چدن چیست، آشنایی با انواع، مشخصات و کاربردهای آن

چدن (Cast iron) هم مانند فولاد، یکی از انواع آلیاژهای آهنی و درواقع، نوعی آلیاژ آهن – کربن است که بیش از دو درصد کربن دارد. بجز کربن، سیلیسیم نیز از عناصر اصلی تشکیل دهنده این نوع آلیاژ است.

حضور مقادیر بالای کربن در چدن موجب شده تا این آلیاژ، نسبت به فولاد، شکننده‌تر باشد و نتوان در دمای محیط آن را تحت عملیات شکل‌دهی مانند نورد، کشش و آهنگری قرار داد.

تا پیش از قرن بیستم، به دلیل استحکام بالای چدن، این فلز به عنوان یکی از مهم‌ترین مصالح در ساخت و سازها مورد استفاده قرار می‌گرفت تا اینکه کم کم فولاد جایگزین آن در این کاربردها شد. اما در برخی صنایع، خصوصا در صنعت خودروسازی، هنوز هم این آلیاژ، جایگزین مناسب خود را پیدا نکرده است.

کربن موجود در چدن ها به دو صورت کلی گرافیت (کربن آزاد) و سمانتیت (کاربید آهن) رسوب می‌کند. سمانتیت و گرافیت بودن کربن و حتی شکل آن‌ها که مثلا کروی باشد و یا تیغه‌ای، تعیین‌کننده نوع چدن بوده و تاثیر بسزایی در خواص نهایی و کاربرد آن خواهد داشت.

در این مطلب از وبلاگ آیرومارت سعی داریم درباره چدن، مشخصات و انواع مختلف آن اطلاعات جامعی را در اختیارتان قرار دهیم. پس با ما همراه باشید.

قابلیت ریخته گری چدن ها

بهترین روش برای تولید قطعات چدنی، ریخته گری است. گرچه این فلز قابلیت نورد، آهنگری و شکل دهی خیلی خوبی ندارد و ضعیف عمل می‌کند، اما درمقابل، قابلیت ریخته‌گری بسیار خوبی دارد. مهم‌ترین ویژگی‌های چدن که موجب شده تا بسیارمورد توجه ریخته‌گران قرار گیرد، شامل موارد زیر می‌شود:

• در ترکیب چدن اغلب ۲ تا ۴ درصد کربن، ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم و اندکی منگنز وجود دارد. درصد بالای کربن و سیلیسیم، در بالا بردن سیالیت و درنتیجه بهبود قابلیت ریخته‌گری آن، تاثیر بسزایی داشته است.
• نقطه ذوب چدن (حدود ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد) درمقایسه با فولاد، کمتر است و همین موضوع سبب شده تا هم سیالیت بسیار خوبی را برای مذاب چدن ایجاد کند و هم واکنش‌پذیری آن با عوامل محیطی در حین ریخته‌گری، کمتر باشد.
• رسوب کربن به صورت گرافیت در چدن‌ها، انقباض ناشی از انجماد فلز را جبران می‌کند. همین موضوع سبب شده تا قطعات چدنی تولید شده از ریخته‌گری، به ابعاد نهایی نزدیک‌تر باشند.

تمامی عواملی که در بالا توضیح داده شد، امکان تولید قطعات نازک و با اشکال پیچیده را از طریق ریخته‌گری چدن، امکان‌پذیر می‌کند.

انواع چدن

کلی‌ترین دسته‌بندی چدن ‌ها براساس ترکیب شیمیایی آن‌هاست که از این نظر می‌توان دو دسته کلی چدن آلیاژی و غیرآلیاژی را تعریف کرد. چدن های غیرآلیاژی اغلب کاربردهای متداول دارند اما چدن های آلیاژی به دلیل خواص خوبی که ارائه می‌دهند، در کاربردهای مهندسی و صنعتی خاص، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

چدن غیرآلیاژی

چدن های غیرآلیاژی که طیف وسیعی از این آلیاژ را دربرمی‌گیرند، خود شامل پنج گروه زیر می‌شوند:

• چدن سفید
• چدن خاکستری
• چدن چکش خوار
• چدن داکتیل
• چدن گرافیت فشرده

تفاوت عمده این پنج دسته، مربوط به شکل کربنی است که در آن‌ها رسوب می‌کند. در ادامه به طور مفصل درباره مشخصات هرکدام توضیح داده خواهد شد.

