چدن چيست؟
چدن (Cast iron)، آلیاژی از آهن- کربن- سیلیسیم (Fe-C-Si) است که همواره محتوی عناصری در حد جزئی (کمتر از 1/0 درصد) و غالبا عناصر آلیاژی (بیشتر از 1/0 درصد) بوده و به صورت حالت ریختگی یا پس از عملیات حرارتی به کار برده میشود.
چدن ها در ريخته گری
با وجود کاهش قابل توجه در تولید چدنها در طول دهه گذشته، چدنها به عنوان مهمترین آلیاژهای ریختگی مورد توجه بودهاند. محبوبیت ریشه ای چدنها در ریخته گری اشکال پیچیده با هزینههای پایین تولید، قیمت تمام شده نسبتا پایین و محدوده وسیع خصوصیاتی که قابل دسترسی توسط کنترل دقیق ترکیب و سرعت خنک کردن بدون تغییرات بنیانی و اساسی در روشهای تولید است.
انواع چدن
چدن یک آلیاژ فلزی است که از ترکیب آهن و کربن بهوجود میآید و با توجه به خواص ویژهای که دارد، در صنایع مختلف کاربردهای گستردهای دارد. بسته به ترکیب شیمیایی و ساختار میکروسکوپی آن، چدن به انواع مختلفی تقسیم میشود. در این مقاله، به بررسی انواع مختلف چدن، از جمله چدن خاکستری، ضد سایش و نشکن، پرداخته میشود.
چدن خاکستری:
چدن خاکستری یکی از انواع رایج چدن است که در آن گرافیت بهصورت لایههای ورقهای در ساختار آن قرار دارد. این نوع چدن به دلیل ویژگیهایی مانند جذب ارتعاشات و خواص ضد سایش، برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر سایش دارند، بسیار مناسب است. چدن خاکستری از استحکام خوبی برخوردار است و برای تولید قطعاتی نظیر بلوکهای موتور خودرو، لولهها، پایههای ماشینآلات و قطعات صنعتی دیگر استفاده میشود.
چدن ضد سایش:
چدن ضد سایش نوعی چدن است که برای مقاومت بالا در برابر سایش طراحی شده است. این نوع چدن معمولاً در فرآیندهای ریختهگری با ترکیب خاصی از آلیاژها تولید میشود که به آن ویژگیهای مقاوم در برابر سایش میدهد. از این نوع چدن معمولاً در ساخت قطعاتی که در معرض سایش شدید قرار دارند، مانند دیسکهای ترمز، چرخدندهها، و قطعات تجهیزات معدنی استفاده میشود. این نوع چدن از استحکام بالایی برخوردار است و طول عمر زیادی دارد.
چدن نشکن:
چدن نشکن که به چدن چکشخوار یا داکتیل نیز شناخته میشود، در مقایسه با سایر انواع چدن دارای انعطافپذیری بالاتری است. این ویژگی به دلیل افزودن منگنز و دیگر عناصر آلیاژی به ترکیب چدن بهوجود میآید. چدن نشکن به دلیل مقاومت بالا در برابر ترکخوردگی و قابلیت شکلدهی عالی، در تولید قطعاتی که نیاز به انعطافپذیری دارند، مانند لوازم خودرو، قطعات صنعتی و اتصالات ساختمانی استفاده میشود.
چدن سفید:
چدن سفید که به دلیل رنگ روشناش به نام چدن سفید شناخته میشود، در مقایسه با دیگر انواع چدن دارای سختی بالاتری است. این نوع چدن حاوی گرافیت نیست و بهجای آن ترکیبات آهن-کربن در ساختار خود دارد. چدن سفید به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر سایش و خوردگی، برای تولید قطعاتی مانند لولههای صنعتی، دیسکهای ترمز و قطعاتی که تحت فشار بالا قرار دارند، مناسب است.
چدن مالشپذیر:
چدن مالشپذیر یا چدن نرم از طریق فرآیند خاصی برای افزایش انعطافپذیری بهوجود میآید. این نوع چدن به راحتی قابل شکلدهی است و در تولید قطعاتی که نیاز به تغییر شکل دارند، مانند اتصالات لولهها و قطعات ساختوساز کاربرد دارد.
