Gang
Ảnh hưởng của các nguyên tố

Tính chất của gang được thay đổi bằng cách thêm các nguyên tố cấu tử hợp kim khác. Ngoài carbon, silic (Si) là hợp kim quan trọng nhất vì nó đẩy carbon ra khỏi dung dịch rắn. Tỉ lệ silic thấp giúp cho phép carbon tồn tại trong dung dịch hợp kim, tạo thành cementit để sản xuất gang trắng. Tỉ lệ silic cao sẽ đẩy carbon ra khỏi dung dịch, tạo thành graphit tự do và từ đó tạo ra gang graphit như gang xám.
Tùy vào tính tương tác với carbon, có thể chia các nguyên tố hợp kim thành hai nhóm: nhóm graphit-hóa và nhóm cementit-hóa. Nhóm nguyên tố graphit hóa, bao gồm silic, nhôm, niken, đồng..., làm phá cấu trúc cementit, tách carbon khỏi dung dịch rắn hợp kim, và tạo tinh thể graphit. Còn nhóm nguyên tố cementit hóa, bao gồm mangan, crom, molypden, wolfram, titan và vanadi, không tương thích với silic, giúp hỗ trợ giữ carbon trong dung dịch và tạo cấu trúc cementit.
Phosphor (P) và lưu huỳnh (S) là hai nguyên tố có sẵn dưới dạng tạp chất trong quặng sắt hoặc gang thô (pig iron). Phosphor (P) tăng tính chảy loãng cho gang. Trong cấu trúc gang xám, phosphor hình thành pha phosphide độ nóng chảy thấp, thường được gọi là steadite. Ở nồng độ cao hơn, phosphor sẽ thúc đẩy tính rỗng co ngót. Lưu huỳnh (S), phần lớn từ tạp chất, tạo thành sulfide sắt (FeS), ngăn chặn sự graphit hóa và tăng độ cứng. Nồng độ tối ưu của lưu huỳnh được kiểm soát trong khoảng 0,05 đến 0,12% khối lượng.
Tuy nhiên, lưu huỳnh gây ra vấn đề khi làm dung dịch gang nóng chảy trở nên sệt hơn, gây ra lỗi trong sản phẩm cuối cùng. Để chống lại tác dụng của lưu huỳnh, mangan (Mn) được thêm vào vì hai nguyên tố này sẽ kết hợp tạo thành mangan sulfide (MnS) thay vì sắt sulfide (FeS). Sắt sulfide vốn chỉ hình thành ở biên cấu trúc, trong khi mangan sulfide sẽ phân tán đều trong cấu trúc gang. Lượng mangan cần thiết để trung hòa lưu huỳnh bằng 1,7 × hàm lượng lưu huỳnh + 0,3% [Công thức: %Mn = 1,7(%S) + 0,3%]. Nếu lượng mangan quá nhiều, sẽ tạo thành mangan carbide (MnC), làm tăng độ cứng và sự làm nguội nhanh, với ngoại lệ là gang xám, vì gang xám với hàm lượng mangan 1% giúp tăng độ bền và khối lượng riêng.
Niken (Ni) và đồng (Cu) giúp tăng độ bền và tính gia công, nhưng không làm thay đổi lượng graphit hình thành. carbon ở dạng graphit tạo ra một loại hợp kim sắt mềm hơn, giảm độ co ngót, giảm độ bền và giảm khối lượng riêng. Niken là một trong những nguyên tố hợp kim phổ biến nhất trong công nghệ sản xuất gang vì nó tinh chỉnh cấu trúc peclit và graphit, cải thiện độ cứng. Crom (Cr) được thêm vào với số lượng nhỏ để giảm graphit tự do, làm nguội nhanh và vì đây là chất ổn định cementit mạnh. Một lượng nhỏ thiếc (Sn) có thể được thêm vào để thay thế cho 0,5% crom. Đồng (Cu) được thêm vào trong gàu múc hoặc trong lò, với mức 0,5 - 2,5%, để giảm độ lạnh, tinh chế graphit và tăng tính chảy loãng. Molypden (Mo) được thêm vào theo thứ tự 0,3 - 1% để tăng độ lạnh và tinh chỉnh cấu trúc peclit và graphit; nó thường được thêm vào cùng với niken, đồng và crôm để tạo thành gang có độ bền cao. Titan (Ti) được thêm vào như một chất khử oxy trong hợp kim, đồng thời cũng làm tăng tính chảy loãng. Vanadi (V), nồng độ từ 0,15 đến 0,5%, được thêm vào gang để ổn định cementit, tăng độ cứng, tăng khả năng chịu mài mòn và chịu nhiệt. Zirconi (Zr), nồng độ từ 0,1 đến 0,3%, giúp graphit hóa, khử oxy trong hợp kim, và tăng tính chảy loãng.
Trong dung dịch gang dẻo khi nung nóng chảy, bismuth (Bi) được thêm vào, hàm lượng 0.002 – 0.01%, để tăng lượng silic có thể được thêm vào. Trong gang trắng, boron (Bo) được thêm vào để hỗ trợ việc sản xuất gang dẻo; nó cũng làm giảm hiệu ứng thô của bismuth.