چدن چیست و انواع چدن کدام اند ؟

با شنیدن نام چدن، ناخودآگاه به یاد برخی ظروف آشپزی می‌افتیم. اکثر تابه‌های آشپزی از چنین آلیاژی ساخته‌شده‌اند. اما آیا کاربرد چدن تنها به این مورد محدود می‌شود؟ کاربردهای صنعتی چدن چیست؟ چرا به این آلیاژ همچون دیگر عضو از خانواده آلیاژهای آهنی یعنی فولاد، توجه نمی‌شود؟ چه عاملی سبب شده این دو برادر آهنی تا این حد از یکدیگر فاصله بگیرند؟ یکی به‌قدری شکوفا شده که امروزه صنعت جهانی را به دست گرفته و دیگری سرنوشتی رو به افول دارد. در این مقاله به بررسی انواع چدن، خواص، استاندارد و کاربردهای صنعتی آن می‌پردازیم. برای مشاهده قیمت آهن و انواع مقاطع فولادی و چدن به این صفحه مراجعه نمایید.

چدن چیست؟

آلیاژها به دو دسته آهنی و غیرآهنی تقسیم می‌شوند. فولادها و چدن‌ها، خانواده آلیاژهای آهنی را تشکیل می‌دهند که در آن‌ها، عنصر سازنده اصلی، آهن است. درواقع آنچه سبب تمایز این دو می‌شود، در درجه اول به ترکیب شیمیایی آن‌ها مربوط می‌شود.

چدن آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن بین 2 تا 4 درصد و سیلیسیم بین 1 تا 3 درصد است. چدن‌ها سخت و شکننده هستند و ریخته‌گری آن‌ها آسان است. چدن درواقع همان آهن خام تولیدشده در کوره بلند به هنگام ذوب کردن سنگ‌آهن است. از این آهن خام یا چدن، برای تولید فولاد استفاده می‌شود. ضمن اینکه، هزینه تمام‌شده تولید چدن کمتر از فولاد است.

این‌چنین، چدن با فداکاری در حق فولاد، سبب پیشرفت‌های زیاد در این آلیاژ شده است که روز به روز نیز کاربردهای آن‌ها در حال گسترش است. فولادها آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن زیر 2 درصد هستند که با انجام ذوب مجدد بر روی چدن در کوره‌هایی مخصوص تولید می‌شوند. با انواع فولاد در این لینک آشنا شوید.

انواع چدن

چدن را می‌توان بر اساس نوع ریزساختار و رنگ سطح مقطع شکست به چدن خاکستری، چدن سفید، چدن چکش‌خوار یا مالیبل و چدن داکتیل طبقه‌بندی کرد. در ادامه به بررسی خواص و کاربرد هر یک خواهیم پرداخت.

چدن سفید

چدن سفید نوعی چدن با سطح مقطع شکست به رنگ سفید یا نقره‌ای است که نشان از عدم وجود گرافیت در آن دارد. این سطح مقطع سفید به دلیل وجود فاز سمنتیت یا Fe3C است که استحکام، سختی و تردی بالا را برای چدن به ارمغان می‌آورد. ساختار چدن سفید متشکل از سمنتیت و آستنیت است و سختی آن به 400 تا 600 ویکرز می‌رسد. چدن سفید عمدتاً به دلیل ویژگی مقاوم در برابر سایش در محفظه‌های پمپ، آسترها و میله‌های آسیاب، سنگ‌شکن‌ها و کفشک‌های ترمز استفاده می‌شود.

چدن خاکستری

این نوع چدن به دلیل برخورداری از سطح مقطع شکست به رنگ خاکستری، به این نام معروف است. رنگ خاکستری ناشی از وجود گرافیت‌های تیغه‌ای (flake) در ساختار این چدن است. هنگامی‌که چدن خاکستری شکسته می‌شود، در امتداد ورقه‌های گرافیتی شکسته می‌شود و ظاهری خاکستری در محل شکستگی دارد. سختی چدن خاکستری حدود 130 تا 300 ویکرز و استحکام کششی آن نیز در محدوده 155 تا 400 مگاپاسکال است.

