چدن چیست؟ چدن ها چه خواص و کاربردی دارند؟ انواع چدن ها کدامند؟

چدن چیست؟

چدن ها (Cast Irons) خانواده ی بزرگ و متنوعی از آلیاژهای پایه آهنی (Ferrous alloys) هستند که عناصر اصلی آلیاژی در آن ها شامل آهن، کربن و سیلیسیم است و عناصر دیگری چون منگنز، فسفر و گوگرد به صورت جزئی در ترکیب آن ها وجود دارد. در کنار چدن ها، فولادها (Steels) نیز از آلیاژهای پایه آهنی هستند که مقدار کربن و سیلیسیم کمتری در ترکیب خود دارند. در یک تعریف عمومی و پذیرفته شده، فولادها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن کمتر از ۲ درصد و چدن ها را آلیاژهای آهن با مقدار کربن بیشتر از ۲ درصد (تا حدود ۶ درصد) می نامند.

چدن ها از تنوع زیادی برخوردارند. از انواع مختلف چدن ها می توان به چدن های غیر آلیاژی از قبیل چدن خاکستری (Gray Iron)، چدن داکتیل یا نشکن (Ductile Iron)، چدن سفید (White Iron)، چدن مالیبل یا چکش خوار (Malleable Iron)، چدن با گرافیت فشرده (Compacted Graphite Iron)، چدن خالدار ( Mottled Iron)، چدن ADI یا داکتیل آستمپر شده (Austempered Ductile Iron) و چدن های آلیاژی از قبیل چدن های پرکروم مقاوم به سایش مثل چدن های نایهارد و نوریهارد، چدن های پر نیکل مقاوم به خوردگی مثل چدن های نای رزیست، چدن های نسوز و مقاوم به خوردگی پر سیلیس و غیره اشاره کرد.

انواع چدن های غیر آلیاژی:

در چدن ها بخش قابل توجهی از کربن، در هنگام انجماد آن آزاد شده و به صورت یک جزء اصلی مجزا در ریز ساختار شامل فاز پایدار گرافیت و فاز ناپایدار سمنتیت (کاربید آهن) ظاهر می شود. چگونگی تشکیل این کربن آزاد، شکل و نوع آن تعیین کننده ی نوع چدن ریختگی بوده و ماهیت و خواص آن را معین می کند. ترکیب شیمیایی انواع چدن های غیر آلیاژی شباهت های زیادی با هم دارند، بنابراین نمی توان آن ها را مثل فولادها بر اساس ترکیب شیمیایی دسته بندی نمود. روش مناسب برای دسته بندی چدن ها، تفکیک آن ها بر اساس نوع ترسیب کربن آزاد و شکل آن در ریز ساختار است. بر همین اساس:

اگر کربن اضافی در ترکیب با آهن به صورت کاربید آهن (سمنتیت) ظاهر شود، آن را چدن سفید (White Iron) می گویند.

اگر کربن اضافی به صورت گرافیت ورقه ای رسوب کند، آن را چدن با گرافیت ورقه ای یا چدن خاکستری (Gray Iron) می گویند.

اگر کربن اضافی به صورت گرافیت کروی رسوب کند، آن را چدن با گرافیت کروی یا چدن نشکن یا داکتیل (Ductile Iron) می گویند.

اگر کربن اضافی به صورت گرافیت کِرمی شکل و با پولک های کلفت رسوب کند، آن را چدن با گرافیت فشرده (compacted graphite iron) می گویند.

در صورتی که با عملیات حرارتی مناسب چدن سفید، کاربید آهن را تجزیه کرده و کربن آزاد را به صورت توده های متراکم (برفکی شکل) از خوشه های گرافیت کربن تمپر شده در ریز ساختار رسوب دهند، چدن حاصل را چدن با کربن تمپر شده یا چدن چکش خوار یا مالیبل (Malleable Iron) می گویند.

