چدن (cast iron) چیست
فهرست مطالب
آهن که در زبان انگلیسی به آن Iron گفته می‌شود در ترکیب بسیاری از آلیاژهای فلزی مختلف وجود دارد. بدون این فلز، فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ، سوپرآلیاژها و چندین گروه دیگر از آلیاژهای فلزی را نمی‌توان تولید کرد. در این مقاله نگاهی عمیقی به پاسخ این سوالات که چدن چیست و انواع آن کدام است؟ خواهیم انداخت.
چدن چیست؟
چدن اصطلاحی است که از آن برای توصیف خانواده‌ای از آلیاژهای فلزی استفاده می‌شود که عنصر آلیاژی اصلی آنها آهن است. برخی تصور می‌کنند که چدن اساسا نوعی فولاد خالص است. این در حالی است که این برداشت اصلا درست نیست و فولادهای کربنی نسبت به چدن دارای مقادیر بیشتری عنصر آهن هستند.
برای اینکه یک آلیاژ آهنی را بتوانیم نوعی چدن بنامیم باید بیش از ۲ درصد از وزنش را کربن تشکیل داده باشد. چدن‌ها دارای مقدار کمی از آلیاژهای دیگر نیز هستند که منگنز و سیلیکون دو مورد از محبوب‌ترین آنها محسوب می‌شوند. استفاده از این عناصر آلیاژی اضافی منجر به اصلاح بیشتر خواص چدن خواهد شد.
آشنایی با انواع چدن
چهار زیرگروه اصلی از آلیاژهای چدنی در بازار وجود دارد که عبارتند از:
- چدن داکتیل: حاوی گره‌های گرافیتی است و انعطاف‌پذیری بیشتری نسبت به سایر چدن‌ها دارد و در عین حال دارای خواص مقاومتی عالی است.
- چدن خاکستری: دارای ورقه‌های گرافیت است که باعث بهبود خاصیت ماشین‌کاری این نوع چدن نسبت به سایر چدن‌ها می‌شود.
- چدن سفید: مقدار زیادی کاربید آهن در این ترکیب وجود دارد که باعث افزایش مقاومت محصول در برابر نیروهای سایشی شده اما آن را بسیار شکننده می‌کند.
- چدن چکش‌خوار: اساسا همان چدن سفید است که برای تبدیل کاربیدهای آهن به گره‌های گرافیت، تحت عملیات حرارتی خاصی قرار می‌گیرد. این محصول خواصی مشابه با چدن داکتیل دارد.
چدن چگونه ساخته می‌شود؟
برای ساختن چدن، ابتدا سنگ آهن را در کوره‌های حرارتی خاصی قرار داده و آنقدر حرارت می‌دهند تا ذوب شود. سپس فلز مذاب ریخته‌گری شده و به شکل شمش در می‌آید. شمش‌های چدن مجددا در قالب نهایی ذوب می‌شوند. در طی این مرحله یا همان ذوب مجدد، چدن ممکن است چندین اصلاح متالورژیکی را از طریق ورود عناصر آلیاژی یا فرآیندهای حرارتی تجربه کند. این مرحله دقیقا همان جایی است که چدن تبدیل به یکی از چهار گروه معرفی شده در بالا می‌شود و بر اساس خواص خود نام‌گذاری خواهد شد.
چدن وقتی ذوب می‌شود؛ سیالیت بهتری نسبت به فولاد مذاب پیدا می‌کند. ضمن اینکه این نوع فلز آلیاژی دمای ذوب پایینی نسبت به فولاد دارد. این دو ویژگی، چدن را به یک گزینه‌ای ایده‌آل برای انجام فرآیند ریخته‌گری تبدیل می‌کند. دلیل محبوبیت چدن در تولید برخی از محصولات مانند شیرآلات چدنی نیز به همین موضوع باز می‌گردد. با این حال همزمان با بهبود فناوری مورد استفاده در روند ساخت و شکل دادن به فولاد، استفاده از چدن در طول چند قرن گذشته کاهش چشمگیری یافته و در بسیاری از موارد با فولاد به خصوص از نوع ضد زنگش جایگزین شده است.