چدن خاکستری مانند چدن‌های دیگر انعطاف‌پذیر نیست، بااین‌حال دارای رسانایی حرارتی عالی و بهترین قابلیت جذب لرزش در بین تمام چدن‌ها است که آن را برای بلوک‌های موتور، چرخ‌های پرواز، منیفولدها و وسایل آشپزی ایدئال می‌کند.

چدن مالیبل یا چکش خوار

چدن مالیبل از طریق عملیات حرارتی چدن سفید به دست می‌آید. با انجام عملیات حرارتی بر روی چدن سفید، کاربیدهای آهن (سمنتیت) شکسته شده و به گرافیت‌های آزاد تبدیل می‌شوند. این گرافیت‌ها به‌صورت برفکی هستند. چدن مالیبل دارای خاصیت چکش‌خواری و انعطاف‌پذیری است و چقرمگی شکست خوبی هم در دماهای پایین دارد. چدن چکش‌خوار در اتصالات الکتریکی، تجهیزات معدن و قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شود.

چدن داکتیل

با افزودن منیزیم در حدود 0.2 درصد یا سریم به چدن خاکستری و تبدیل گرافیت‌های تیغه‌ای به گرافیت‌های کروی، چدن داکتیل به دست می‌آید. به این نوع چدن، چدن چشم گاوی نیز می‌گویند. چدن داکتیل عمدتاً به دلیل خاصیت شکل‌پذیری نسبی آن استفاده می‌شود و به‌طور گسترده در زیرساخت‌های آب و فاضلاب یافت می‌شود. مقاومت چرخه‌ای حرارتی همچنین آن را به یک انتخاب محبوب برای میل‌لنگ، دنده، سیستم تعلیق سنگین و ترمز تبدیل می‌کند. این نوع چدن دارای سختی 150 تا 300 ویکرز و استحکام کششی حدود 380 مگاپاسکال است.

چدن از چه ساخته شده ؛ فرآیند تولید چدن

چدن از آهن خام که محصول ذوب سنگ‌آهن در کوره بلند است ساخته می‌شود. برای اطلاع بیشتر از نحوه تولید آهن خام یا چدن، مقاله آهن چیست را مطالعه نمایید. چدن را می‌توان مستقیماً از آهن خام مذاب یا با ذوب مجدد آهن خام، اغلب همراه با مقادیر قابل‌توجهی آهن، فولاد، سنگ‌آهک، کربن (کک) و انجام اقدامات مختلف برای حذف ناخالصی‌ها تولید کرد. چدن گاهی اوقات در نوع خاصی از کوره بلند معروف به کوره کوپلا ذوب می‌شود. اما در کاربردهای مدرن، بیشتر در کوره‌های القایی الکتریکی یا کوره‌های قوس الکتریکی این ذوب اتفاق می‌افتد.

با حذف عناصر غیرمطلوب همچون فسفر و گوگرد، مقدار کربن نیز در آهن خام کاهش می‌یابد و به‌اصطلاح کربن می‌سوزد. بنابراین برای تولید چدن، نیاز به جایگزین کردن کربن هم خواهیم داشت. بسته به کاربرد، محتوای کربن و سیلیکون به سطوح موردنظر تنظیم می‌شوند که ممکن است به ترتیب بین 2 تا 3.5 درصد و 1 تا 3 درصد باشند. در صورت تمایل نیز، قبل از اینکه فرم نهایی با ریخته‌گری تولید شود، عناصر دیگری به مذاب اضافه می‌شوند.

در ساختار چدن کدام نوع فلز استفاده شده است ؟

جدول زیر، آنالیز و ترکیب شیمیایی انواع چدن را نشان می‌دهد. همان‌طور که از جدول مشخص است، کربن و سیلیسیم، اصلی‌ترین عناصر آلیاژی در چدن‌ها هستند.