علاوه بر این پنج گروه اصلی از چدن های غیر آلیاژی که بر اساس نوع و شکل ترسیب کربن آزاد دسته بندی شده اند، چدن های غیر آلیاژی و آلیاژی دیگری نیز مورد استفاده ی صنعتگران قرار می گیرد.

خواص عمومی چدن ها:

چدن ها گروه وسیعی از انواع آلیاژهای آهنی با برخی خواص مشترک و البته خواص متفاوت بسیار هستند. بالا بودن کربن و سیلیسیم در ترکیب شیمیایی چدن ها باعث می شود تا آن ها قابلیت ریخته گری عالی پیدا کنند. چدن ها به سهولت ذوب شده و در حالت مذاب سیالیت زیادی دارند و هنگامی که ریخته می شوند فیلم های سطحی که سیالیت را کاهش می دهند، مشکلی را ایجاد نمی کند. دمای ذوب چدن ها از دمای ذوب فولاد بسیار کمتر است. چدن مذاب با مواد قالب کمتر وارد واکنش می شود. انجماد اکثر چدن ها با انقباض و کشیدگی جزئی همراه است. از سوی دیگر تشکیل گرافیت با وزن مخصوص پایین در یک گروه از چدن ها همراه با انبساط بوده و انقباض ناشی از انجماد مذاب را جبران می کند. این خصوصیات باعث می شود تا تولید قطعات ریختگی پیچیده از چدن ممکن شود. در مقابلِ خاصیت ریخته گری عالی چدن ها، بالا بودن مقدار کربن آن ها مانع از این می شود که بتوان در حالت جامد مثل فولادها بر روی آن ها عملیات شکل دادن (آهنگری، نورد و غیره) انجام داد.

قابلیت ماشین کاری چدن های خاکستری کم استحکام، داکتیل آنیل شده و مالیبل بسیار عالی است. این چدن ها را می توان سنگ زد و با دقت بالایی به ابعاد دقیق رسانید. با افزایش استحکام و سختی چدن، قابلیت ماشین کاری آن نیز افت می کند، به طوری که چدن های آلیاژی پر کروم را به دلیل سختی و تردی بالا، عموماً در ابعاد قطعه نهایی ریخته گری می کنند تا نیاز به ماشین کاری نباشد، زیرا ماشین کاری این چدن ها، زمان بر، هزینه بر و بسیار مشکل و پر دردسر است.

چدن ها قابلیت جوش پذیری بسیار پایین تری نسبت به فولادها دارند. چدن های سفید و آلیاژی پرکروم قابلیت جوش پذیری ندارند. به دلیل مشکلات حین و بعد از اجرای جوشکاری در چدن ها، هزینه ی بالاتر جوشکاری چدن ها و قیمت ارزان چدن، معمولاً از جوشکاری تعمیری قطعات کوچک چدنی صرفنظر می شود. هر چند که با لحاظ کردن الزامات و تمهیداتی، جوشکاری تعمیری قطعات بزرگ و حساس چدنی، قابل اجرا و توجیه پذیر است.

از انواع سیکل های عملیات حرارتی بر روی چدن ها مثل تنش گیری، آنیل یا تابکاری، نرماله کردن، مالیبل کردن چدن سفید، سریع سرد و بازگشت دادن (کوئنچ تمپر)، آستمپرینگ و مارتمپرینگ می توان برای تغییر و اصلاح ریز ساختار و بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی آن ها استفاده کرد.

چدن ها به دلیل داشتن مقدار نسبتاً زیاد سیلیسیم، از طریق ایجاد یک پوسته ی اکسیدی متراکم، در برابر اکسایش مقاومت می کنند. این پوسته ی اکسیدی، اکسایش بیشتر چدن را به تاخیر می اندازد. چدن های معمولی با موفقیت در بیشتر محیط های آبی و برخی مواد شیمیایی استفاده می شوند. برای مثال چدن خاکستری را می توان با موفقیت در نگهداری، حمل و پمپاژ اسید سولفوریک ۹۸ درصد در دماهای زیر ۳۰ درجه استفاده کرد. به منظور مقاومت به خوردگی و سایش در مصارف ویژه، چدن های آلیاژی از جمله نای رزیست و نایهارد توسعه یافته اند که خیلی بهتر از بسیاری از آلیاژهای دیگر عمل می کنند.

