چدن چیست + بررسی ویژگی‌های انواع چدن در قالب جدول
حضور آهن در زندگی روزمره انسان‌ها به ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد برمی‌گردد. از آن زمان تاکنون، آهن در طیف وسیعی از مصارف، ادوات کشاورزی تا سلاح‌های جنگی، استفاده می‌شود. یکی از پرکاربردترین آلیاژهای آهن در صنایع گوناگون، چدن نام دارد. چدن، در واقع عضوی از خانواده آلیاژهای آهنی است که با ترکیب عناصر مختلف با عنصر آهن تولید می‌شود؛ در این مقاله، قصد داریم شما را با انواع و مزایای چدن آشنا کنیم.
چدن چیست؟
یکی از آلیاژهای پرکاربرد در مجموعه آلیاژهای آهنی، چدن است. اصلیترین عناصر تشکیل دهنده چدن، عموماً آهن، کربن و سیلیسیم هستند؛ اما عناصر دیگری مانند فسفر، گوگرد و منگنز نیز ممکن است در این آلیاژ استفاده شوند. چدن را در انواع و شکل‌های مختلف به بازار عرضه می‌کنند؛ در صنعت ساختمان‌سازی، از چدن کمتر استفاده می‌شود؛ اما در صنایع پتروشیمی و پالایشگاهی بسیار زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
انواع چدن
چدن‌ها دارای ترکیبات شیمیایی متفاوتی هستند و هر کدام، ترکیبات خود، کاربردها و ویژگی‌های منحصر‌به‌فردی دارند؛ در ادامه با چند نمونه از انواع چدن آشنا خواهید شد و هر کدام را به صورت خلاصه بررسی خواهیم کرد.
چدن سفید
این نوع چدن توسط ترکیب کربن با آهن تولید می‌شود. بخش عمده‌ای از کربن به شکل نیمه پایدار (سمنتیت) رسوب می‌کند و به چدن ساختاری سخت، شکننده و با مقاومت فشاری بالا می‌بخشد. مزایای دیگر آن شامل مقاومت بالا در برابر فرسایش و مقرون‌به‌صرفه بودن است. به دلیل تردی بیش از حد، این نوع چدن قابل استفاده در اکثر صنایع نیست و بیشتر در ساخت پروانه توربین‌های باد کاربرد دارد.
چدن خاکستری
یکی از آلیاژهای پرکاربرد و مهم در خانواده چدن‌ها، چدن خاکستری است. این مدل، انعطاف‌پذیری کمتری دارد و استحکام کششی آن نیز کمتر است؛ اما از رسانایی حرارتی مناسبی بهره می‌برد. عناصری که در ترکیب چدن خاکستری با عنصر آهن مشاهده میشوند، عبارتند از:
- سیلیسیم: ۰.۵ تا ۱.۵ درصد
- منگنز: ۰.۲ تا ۰.۸ درصد
- فسفر: کمتر از ۰.۱ درصد
- کربن: ۳.۵ تا ۴ درصد
- گوگرد: کمتر از ۰.۰۶ درصد
به دلیل ساختار گرافیتی متفاوت، چدن‌های خاکستری به دسته‌بندی‌های زیر تقسیم میشوند:
- با گرافیت ورقه‌ای یا پولکی
- با گرافیت کروی
- با گرافیت کلوخه‌ای یا شکوفه‌ای
- چشم گاو؛ چدن‌های خاکستری از دو آلیاژ شناخته شده به نام GG-20 و GG-25 تشکیل شده‌اند و در صنایع مختلفی مانند خودروسازی برای ساخت بدنه موتورهای الکتریکی، تولید لوله و شیرآلات، پمپ‌سازی و تولید قطعات، تجهیزات و ماشین‌آلات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
چدن مالیبل یا چکش‌خوار
این نوع از طریق عملیات حرارتی روی چدن سفید به دست می‌آید. در این فرآیند، کاربیدهای آهن (سمنتیت) در چدن سفید شکسته شده و به گرافیت‌های آزاد تبدیل میشوند. این گرافیت‌ها به‌صورت برفکی شکل می‌گیرند. چدن مالیبل دارای خاصیت چکش‌خواری و انعطاف‌پذیری است و همچنین در دماهای پایین قابلیت مقاومت در برابر شکستن را دارد. چدن مالیبل در اتصالات الکتریکی، تجهیزات معدنی و قطعات ماشین‌آلات استفاده می‌شود.
چدن داکتیل
با افزودن حدود 0.2 درصد منیزیم یا سریم به چدن خاکستری و تبدیل گرافیت‌های تیغه‌ای به گرافیت‌های کروی، چدن داکتیل به دست می‌آید. این محصول به‌عنوان چدن چشم گاوی نیز شناخته می‌شود. چدن داکتیل اصالتا به‌دلیل خاصیت شکل‌پذیری نسبی آن کاربرد دارد و در زیرساخت‌های آب‌و‌فاضلاب به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین، مقاومت چرخه‌ای حرارتی، آن را به یک انتخاب محبوب برای میل‌لنگ، دنده، سیستم تعلیق سنگین و ترمز تبدیل کرده، چدن داکتیل دارای سختی 150 تا 300 ویکرز و استحکام کششی حدود 380 مگاپاسکال است.