چدن آلیاژی:
چدن آلیاژی از ترکیب چدن با عناصر آلیاژی مختلف مانند کروم، نیکل و مولیبدن تولید میشود. این نوع چدن برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر حرارت و خوردگی دارند، بسیار مناسب است. از چدن آلیاژی معمولاً در تولید قطعات برای صنایع نفت و گاز، نیروگاهها و صنایع شیمیایی استفاده میشود.
چدن خام
آهن، اغلب از کانه های اکسید یا کربنات که گوگرد، آرسنیک و غیره از آنها زدوده شده باشد با برشته کردن در هوا، و با کاهش کربن تهیه میشود. کانه آهن با کک و کربنات کلسیم آمیخته شده و در یک کوره بلند که دمای بیشینه آن 1300 درجه سانتیگراد است گرم میشود ناخالصیهای عمده اسیدی به کمک سرباره (کلسیم سیلیکات، آلومینات و غیره) خنثی میشود و توده فلزات مذاب به صورت چدن خام به بیرون جریان مییابد چدن خام شامل 2 الی 4 درصد کربن و اندکی گوگرد، فسفر و سیلسیم است.
چدن مذاب را به صورت خام یا پس از افزودن فلزهای آلیاژ دهنده، برای بهبود خواص چدن، در قالبهایی از ماسه یا فلز و بر حسب نوع مصرف، آنها را به صورت اشکال مختلف در میآورند.
آلیاژهای چدن
فلزهای آلیاژ دهنده برای بهبود کیفیت چدن برای مصارف ویژه به آن افزوده میشوند. آلیاژهای چدن در کارهای مهندسی که در آنها چدن معمولی ناپایدار است به کار میروند و حتی ممکن است در مواردی نیز، مثلا ساخت میل لنگ، جانشین فولاد شوند. در هر حال، با دارا بودن مزایایی از قبیل قیمت تمام شده تولید پایین توام با قابلیت ریخته گری، استحکام، قابلیت ماشین کاری، سختی، مقاومت در برابر سایش، مقاوم در برابر خوردگی، انتقال حرارت و جذب ارتعاش در این آلیاژ آن را از سایر آلیاژهای ریختگری آهنی متمایز ساخته است.
چدن آلیاژ کدام فلز است؟
چدن نوعی آلیاژ است که عمدتاً از آهن تشکیل شده و حاوی بیش از 2.11 درصد کربن است. این میزان کربن، چدن را از فولاد متمایز می کند. علاوه بر کربن، چدن معمولاً حاوی عناصر دیگری مانند سیلیسیم، منگنز و گوگرد نیز هست که خواص آن را تحت تأثیر قرار می دهند.
- فلز پایه: آهن
- عنصر آلیاژی اصلی: کربن (بیش از 2.11%)
- عناصر رایج دیگر: سیلیسیم، منگنز، گوگرد
چدن به دلیل خواص منحصر به فرد خود مانند مقاومت بالا در برابر سایش، قابلیت ریخته گری آسان و قیمت مناسب، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد.
انواع ساختارهای زمینه چدن
اساس خواص مکانیکی چدن به زمینه آن بستگی دارد. به همین دلیل است چدن ها را با عبارت ساختار زمینه آنها برای مثال انواع پرلیتی یا فریتی توصیف میکنند. مهمترین ساختار زمینه چدن عبارتند از:
فریت
فریت محلول جامد Fe-C است که به طور قابل ملاحظهای Si و مقادیر کمتری Ni ,Cu ,Mn در آن حل شدهاند. فریت نسبتا نرم، چکش خوار، استحکام کم، مقاومت به سایش ضعیف، شکست خوب، ضریب هدایت گرمایی نسبتا خوب و قابلیت ماشینکاری خوبی است. یک زمینه فریتی را میتوان به طور ریختگری تولید کرد اما اغلب با عملیات حرارتی باز پخت (تابکاری) میتوان به آن دست یافت.