استحکام تسلیم همه چدن ها در فشار دست کم برابر استحکام تسلیم آن ها در کشش است و استحکام نهایی فشاری آن ها دو یا سه برابر استحکام کششی آن ها است. دلیل این تفاوت آن است که گرافیت موجود در چدن استحکام کششی آن را افزایش نمی دهد ولی می تواند بار فشاری قابل توجهی را تحمل کند. مدت ها است که هر دو نوع چدن خاکستری و سفید را با موفقیت در ساخت چرخ که زیر بار فشاری شدید است به کار می برند. از چدن خاکستری با سختی بیشتر از ۲۲۵ برینل برای ساختن چرخ های چرثقیل استفاده شده است. چدن های داکتیل و چکش خوار، هر گاه با عملیات حرارتی سخت شوند، فشار را بسیار خوب تحمل می کنند. به همین دلیل از آن ها برای ساختن چرخ دنده استفاده می شود.

جلوگیری از ایجاد لرزه و ارتعاش اضافی در ماشین آلات بر عمر آن ها بسیار موثر است. با استفاده از موادی با ظرفیت میرایی زیاد می توان لرزه و ارتعاش ماشین آلات را کاهش داد. لرزه معمولاً باعث سایش سریع یاتاقان ها و دندانه های چرخ دنده ها می شود. ممکن است دامنه لرزه ی قطعه ای که با بسامد تشدیدش می لرزد، به اندازه ای بزرگ شود که به شکست فاجعه آمیز آن منجر شود، مگر آن که لرزه جذب یا کار متوقف شود. توانایی نسبی انواع چدن خاکستری برای جذب لرزه ۲ تا ۶۰ برابر فولاد کربنی، ۱ تا ۲۰ برابر چدن چکش خوار و ۱ تا ۱۴ برابر چدن داکتیل است. قابلیت جذب ارتعاش چدن های داکتیل معمولاً بین چدن خاکستری و فولادها است.

خواص چدن ها علاوه بر شکل کربن راسب شده به ساختار زمینه نیز بستگی دارد. کربن راسب شده در چدن ها مسئول چندین خصوصیت در چدن ها است که فولادها عاری از آن ها هستند. گرافیت بسته به شکل خود در قابلیت ماشین کاری، مقاومت به سایش، جذب ارتعاش، ضریب هدایت گرما و خواص ریخته گری چدن ها موثر است. خواص مکانیکی چدن ها توسط زمینه ی فلزی در برگیرنده ی گرافیت تامین می شود. زمینه می تواند کاملاً فریتی باشد تا قابلیت ماشین کاری به حداکثر برسد ولی در این صورت استحکام و مقاومت چدن در برابر سایش کاهش می یابد. زمینه ی کاملاً پرلیتی مشخصه ی چدن های خاکستری پر استحکام است. زمینه ی فریتی – پرلیتی، سختی و استحکام متوسط و قابلیت ماشین کاری خوبی دارد.

معرفی ساده و کاربردی ریزساختار فولادها: فریت، آستنیت، پرلیت، مارتنزیت و بینیت

در جدول زیر، خصوصیات مختلف انواع چدن های غیر آلیاژی با هم و با فولاد کربنی ریختگی مقایسه شده است. این جدول یک مقایسه ی نسبی است و با اندکی ویرایش از کتاب تکنولوژی چدن تالیف روی الیوت (۱۹۸۸) آورده شده است.

