ShinYi
Valve
Van nước
Vòi nước
Tiêu chuẩn
Vật liệu
Áp suấtChưa có sản phẩm trong giỏ hàng.
Vật liệu
Gang cầu là gì – Cấu trúc graphit hình cầu
Gang cầu là gì? Gang cầu được chế tạo từ vật liệu gì và có phải thép không? Đây là những câu hỏi kỹ thuật tưởng chừng đơn giản nhưng lại khiến không ít kỹ sư, người mua hàng và thợ thi công băn khoăn khi lựa chọn vật liệu cho hệ thống đường ống, van công nghiệp hay các chi tiết cơ khí chịu lực. Để giải đáp cho các thắc mắc này, hãy cùng chúng tôi đi sâu vào tìm hiểu về gang cầu trong bài viết dưới đây!
1. Gang cầu là gì
Gang cầu là một loại vật liệu kim loại được sử dụng rất rộng rãi trong cơ khí và công nghiệp đường ống, đặc biệt ở những vị trí đòi hỏi khả năng chịu lực cao nhưng vẫn cần tính ổn định lâu dài trong quá trình làm việc. Điểm làm nên giá trị cốt lõi của gang cầu không nằm ở vẻ ngoài hay màu sắc bề mặt, mà nằm sâu bên trong cấu trúc vi mô của vật liệu.
1.1 Cấu trúc graphit hình cầu
Điểm đặc trưng nhất của gang cầu là than chì (graphit) tồn tại dưới dạng hình cầu tròn, phân bố đều trong nền kim loại. Có thể hình dung các hạt graphit này giống như những “viên bi nhỏ” nằm rải rác và ổn định trong khối kim loại.
Cấu trúc graphit hình cầu mang lại các lợi ích quan trọng:
- Giúp nền kim loại xung quanh không bị cắt xẻ hay suy yếu, từ đó duy trì được khả năng chịu lực và biến dạng dẻo khi chịu tải
- Khi vật liệu làm việc dưới áp suất hoặc rung động, ứng suất được phân tán đều xung quanh các hạt graphit hình cầu, thay vì tập trung tại một vài điểm nguy hiểm
- Gang cầu có khả năng làm việc bền bỉ trong thời gian dài mà ít xảy ra nứt gãy đột ngột so với gang xám
Nhờ đó cấu trúc đặc trưng này, gang cầu có khả năng chịu áp suất, chịu va đập và rung động tốt trong quá trình vận hành
1.2 Đặc trưng nhận biết của gang cầu
Về mặt cảm quan, gang cầu có bề mặt màu xám sẫm, khá tương đồng với nhiều loại gang thông dụng khác. Tuy nhiên sự khác biệt không nằm ở những gì nhìn thấy bằng mắt thường, mà chỉ được thể hiện rõ khi quan sát dưới kính hiển vi hoặc thông qua các thử nghiệm cơ tính. Đây cũng là lý do vì sao gang cầu thường được đánh giá cao trong các ứng dụng kỹ thuật, nơi chất lượng vật liệu được quyết định bởi cấu trúc bên trong hơn là hình thức bên ngoài
Nhờ cấu trúc graphit hình cầu đặc trưng, gang cầu vừa giữ được ưu điểm của vật liệu đúc như khả năng tạo hình linh hoạt, vừa đạt được các đặc tính cơ học cao, phù hợp cho những chi tiết công nghiệp chịu áp suất, chịu tải trọng và yêu cầu độ an toàn cao, điển hình như thân van gang, nắp van và các bộ phận chính trong hệ thống đường ống gang công nghiệp
2. Gang cầu được chế tạo từ vật liệu gì
Gang cầu không phải là một kim loại “tự nhiên có sẵn”, mà được tạo ra từ gang lỏng thông thường, sau đó trải qua quá trình xử lý đặc biệt để thay đổi cấu trúc của than chì. Nói cách khác, gang cầu được chế tạo từ cùng vật liệu nền với nhiều loại gang khác, nhưng chất lượng cuối cùng lại phụ thuộc hoàn toàn vào phương pháp xử lý và kiểm soát thành phần.
