đóng vai trò quan trọng. Làm nguội chậm giúp tạo điều kiện cho grafit hình thành, trong khi làm nguội nhanh sẽ thúc đẩy sự hình thành cementite.

YẾU TỐ QUYẾT ĐỊNH CHÍNH CHO SỰ HÌNH THÀNH GRAFIT TRONG GANG

Yếu tố quyết định chính cho sự hình thành grafit trong gang là silicon (Silic - Si)

Silicon hay Silic có vai trò đặc biệt quan trọng vì nó làm giảm độ hòa tan của carbon trong gang. Từ đó thúc đẩy quá trình kết tinh carbon thành grafit thay vì cementite (Fe₃C). Nói cách khác, nếu hàm lượng silicon đủ cao, gang sẽ dễ dàng hình thành grafit hơn, làm cho sản phẩm gang trở nên mềm, dẻo và dễ gia công.

Ngoài ra, mặc dù carbon là yếu tố cần thiết để tạo grafit (vì grafit là một dạng của carbon), nhưng việc có grafit hay cementite lại phụ thuộc nhiều vào sự hiện diện và tác động của silicon. Những nguyên tố như sulfur và mangan cũng có ảnh hưởng, nhưng không mang tính quyết định như silicon.

KẾT LUẬN VỀ VÀI TRÒ CỦA CÁC NGUYÊN TỐ TẠO GRAFIT TRONG GANG

Như vậy, sự tạo thành cấu trúc grafit (hay graphite) trong gang không chỉ phụ thuộc vào nguyên tố carbon mà còn được điều chỉnh bởi nhiều nguyên tố khác như silic, sulfur, mangan và cả phương pháp làm nguội gang.

Qua đó, việc kiểm soát các yếu tố này chính là chìa khóa để sản xuất những loại gang chất lượng cao, dễ gia công và bền bỉ.

Vậy nên, lần tới khi bạn nhìn thấy một sản phẩm gang, hãy nhớ rằng bên trong đó là cả một "bài toán hóa học" phức tạp mà Goat vừa cùng bạn khám phá nhé!

GOAT - Kiến Tạo Giá Trị Tốt Nhất

Thương hiệu Uy tín - Đồng hành suốt vòng đời sản phẩm

BTV Thanh Thủy - Nắp Hố Ga GOAT