مقایسه خصوصیات چدن ها و فولاد ریختگی با ۰٫۳% کربن – عدد ۱ بدترین و ۵ بهترین است

خصوصیت	چدن خاکستری	چدن داکتیل	چدن مالیبل	چدن سفید	فولاد کربنی با ۰٫۳% کربن
قابلیت ریخته گری	۵	۵	۴	۳	۲
قابلیت ماشین کاری	۵	۴	۴	۱	۳
جذب ارتعاش	۵	۴	۴	۲	۲
قابلیت سختی پذیری سطحی	۵	۵	۵	–	۲
مدول الاستیسیته	۳	۵	۴	–	۵
مقاومت به ضربه	۱	۴	۳	–	۵
مقاومت به سایش	۳	۴	۲	۵	۱
مقاومت به خوردگی	۵	۵	۴	۴	۲
نسبت مقاومت به وزن	۱	۵	۲	–	۳
هزینه ساخت	۵	۴	۳	۳	۲

تولید قطعات چدنی:

چدن به دلیل دارا بودن مقدار کربن بالا، قابلیت نورد، آهنگری و سایر روش های شکل دهی را ندارد و قطعات چدنی را تنها می توان به روش ریخته گری تولید نمود. چدن ها به سهولت ذوب می شوند، در حالت مذاب سیالیت زیادی دارند، بازه ی مذاب آن ها (از دمای ریخته گری تا انجماد) طولانی است، انجماد آن ها با انقباض و کشیدگی کمی همراه است، چدن مذاب تمایل کمتری برای ترکیب با مواد قالب دارد و دمای انجماد چدن ها (حدود ۱۱۵۰ درجه سانتیگراد) و دمای ذوب ریزی آن ها (حدود ۱۴۰۰ درجه سانتیگراد) نسبت به فولادها پایین تر است، بنابراین چدن برای تولید قطعات پیچیده با ضخامت نسبتاً کم تقریباً کم رقیب است.

به دلیل ماهیت ذاتی آلیاژهای آهنی پر کربن، قشرهای اکسید سطحی بر روی مذاب آن ها به کندی تشکیل می شود و این گونه آلیاژها در برابر جذب گازها و آخال ها مقاومت می کنند. رسوب گرافیت در چدن در حین انجماد، باعث انبساط چدن شده و انقباض ناشی از انجماد جبران می شود، در نتیجه ضرورت تغذیه گذاری به حداقل می رسد. چدن ها نسبت به بسیاری از آلیاژهای آهنی و غیر آهنی دیگر انقباض کمتری در حین انجماد (حدود ۱ درصد) دارند. هر چه میزان انقباض مجاز کمتر باشد ابعاد قطعه ریختگی یکنواخت تر خواهد بود، کمتر تابیده می شود و نیاز به عملیات حرارتی تنش زدایی کاهش می یابد. این مزیت های فرایندی یعنی سیالیت زیاد، انقباض کم ناشی از انجماد و انقباض کم در حالت انجماد، تولید قطعات ریختگی چدنی بسیار پیچیده را امکان پذیر می سازد.

کاربرد چدن ها:

خانواده ی چدن ها گستره ی وسیعی از استحکام و سایر خواص مهندسی را عرضه می کنند. خواص قطعات ریختگی چدن را می توان در گستره وسیعی تنظیم کرد و آن ها را از طریق عملیات حرارتی بهبود بخشید. تنوع و خواص مختلف انواع چدن باعث می شود تا دست طراح برای پاسخ به نیازهای طراحی و انتخاب متریال باز بوده و بتواند برای کاربری مورد نیاز خود، انتخاب های مختلفی از میان انواع چدن های خاکستری کم استحکام و پر استحکام، چدن های داکتیل، چدن های داکتیل عملیات حرارتی شده، چدن های سفید، چدن های مالیبل یا چکش خوار، چدن های با گرافیت فشرده، چدن های کم آلیاژ خاکستری و داکتیل و انواع چدن های آلیاژی مقاوم به سایش، مقاوم به خوردگی و مقاوم به دمای بالا، پیش رو داشته باشد.