چدن سفید (White Cast Iron)

تمام کربن موجود در ترکیب این چدن، به صوvت سمانتیت وجود دارند. دلیل ایجاد این ریزساختار نیز مقدار کم کربن در ترکیب آلیاژ نسبت به سایر انواع چدن‌ها و سرعت سرمایش کمتر در ریخته‌گری آن است.

سرعت سرمایش بالا درواقع به کربن اجازه نمی‌دهد تا به صورت آزاد و یا گرافیت در ریزساختار ظاهر شود و به همین دلیل عمدتا به صورت سمانتیت حضور دارد.

دلیل نامگذاری چدن سفید، به سفید بودن سطح مقطع شکست آن مربوط می‌شود. برخی مشخصات مهم چدن سفید عبارتند از:

• در مقایسه با سایر انواع چدن، قابلیت ریخته‌گری خیلی خوبی ندارد. چراکه دمای ذوب آن بالاتر و مقدار کربن آن کمتر است.
• حضور مقدار بالای سمانتیت در ترکیب این چدن سبب شده تا سخت، شکننده و مقاوم به سایش باشد.
• ماشینکاری آن بسیار دشوار است.

این چدن در مواردی که مقاومت به سایش بسیار مهم است و به انعطاف پذیری نیاز نیست، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ازجمله کاربردهای آن می‌توان به دیواره مخلوط کن سیمان، آسیاهای گلوله‌ای و برخی از قالب‌های کشش اشاره کرد. البته مقدار زیادی از این چدن نیز برای تولید چدن چکش خوار به‌کار می‌رود.

چدن خاکستری ( (Gray Cast Iron)

این گروه از چدن ها، در دسته پرمصرف‌ترین آلیاژهای آهنی قرار دارند. مقدار کربن در ترکیب چدن خاکستری معمولا بین ۲.۵ تا ۴ درصد بوده و به شکل صفحات نامنظم و اغلب کشیده گرافیت در ریزساختار رسوب می‌کنند. صفحات گرافیت، مشخصه اصلی خاکستری بودن سطح مقطع شکست این چدن و نیز دلیل نامگذاری آن است.

از مشخصات چدن خاکستری می‌توان به مواردی چون مقاومت به سایش، جذب ارتعاش، ارزان قیمت بودن و قابلیت ماشینکاری خوب اشاره کرد.

چدن داکتیل

این نوع چدن با نام چدن با گرافیت کروی یا چدن نشکن نیز شناخته می‌شود. ویژگی برجسته چدن داکتیل، شکل کروی گرافیت‌های موجود در ریزساختار آن است که موجب می‌شود تا نسبت به چدن خاکستری با گرافیت‌های تیغه‌ای، استحکام و نرمی بیشتری داشته باشد.

کروی شدن گرافیت‌ها در این چدن، حین انجماد رخ می‌دهد و نیازی به عملیات حرارتی نیست. درواقع، حضور برخی عناصر آلیاژی مانند سدیم و منیزیم، موجب ایجاد این ریزساختار می‌شوند.

البته که کروی کردن ساختار چدن با عملیات حرارتی نیز ممکن است و در برخی موارد، چدن با زمینه پرلیتی را با عملیات حرارتی به چدنی با گرافیت کروی در زمینه فریتی تبدیل می‌کنند.

چدن داکتیل به دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر نسبت به سایر انواع این آلیاژ، می‌تواند جایگزین خوبی برای فولاد در بسیاری کاربردها باشد.

چدن چکش خوار (Malleable cast iron)

چدن چکش خوار که به آن چدن مالیبل نیز گفته می‌شود، از چدن خاکستری مستحکم‌تر و در عین حال، نرم‌تر است. این چدن ها به طور گسترده در خودروسازی، ساخت ابزارهای کشاورزی، راه آهن، جرثقیل‌سازی، تولید انواع اتصالات و چرخ های صنعتی کاربرد دارند.

برای تولید چدن چکش‌خوار، چدن سفید را تحت عملیات حرارتی آنیل قرار می‌دهند. به این‌صورت که چدن سفید را تا محدوده دمایی ۹۰۰-۱۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم می‌کنند تا سمانتیت موجود در ریزساختار تجزیه شده و به صورت گرافیت‌های برفی شکل رسوب می‌کند.

چدن چکش‌خوار ، خواصی مانند چدن داکتیل دارد و انتخاب بین آن‌ها، باید متناسب با بودجه‌ای که در نظر گرفته شده صورت گیرد.