2.1. Thành phần hóa học của gang cầu là gì
Để tạo ra gang cầu đạt yêu cầu kỹ thuật, gang cầu được chế tạo từ hợp kim sắt với nhiều nguyên tố được kiểm soát chặt chẽ về hàm lượng. Mỗi nguyên tố tham gia vào thành phần hóa học đều giữ một vai trò nhất định trong việc hình thành cấu trúc và cơ tính của vật liệu, chứ không được pha trộn một cách ngẫu nhiên.
| Nguyên tố | Hàm lượng (%) | Vai trò trong gang cầu |
|---|---|---|
| Carbon (C) | 3,0 – 3,6 | Tạo nền gang, là nguồn hình thành graphit |
| Silic (Si) | 2,0 – 3,0 | Thúc đẩy graphit hóa, giúp cấu trúc ổn định |
| Magie (Mg) | 0,03 – 0,08 | Biến graphit thành dạng hình cầu |
| Mangan (Mn) | ≤ 1,0 | Tăng độ bền, nhưng cần kiểm soát để tránh giòn |
| Photpho (P) | ≤ 0,05 | Tạp chất, ảnh hưởng xấu đến độ dẻo |
| Lưu huỳnh (S) | ≤ 0,03 | Tạp chất, cần giảm thấp để cầu hóa hiệu quả |
| Sắt (Fe) | 90 – 95 | Nền kim loại chính |
Có thể thấy, gang cầu được chế tạo từ sự kết hợp có kiểm soát của Carbon và Silic để tạo khung vật liệu, trong khi Magie là nguyên tố mang tính quyết định giúp than chì chuyển sang dạng hình cầu. Các nguyên tố như Mn, P, S vẫn tồn tại trong vật liệu, nhưng phải được khống chế nghiêm ngặt để không làm suy giảm cơ tính của gang cầu.
2.2. Quá trình cầu hóa gang cầu là gì
Trong trạng thái ban đầu, khi gang cầu chưa được chế tạo hoàn chỉnh, than chì trong gang lỏng có xu hướng phát triển tự do, tạo thành dạng tấm hoặc vảy. Khi đưa các nguyên tố cầu hóa như Mg hoặc Ce vào gang lỏng, cấu trúc vật liệu bắt đầu thay đổi:
- Các tạp chất bất lợi bị khử
- Hướng kết tinh của graphit bị kiểm soát
- Graphit co gọn lại thành dạng cầu tròn, tách biệt và ổn định
Nhờ quá trình này, gang cầu được chế tạo từ nền kim loại liên tục, không bị chia cắt bởi graphit, giúp vật liệu vẫn duy trì khả năng chịu lực và biến dạng dẻo khi làm việc dưới tải trọng hoặc áp suất.
Sau bước cầu hóa, gang cầu được chế tạo từ gang nền đã xử lý có thể tiếp tục được nhiệt luyện để điều chỉnh tổ chức nền kim loại (ferrit, peclit hoặc ferrit–peclit), qua đó đáp ứng tốt hơn các yêu cầu sử dụng cụ thể trong thực tế.
3. Đặc điểm của gang cầu
Các đặc điểm của gang cầu chủ yếu xuất phát từ quá trình biến tính cầu hóa than chì và cấu trúc graphit hình cầu hình thành trong nền kim loại. Những đặc điểm này được thể hiện rõ cả về tổ chức, cơ tính và hiệu quả sử dụng trong công nghiệp.
3.1 Độ bền kim loại
Sau khi biến tính cầu hóa bằng các nguyên tố như Mg, Ce và các nguyên tố đất hiếm, than chì trong gang không còn phát triển tự do mà kết tinh thành dạng cầu tròn, thu gọn. Nhờ graphit không có cạnh sắc:
- Ít chia cắt nền kim loại, hạn chế hình thành điểm tập trung ứng suất, và nền kim loại vẫn giữ được tính liên tục
- Do đó, gang cầu giữ được 70 – 90% độ bền của nền kim loại, cao hơn nhiều so với các loại gang thông thường và có thể sử dụng thay thế thép trong nhiều ứng dụng
3.2 Độ bền cơ học cao
Nhờ cấu trúc đặc trưng, gang cầu có khả năng chịu được tải trọng kéo và tải trọng làm việc lớn, đáp ứng yêu cầu của nhiều chi tiết cơ khí và kết cấu chịu lực. Cụ thể
- Giới hạn bền kéo (σb): 400 ~ 800 MPa
- Giới hạn chảy (σ0.2): 250 ~ 600 MPa
3.3 Độ dẻo và độ dai vượt trội so với gang thông thường
Không chỉ có độ bền cao, gang cầu còn thể hiện khả năng biến dạng dẻo và hấp thụ năng lượng tốt hơn trước khi phá hủy. Sự cải thiện về độ dẻo và độ dai giúp vật liệu làm việc an toàn hơn, giảm nguy cơ phá hủy giòn trong điều kiện chịu tải và va đập
- Độ giãn dài (δ): 2 ~ 15%
- Độ dai va đập (aK): 300 ~ 600 kJ/m²
3.4 Đặc điểm nhận biết và tính công nghệ
Mặc dù các chỉ tiêu này vẫn thấp hơn thép, nhưng cao hơn rất nhiều so với gang xám, giúp vật liệu làm việc an toàn hơn, ít phá hủy giòn. Về hình thức bên ngoài, gang cầu có màu xám tối tương tự gang xám, nên khó phân biệt bằng mắt thường. Tuy nhiên:
- Các thiết bị hoặc sản phẩm làm từ gang cầu thường có bề mặt lõm nhỏ, xốp nhẹ
- Khi gõ vào, gang cầu phát ra tiếng vang và thanh
- Gang xám thường cho tiếng đục, trầm
Nhờ graphit thu gọn và không tạo đầu nhọn, gang cầu ít làm suy giảm tính chất của nền kim loại, đồng thời vẫn dễ chế tạo bằng phương pháp đúc
4. Tiêu chuẩn gang cầu là gì
Gang cầu hiện nay được sản xuất theo nhiều hệ tiêu chuẩn gang cầu khác nhau trên thế giới, phản ánh trình độ luyện kim và yêu cầu kỹ thuật của từng quốc gia. Mặc dù cách ký hiệu và tên gọi có sự khác biệt, các tiêu chuẩn này đều dựa trên những mục tiêu cốt lõi là định hình tiêu chuẩn gang cầu
Trong phạm vi nội dung bài viết này, chúng tôi tập trung đề cập đến các tiêu chuẩn gang cầu của nhóm nước G7, là những quốc gia có nền công nghiệp luyện kim phát triển và hệ tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi làm cơ sở tham chiếu trên toàn cầu.
