۶ بهمن ۱۳۹۹

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

چدنها

چدنها (Cast irons) گروهی از آلیاژهای آهنی هستند که محتوی کربن در آن‌ها بالاتر از ۲ درصد است . دمای ذوب نسبتا پایین مزیت اصلی آن‌ها نسبت به فولادها است [۱] .

چدنها حاوی ۴-۲ درصد کربن و ۳-۱ درصد سیلیسیم هستند [۲] . مقدار کربن (حداکثر ۲ درصد) و سیلیسیم در فولاد کمتر از چدن‌ است .

شکل زیر دیاگرام آهن- سمانتیت را نشان می‌دهد . در این تصویر محدوده فولادها و چدنها به همراه فازهای تشکیل شده در هر دما و اطلاعات تکمیلی دیگر ارائه شده است [۱] .

دیاگرام آهن- سمانتیت [۱] .

انواع چد‌نها

چدن‌‌ را می‌توان به دو گروه اصلی چدن‌ معمولی (عمومی) (Ordinary cast iron (general)) و چدن‌ سفید (White cast iron) دسته بندی کرد . انواع چدنهای معمولی شامل چدن‌ خاکستری ورقه‌ای یا لایه‌ای (Flake graphite or Gray cast iron) ، چدن‌ مالیبل یا چکش‌خوار (Malleable cast iron) ، چدن گرافیت کروی یا نشکن (Spheroidal graphite or Ductile cast iron) و چدن گرافیت فشرده یا کرمی شکل (Worm-shape or Compacted graphite cast iron) است . چدن‌ سفید به دو گروه چدن‌ بدون گرافیت و چدن گرافیت دار تقسیم می‌شود . چدن‌‌ بدون گرافیت شامل چدن سفید پرلیتی ، مارتنزیتی (نیکل- سخت) و پر کروم و چدن‌ گرافیت دار شامل چدن‌ آستنیتی ، فریتی و سوزنی است .

تفاوت چدن و فولاد

در ادامه به برخی از تفاوت‌های بین چدنها و فولادها اشاره شده است .

محتوی کربن

مهمترین اختلاف بین چدن و فولاد ، محتوی کربن موجود در آن‌ها است . چدن دارای محتوی کربن بالاتر از ۲ درصد است ؛ در حالی که فولاد کمتر از ۲ درصد کربن دارد و حتی در بسیاری از آلیاژهای فولادی محتوی کربن به کمتر از ۱ درصد می‌رسد [۳] .

خواص ماده

چدن و فولاد هر دو موادی با استحکام بالا هستند . چدن سخت‌تر از فولاد ، اما تردتر و شکننده‌تر است . سختی فولاد به اندازه چدن‌ها نیست اما چقرمگی بیشتری دارد . فرآیند ریخته‌گری چدن‌ آسان است و تولید چدن خاکستری بسیار کم هزینه است . دو مشکل عمده در چدن ‌، استحکام کششی و درصد ازدیاد طول پایین است . فولادها قابلیت انعطاف پذیری و جوشکاری مطلوبی دارند . ریخته‌گری فولاد نسبت به چدن‌ مشکل‌تر است [۳] .

مقایسه برخی از خواص چدن و فولاد در جدول زیر ارائه شده است [۳] .

مقایسه برخی از خواص چدن و فولاد [۳] .

خواص چد‌نها

چدن‌ بدلیل سهولت در ساخت قطعات پیچیده و هزینه پایین در ریخته‌گری ، بسیار مورد استقبال قرار گرفته‌ است . (“https://matmatch.com/learn/material/cast-iron.” .). علاوه بر این ، خواص چدن می‌تواند با تنظیم ترکیب و نرخ سرد شدن ، بدون اعمال تغییرات خاصی در روش تولید ، به آسانی تغییر کند . مزایای دیگر چدن نسبت به فولاد ریختگی شامل سهولت ماشینکاری ، میرایی لرزش ، استحکام فشاری ، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی است . مقاومت به خوردگی چدن از طریق افزودن مقادیر اندکی از عناصری مانند سیلیسیم ، نیکل ، کروم ، مولیبدن و مس بهبود می‌یابد [۲] .

چدنهای خاکستری

بدلیل ریزساختار گرافیتی چدن‌های خاکستری (آهن خاکستری) ، این ماده دارای رنگ خاکستری تیره است . حضور پوسته‌های گرافیتی در این چدن ، بدلیل حضور عنصر سیلیسیم است . سیلیسیم کربن را در شکل گرافیت پایدار می‌کند . چدن خاکستری حاوی ۴-۵/۲ درصد وزنی کربن و ۳-۱ درصد وزنی سیلیسیم است [۲] .

چدنهای سفید

چدن سفید بدلیل حضور کاربید آهن یا سمانتیت (Fe۳C) ، سفید رنگ است . محتوی سیلیسیم این چدن نسبت به چدن خاکستری کمتر است . چدن سفید حاوی ۶/۳-۸/۱ درصد وزنی کربن ، ۹/۱-۵/۰ درصد وزنی سیلیسیم و ۲-۱ درصد وزنی منگنز است . چدن سفید بسیار مقاوم به سایش و در عین حال شکننده و ترد است . بدلیل ریزساختار چدن سفید ، که شامل ذرات درشت کاربید آهن است ، این چدن سختی بالایی دارد [۲] .  

