چدن

چدن چیست ؟

چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲٫۱ الی ۶٫۲ درصد کربن داشته باشند، گفته می‌شود.

رنگ مقطع شکست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به کار می‌رود و بیش از ۹۵ درصد وزن آن را آهن تشکیل می‌دهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند.

به‌طور معمول بین ۲٫۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه‌گانه شناخته می‌شود.

با این وجود، انجماد آن از روی دیاگرام فازی دوتایی آهن-کربن بررسی می‌شود.

جایی که نقطه یوتکتیک در دمای ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و ۴٫۳ درصد کربن اتفاق می‌افتد که حدود ۳۰۰ درجه کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است.

چدنها، به استثنا نوع داکتیل، ترد هستند و به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت، قابلیت ریخته‌گری، ماشین کاری، تغییرشکل ناپذیری و مقاومت به سایش به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از کاربرد تبدیل شده و در تولید لوله‌ها، ماشینها، قطعات صنعت خودرو مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و جعبه دنده به کار می‌روند.

همچنین به تضعیف و تخریب ناشی از اکسایش(خوردگی) مقاوم است.

انواع چُدَن

کربن در چدن ها ممکن است به صورت آزاد یا به شکل گرافیت وجود داشته باشد.

انواع گوناگون چُدَن را میتوان بر اساس ریز ساختار دسته بندی کرد. این دسته بندی بر شکل عمده کربن موجود در چُدَن مبتنی است. بر این اساس انواع چُدَن به شرح زیر می باشد:

۱-چُدَن سفید
۲- چُدَن خاکستری
۳- چُدَن خالدار (مجموعه چدن سفید و خاکستری)
۴-چُدَن چکش خوار (مالیبل)
۵-چُدَن نشکن (داکتیل )
۶-چُدَن با گرافیت فشرده
۷-چدن آلیاژی

چُدَن سفید (WHITE CAST IRON)

چُدَن سفید از میزان کربن کمتر و سرعت سرد کردن بیشتر حاصل می شود.

هنگامیکه ترکیب شیمیایی چدن مناسب باشد یا آهنگ سرمایش آن در حین انجماد به اندازه کافی تند باشد چُدَن به گونه ای منجمد می شود که همه کربن موجود در آن با آهن بصورت کاربید آهن ترکیب می شود.

این ترکیب که سمنتیت نیز نامیده می شود سخت و ترد است و ترکیب غالب در ریز ساختار چدن سفید محسوب می شود.

بنابراین چُدَن سفید سخت و ترد و مقطع شکست آن سفید و بلورین است زیرا اساسا گرافیت ندارد. استحکام فشاری چُدَن سفید بسیار زیاد و مقاومت آن در برابر سایش عالی است.

این نوع چُدَن در حالت گداخته سختی خود را تا مدت محدودی حفظ میکند. قابلیت ریخته گری چدن سفید به خوبی چدن های دیگر نیست زیرا دمای انجماد آن بالاتر است و کربنی که بصورت کاربید آهنی است منجمد می شود.

حفظ سختی این چدن ها تا دمای بالا از مزیت های آنها می باشد.

چُدَن خالدار

اگر میزان سرعت سرد کردن و ترکیب شیمیایی مناسب نباشد و مقداری کربن بصورت آزاد یا گرافیت ظاهر شود چُدَن به صورت خالدار ظاهر میشود. سطح شکست این گونه چُدَن خالدار است.

معمولا در سرعت سرد کردن متوسط و ترکیب شیمیایی بین چدن خاکستری و چُدَن سفید چنین چدنی بوجود می آید.

چُدَن خاکستری (GREY CAST IRON)

چدن خاکستری ریز ساختار گرافیتی خاصی دارد که باعث می شود مقطع شکست آن به رنگ خاکستری باشد.

در این گونه تمامی یا قسمت اعظم کربن بصورت آزاد (گرافیت) رسوب میکند. از نظر وزنی رایج ترین نوع و پرکاربردترین ماده ریخته گری محسوب میشود. چدن خاکستری عمدتا حاوی ۲/۵ تا ۴ درصد کربن/ ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم و مابقی آهن است.

این نوع استحکام کششی و مقاومت به شوک کمتری نسبت به فولاد دارد اما از نظر استحکام فشاری با فولاد کربنی کم و میان کربن قابل مقایسه است.

علت اصلی گسترش روزافزون استفاده از چدن های خاکستری در مقایسه با سایر چدن ها را میتوان سادگی در تولید / قیمت ارزانتر/ سیالیت خوب / کمتر بودن مسائل و مشکلات ناشی از تغذیه / سهولت در ماشین کاری / هدایت حرارتی بالا / مقاومت سایشی خوب / مقاومت به خوردگی سایشی / خود روانکاری و قدرت جذب ارتعاش عالی دانست.

چدن چکش خوار یا مالیبل (MALEABLE CAST IRON)

چدن های مالیبل چدن هایی هستند که دارای قابلیت چکش خواری / خم شوندگی و استحکامی در حدود فولادهای ساده کربنی هستند از طریق انجام عملیات حرارتی روی چدن سفید تهیه میشوند.

