حضور آهن در زندگی روزمره انسان ها به ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد برمی گردد. از آن زمان تاکنون آهن در طیف وسیعی از مصارف، از ادوات کشاورزی گرفته تا سلاح های جنگی استفاده می شود. یکی از پر کاربردترین آلیاژهای آهن در صنایع گوناگون، چدن نام دارد. چدن، در واقع عضوی از خانواده آلیاژهای آهنی است که با ترکیب عناصر مختلف با عنصر آهن تولید می شود. در این مقاله قصد داریم شما را با انواع و مزایای چدن آشنا کنیم. با آهن ملل همراه باشید.
چدن چیست؟
یکی از آلیاژهای پرکاربرد در انواع آلیاژهای آهنی، چدن می باشد. اصلی ترین عناصر تشکیل دهنده چدن، عموماً آهن، کربن و سیلیسیم هستند؛ ولی عناصر دیگری مثل فسفر، گوگرد و منگنز نیز ممکن است در این آلیاژ استفاده شود. چدن انواع مختلفی دارد و در شکل ها و انواع متفاوت تولید و عرضه می شود. هر یک از انواع چدن مانند چدن سفید، خاکستری، نشکن، چکش خوار و گرافیت فشرده، دارای خصوصیات و ویژگی های منحصر به فردی می باشد.
چدن در صنعت ساختمان سازی، کاربرد کمی دارد ولی در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی مورد استفاده قرار می گیرد.
انواع چدن
چدن ها، ترکیبات شیمیایی متفاوتی دارند و هر کدام نسبت به ترکیباتشان، دارای کاربردها و قابلیت های متفاوتی هستند. در ادامه با چند نمونه از انواع چدن آشنا خواهید شد.
چدن سفید
چدن سفید، از ترکیب شدن کربن با آهن تولید می شود. قسمت عمده کربن به شکل نیمه پایدار (سمنتیت) رسوب می کند و ساختاری سخت، شکننده و با مقاومت فشاری بالا را به چدن می بخشد.
از دیگر مزایای این نوع چدن، می توان به مقاومت بالای آن در برابر فرسایش و صرفه اقتصادی آن اشاره کرد. همچنین اگر آهن سفید بریده شود، به دلیل عدم وجود گرافیت، سفید به نظر می رسد.
تردی بیش از حد این نوع چدن باعث می شود که قابل استفاده برای بیشتر صنایع نباشد و فقط در ساخت پروانه توربین های باد کاربرد دارد.
چدن خاکستری
یکی از پرکاربردترین و مهم ترین آلیاژهای چدن، چدن خاکستری است. این قطعات مانند دیگر انواع چدن، انعطاف پذیر نیست و استحکام کششی آن نیز کمتر است؛ اما رسانای حرارتی خوبی دارد.
چدن های خاکستری از دو آلیاژ معروف با نام های GG-20 و GG-25 تشکیل شده اند که در صنایع متفاوتی مثل خودروسازی برای ساخت بدنه موتورهای الکتریکی، ساخت لوله و شیرآلات، پمپ‌سازی و ساخت قطعات، تجهیزات و ماشین آلات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.
عناصری که در چدن خاکستری با عنصر آهن ترکیب می شود، شامل موارد زیر است:
- سیلیسیم: ۰/۵ الی۱/۵ درصد
- منگنز: ۰/۲ الی ۰/۸ درصد
- فسفر: زیر ۰/۱ درصد
- کربن: ۳/۵ الی ۴ درصد
- گوگرد: زیر ۰/۰۶ درصد
به دلیل شکل گرافیکی متفاوت چدن های خاکستری، آن ها به چند دسته تقسیم می شوند که این دسته ها عبارتند از:
- چدن خاکستری با گرافیت ورقه ای یا پولکی
- چدن خاکستری با گرافیت کروی
- چدن‌های خاکستری با گرافیت کلوخه ای یا شکوفه ای
- چدن خاکستری چشم گاوی
چدن نشکن (چدن داکتیل)
یکی از نوین ترین نوع چدن، چدن نشکن می باشد. چدن نشکن، استحکام بسیار بالایی دارد و از چدن های خاکستری بهتر عمل می کند. از چدن های نشکن به دلیل داشتن استحکام و ماشین کاری خوب، در صنعت حمل و نقل برای ساخت میل لنگ ها استفاده می شود. همچنین این نوع آهن، برای لوله سازی نیز کاربرد دارد.
ترکیب شیمیایی چدن
چدن ها، از ترکیب عناصر اصلی و فرعی تولید می گردند. معمولا برای ساخت چدن ها از ۹۲ درصد آهن، ۲ الی ۴ درصد کربن و ۱ الی ۳ درصد سیلیسیم استفاده می شود و حدود یک درصد نیز، به عناصر دیگر اختصاص داده می شود.