خواص چدن

چدن سفید دارای کاربیدهایی است که به ترک‌ها اجازه می‌دهد به‌راحتی عبور کنند درحالی‌که چدن خاکستری دارای ورقه‌های گرافیتی است که ترک عبوری را منحرف می‌کند و با شکستن مواد، ترک‌های جدید بی‌شماری ایجاد می‌کند. چدن داکتیل دارای گرافیت کروی است که ترک را متوقف می‌کند از پیشرفت بیشتر آن جلوگیری می‌کند.

به‌استثنای چدن چکش‌خوار، بقیه چدن‌ها شکننده هستند. چدن با نقطه ذوب نسبتاً پایین، سیالیت خوب، قابلیت ریخته‌گری آسان، ماشین‌کاری عالی، مقاومت در برابر تغییر شکل و مقاومت در برابر سایش بسیارخوب، به یک ماده مهندسی با طیف وسیعی از کاربردها تبدیل شده است. باوجود نکات مثبت یادشده، استحکام کششی چدن پایین است. علاوه بر آن، جوشکاری چدن نیز دشوار است. این عوامل سبب شده است تا چدن‌ها علی رقم خواص مثبت یادشده، کارایی آن‌ها محدود شود.

مزایای چدن چیست؟

مزایای چدن‌ها به‌صورت کلی عبارت‌اند از:

• قابلیت ریخته‌گری بسیارخوب و آسان
• مقاومت بسیار خوب در برابر سایش
• قابلیت ماشین‌کاری خوب(چدن سفید غیرقابل ماشین‌کاری است)
• هزینه تولید کم و در دسترس
• ماندگاری خوب
• مقاوم در برابر تغییر شکل
• برخورداری از مقاومت فشاری سه تا پنج برابر بیشتر از فولاد
• دارای خواص ضد لرزش عالی

معایب چدن چیست؟

از معایب چدن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مستعد زنگ‌زدگی
• استحکام کششی ضعیف
• نسبت وزن به استحکام بالا
• شکنندگی بالا
• مقاومت در برابر ضربه ضعیف
• ماشین‌کاری ضعیف در مقایسه با فولاد
• قابلیت جوشکاری ضعیف

تفاوت چدن و فولاد

تفاوت اصلی چدن و فولاد، به ترکیب شیمیایی آن‌ها و مخصوصاً میزان کربن در آن‌ها مربوط می‌شود. فولاد آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن بین 0.002 تا 2.1 درصد است؛ درحالی‌که چدن آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن بیش از 2.5 درصد است.

به‌طورکلی، چدن ارزان‌تر از فولاد است. ضمن اینکه، نقطه ذوب چدن، کمتر از فولاد است، اما خواصی همچون استحکام فشاری، سختی و مقاومت به سایش چدن خیلی بیشتر از فولاد است. بنابراین، فولاد آلیاژی شکل‌پذیر و چکش‌خوار است اما چدن سخت و شکننده است.

دیگر تفاوت فولاد و چدن، به نوع کاربیدها در ساختار آن‌ها مربوط است. کاربیدهای موجود در ساختار فولاد، کاربید آهن یا سمنتیت (Fe3C) هستند، درحالی‌که کاربیدها در چدن، به دو شکل کاربید آهن یا سمنتیت و گرافیت می‌توانند حضور داشته باشند. در مقاله فولاد چیست، با پرکاربردترین آلیاژ عصر حاضر آشنا شوید.

استاندارد چدن‌ ها

استاندارد چدن‌ها، آن‌ها را براساس شکل گرافیت‌ها طبقه‌بندی می‌کند. مهم‌ترین استاندارد چدن‌ها شامل DIN، ASTM و EN می‌شوند. استاندارد مربوط به چدن‌های با گرافیت تیغه‌ای و گرافیت کروی به شرح زیر است.

استاندارد چدن خاکستری

چدن خاکستری با گرافیت‌های تیغه‌ای مطابق استاندارد DIN 1691 به‌صورت GGxx نمایش داده می‌شود. در این استاندارد، پس از حروف GG، مقدار حداقل استحکام کششی برحسب مگاپاسکال می‌آید که برای رسیدن به عدد واقعی باید در 10 ضرب شود. به‌عنوان‌مثال، GG20 بیانگر چدن خاکستری با حداقل استحکام کششی 200 مگاپاسکال است.