انواع گوناگون چدن ها خواص سودمند متنوعی از قبیل گستره ای از سختی های متفاوت، از ماشین کاری پذیری عالی گرفته تا مقاومت فوق العاده در سایش را عرضه می کنند، ولی همه ی چدن ها برای تولید قطعاتی با ابعاد و شکل های بسیار گوناگون و متفاوت به یک اندازه مناسب نیستند.

چدن های خاکستری با دارا بودن گستره ای از استحکام های مختلف، چقرمگی و مقاومت به ضربه پایین، قابلیت جذب ارتعاش و صدای عالی، قابلیت ماشین کاری خوب تا عالی، جوش پذیری پایین، مقاومت به سایش لغزشی مناسب، استحکام فشاری بسیار بالا، خواص خستگی و مقاومت به خوردگی نسبتاً مناسب، مقاومت الکتریکی بالا، هدایت حرارتی خوب، تولید آسان و قیمت ارزان برای تولید انواع قطعات خودرو، پوسته موتور و سر سیلندر، پیستون، صفحه کلاج، چند راهه های موتورهای درون سوز، مشعل های گازسوز با ونتوری یکپارچه، بدنه و میز ماشین های تراش، بدنه موتورهای الکتریکی، بدنه و قطعات ماشین آلات عمومی، پوسته گیربکس، غلتک های نورد، قطعات و جعبه های درگیر با آتش، قطعات کوره ها، قالب های شمش، بدنه شیرآلات، لوله، فلنج و اتصالات، قطعات پمپ و انواع قطعات صنعتی دیگر استفاده می شوند.

لوله های چدن نشکن

علاوه بر چدن خاکستری، از چدن های با گرافیت کروی یا داکتیل با دارا بودن خواصی چون انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه ی مناسب، خواص خستگی مناسب، مقاوم در دمای بالا و اکسیداسیون، هدایت الکتریکی بهتر و هدایت حرارتی پایین تر نسبت به چدن خاکستری، قابلیت ماشین کاری عالی، قابلیت عملیات حرارتی، تولید آسان و قیمت مناسب نسبت به فولادها برای تولید انواع قطعات صنعتی مثل قطعات تحت فشار از جمله شیر فلکه، لوله و اتصالات و بدنه پمپ، قطعات موتور مثل میل لنگ، بادامک، اجزاء کلاچ و چرخ دنده، دیسک ترمز، غلتک های نورد، قطعات ماشین آلات کشاورزی مثل پوسته دیفرانسیل، براکت، چرخ دنده، قطعات انتقالی و بوش، چرخ و قرقره جرثقیل، قطعات ماشین های جابجایی بار و غیره استفاده می شود.

چدن های چکش خوار یا مالیبل نیز که از عملیات حرارتی چدن سفید به دست می آید، با دارا بودن خواص مکانیکی مناسب و قابلیت ماشین کاری عالی، برای تولید قطعاتی با مقطع نازک که باید داکتیل هم باشند گزینه ای ایده آل است. از این نوع چدن برای تولید زنجیر، چرخ زنجیر، قطعات ابزار، اتصالات لوله، انواع قطعات خودرو مثل جعبه فرمان، جعبه دنده، سگدست، پوسته دیفرانسیل، چهارشاخ گاردان، میل رابط یا شاتون، اجزای سیستم محرک و قطعات محور و غیره استفاده می کنند. بسیاری از چرخ دنده ها از چدن چکش خوار پرلیتی ساخته می شود.

سر سیلندر چدن خاکستری

چدن با گرافیت فشرده با دارا بودن خواص مکانیکی در محدوده ی بین خواص چدن های خاکستری و داکتیل و قابلیت ماشین کاری و ریخته گری آسان تر نسبت به چدن داکتیل، برای ساخت سرسیلندر، منیفولدهای دود، دیسک های ترمز، دیسک ها و رینگ های پیستون استفاده شده است. مقاومت بیشتر چدن های با گرافیت فشرده در مقابل ترک خوردگی، اعوجاج و خمیدگی در مقایسه با چدن های داکتیل، آن ها را برای قالب های شمش ریزی مناسب می سازد.