مهم‌ترین کاربردهای چدن
چدن کاربردهای بسیار زیادی دارد و از آن به وفور در صنایع مختلف استفاده می‌شود. در واقع هر جا که نیاز به سختی و مقاومت سایشی بالا باشد و کمتر برای خواص ساختاری اهمیت قائل شوند به جای آلیاژهایی مانند فولاد از چدن استفاده می‌شود. این به این دلیل است که فولاد را می‌توان به طور کلی اصلاح کرد تا تبدیل به محصولی شود که ویژگی‌های ساختاری مطلوب‌تری نسبت به چدن برای استفاده در پروژه‌های مختلف داشته باشد.
اگرچه قبل از رایج شدن استفاده از فولاد در صنایع مختلف، چدن تا حدود زیادی محبوب بود و کاربردهای متنوعی داشت. همچنین چدن به دلیل نیاز کمتر به عناصر آلیاژی اولیه و روش کم هزینه تولید، فلزی کاملا مقرون‌به‌صرفه‌تر از فولاد است. بنابراین، امروزه استفاده از چدن در سراسر جهان بسیار رایج شده است. در این بخش چند نمونه از کاربردهای این فلز آورده شده است. اگرچه دانستن این نکته نیز بسیار مهم است که بسته به نوع چدن، کاربرد آن می‌تواند متفاوت باشد.
- تولید دیسک ترمز
- تولید گیربکس و صفحات دنده
- تولید زنجیر چرخ
- زنجیر
- ماشین‌آلات صنعتی
- ظروف آشپزخانه
- وسایل تزئینی
- بدنه موتور خودرو
- شفت و میله‌های مختلف
- ساختمان
- تجهیزات معدن
- شیرآلات صنعتی
چند مزیت و چند عیب اصلی چدن
در اینجا جزئیاتی در مورد خواص چدن آورده شده است:
- چدن از مقاومت بالایی در برابر سایش برخوردار است.
- به راحتی ماشین‌کاری می‌شود.
- این فلز دارای حساسیت بسیار کمی در برابر بریدگی و تنش است.
- در برابر تغییر شکل مقاوم است. در واقع مقاومت فشاری چدن ۳ تا ۵ برابر فولاد است.
- نسبت به دیگر فلزات مشابه ارزان‌تر است. از آنجایی که چدن به طور گسترده در طبیعت در دسترس است؛ تولید آن در مقیاس بزرگ امکان‌پذیر می‌باشد. ابزارهای مورد نیاز برای انجام فرآیند ریخته‌گری روی این آلیاژ نسبتا ارزان هستند. در نتیجه محصولاتی که با چدن تولید می‌شوند در مقایسه با همتایان خود از قیمت پایین‌تری برخوردارند.
- چدن را می‌توان بدون نیاز به عملیات ماشین‌کاری پرهزینه، به هر شکل و اندازه پیچیده‌ای درآورد.
- چدن ماندگاری بالایی دارد.
در مقایسه با مزایای متعدد، معایب چدن نسبتا کمتر است. در این بخش می‌توانید نکات منفی چدن و معایب این فلز آلیاژی را مطالعه کنید:
- به راحتی زنگ می‌زند.
- استحکام کششی کمی دارد؛ بسیار شکننده است و در برابر ضربه زیاد مقاوم نیست.
- نسبت به وزنش از قدرت بسیار خوبی برخوردار است.
- در مقایسه با فولاد، خاصیت ماشین‌کاری ضعیفی دارد.
- چدن به زمان بیشتری برای گرم شدن نیاز دارد.
- به دلیل فرآیند سرد شدن آهسته، کمی نسبت به فلزات مشابه حساس‌تر است.
تفاوت بین چدن و فولاد ضد زنگ چیست؟
نقطه تمایز اولیه بین این دو عنصر این است که فولاد از سنگ آهن و فلزات قراضه ساخته شده است و به عنوان آلیاژ آهنی حاوی مقدار کنترل شده کربن شناخته می‌شود. در حالی که حدود ۴ درصد کربن موجود در آهن چدن است؛ کمتر از ۲ درصد کربن موجود در فولاد فولاد است. چدن نسبت به اکثر فولادها ارزان‌تر است. علاوه بر این، دمای ذوب پایین‌تری دارد.
اما مقاومت فشاری، سختی و مقاومت سایشی‌اش بالایی است. در نتیجه فولاد انعطاف‌پذیر و چکش‌خوار است ولی چدن دارای مقاومت فشاری بالایی است. تفاوت مهم دیگر بین فولاد و چدن این است که کربن موجود در فولاد به شکل کاربید آهن است؛ در حالی که کربن موجود در چدن به شکل گرافیت، کاربید آهن یا هر دو است.