جدول ویژگی‌های انواع چدن
| ویژگی‌ها |
چدن سفید |
چدن خاکستری |
چدن مالیبل |
چدن داکتیل |
| ساختار و خواص |
ساختار سخت و شکننده، مقاومت فشاری بالا |
انعطاف‌پذیری بیشتر، مقاومت کششی کمتر |
خاصیت چکش‌خواری و انعطاف‌پذیری، مقاومت در دماهای پایین |
خاصیت شکل‌پذیری نسبی، مقاومت چرخه‌ای حرارتی بالا |
| کاربردها |
پروانه‌های توربین‌های باد و صنایع نیازمند به مقاومت فشاری بالا |
صنایع با نیاز به انعطاف‌پذیری و رسانایی حرارتی مانند صنایع خودروسازی و تولید لوله و شیرآلات |
اتصالات الکتریکی، تجهیزات معدنی، قطعات ماشین‌آلات، مواردی که نیاز به انعطاف‌پذیری و مقاومت در دماهای پایین دارند |
زیرساخت‌های آب و فاضلاب، میل‌لنگ، دنده، سیستم تعلیق سنگین، ترمز، مواردی که نیاز به مقاومت چرخه‌ای حرارتی دارند، به عنوان مثال در سیستم‌های پرتابعی هواویا و دوشاخه‌ها از این نوع چدن استفاده می‌شود. |
| ترکیبات شیمیایی |
کربن با آهن |
سیلیسیم، منگنز، فسفر، کربن، گوگرد |
– |
– |
| دسته‌بندی‌ها |
– |
با گرافیت ورقه‌ای یا پولکی – با گرافیت کروی – با گرافیت کلوخه‌ای یا شکوفه‌ای |
– |
– |
| خاصیت‌های دیگر |
مقاومت بالا در برابر فرسایش |
– |
مقاومت در دماهای پایین |
مقاومت چرخه‌ای حرارتی |
ترکیب شیمیایی چدن
چدن‌ها از ترکیب عناصر اصلی و فرعی تشکیل میشوند. معمولاً برای ساخت چدن‌ها از ۹۲ درصد آهن، ۲-۴ درصد کربن و ۱-۳ درصد سیلیسیم استفاده و حدود یک درصد نیز به عناصر دیگر اختصاص داده می‌شود. در فرایند ترکیب عناصر برای ساخت چدن، دقت در مقادیر هر یک از عناصر اهمیت دارد تا آلیاژ خاصیت خود را حفظ کند و فاقد ناخالصی‌های غیر مطلوب شود؛ عناصر فوق عبارتند از:
- سیلیسیم: حدود ۴% ذرات سیلیسیم در چدن وجود دارد که به نرمی و ماشینکاری کمک می‌کند همچنین سختی و مقاومت الکتریکی را افزایش می‌دهد.
- گوگرد: وجود گوگرد تا ۰.۱% در چدن باعث افزایش سختی و شکنندگی آن می‌شود.
- منگنز: وجود حدود ۰.۷۵% منگنز در چدن باعث تقویت کاربید چدن و افزایش مقاومت آن در برابر سایش خواهد شد.
- کروم: این عنصر باعث افزایش سختی، مقاومت در برابر سایش، اکسیداسیون و خوردگی در چدن می‌شود.
- نیکل: وجود نیکل استحکام کششی چدن را افزایش می‌دهد.
- مولیبدن، تنگستن و وانادیوم: این عناصر باعث بیشتر شدن سختی‌پذیری چدن میشوند.
- آلومینیوم و تیتانیوم: این عنصر به عنوان اکسید کننده در فولاد عمل می‌کنند.
- نیوبیم و کبالت: وجود این عناصر باعث کاهش سختی‌پذیری و افزایش شکل‌پذیری چدن شده و منجر به افزایش مقاومت در برابر ضربه می‌شود.
خواص فیزیکی و شیمیایی انواع چدن
در ادامه به بررسی خواص فیزیکی چدن و نقش آن در تفاوت با فولاد زنگ‌نزن، برخی مشخصات مهم را می‌توان به شرح زیر بیان کرد:
- سختی: چدن معمولاً دارای سختی بالایی است که از آن برای مقاومت در برابر سایش و فرورفتگی استفاده می‌شود.
- شکل‌پذیری: چدن به‌دلیل ساختار خاص خود، شکل‌پذیری کمتری نسبت به فولاد زنگ‌نزن دارد و در تغییر شکل بدون شکستگی محدودیت‌هایی وجود دارد.
- الاستیسیته: چدن به‌طور کلی کمتر از فولاد زنگ‌نزن قابلیت الاستیسیته دارد، یعنی پس از تغییر شکل، توانایی بازگشت به ابعاد اصلی خود را کمتر از فولاد زنگ‌نزن دارد.