چدن با گرافیت فشرده (Compacted Graphite Cast Iron)

چدن با گرافیت فشرده، گرافیت‌های لایه‌ای مانند چدن خاکستری، اما درشت‌تر و تا حدی کروی‌تر از آن دارد که به اصطلاح، گرافیت کرمی شکل نامیده می‌شود.

همین ریزساختار سبب شده تا مقدار شکل‌پذیری و داکتیلیتی آن، بالاتر از چدن خاکستری و کمتر از چدن نشکن باشد. اما اگر ازنظر استحکام بخواهیم آن‌ها را مقایسه کنیم، باید گفت که از چدن خاکستری مستحکم‌تر است.

چدن با گرافیت کروی در مواردی چون ساخت قاب‌های موتور دیزل، دیسک ترمز برای قطار، ساخت پمپ‌های فشار قوی کاربرد دارد.

چدن آلیاژی

چدن آلیاژی دارای یک یا چند عنصر افزودنی است. مقدار و تعداد این عناصر به خواصی بستگی دارد که می‌خواهیم در چدن ایجاد شود. اغلب به منظور افزایش مقاومت به خوردگی، بهبود خواص مکانیکی، مقاومت به حرارت، سایش و …، این عناصر به چدن اضافه می‌شوند. به عنوان مثال؛ افزودن مقدار کمی کروم به چدن موجب افزایش استحکام، سختی، مقاومت به سایش و گرما می‌شود. هرچند که قابلیت ماشینکاری را کاهش می‌دهد.

متداول‌ترین عناصری که می‌توان به ترکیب چدن اضافه کرد، شامل موارد زیر می‌شود:

• کروم
• مس
• مولیبدن
• نیکل
• وانادیوم

هرکدام از این عناصر، خواص منحصربه‌فردی را به چدن اضافه می‌کنند. در ادامه یکی از پرکاربردترین انواع چدن آلیاژی را معرفی خواهیم کرد.

چدن چکش خوار آلیاژی

با افزودن عناصر آلیاژی، چدن های چکش خوار تولید می‌شوند که خواص آن‌ها نسبت به نوع چکش خوار معمولی بهبود می‌یابد.

از متداول‌ترین این آلیاژها می‌توان به چدن چکش خوار مس دار و مس- مولیبدن دار اشاره کرد. افزودن مس به ترکیب چدن، استحکام کششی، استحکام تسلیم، سختی و همچنین مقاومت به خورگی را افزایش می‌دهد و اندکی از نرمی می‌کاهد. اما با اضافه کردن همزمان مس و مولیبدن، چدن چکش خوار مقاوم در مقابل خوردگی و با خواص مکانیکی عالی تولید خواهد شد.

ترکیب شیمیایی انواع چدن ها

همانطور که پیش از این نیز گفتیم، مهم‌ترین عناصر موجود در چدن شامل آهن، کربن و سیلیسیم می‌شود. اما این آلیاژ که معمولا از احیای سنگ آهن در کوره بلند تولید می‌شود علاوه بر این عناصر، ناخالصی‌هایی مانند گوگرد، فسفر، نیکل، منگنز، مس، نیکل و کروم را نیز در ترکیب خود دارد.

در جدول زیر، ترکیب شیمیایی انواع چدن غیرآلیاژی آورده شده است:

قابلیت جوشکاری چدن

چدن ها قابلیت جوشکاری بسیار کمتری نسبت به فولادها دارند. درواقع چدن های سفید و آلیاژی پرکروم را نباید اصلا جوشکاری کرد. معمولا به دلایل مختلفی همچون:

• قیمت پایین چدن
• جوشکاری سخت آلیاژهای چدنی
• هزینه بالای جوشکاری

قطعات ساخته شده با چدن را به روش جوشکاری تعمیر نمی‌کنند. البته قطعات بزرگ چدنی را با رعایت نکات جوشکاری می‌توان تعمیر کرد و نتیجه مطلوبی گرفت.

عملیات حرارتی چدن ها

بسیاری از فرایندهای عملیات حرارتی بر روی چدن‌ها قابل انجام‌اند. روش‌های مثل:

• آنیلینگ
• نرماله کردن
• تنش گیری
• کوئنچ تمپر
• آستمپرینگ
• مارتمپرینگ

هرکدام از این فرایندها کمک می‌کنند تا خواص فلز بهبود یابد و کاربردهای گسترده‌تری پیدا کند. با مراجعه به مقاله عملیات حرارتی، می‌توانید درباره جزئیات هرکدام از روش‌ها اطلاعات بیشتری کسب کنید.

