چدن
چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن که بین ۲٫۱الی ۶٫۲ درصد کربن داشته باشند، گفته میشود. بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل میدهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند. به طور معمول بین۲٫۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه گانه شناخته می شود. در ادامه انواع چدن بررسی می شود.
پیشنهاد می شود مقاله “مقایسه آهن و چدن” مطالعه فرمایید.
ویژگی ها
واژه چدن مشخص کننده گروه کاملی از فلزات با خواص گوناگون و متنوع است. این واژه نامی عمومی شبیه فولاد است که باز هم به گروه خاصی از فلزات اطلاق می شود. فولادها و چدن ها از آهن , همراه با کربن به عنوان عنصر آلیاژی اصلی, تشکیل می شوند. فولادها کمتر از دو درصد و غالباً کمتر از یک درصد کربن دارند در حالی که چدن ها بیشتر از دو درصد کربن دارند. چدن با حداکثر دو درصد کربن، به صورت آلیاژی تک فاز منجمد، و تمام کربن آن در آستنیت حل می شود. بنابراین طبق تعریف چدن ها به صورت آلیاژهای ناهمگن منجمد می شوند و همواره ریزساختار آنها بیش از یک تشکیل دهنده دارد. چدن علاوه بر کربن باید حاوی مقدار قابل توجهی سیلیسیم, معمولاً از یک تا سه درصد, نیز باشد. و بنابراین چدن را باید آلیاژ آهن-کربن-سیلیسیم دانست.
وجود سیلیسیم و کربن بسیار زیاد در چدن ها از آنها آلیاژهای ریختگی عالی می سازد. دمای ذوب این آلیاژها از دمای ذوب فولاد بسیار کمتر است. چدن مذاب از فولاد سیال تر است و با مواد قالب کمتر وارد واکنش می دهد. تشکیل گرافیت با چگالی کم، در حین انجماد چدن به کاهش تغییر حجم فلز از حالت مذاب به جامد می انجامد و تولید قطعات ریختگی پیچیده تر را ممکن می کند.
تولید چدن خام
چدن از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه بدست می آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است. بسته به نوع کاربرد، میزان کربن و سیلیسم تا حد مطلوب (به ترتیب ۲ تا ۳٫۵ و ۱ تا ۳ درصد وزنی) کاهش داده می شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته گیری و قبل از شکل گیری نهایی، به مذاب افزوده می شوند. چدن به جز موارد خاص که در کوره بلند موسوم به کوره کوپل ذوب میشود، عمدتاً در کوره‌های القای الکتریکی تولید می گردد. پس از تکمیل ذوب، مذاب به کوره نگهدارنده یا درقالبهایی از ماسه یا فلز ریخته می شود که بر حسب نوع مصرف، آنها را به صورت اشکال مختلف درمی‌آورند.
انواع چدن
انواع گوناگون چدن را می توان بر اساس ریزساختار دسته بندی کرد. این دسته بندی بر شکل بخش عمده کربن موجود در چدن مبتنی است. بر این اساس پنج نوع اصلی چدن وجود دارد:
چدن سفید (WHITE CAST IRON)
این نوع میزان کربن کمتر و سرعت سرد کردن بیشتر حاصل میشود تا جایی که بخش عمده کربن بصورت فاز نیمه پایدار Fe3C (سمنتیت) رسوب می‌کند تا کربن آزاد آنها به آلیاژهای عاری از گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شوند و به صورتهای مقاوم به خوردگی ، دمای بالا، سایش و فرسایش می‌باشند. مقطع شکسته شدهٔ این نوع چدن‌ها سفید نقره‌ای رنگ است. سمنتیت رسوب کرده از مذاب ذرات بزرگی در فاز یوتکتیک شکل میدهد.
چدن چکش خوار (MALIBLE CAST IRON)
چدن های چکش خوار با دیگر انواع این فلز به واسطه نوع ریخته گری آنها فرق می‌کنند. ساختار آنها مرکب از کاربیدهای شبه پایدار در یک زمینه‌ای پرلیتی است بازپخت در دمای بالا که توسط عملیات حرارتی مناسب دنبال میشود باعث تولید ساختاری نهایی از توده متراکم خوشه‌های گرافیت در زمینه فریتی یا پرلیتی بسته به ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی میشود. جهت ایجاد گرافیتهای کروی فشرده و حصول خواص مکانیکی مانند استحکام و چکش خواری، عملیات آنیل کردن انجام می‌گیرد.