| Quốc gia (G7) | Tiêu chuẩn áp dụng | Ký hiệu gang cầu phổ biến | Ghi chú |
|---|---|---|---|
| Hoa Kỳ | ASTM | 60-40-18, 65-45-12, 80-55-06 | Dùng phổ biến trong thiết kế |
| Nhật Bản | JIS | FCD400, FCD450, FCD500, FCD600 | Rất thông dụng tại châu Á |
| Đức | DIN | GGG40, GGG50 GGG60, GGG70 | Chuẩn châu Âu phổ biến |
| Anh | BS | 400/18, 450/10, 500/7, 600/3 | Ký hiệu theo cơ tính |
| Pháp | NF | FGS400-15, FGS500-7, FGS600-3 | Thống nhất hệ EN |
| Ý | UNI | GS500-7, GS600-3, GS700-2 | Phổ biến trong ngành đúc |
| Canada | CSA | G4000, G4500, G5000 | Dùng trong công nghiệp nặng |
| Tiêu chuẩn quốc tế (thêm) | ISO / EN | 400-15, 500-7, 600-3 | Dùng trong tham chiếu quốc tế |
5. Hiệu quả kinh tế của gang cầu
Gang cầu được đánh giá là vật liệu có hiệu quả kinh tế cao trong sản xuất công nghiệp, nhờ khả năng kết hợp hài hòa giữa cơ tính tốt, tính công nghệ cao và chi phí hợp lý. So với nhiều vật liệu kim loại khác, việc sử dụng gang cầu giúp tối ưu đáng kể chi phí chế tạo mà vẫn đảm bảo yêu cầu làm việc của chi tiết công nghiệp
- So với thép hợp kim: Giá thành vật đúc gang cầu thấp hơn khoảng 30 ~ 35%
- So với vật đúc hợp kim màu: Chi phí thấp hơn từ 3 ~ 4 lần
- So với phôi thép rèn: Giá thành rẻ hơn từ 2 ~ 3 lần
6. Ứng dụng của gang cầu là gì
Nhờ hội tụ đồng thời độ bền cơ học cao, khả năng chịu va đập tốt và giá thành hợp lý, gang cầu hiện nay được xem là một trong những vật liệu kim loại có phạm vi ứng dụng rộng nhất trong công nghiệp. Không chỉ thay thế gang xám ở nhiều vị trí quan trọng, gang cầu còn được sử dụng như một giải pháp kinh tế – kỹ thuật hiệu quả cho nhiều chi tiết vốn trước đây phải dùng thép.
6.1 Ứng dụng gang cầu trong ngành cơ khí
Trong ngành cơ khí chế tạo, gang cầu được sử dụng phổ biến để sản xuất các chi tiết vừa phải chịu tải trọng kéo, vừa làm việc dưới điều kiện va đập và rung động liên tục. Các chi tiết cơ khí điển hình sử dụng gang cầu gồm:
- Trục khuỷu, trục truyền động
- Bánh răng, cam, puly
- Vỏ hộp số, thân máy, chi tiết kết cấu chịu lực trung bình
6.2 Vai trò gang cầu là gì trong ngành van
Trong lĩnh vực cấp thoát nước và công nghiệp đường ống, gang cầu giữ vai trò đặc biệt quan trọng, nhất là đối với các thiết bị làm việc dưới áp suất, tải trọng cơ học và điều kiện lắp đặt khắc nghiệt. Vật liệu này được sử dụng rộng rãi để chế tạo:
- Thân van (van cổng, van bướm, van một chiều…)
- Mặt bích, phụ kiện nối ống
- Ống gang cầu và khớp nối
Thực tế, nhiều dòng sản phẩm và thiết bị như van bướm Shinyi, khớp nối Shinyi, trụ cứu hỏa Shinyi,… đều sử dụng gang cầu cho thân và các bộ phận chịu lực chính, nhằm đảm bảo độ bền, độ kín và tuổi thọ lâu dài trong quá trình vận hành.
