چدن چیست و از ویژگی و کاربردهای آن چه می دانید؟
چدن آلیاژی از آهن و کربن است که در آن بیش از ۲% کربن وجود دارد. این آلیاژ به دلیل مقرون به صرفه بودن و دوام بالا ، تا اوایل قرن ۲۰ ماده مورد علاقه ظروف آشپزی بود. این ماده از آلومینیوم ارزان تر بود و به طور گسترده تری در دسترس مردم قرار می گرفت .
در اواخر قرن ۲۰ میلادی ، ظروف نچسب بیشتر از چدن در بیشتر خانه ها رایج شده بود. با این حال ، با انتشار گزارش های نگران کننده در مورد تأثیر پوشش های نچسب شیمیایی بر روی محیط زیست و سلامتی ما ، آشپزهای بیشتری به استفاده از قابلمه های چدنی برگشتند و این آلیاژ را به عنوان یک گزینه مناسب جایگزین انتخاب می کردند و مزایای آن را دوباره کشف کردند.
بسته به محتوای سیلیکون موجود در چدن ، این ماده به عنوان چدن سفید یا چدن خاکستری طبقه بندی می شود و ممکن است تحت دمای بیشتر تحت فرآوری قرار گیرد تا چدن قابل انعطاف یا شکل پذیر تولید شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با این ترکیب در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه ما باشید.
تاریخچه تولید چدن
حضور آهن در زندگی انسان از حدود ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح آغاز شد و شامل طیف وسیعی از کاربردها از ابزار کشاورزی تا سلاح های جنگی بوده است. در این رابطه آهنگری به یک حرفه مهم تبدیل شد زیرا با آهن کار می کردند تا خصوصیات آن را تغییر داده و مواد را به ابزار مختلف تبدیل کنند.
چدن آلیاژی است که از ذوب آهن و کربن تولید می شود. پس از ذوب ، فلز مذاب را داخل قالب مورد نظر می ریزند . تفاوت اساسی و اولیه در تولید آهن فرفورژه و چدن این است که روی چدن با چکش و ابزار کار نمی شود. در محصول بدست آمده نیز تفاوت هایی وجود دارد، چدن حاوی ۲-۴٪ کربن و سایر آلیاژها همچون ۱-۳٪ سیلیسیم می باشد که عملکرد ریخته گری فلز مذاب را بهبود می بخشد. مقادیر کمی منگنز و برخی ناخالصی ها مانند گوگرد و فسفر نیز ممکن است در ترکیب وجود داشته باشد. تفاوت بین آهن فرفورژه و چدن را می توان در جزئیات ساختار شیمیایی و خصوصیات فیزیکی آنها نیز پیدا کرد.
تفاوت های قابل توجهی بین فولاد و چدن نیز وجود دارد حتی اگر هر دو حاوی مقدار مشابهی کربن باشند و به نظر مشابه برسند . فولاد دارای کربن کمتر از ۲٪ می باشد که این امر باعث می شود محصول بدست آمده در یک ساختار ریز بلورین جامد شود. چدن دارای کربن بیشتری می باشد به این معنی که به عنوان یک آلیاژ ناهمگن جامد شناخته می شود. چدن همچنین می تواند با مقادیر کمی منگنز ، مولیبدن ، سریم ، نیکل ، مس ، وانادیوم و تیتانیوم آلیاژ شود تا ویژگی های آن بهبود یابد.
انواع آهن
آهن در دو نوع عمده تولید می شود: آهن فرفورژه و چدن . در این موارد ، چدن شامل خانواده فلزات خاص خود می باشد. اولین نوع آهن تولید شده و ساخته شده توسط آهنگران در دوران قدیم آهن فرفورژه بوده است که تقریباً آهن خالص (Fe ) است که قبل از اینکه با چکش روی آن کار شود آنرا در کوره گرم می کردند. چکش زدن آهن بیشتر سرباره مواد را دفع می کند و ذرات آهن را بهم جوش می دهد.
در جریان انقلاب صنعتی و توسعه ساخت و سازهای ساختمانی ، از آهن فرفورژه بسیار استفاده شد . مقاومت کششی بالای این فلز باعث شد از آن در پروژه های بزرگ ساختمانی مانند پل ها و ساختمان های بلند استفاده کنند. با این حال ، در اوایل قرن ۲۰ هنگامی که محصولات فولادی با عملکرد بهتر نسبت به آهن برای مصارف ساختمانی تولید می شدند ، استفاده از آهن فرفورژه برای این منظور تا حد زیادی رها و کاهش داده شد.