در زمان ترکیب عناصر به چدن، به مقدار هر یک از عناصر دقت کرد تا آلیاژ، خاصیت خود را از دست ندهد و ناخالصی نداشته باشد. این عناصر عبارتند از:
سیلیسیم: ذرات سیلیسیم در چدن حدود ۴ % است که به نرمی و ماشینکاری کمک می کند و سختی و مقاومت الکتریکی را افزایش می دهد.
گوگرد: گوگرد تا ۰.۱% در چدن وجود داردو آن را سخت و شکننده می کند.
منگنز: وجود ۰.۷۵% منگنز در چدن، کاربید چدن را تقویت می کند و مقاومت چدن را در برابر سایش، افزایش می دهد.
کروم: کروم باعث افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش، اکسیداسیون و خوردگی می شود.
نیکل: استحکام کششی را افزایش می دهد.
مولیبدن، تنگستن و وانادیوم: سختی پذیری را افزایش می دهد.
آلومینیوم و تیتانیوم: به عنوان اکسید کننده در فولاد عمل می کند.
نیوبیم و کبالت: سختی پذیری را کاهش و شکل پذیری را افزایش می دهد و منجر به افزایش مقاومت ضربه می شود.
نقطه ذوب چدن
چدن ها به دلیل داشتن ناخالصی، در برابر دیگر مواد، نقطه ذوب پایین تری دارند. نقطه ذوب چدن حدوداً بین ۱۴۲۰ تا ۱۴۷۰ درجه کلوین است.
خواص فیزیکی و شیمیایی انواع چدن
خواص شیمیایی انواع چدن به صورت زیر است:
| نوع چدن | کربن | فسفر | سیلسیم | منگنز | گوگرد |
| خاکستری | ۲.۵-۴ | ۰.۰۲-۱ | ۱-۳ | ۰.۲-۱ | ۰.۰۲-۰.۲۵ |
| نشکن | ۳-۴ | ۰.۰۱-۰.۱ | ۱.۸-۲.۸ | ۰.۱-۱ | ۰.۰۲-۰.۲۵ |
| گرافیت فشرده | ۲.۵-۴ | ۰.۰۱-۰.۱ | ۱-۳ | ۰.۲-۱ | ۰.۰۲-۰.۲۵ |
| چکش خوار | ۲-۲.۹ | ۰.۰۲-۰.۲ | ۰.۱۵-۱.۲ | ۰.۱۵-۰.۲۵ | ۰.۰۲-۰.۲۵ |
| سفید | ۱.۸-۳.۶ | ۰.۰۶-۰.۲ | ۰.۲۵-۰.۸ | ۰.۲۵-۰.۸ | ۰.۰۲-۰.۲۵ |
خواص فیزیکی انواع چدن در جدول زیر ارائه شده است:
| انواع چدن | استحکام کششی (MNm-2) | استحکام تسلیم (MNm-2) | ازدیاد طول % | سختی (BHN) |
| خاکستری | ۱۵۰-۴۰۰ | – | – | ۱۵۰-۳۲۰ |
| نشکن | ۴۵۰-۵۵۰ | ۳۱۰-۳۸۰ | ۱۰-۱۶ | ۱۶۰-۱۹۰ |
| گرافیت فشرده | ۲۶۰-۴۱۵ | ۱۹۵-۳۴۵ | ۱-۳ | ۱۹۰-۲۷۰ |
| چکش خوار | ۳۶۵-۴۱۵ | ۲۴۰-۳۰۰ | ۱۰-۱۸ | ۱۳۷۰-۱۷۰ |
| سفید | ۱۵۰-۵۰۰ | – | – | ۳۵۰-۵۰۰ |
مزایا و معایب چدن
مزیت های چدن شامل موارد زیر است:
- خاصیت ریخته گری و ماشینکاری خوب
- مقاومت بسیار بالا در برابر سایش
- قیمت مناسب
- دارای ماندگاری بالا
- قابلیت چکش‌خواری
- مقاومت بالا در برابر تغییر شکل و حرارت
- استحکام فشاری آن سه تا پنج برابر بیشتر از فولاد
- دارای خواص ضد لرزش (یا میرایی) عالی است، بنابراین برای ساخت قاب ماشین آلات استفاده می شود.
- دارای خواص مکانیکی ثابت بین ۲۰ تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد است.
در کنار مزیت های چدن، معایب آن به صورت زیر است:
- مستعد زنگ زدگی
- استحکام کششی ضعیف
- نسبت وزن به استحکام بالا
- شکنندگی بالا
- در مقایسه با فولاد، ماشین کاری ضعیفی دارد
- نوع چدن سفید آن غیر قابل ماشین کاری است.
سوالات متداول چدن
چدن چیست؟
یکی از آلیاژهای پرکاربرد در انواع آلیاژهای آهنی، چدن می باشد. اصلی ترین عناصر تشکیل دهنده چدن، عموماً آهن، کربن و سیلیسیم هستند.
انواع چدن کدامند؟
انواع چدن شامل چدن سفید، خاکستری و نشکن (چدن داکتیل) می باشد.