چدنهای مالیبل

چدن مالیبل از طریق عملیات حرارتی تدریجی (آنیل آهسته) چدن سفید بدست می‌آید . این عملیات حرارتی منجر به تغییر شکل کربن از کاربید آهن به گرافیت ، که در زمینه باقی مانده از فرلیت و پرلیت تشکیل می‌شود ، شده است . گرافیت چدن مالیبل در شکل‌های کروی یا گلوله‌ای وجود دارد . چدن مالیبل قابلیت انعطاف پذیری بالایی دارد . بدلیل محتوی سیلیسیم پایین‌تر در مقایسه با سایر چدنها ، چدن مالیبل چقرمگی شکست خوبی در دمای پایین دارد [۲] .

چدنهای نشکن (داکتیل)

چدن نشکن که چدن گرافیت کروی نیز نامیده می‌شود ، همانند چدن مالیبل دارای گرافیت کروی یا گلوله‌ای است . چدن نشکن بر خلاف چدن مالیبل (که در اثر عملیات حرارتی چدن سفید بدست می‌آید) از طریق یک ترکیب شیمیایی خاص بدست می‌آید . چدن نشکن شامل ۶/۳-۲/۳ درصد وزنی کربن ، ۸/۲-۲/۲ درصد وزنی سیلیسیم ، ۲/۰-۱/۰ درصد وزنی منگنز و مقادیر اندکی از منیزیم ، فسفر ، گوگرد و مس است [۲] .   در جدول زیر ترکیب شیمیایی چدنهای تجاری به همراه خواص آن‌ها ارائه شده است [۴] .

ترکیب شیمیایی انواع چدن تجاری [۴] .

ریخته گری چدنها

چدنها در هنگام ریخته گری ، در دماهای پایین‌تر قابلیت سیلان بالاتری نسبت به فولاد دارد . به این معنی که آن‌ها می‌توانند قالب‌های پیچیده با بازده بالاتری پر کنند . انقباض چدنها در هنگام سرد شدن حدودا نصف فولاد است . از متداول‌ترین چدنها برای ریخته گری ، چدن‌ خاکستری و چدن نشکن هستند [۵] . ریخته گری ریخته گری این مواد با روش‌های ریخته گری در قالب پوسته‌ای (Shell casting) ، ریخته گری ماسه‌ای (Sand casting) و ریخته گری دقیق (Investment casting) قابل انجام است .

ویدئوی زیر بخش کوتاهی از ریخته‌گری چدنها را نمایش می‌دهد .

کاربرد چدنها

چدن خاکستری

رایج‌ترین نوع چدنها ، چدن خاکستری است . این چدنها در کاربردهایی که نیاز به سفتی (Stiffness) بالا ، قابلیت ماشینکاری ، میرایی لرزش ، ظرفیت حرارتی بالا و رسانایی حرارتی بالایی دارند ، مورد استفاده قرار می‌گیرند . مثال‌هایی از این کاربردها شامل بلوک‌های سیلندر موتور احتراق داخلی ، چرخ طیار ، گیربکس ، منیفولد (Manifold) ، رتور ترمز دیسک و ظروف خوراکپزی هستند [۲] .  

چدن سفید

چدن‌ سفید در قطعات مقاوم به سایش مانند پمپ‌های دوغاب ، آسیاب‌های گلوله‌ای (Ball mills) ، میله‌های آسانسور ، نازل‌های اکستروژن ، مخلوط‌کن‌های سیمان ، اتصالات لوله‌ها ، پروانه‌های پمپ ، سنگ‌شکن‌ها و غیره کاربرد دارد [۲] .

چدن مالیبل

چدن مالیبل بدلیل انعطاف پذیری و استحکام کششی مطلوب در اتصالات و تجهیزات الکتریکی ، ابزارهای دستی ، اتصالات لوله ، واشرها ، تجهیزات کشاورزی و زراعت ، فلز آلات معدن کاری و قطعات دستگاه‌ها کاربرد دارد [۲] .

چدن نشکن (داکتیل)

بدلیل ریزساختار چدن نشکن ، این ماده انعطاف پذیری بالاتری نسبت به چدن خاکستری یا چدن سفید دارد . بدلیل این ویژگی ، چدن نشکن در لوله‌های چدنی نشکن در بخش آب و فاضلاب کاربرد دارد . چدنهای نشکن همچنین سیکل‌های حرارتی را تحمل می‌کند ؛ بنابراین در چرخ‌دنده‌های وسایل نقلیه ، ترمزها و سوپاپ‌ها ، پمپ‌ها و قطعات هیدرولیک ، محفظه توربین بادی و غیره کاربرد دارد [۲] .

چدنها گروهی از آلیاژهای آهنی هستند که کربن و سیلیسیم جزء عناصر اصلی آن‌ها است . این مواد بدلیل خواص ویژه‌ای که دارند کاربردهای وسیعی در صنایع دارند . این مواد در گیربکس‌ها ، توربین‌ها ، چرخ‌دنده‌ها ، ترمزها و سوپاپ‌ها ، ظروف خوراکپزی و غیره کاربرد دارند .

[۱]         “https://en.wikipedia.org/wiki/Cast_iron.” .

[۲]         “https://matmatch.com/learn/material/cast-iron.” .

[۳]         “https://gallivantingcraftsman.com/what-is-the-difference-between-cast-iron-and-steel/.” .

[۴]      کاویانی‌نژاد، فریدون, انتخاب مواد و طراحی برای مهندسین مواد- مکانیک- شیمی. موسسه آموزشی و تحقیقاتی صنایع دفاعی.

[۵]         “https://www.reliance-foundry.com/blog/ferrous-non-ferrous-metals#gref.” .