چدن خاکستری (GRAY CAST IRONS)
نوع خاکستری کاربردی زیاد دارند نام این چدن ها از خصوصیات رنگ خاکستری سطح مقطع شکست آن و شکل گرافیت مشتق میشود. جالب است بدانید چدن خاکستری ریزساختار گرافیتی خاصی دارد که باعث میشود مقطع شکست آن به رنگ خاکستری باشد.
انواع چدن‌های خاکستری از نظر شکل گرافیت
- چدن‌های خاکستری با گرافیت کلوخه‌ای یا شکوفه‌ای یا چدن‌های مالیبل با چکش‌خوار
- چدن خاکستری با گرافیت ورقه‌ای یا فلسی یا پولکی
- چدن خاکستری با گرافیت کروی یا چدن داکتیل یا SG یا چدن نشکن
- چدن خاکستری چشم گاوی (این نوع چدن ما بین خاکستری و سفید می‌باشد که به علت گرافیتهای نسبتاً بزرگ در بین فاز روشن رنگ فریت به این اسم مشهور است
- در سیستم آهن کربن ناپایدار نمی‌توان گفت تمام کربن به صورت گرافیت آزاد رسوب می‌کند چون شرایط تبرید و انجماد در نوع چدن حاصل نقش دارد
چدن داکتیل-کروی و نشکن (DUCTILE CAST IRON)
چدن داکتیل یا چدن نشکن دارای زمینه فریتی، پرلیتی یا هر دو با کروی است. چدن نشکن به هنگام انجماد، کربن آن به صورت گرافیت کروی یا گلوله‌ای تشکیل میشود. خواص چدن داکتیل :نقطه ذوب پایین، ریخته‌گری مناسب، ماشینکاری عالی، مقاومت سایشی خوب، شکل‌پذیری مطلوب
چدن با گرافیت فشرده-کرمی شکل (COMPACTED GRAPHITE CAST IRON)
گرافیت موجود در این نوع چدن 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 چدن خاکستری و چدن داکتیل است.چدن با گرافیت فشرده بیشترین قابلیت ریخته گری چدن خاکستری را حفظ می کند, 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
چدن های آلیاژی در مواردی که مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سایش, گرما, یا خوردگی است, به کار می روند. به علاوه 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 به وسیله ریخته گری هایی تولید می شوند که در این زمینه تخصص دارند,زیرا افزودن۳ تا ۳۰ درصد عنصر آلیاژی به چدن مذاب مستلزم در اختیار داشتن تجهیزات ذوب, فنون ریخته گری, و کنترل کیفیت ویژه است.
انواع چدن‌ها از نظر فاز زمینه
- زمینه فریتی
- زمینه فریتی-پرلیتی
- زمینه پرلیتی
- زمینه مارتنزیتی
- زمینه آستنیتی
- زمینه بینیتی
موارد استفاده انواع چدن
برای ساخت پل، لوله‌ها، درپوش چاه‌های خیابان، ماشین آلات و بسیاری چیزهای دیگر تا زمان جایگزین شدن فولاد استفاده می‌شد. شکل توسعه یافته اش به عنوان خرپای سقف، شاغول کردن، خطوط گازی و هم چنین پنجره‌های دکوراتیو استفاده می‌شده است.
معایب و مزایا
چدن دارای مزیت‌ها و معایبی در معماری است. در فشرده سازی قوی و در کشش و خمش ضعیف است. برخی از خواص ویژه چدن ها که آنها را از فولاد متمایز می کند عبارتند از نقطه ذوب پایین, قابلیت سیال شدن زیاد, کم بودن میزان انقباض در زمان انجماد و سرد شدن, مقاومت کم در برابر ضربه, انعطاف پذیری کم, قابلیت جذب ارتعاش خوب,مقاومت خوب سایش و عدم حساسیت در برابر شیارهای سطحی.