تولید و پردازش چدن
برای تولید چدن ، آهن باید از سنگ آهن استخراج شود. سنگ معدن در کوره بلند ذوب می شود و در آنجا از آهن و سرباره جدا می شود. سنگ آهن در کوره تا حدود ۱۸۰۰ درجه سانتی گراد گرم می شود و سرباره تشکیل شده به سمت بالا می رود و می توان آن را خارج کرد.
آهن مذاب در پایین کوره حاوی حدود ۳٪ – ۵٪ وزنی کربن است. سپس با آهن ، فولاد ، کک و سنگ آهک ترکیب می شود. هنگامی که ناخالصی ها به طور انتخابی از این نوع آهن پاک می شود ، محتوای کربن کاهش می یابد. در این مرحله ممکن است سیلیسیم اضافه شود تا محتوای کربن به گرافیت یا سمانیت تبدیل شود. سپس چدن به اشکال مختلف ریخته گری می شود.
خواص مکانیکی چدن
خصوصیات مکانیکی یک ماده نشان می دهد که چگونه تحت تنش های خاص می تواند پاسخ دهد که به تعیین مناسب بودن آن برای کاربردهای مختلف کمک می کند. مشخصات این آلیاژ توسط سازمان هایی مانند انجمن بررسی مواد آمریکا (ASTM ) تنظیم می شود تا کاربران با اطمینان از اینکه شرایط لازم برای کاربرد را دارند این آلیاژ را خریداری کنند. مشخصات معمول چدن خاکستری ASTM A48 است.
هنگام جوشکاری قطعات چدن به یکدیگر نیز مشخصات مهم است. جوش باید از خواص مکانیکی ماده ای که با هم جوش داده شده است ، برخوردار باشد یا از آن فراتر رود در غیر این صورت ، شکستگی و خرابی ممکن است رخ دهد.
چند ویژگی مکانیکی معمول برای چدن عبارتند از:
- سختی – مقاومت مواد در برابر سایش و فرورفتگی
- مقاومت – توانایی مواد در جذب انرژی
- شکل پذیری – توانایی تغییر شکل مواد بدون شکستگی
- الاستیسیته – توانایی مواد پس از تغییر شکل در بازگشت به ابعاد اصلی
- قابلیت انعطاف پذیری – توانایی تغییر شکل مواد تحت فشار و بدون پارگی
- مقاومت کششی – بیشترین تنش طولی که یک ماده می تواند بدون پاره شدن تحمل کند
- مقاومت در برابر خستگی – بالاترین استرسی که یک ماده می تواند برای تعداد مشخصی از چرخه ها بدون شکستن مقاومت کند
ویژگی های عمومی چدن
این آلیاژ به دلیل توانایی آن در هنگام ذوب شدن به راحتی به اشکال پیچیده تبدیل می شود و هزینه کم آن بسیار مورد علاقه است. علاوه بر این ، با تنظیم ترکیب و میزان خنک سازی بدون تغییر قابل توجه در روش های تولید ، می توان به راحتی ویژگی های آن را تغییر داد.
از دیگر مزایای اصلی آن نسبت به فولاد ریخته گری شده می توان به سهولت ماشینکاری ، کاهش لرزش ، مقاومت فشاری ، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد. مقاومت در برابر خوردگی چدن با افزودن عناصر جزئی مانند سیلیکون ، نیکل ، کروم ، مولیبدن و مس بهبود می یابد.
انواع چدن و کاربردهای آنها
این آلیاژ را می توان بسته به ترکیب آن به چدن خاکستری ، سفید ، قابل انعطاف و شکل پذیر طبقه بندی کرد.
چدن خاکستری
چدن خاکستری همه کاره ترین و پرکاربردترین نوع از این آلیاژ است. وجود کربن منجر به تشکیل پوسته های گرافیت می شود که اجازه نمی دهد در هنگام شکستن مواد، ترک ها از بین بروند. در عوض با شکستن مواد ، گرافیت ترک های جدیدی را ایجاد می کند. چدن شکسته به رنگ مایل به خاکستری است. پوسته های گرافیت باعث می شود که چدن خاکستری مقاومت کمی در برابر ضربه داشته باشد. همچنین فاقد قابلیت ارتجاعی و مقاومت کششی باشد.