چدن ها در اکثر محل هایی که مقاومت به سایش مطرح است به کار برده می شوند. چدن های خاکستری با داشتن گرافیت ورقه ای در شرایط خشک لغزشی و روغنکای کاربرد دارند. چدن های سفید معمولاً در جاهایی که مقاومت به سایش مطرح است کاربرد دارند. کاربیدها در ساختار میکروسکوپی آن ها بسته به نوع، شکل و حجم آن ها، سختی لازم را برای خرد کردن مواد بدون کنده شدن را تدارک می بینند.

منیفولد چدن خاکستری

در کنار این نوع چدن های غیر آلیاژی، از انواع چدن های آلیاژی مثل چدن های نای رزیست (پُر نیکل)، نیکروسیلال و چدن های پُر سیلیس برای مصارف مقاومت به خوردگی، چدن های سفید مارتنزیتی و چدن های پُر کروم نایهارد و نوریهارد برای مصارف مقاومت به سایش و چدن های پر سیلیس برای مصارف دمای بالا در ساخت انواع قطعات صنعتی استفاده می شود.

فن از چدن نایهارد

عملیات حرارتی چدن ها:

عملیات حرارتی فولادها، به زبان ساده و کاربردی

عملیات حرارتی آنیل چدن ها به منظور حذف کاربیدها و پرلیت در ساختار ریختگی و یا تولید گرافیت در یک زمینه فریتی به کار برده می شود. سیکل به کار برده شده به نوع و طبیعت چدن بستگی دارد و معمولاً در چدن های خاکستری دو مرحله ای است. مرحله اول بالای محدوده دمای بحرانی انجام می شود که باعث تجزیه کاربید و یکنواختی زمینه می شود. مرحله دوم در زیر دمای بحرانی انجام می شود و زمینه به فریت و کاربیدها به گرافیت تبدیل می شود.

از نرماله کردن برای به دست آوردن یک سختی و استحکام بالاتر در قطعات ریختگی یا آنیل شده استفاده می شود. پس از نرماله کردن، یک ساختار پرلیتی با ترکیب خوبی از مقاومت به سایش همراه با قابلیت ماشین کاری به دست می آید. دمای نرماله کردن معمول برای چدن های خاکستری پر استحکام ۸۷۰-۸۱۰، برای چدن های خاکستری کم استحکام ۹۰۰-۸۴۰ و برای چدن های کروی ۹۰۰-۸۲۰ درجه سانتیگراد است.

عملیات حرارتی کوئنچ – تمپر، مقاومت و استحکام بیشتری را در مقایسه با نرماله کردن ایجاد می کند. این عملیات خواص خوب سایشی را هم تامین می کند. دمای آستنیته کردن در چدن ها معمولاً در محدوده ۹۵۰-۸۵۰ درجه سانتیگراد است. پس از آستنیته کردن چدن ها، کوئنچ آن ها در روغن یا هوا انجام می گیرد و سپس سیکل یک یا دو مرحله ای تمپر در دماهای زیر ۶۵۰ درجه سانتیگراد به همراه سرد کردن در هوا روی آن ها اعمال می شود. اکثر چدن های ریختگی را به دلیل اندازه، پیچیدگی یا تغییر در ضخامت مقطع آن ها نمی توان توسط سریع سرد کردن سخت نمود.

در مارتمپرینگ و آستمپرینگ، قطعه را معمولاً مستقیم از دمای آستنیته کردن به داخل یک مایع داغ که معمولاً حمام نمک مذاب در محدوده دمایی ۴۲۵-۲۰۰ درجه سانتیگراد است فرو می برند. زمینه ی غالب ساختار چدن های مارتمپر و آستمپر شده به ترتیب ماتنزیت و بینیت است. چدن های داکتیل آستمپرشده یا چدن ADI یک چدن منحصر به فرد با خواص استحکامی و داکتیلیته عالی است.