پرلیت
مخلوطی از فریت و سمانتیت Fe3C است که توسط واکنش یوتکتیک از استینیت تشکیل شده و نام پرلیت از ظاهر صدف گونهاش مشتق شده است. پرلیت نسبتا سخت و از چقرمگی کمتری برخوردار بوده و ضریب هدایت گرمایی کم و در ضمن از ماشینکاری خوبی برخوردار است.
وقتی فاصله بین دانههای پرلیت در زمینه کم میشود خواص مکانیکی افزایش مییابد مقدار کربن پرلیت در فولادهای غیر آلیاژی 0.8 % است در حالی که در چدنها بسته به ترکیب چدن و سرعت خنک شدن متغیر بوده و حتی می تواند کمتر از 0.5% در چدن های پرسیلسیم باشد.
فریت- پرلیت
ساختار مخلوطی است که غالبا برای رسیدن به خصوصیاتی بینابینی از آنچه که در فوق شرح داده شده به کار گرفته میشود.
بینیت
این ساختار میتواند به صورت ریختگی با افزودن عناصر آلیاژی Mo و Ni به مقادیر معین تولید شود. در ضمن جهت اطمینان بیشتر میتوان توسط عملیات حرارتی آستمپر نیز به این ساختار رسید. این آلیاژ، با توجه به صرفه اقتصادی اخیرا توانستهاند نقش موثری بویژه در مهندسی خودرو، قطعات دنده ها، قطعات انتقال نیرو داشته باشند.
مزایای چدن های گرافیت کروی آسمتپر عبارتند از: استحکام کششی بالا توام با چقرمگی، انعطاف پذیری و استحکام خوب، مقاومت به سایش و خراش، ظرفیت بالای جذب صدا و کارکرد، خواص ریخته کری خوب، فرم پذیری نزدیک به شکل نهایی حتی در شکل های خیلی پیچیده، قابلیت ماشینکاری خوب در حالت ریخته و حدود 10% صرفه جویی در وزن در مقایسه با فولاد.
آستنیت
برای پایدار نگاه داشتن این فاز در طول عمل خنک شدن یک عنصر آلیاژی با مقدار زیاد و معینی لازمست. چدن گرافیت ورقه ای و گرفیت کروی آلیاژی (نیکل- سخت) چدن هایی با زمینه آستنیتی و دارای خواص عالی حرارتی مقاومت به خوردگی و نیز غیر مغناطیسی هستند. این زمینه میتواند خصوصیات چقرمگی خوب، مقاومت به خزش، تنش پارگی تا دمای 800 درجه سانتیگراد و یک محدوده گسترده ای از انبساط حرارتی که تابع از Si موجود در چدن است را نشان دهد.
انواع چدن هاي ريخته گري
چدن ها به دو گروه اصلی تقسیم بندی میشوند، آلیاژهایی برای مقاصد عمومی که موارد استعمال آنها در کاربردهای عمده مهندسی است و آلیاژهای با منظور و مقاصد ویژه از جمله چدن های سفید و آلیاژهای که برای مقاومت در برابر سایش، خوردگی و مقاوم در برابر حرارت بالا مورد استفاده قرار میگیرند.
چدن های عمومی (معمولی):
- این چدن ها جزو بزرگترین گروه آلیاژهای ریختگی بوده و بر اساس شکل گرافیت به انواع زیر تقسیم بندی میشوند:
- چدن گرافیت لایه ای یا چدن خاکستری ورقهای
- چدن گرافیت مالیبل یا چدن چکشخوار
- چدن گرافیت کروی یا چدن نشکن
- چدن گرافیت فشرده یا کرمی شکل
چدن های سفید و آلیاژی مخصوص:
این چدن ها با آلیاژهای چدنی معمولی فرق میکنند. میزان عنصر آلیاژی در آنها بیش از 3% بوده و لذا آن را نمیتوان توسط مواد افزودنی به پاتیل اضافه کرده و به یک ترکیب پایه استانداردی رسید. این چدن های آلیاژهای به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیتدار تقسیم بندی میشوند و به صورت های مقاوم به خوردگی، دمای بالا، سایش و فرسایش میباشند.