با این حال مواد گرافیتی قابلیت تراش عالی ، ویژگی های میرایی و همچنین خواص روانکاری خوبی به این آلیاژ می دهد که آنها را برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مفید می کند. ریزساختار گرافیت چدن دارای ماتریسی است که از فریت ، پرلایت یا ترکیبی از دو تشکیل شده است. چدن خاکستری مذاب از سیالیت بیشتری برخوردار است و در هنگام انجماد به خوبی منبسط می شوند. این امر آنها را برای صنایعی مانند کشاورزی ، اتومبیل ، کارخانه های نساجی و غیره مفید کرده است.
کاربردهای چدن خاکستری
چدن خاکستری رایج ترین شکل این آلیاژ می باشد. این آلیاژ در مواردی استفاده می شود که سختی زیاد ، قابلیت ماشین کاری ، کاهش لرزش ، ظرفیت گرمای زیاد و هدایت حرارتی بالا از جمله بلوک سیلندر موتور احتراق داخلی ، چرخ دنده ، جعبه دنده ، منیفولد ، روتور ترمز دیسکی مورد نظر باشد.
طبقه بندی مورد استفاده برای چدن خاکستری ، معمولاً استاندارد بین المللی ASTM A48 است . در این سیستم ، این آلیاژ با توجه به مقاومت کششی درجه بندی می شوند ، به عنوان مثال چدن خاکستری کلاس ۲۰ ، دارای حداقل مقاوم کششی ۲۰۰ (مگاپاسکال) psi است.
چدن سفید
هنگامی که چدن سفید شکسته می شود ، ترک های سفید رنگ به دلیل وجود ناخالصی های کاربید در سراسر آن دیده می شود. چدن سفید سخت اما شکننده است و دارای محتوای سیلیکون پایین و نقطه ذوب پایین است. کربن موجود در این آلیاژ رسوب می کند و ذرات بزرگی را تشکیل می دهد که سختی چدن را افزایش می دهد. این آلیاژ مقاوم در برابر سایش و همچنین مقرون به صرفه است و آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می کند.
کاربردهای چدن سفید
این نوع آلیاژها در قسمت های مقاوم در برابر سایش مورد استفاده قرار می گیرند که شکنندگی آنها به مقدار حداقل باشد ، مانند آسترهای پوسته ، پمپ های دوغاب ، آسیاب های توپی ، میله های بالابر ، نازل های اکستروژن ، میکسرهای سیمان ، اتصالات لوله ، فلنج ها ، سنگ شکن ها و پروانه های پمپ موارد استفاده از این نوع آلیاژ می باشد. طبقه بندی مورد استفاده برای این آلیاژ ، ASTM A532 است . این آلیاژ حاوی نیکل و کروم برای مقاومت در برابر سایش است.
چدن چکش خوار یا انعطاف پذیر
چدن های قابل انعطاف از طریق عملیات حرارتی آهسته بازپخت چدن سفید تشکیل می شوند. این منجر به تبدیل کربن ، به شکل کاربید آهن در این آلیاژ ، به گرافیت می شود و ماتریس باقیمانده از فریت یا مروارید تشکیل می شود. گرافیت به شکل اشکال کروی یا گره ای در این آلیاژ به وجود می آیند.
این آلیاژ قابلیت انعطاف پذیری و شکل پذیری خوبی دارد و با توجه به محتوای سیلیکون پایین تر در مقایسه با سایر چدن ها ، در دمای پایین مقاومت خوبی در برابر شکستگی از خود نشان می دهد.
کاربردهای چدن قابل انعطاف
از این آلیاژ به دلیل مقاومت کششی و شکل پذیری خوب ، برای اتصالات و تجهیزات الکتریکی ، ابزار دستی ، اتصالات لوله ، واشر ، براکت ، تجهیزات کشاورزی ، سخت افزار استخراج و قطعات ماشین استفاده می شود. طبقه بندی معمول برای این آلیاژ ASTM A47 است.
چدن داکتیل
چدن داکتیل یا شکل پذیر نوع دیگری از فلز چدن می باشد که در بسیاری از کاربردها به عنوان ماده مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. برای تولید این آلیاژ ، مقدار کمی منیزیم به چدن مذاب اضافه می شود که ساختار گرافیتی ایجاد شده را تغییر می دهد. منیزیم با اکسیژن و گوگرد موجود در این مذاب واکنش می دهد و منجر به گرافیت به شکل گره می شود که باعث می شود چدن به آن گره بخورد. مانند چدن قابل انعطاف ، چدن داکتیل نیز انعطاف پذیر است و رابطه کرنش تنش خطی نشان می دهد. این را می توان در اندازه های مختلف و به ضخامت های مختلف تولید کرد.