همچنین، چدن‌های خاکستری مطابق استاندارد ASTM A48 نیز طبقه‌بندی می‌شوند. بر این اساس، چدن به‌صورت Class 30 B نشان داده می‌شود. مطابق حالت قبل، عدد 30 بر حداقل استحکام کششی دلالت دارد که در اینجا، معادل 30 Ksi است.

استاندارد چدن داکتیل

چدن‌های داکتیل با گرافیت‌های کروی طبق استاندارد DIN 1693 به‌صورت GGGxx نشان داده می‌شوند. مشابه استاندارد مربوط به چدن خاکستری، در اینجا نیز اعدادی که پس از GGG می‌آیند بر حداقل استحکام کششی دلالت دارند. به‌عنوان‌مثال، استاندارد GGG40 مربوط به چدن داکتیل با گرافیت کروی و حداقل استحکام کششی برابر 400 مگاپاسکال است.

استاندارد ASTM A536 نیز مربوط به چدن‌های داکتیل است. براساس این استاندارد، تنها 3 عدد با یک خط تیره بین آن‌ها، برای مشخص کردن نوع چدن و خواص آن به کار می‌روند. مثلاً، 18-40-60 استاندارد مربوط به یک چدن داکتیل مطابق ASTM A536 است. این اعداد بیانگر حداقل 60 Ksi استحکام کششی، حداقل 40 Ksi استحکام تسلیم و حداقل 18 درصد تغییرطول هستند.

طبقه بندی چدن ‌ها مطابق استاندارد EN 1560

استاندارد مربوط به اتحادیه اروپا که با اختصار EN(European Norm)نامیده می‌شود، در شماره 1560 به معرفی و استانداردسازی چدن‌ها می‌پردازد. نمایش کلی چدن‌ها در استاندارد EN 1560 به‌صورت زیر است:

EN- GJ xx-xx

در عبارت بالا، G و J به ترتیب بر عبارات cast و iron دلالت دارند. اولین x از سمت چپ نیز یک نشانه مربوط به ساختار گرافیت است. این نشانه‌ها به شرح زیر هستند:

• L: Lamellar
• S: Spheroidal
• M: Malleable (Temper Carbon)
• V: Vermicular
• N: Ledeburitic , Free of Graphite
• Y: Special Structure

دومین x از سمت چپ، مربوط به ماکروساختار یا ریزساختار چدن است. انواع نشانه‌های مربوط به این محل عبارت‌اند از:

• A: Austenitic
• F: Ferrite
• P: Perlite
• M: Martensite
• L: Ledeburite
• Q: Quenched
• T: Quenched and Tempered
• B: Black heart
• W: White heart

به‌عنوان‌مثال، عبارت EN–GJS-400-15 مربوط به استاندارد اروپایی است که نوعی چدن را مشخص می‌کند. این چدن از نوع گرافیت کروی یا چدن نشکن است که حداقل استحکام کششی آن 400 مگاپاسکال و حداقل تغییر طول آن 15 درصد است. این نوع چدن معادل GGG40 در DIN است.

کاربرد چدن چیست؟

برای بررسی کاربرد چدن، آن‌ها را براساس طبقه‌بندی موجود بررسی می‌کنیم.

کاربرد چدن خاکستری چیست؟

یکی از ویژگی‌های کلیدی چدن خاکستری، توانایی آن در مقاومت در برابر سایش حتی در شرایط عدم استفاده از روانکار است. به‌عنوان‌مثال، از چدن خاکستری در دیواره‌های سیلندر بالایی در بلوک‌های موتور استفاده می‌شود. سایر کاربردهای چدن خاکستری شامل ساخت بلوک موتور و سرسیلندر، منیفولد، مشعل گاز، جعبه‌دنده و محفظه می‌شود.