چدن های بدون گرافیت:
- چدن سفید پرلیتی: مقاوم به سایش
- چدن سفید مارتنزیتی (نیکل-سخت): مقاوم سایش
- چدن پر کرم )33-17 (%Cr: مقاوم به خوردگی، سایش و حرارت
چدن های دارای گرافیت:
- چدن سوزنی: استحکام بالا و مقاوم به سایش
- آستنیتی: شامل دو نوع نیکروسیلال یعنی نیکل سیلسیم بالا و نیکل مقاوم (Ni-resist) و هر دو مقاوم به حرارت و خوردگی
- فریتی: شامل دو نوع چدن، پر سیلسیم (15%) مقاوم در برابر خوردگی و چدن 5%سیلسیم در سیلال مقاوم در برابر حرارت
برخی از کاربردهای چدنها:
• در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها، بدنه های پمپ قطعات ماشین آلات که در معرض شوک و خستگی هستند، میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزات فرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و…
• برای خودرو و صنایع وابسته به آن مثلا در ساخت مفصل های فرمان، دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگها و چرخ دندهها، صفحه کلاچها و…
• در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابر شوک است مثلا در تجهیزات الکتریکی کشتیها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره
• قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا برای مثال در ساخت قطعات و جعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه، قطعات کورهها، قالبهای شمش، قالبهای شیشه، بوتههای ذوب فلز.
• اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی بویژه در محیط های قلیایی هستند، چدنهای نیکل مقاوم و نیکروسیلال و نیکل و کروم بالا به صورت برجستهای مقاوم به خوردگی در محیط هایی مناسب و مختص به خودشان هستند. مهمترین کاربرد این چدنها در پمپهای دندهای حمل اسید سولفوریک، پمپها و شیرهایی که در آب دریا مصرف میشوند، قطعات مورد استفاده در سیستم های بخار و جابجایی محلول های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.
آلياژهاي ريخته گري چدن ها
در میان انواع فلزات و آلیاژ های ریختگی چدن ها بیشترین مقدار مصرف را دارا بوده و اندوخته های علمی و تجربی درباره آن ها نیز بسیارند . برای آنان که در ارتباط مستقیم و یا غیر مستقیم با ساخت قطعات چدنی هستند این احساس وجود دارد که چدن ریزی در مقایسه با دیگر فلزات ریخته گری روش ساده ای است.
کیفیت هر محصول تولیدی ریشه در نیاز و فرهنگ آن جامعه دارد . کشوری که متکی به سیستم حمل ونقل دستی است می تواند قطعات ریختگی با کیفیت نازل را پذیرا باشد . در ارتباط با تکنولوژی تولید قطعات چدنی چنانچه مرحله طراحی سیستم های راهگاهی و تغذیه گذاری مهمترین جزء این مراحل نباشد از اصولی ترین قسمت های آن خواهد بود.
امروزه این مرحله به عنوان ابزار بسیار مفیدی جهت کنترل معایب در قطعات بویژه عیوب انقباضی و بهره دهی قطعات ریختگی به شمار می رود. طراحی راهگاها و تغذیه بدون توجه به متغیرهای بسیاری که در مرغوبیت قطعات ریختگی موثر است انجام گیرد که متغیرهایی نظیر کیفیت متالوژیکی مذاب و نوع مخلوط سازنده قالب و روش ریخته گری در ارائه طرح سیستم راهگاهی و تغذیه مؤثر است لذا طرح باید این عوامل را شناساوی کرده و بر اساس شناخت کافی آن ها نوع سیستم لازم را انتخاب کند.
لذا موفقیت هنگامی بدست می آید که طراح و یا گروه طراحی در ارتباط نزدیک با بخش تولید قرار گرفته و نوعی سیستم راهگاهی و تغذیه را انتخاب کند که حتی المقدور بتواند معایب و نارسائی های مرحله تولید را جبران کند.
یک نظر در “چدن چیست؟”
ریختهگری چدن داکتیل نسبت به چدن خاکستری چه مزایایی داره و در چه شرایطی باید استفاده بشه؟