چدن داکتیل حاوی ۳.۲ – ۳.۶ ٪ وزنی کربن ، ۲.۲ – ۲.۸ ٪ وزنی سیلیسیوم و ۰.۱ – ۰.۲ ٪ وزنی منگنز و همچنین مقادیر کمتری منیزیم ، فسفر ، گوگرد و مس است.
کاربردهای چدن شکل پذیر
این ماده به دلیل ریزساختار بودن ، شکل پذیرتر از چدن های خاکستری یا سفید است. به همین دلیل ، از آن به عنوان لوله های آهنی شکل پذیر برای زیرساخت های آب و فاضلاب استفاده می شود. همچنین از آن می توان در ساخت چرخ دنده های خودرو و اجزای سیستم تعلیق ، ترمزها و سوپاپ ها ، پمپ ها و قطعات هیدرولیکی و محفظه های توربین های بادی استفاده کرد. این آلیاژ معمولاً به عنوان ASTM A536 طبقه بندی می شود .
تفاوت های بین چدن و فولاد
یکی از محبوب ترین روش ها برای ساخت اجزای ماندگار و با کیفیت از طریق ریخته گری است. ریخته گری اجازه می دهد تا سطح بالایی از جزئیات که منجر به عدم نیاز و ساخت اضافی یا مونتاژ می شود، بدست بیاید. در حالی که بسیاری از مواد مختلف را می توان ریخته گری کرد ، فولاد و چدن به دلیل خواص مکانیکی عالی برای طیف گسترده ای از کاربرد ها ، محبوب ترین هستند.
مقاومت در برابر خوردگی
وقتی نوبت به خوردگی می رسد ، مقاومت در برابر خوردگی چدن بهتر از فولاد است. این بدان معنا نیست که هر دو در برابر خوردگی قابل نفوذ نیستند. در صورت عدم محافظت ، هر دو فلز در حضور رطوبت اکسید می شوند. در نهایت ، آنها کاملاً تجزیه می شوند. برای جلوگیری از این امر پوشش برای ریخته گری های فولادی و چدن توصیه می شود.
هزینه
چدن به دلیل هزینه کمتر مواد ، انرژی و نیروی کار مورد نیاز برای تولید محصول نهایی ، اغلب ارزان تر از فولاد است. گرچه فولاد خام گرانتر است ، اما اشکال پیش ساخته شده فولاد وجود دارد که شامل ورق ، میله ، لوله و تیر می باشد.
قابلیت ریختگی
ریخته گری چدن نسبتاً آسان است ، زیرا به راحتی می ریزد و به اندازه فولاد کوچک نمی شود. این قابلیت جریان پذیری ، چدن را به فلزی ایده آل برای سازه های آهنی معماری یا تزئینی مانند شمشیر بازی و مبلمان خیابانی تبدیل می کند.
مزایا و معایب چدن
چدن خاکستری دارای خواص ریخته گری خوبی از جمله میرایی خوب ، مقاومت در برابر سایش ، تراشکاری خوب و حساسیت پایین می باشد. با این حال ، مقاومت کششی آن بسیار کم است. بنابراین ، فقط می تواند برخی از قطعات فلزی را با نیازهای فیزیکی پایین تولید کند.
در مورد درجه های بالاتر ، چدن خاکستری می تواند بار بیشتر و درجه خاصی از مقاومت در برابر خوردگی را تحمل کند. این اجازه می دهد تا برای برخی از مهمترین ریخته گری ها مانند سیلندر ، دنده ، پایه ، چرخ دنده ، تخت ، بلوک سیلندر ، آستر سیلندر ، پیستون ، جعبه دنده ، چرخ ترمز ، صفحه اتصال ، شیر فشار متوسط وغیره مناسب باشد.
این آلیاژ قابل انعطاف از مقاومت ، شکل پذیری و مقاومت در برابر حرارت و مقاومت بالایی برخوردار است. بنابراین در کاربردهای گسترده تر ، در برخی موارد ، می تواند جایگزین فولاد کربنی شود. با این حال ، فناوری تولید آن بالا است و روند تولید پیچیده تری دارد که باعث می شود هزینه تولید بالاتری از چدن خاکستری و فولاد ریخته گری باشد.