به این صورت که چدن سفید تا درجه حرارت ۹۰۰درجه سانتی گراد حرارت داده می شود تا کاربید آهن به کربن و آهن تجزیه شده و ذرات گرافیت بصورت شبه کروی به دور یکدیگر تجمع می کنند.

تبدیل کاربید آهن به گرافیت شبه کروی دلیل اصلی تغییر چدن سفید به چدنی چکش خوار با خواص مکانیکی اصلاح شده است و در نهایت چدن سفید که سخت و شکننده است چدنی چکش خوار با سختی پایین تر و قابلیت ماشین کاری خوب بدست می آید.

چدن مالیبل دارای استحکام و قابلیت انعطاف بیشتری از چدن های خاکستری است و همچنین دارای ساختاری یکنواخت و در نتیجه قابلیت ماشین کاری خوب می باشد.

چُدَن چکش خوار را می توان با کیفیت سطحی خوب ماشینکاری کرد این نوع چدن دارای مقاومت سایشی خوب و توانایی عالی برای سخت شدن سطحی یا عمقی با شعله یا روش القایی نیز می باشد.

چُدَن داکتیل یا نشکن (DUCTILE CAST IRON)

چدن های نشکن یا چُدَن های با گرافیت کروی (SG) خانواده ای از چُدَن ها هستند و همانطور که از اسمشان پیداست شکل گرافیت در آنها کروی است.

همین کروی بودن گرافیت ها باعث افزایش استحکام و چقرمگی در مقایسه با چدن های با گرافیت ورقه ای می گردد. اصولا چُدَن نشکن با افزودن با افزودن منیزیم (Mg) در چدن مذاب تولید می شود.

ترکیب شیمیایی چدن نشکن شبیه به چدن خاکستری است اما مقدار گوگرد و فسفر آن کمتر است.

از خواص چدن داکتیل میتوان نقطه ذوب پایین / ریخته گری مناسب / ماشینکاری عالی / مقاومت سایشی خوب / شکل پذیری مطلوب را نام برد و برعکس چدن چکش خوار میتوان آنها را با ضخامت های مختلف (نازک و ضخیم ) ریخته گری کرد این نوع چُدَن بعد از چُدَن خاکستری بیشترین مصرف را در میان انواع چدنها دارد.

چدن با گرافیت فشرده

گرافیت موجود در این نوع به صورت پولک های کلفت دیده می شود که در درون هر سلول به یکدیگر متصل اند.

این ساختار گرافیت و خواص ناشی از آن حالتی بینابین چُدَن خاکستری و داکتیل است. شکل گرافیت فشرده مدت هاست که شناخته

شده و آن را شبه پولک / پولک متراکم / شبه کروی و گرافیت کرم مانند نیز می نامند.

فرایند تولید این نوع چدن مشابه چدن داکتیل و مستلزم کنترل دقیق متالوژیکی و افزودن عناصر خاکی کمیاب است اما تولید چُدَن با گرافیت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلیاژی دیگری از قبیل تیتانیوم نیز هست تا تشکیل گرافیت کروی به حداقل برسد.

چُدَن با گرافیت فشرده بیشترین قابلیت ریخته گری چُدَن خاکستری را حفظ می کند و استحکام کششی بیشتری دارد و تا حدودی نیز داکتیل است. با افزودن عنصرهای آلیاژی یا انجام عملیات گرمایی می توان ساختار زمینه این چدن را تنظیم کرد.

چدن های آلیاژی

این دسته شامل سفید آلیاژی /  خاکستری آلیاژی / و چدن های داکتیل آلیاژی است.

چکش خوار پر آلیاژ نمی شوند زیرا وجود عناصر آلیاژی مانع از انجام فرایند چکش خواری می شود.

چدن های با گرافیت فشرده هنوز عمر چندانی ندارند و نمی توان نقش آنها را در عرصه چدن های آلیاژی ارزیابی کرد.

چُدَن های آلیاژی در مواردی که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سایش / گرما یا خوردگی است بکار می روند.

بعلاوه هنگامی که خواص فیزیکی غیر متعارف از قبیل انبساط گرمایی اندک یا خواص غیر مغناطیسی در نظر باشد از این چدن ها استفاده می شود.

قطعات ریختگی چدن آلیاژی بوسیله ریخته گری هایی تولید می شوند که در این زمینه تخصص دارند زیرا افزودن ۳ تا ۳۰درصد عنصر آلیاژی به چدن مذاب مستلزم در اختیار داشتن تجهیزات ذوب / فنون ریخته گری / و کنترل کیفیت ویژه است.

شناسایی و تعیین خواص ویژه مورد نیاز در چدن های آلیاژی غالبا بسیار دشوار است بنابراین همواره آنها را بر اساس ترکیب شیمیایی مشخص می کنند.

خواص مکانیکی موردنظر را نیز در مواردی که اهمیت داشته باشند میتوان مشخص کرد.

چدن های آلیاژی را بر اساس نوع کاربرد غیر متعارف و مشخصه های ویژه آنها دسته بندی می کنند.