- انعطاف‌پذیری: چدن نسبت به فشار و تغییر شکل، انعطاف‌پذیری کمتری دارد و معمولاً تحت فشار بدون پارگی تغییر شکل نمی‌دهد.
- مقاومت کششی: چدن به‌دلیل ساختار خود، معمولاً مقاومت کششی بالایی دارد و توانایی تحمل بیشترین تنش طولی بدون پاره شدن را داراست.
- مقاومت در برابر خستگی: محصول مدنظر معمولاً مقاومت در برابر خستگی کمتری نسبت به فولاد زنگ‌نزن دارد و در برابر استرس‌های بالا و تعداد مشخصی از چرخه‌ها ممکن است شکسته شود.
- نقطه ذوب چدن: به‌دلیل وجود ناخالصی‌ها، چدن‌ها نقطه ذوب کمتری نسبت به سایر مواد دارند؛ نقطه ذوب آن حدوداً بین ۱۴۲۰ تا ۱۴۷۰ درجه کلوین (حدود ۱۱۴۷ تا ۱۱۹۷ درجه سلسیوس) است.
مشخصات فیزیکی و مکانیکی چدن و فولاد زنگ‌نزن توسط ASTM (انجمن بررسی مواد آمریکا) بررسی شده و استانداردهای مختلف برای آنها در نظر گرفته می‌شود؛ این بررسی‌ها و استانداردها در هنگام جوشکاری نیز اهمیت زیادی دارند تا اطمینان برای خواص مکانیکی یکسان در نقاط جوش حاصل شود و احتمال شکستگی و خرابی کاهش پیدا کند.
مزایا و معایب چدن
چدن دارای مزیت‌های فراوانی از جمله خاصیت ریختهگری و ماشینکاری، مقاومت در برابر سایش، قیمت مناسب، ماندگاری بالا، قابلیت چکش‌خواری، مقاومت بالا در برابر تغییر شکل و حرارت، استحکام فشاری بالا، خواص ضدلرزش عالی و خواص مکانیکی ثابت در دماهای بین ۲۰ تا ۳۵۰ درجه سانتیگراد است. همچنین از معایب آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
این محصول در مقابل رطوبت و اکسیژن حساس است؛ البته این مشکل می‌تواند با استفاده از روش‌های پوشش دهی مانند رنگ‌آمیزی یا روش‌های ضد زنگ مانند گالوانیزه کردن کاهش پیدا کند.
کالا مدنظر در مقایسه با فولاد، استحکام کششی ضعیف‌تری دارد. این به‌معنای این است که چدن در مقابل نیروهای کششی حساس‌تر بوده و ممکن است در برخی کاربردها نتواند مقاومت کافی را ارائه دهد.
چدن به دلیل ساختار خود، نسبت به وزن، استحکام بالایی دارد. این ویژگی می‌تواند در برخی کاربردها مانند صنعت هواو‌فضا، حمل‌و‌نقل و مسائل مربوط به وزن و ظرفیت باربری را ایجاد کند.
در مقابل ضربه و شکستگی حساس بوده و ممکن است در برخی کاربردها نتواند مقاومت کافی را ارائه دهد.
- ماشینکاری ضعیف تر از فولاد
چدن به دلیل ساختار خود و خصوصیات فیزیکی و مکانیکی خاص، ماشینکاری ضعیف تری نسبت به فولاد دارد. این به‌معنای این است که در فرآیندهای ماشینکاری مانند حفاری، تراشکاری و فرزکاری، چدن امکان دارد مشکلاتی مانند لرزش، ابزار سرازیری و سایر مشکلات ماشینکاری ایجاد کند. شما می‌توانید برای اطلاعات بیشتر درباره فولاد بر روی لینک فولاد چیست کلیک کنید و اطلاعات لازم را کسب کنید.
جمع‌بندی
همانطور که گفته شد آهن و استخراج آهن در زندگی انسان‌ها بسیار تاثیر گذاشته است. در حال‌حاضر، آلیاژی از آهن (انواع مختلف چدن) در صنایع متعدد استفاده میشوند. آشنایی کامل با آنها به شما را یاری می‌دهد تا در مواقع مختلف، انتخاب بهتری داشته باشد. چدن به‌دلیل سختی و مقاومت بالا در برابر سایش، در صنایع مختلفی مانند تولید دیسک ترمز، چرخ‌دنده و صفحه‌دنده، زنجیرچرخ، ظروف آشپزخانه، قطعات معماری تزئینی، در انواعی از ابزارهای آهنگری و غیره استفاده می‌شود. شما می‌توانید برای دیدن قیمت تیرآهن به سایت یا تلگرام پیوان مراجعه کنید.
فایل PDF یکی از منابع مقاله چدن چیست
میلگرد
ورق فولادی
تیرآهن و هاش
پروفیل
نبشی
ناودانی
لوله و اتصالات
صنایع مفتولی
تخته و چوب