از مهم‌ترین گریدهای چدن خاکستری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• A48: شامل کلاس‌های 25، 30 و 40 و مناسب برای کاربردهای عمومی
• A126: ساخت انواع شیر، فلنج، لوله و اتصالات
• A278: مناسب برای ساخت اجزای تحت‌فشار تحت سرویس دمابالا تا 350 درجه سانتی‌گراد
• A319: مناسب برای اجزای غیرفشاری برای کاربردهای دمابالا
• A436: چدن خاکستری آستنیتی مناسب برای مقاومت در برابر حرارت، خوردگی و سایش. به آن‌ها Ni-resist هم گفته می‌شود، چون مقدار Ni در آن‌ها بیشتر از سایر عناصر است.

کاربرد چدن سفید

سمنتیت موجود در ساختار این نوع چدن، آن را به ماده‌ای مقاوم در برابر سایش تبدیل کرده است. به همین دلیل از آن برای ساخت آستر آسیاب، نازل‌های شات بلاست، کفشک‌های ترمز راه‌آهن، محفظه پمپ دوغاب، رول آسیاب نورد و سنگ‌شکن استفاده می‌شود.

کاربرد چدن داکتیل

ماشین‌کاری آسان، استحکام خستگی و استحکام تسلیم مناسب و مقاومت در برابر سایش از ویژگی‌های بارز این نوع چدن است. بااین‌حال، شناخته‌شده‌ترین ویژگی آن، شکل‌پذیری است. از چدن داکتیل می‌توان برای ساختن بند فرمان، قطعات گاوآهن، میل‌لنگ، چرخ‌دنده‌های سنگین، اجزای سیستم تعلیق خودرو و کامیون، قطعات هیدرولیک و لولاهای درب خودرو استفاده کرد.

برخی از مهم‌ترین گریدهای چدن داکتیل و کاربرد آن‌ها عبارت‌اند از:

• A395: چدن داکتیل فریتی مناسب برای اجزای تحت‌فشار در دمای بالا
• A439: چدن داکتیل آستنیتی
• A571: چدن داکتیل آستنیتی مناسب برای اجزای تحت‌فشار و دمای سرویس پایین تا -252 درجه سانتی‌گراد (مخازن هیدروژن مایع)

کاربرد چدن مالیبل چیست؟

ویژگی‌های خاصی که چدن چکش‌خوار را جذاب می‌کند، توانایی آن در حفظ و ذخیره روان کننده‌ها، ذرات سایشی غیر ساینده و سطح متخلخلی است که سایر مواد ساینده را به دام می‌اندازد. چدن چکش‌خوار برای ساخت سطوح باربر سنگین، زنجیر، زنجیر چرخ، میله‌های اتصال، قطعات محرکه و محور و ماشین‌آلات و ساخت‌وساز استفاده می‌شود.

مهم‌ترین گریدهای چدن مالیبل شامل موارد زیر می‌شوند:

• A47: چدن مالیبل فریتی
• A220: چدن مالیبل پرلیتی
• A338: چدن مالیبل مناسب برای فلنج‌ها، اتصالات و اجزای شیر برای سرویس‌های سنگین تا دمای 345 درجه سانتی‌گراد

سؤالات متداول

1- چدن چیست؟

چدن آلیاژی از آهن و کربن با مقدار کربن معمولاً بیش از 2.5 درصد است.

2- در ساختار چدن کدام نوع فلز استفاده شده است؟

کربن با مقدار 2 تا 4 درصد و سیلیسیم به مقدار 1 تا 3 درصد، اصلی ترین عناصر در ساختار چدن ها هستند.

3- انواع چدن کدام اند؟

چدن‌ها براساس نوع ریزساختار به انواع چدن سفید، چدن خاکستری، چدن مالیبل و چدن داکتیل یا چدن چشم گاوی تقسیم می‌شوند.

4- مهم‌ ترین خواص چدن چیست؟

چدن‌ها دارای قابلیت ریخته‌گری آسان، سختی بالا، مقاومت فشاری خوب و قیمت ارزان‌تر نسبت به فولادها هستند.