مقاومت به خوردگی چدن ها

حضور مقدار بالای سیلیسم در ترکیب چدن موجب شده تا یک پوسته اکسیدی روی آن تشکیل شود و از اکسید شدن لایه‌های زیرین جلوگیری کند. به همین دلیل گاها می‌بینیم که چدن‌های معمولی، در محیط‌های آبی و حتی اسیدی با درصد خورندگی کم، کاربرد دارند. اما اگر محیط درصد خورندگی بالایی داشته باشد، بهتر است از چدن های آلیاژی که برای این ویژگی بهینه شده‌اند، استفاده ‌شود.

خواص مکانیکی چدن

چدن نیز مانند فولاد، خواص مکانیکی بسیار خوبی دارد. از ویژگی‌های برجسته این آلیاژ، قدرت تحمل فشار بالای آن است. همین ویژگی سبب شده تا با وجود استحکام کششی پایین و شکننده بودن، در صنایع مختلف مانند خودروسازی موفق عمل کند.

قابلیت جذب ارتعاش چدن ها و فواید آن

یکی از خواص بسیار خوب چدن ها، قابلیت جذب ارتعاش یا لرزش است. چدن های خاکستری بیشترین جذب ارتعاش را می‌توانند داشته باشند که مقدار آن، حدود ۱ تا ۶۰ برابر فولاد کربنی برآورد شده است. بعد از چدن خاکستری، انواع چکش خوار و داکتیل، در رتبه‌های پایین‌تر جذب ارتعاش قرار دارند.

کاربرد چدن در صنایع مختلف

چدن را می‌توان بعد از فولادهایی که برای ساخت انواع مقاطع مانند میلگرد، تیرآهن، نبشی و … مورد استفاده قرار می‌گیرد، فلز آهنی پرکاربردی دانست. درواقع هرجایی که نیاز به مقاومت به سایش و سختی بالا باشد، اغلب ردپایی از چدن نیز دیده می‌شود. برخی کاربردهای مهم چدن، استفاده از آن در ساخت اقلام زیر است:

• سرسیلندر، پیستون، گیربکس و بلوک موتور
• بدنه ماشین تراش
• قطعات پمپ
• غلتک‌های نورد
• قالب شمش ریزی
• انواع لوله، شیرآلات و اتصالات
• دیسک ترمز
• چرخ دنده
• زنجیر
• وسایل آشپزخانه
• انواع شفت و میله
• ساخت تجهیزات کشاورزی و تراکتور
• میل لنگ خودرو
• چرخ‌های بالابر در معادن
• درب کوره
• ساخت ابزار و قالب‌های شکل دهی فلزات
• لولاهای درب خودرو

جمع بندی

در این مقاله، درباره اینکه چدن چیست، انواع و کاربردهای آن، به‌طور کامل صحبت کردیم. گرچه چدن های معمولی ترد و شکننده‌اند و استحکام آن‌ها اغلب از فولادها کمتر است، اما ارزان‌ترند، ریخته گری آن‌ها ساده تر از فولادهاست. بنابراین می‌توان با آلیاژسازی مناسب، کنترل فرایند ریخته گری و انجام عملیات حرارتی، به طیف گسترده‌ای از خواص، برای آن‌ها دست یافت. امروزه این فرایند با پیشرفت صنعت ریخته‌گری، آسان‌تر نیز شده است.

تمامی مزایایی که در بالا برشمردیم، چدن را به یکی از پرکاربردترین آلیاژهای آهنی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. چنانچه به اطلاعات بیشتری دررابطه با انواع فولاد و چدن نیاز داشتید، وبلاگ آیرومارت می‌تواند مرجع بسیار خوبی برای شما باشد. همچنین شما در وبسایت آیرومارت می‌توانید اطلاعات بسیار کاملی را درباره انواع مقاطع فولادی و استیل و قیمت روز آن‌ها در بازار کسب کنید.

سوالاتتان را در چت آنلاین سایت بپرسید و یا با شماره ۴۵۳۰۶-۰۲۱ تماس بگیرید، کارشناسان فروش آیرومارت، بهترین مشاوره‌های فنی را در اختیار شما قرار خواهند داد.