6.3 Gang cầu trong hạ tầng và công nghiệp nặng
Ngoài cơ khí và ngành van, gang cầu còn được sử dụng rộng rãi trong các công trình hạ tầng và công nghiệp nặng, nơi yêu cầu vật liệu có khả năng chịu tải lặp, chống va đập và làm việc ổn định trong thời gian dài. Các ứng dụng tiêu biểu có thể kể đến:
- Nắp hố ga, song chắn rác
- Bệ máy, khung đỡ thiết bị
- Chi tiết đúc kích thước lớn trong nhà máy, khu công nghiệp
Ở những ứng dụng này, gang cầu phát huy rõ lợi thế về độ bền lâu dài, độ tin cậy khi vận hành và hiệu quả kinh tế, đặc biệt phù hợp với các công trình quy mô lớn và yêu cầu tuổi thọ cao
6.4 Ứng dụng gang cầu là gì trong đời sống
Bên cạnh các ứng dụng công nghiệp, gang cầu còn được sử dụng trong nhiều đồ dùng gia dụng, đặc biệt là các sản phẩm yêu cầu độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt và tích nhiệt ổn định. Trong đời sống, gang cầu thường xuất hiện dưới dạng các dụng cụ nấu nướng. Tiêu biểu nhất có thể kể đến:
- Chảo gang, nồi gang dùng trong gia đình và nhà hàng
- Một số loại bếp, kiềng bếp, tấm đỡ chịu nhiệt
- Chi tiết kim loại trong thiết bị dân dụng cần chịu lực và nhiệt
7. Gang cầu có bị gỉ không
Gang cầu có thể bị gỉ, vì bản chất vẫn là vật liệu nền sắt (Fe). Khi tiếp xúc trực tiếp với nước, không khí ẩm hoặc môi trường ăn mòn, bề mặt gang cầu sẽ xảy ra quá trình oxy hóa giống như các loại thép và gang khác. Tuy nhiên, trong thực tế sử dụng, gang cầu hiếm khi làm việc ở trạng thái trần. Các sản phẩm từ gang cầu, đặc biệt là trong ngành van và đường ống, thường được:
- Sơn Epoxy
- Phủ FBE (Fusion Bonded Epoxy)
- Mạ kẽm hoặc phủ lớp bảo vệ chuyên dụng
Nhờ các lớp bảo vệ này, khả năng chống ăn mòn của gang cầu được cải thiện rõ rệt, giúp thiết bị làm việc ổn định trong thời gian dài, kể cả trong môi trường ẩm ướt.
8. Vì sao hệ thống nước thải thường dùng gang cầu
Không chỉ phổ biến trong hệ thống nước sạch, gang cầu còn được sử dụng rất rộng rãi trong hệ thống thoát nước và xử lý nước thải – nơi điều kiện làm việc thường khắc nghiệt hơn, áp lực cơ học lớn và môi trường có tính ăn mòn cao.
- Trước hết, hệ thống nước thải thường chịu tải trọng bên ngoài lớn do chôn ngầm dưới đường giao thông hoặc khu công nghiệp. Với độ bền kéo và độ dai va đập cao, gang cầu giúp đường ống, thân van và phụ kiện ít nứt vỡ hơn khi chịu rung động, sụt lún hoặc tải trọng xe cộ phía trên
- Bên cạnh đó, môi trường nước thải thường chứa hóa chất, bùn cặn và khí ăn mòn, dễ làm suy giảm tuổi thọ vật liệu. Gang cầu, khi được phủ lớp epoxy, bitum hoặc lớp bảo vệ chuyên dụng, có khả năng chống ăn mòn tốt và làm việc ổn định trong thời gian dài, phù hợp với các công trình yêu cầu tuổi thọ cao và ít bảo trì
- Ngoài ra, so với thép hoặc inox, gang cầu mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt. Giá thành hợp lý, khả năng đúc các chi tiết kích thước lớn và độ tin cậy cao giúp gang cầu trở thành lựa chọn tối ưu cho ống thoát nước, van chặn, van cổng, khớp nối trong các hệ thống nước thải đô thị và công nghiệp
Tác giả SYV của ShinYiValve là nhóm tác giả gồm những kỹ sư chuyên ngành valve (van), am hiểu về vật liệu - tiêu chuẩn valve và ống - đồng thời là những người từng thiết kế và thi công các hệ thống đường ống, đặc biệt là hệ thống cấp thoát nước
