چدن چیست و انواع آن کداماند؟
چدن یک آلیاژ آهنی است که محتوای کربن آن بیشتر از فولاد (معمولا بین ۲ تا ۴ درصد) و مقادیر قابل توجهی سیلیسیم (بین ۱ تا ۳ درصد) دارد. همین درصد بالای کربن، ویژگیهای متمایزی به آن میبخشد. برخلاف فولاد، چدن نقطه ذوب پایین تری دارد و سیالیت آن در حالت مذاب بهتر است، که این خصوصیت آن را برای قطعاتی با شکل های گوناگون که از طریق ریخته گری تولید میشوند، ایده آل میکند. ماهیت و ساختار چدن بر اساس شکل حضور کربن در آن به انواع مختلفی تقسیم میشود.
چدن خاکستری (Grey Cast Iron)
شناخته شده ترین نوع چدن، مدل خاکستری است. نام آن از سطح مقطع شکست خاکستری رنگش گرفته شده که به دلیل وجود کربن به شکل گرافیت ورقهای (Flake Graphite) است. این ورقههای گرافیتی مانند شکاف های کوچکی در ساختار عمل کرده و باعث میشوند این نوع چدن شکننده باشد اما از طرفی قابلیت جذب ارتعاش فوقالعادهای داشته باشد. به همین دلیل در ساخت بدنه ماشین آلات و بلوکهای موتور کاربرد فراوانی دارد.
چدن نشکن یا داکتیل (Ductile Cast Iron)
چدن نشکن یک دستاورد مهندسی مواد به شمار میرود. در این نوع، با افزودن مقادیر کمی منیزیم یا سدیم به مذاب، گرافیتها به جای حالت ورقهای، به شکل کروی (Spheroidal Graphite) درمیآیند. این تغییر شکل ساده، تمرکز تنش را از بین برده و باعث افزایش چشمگیر استحکام و شکلپذیری میشود. به همین خاطر به آن نشکن می گویند و در ساخت قطعاتی مانند میللنگ و لولههای تحت فشار استفاده میشود.
جهت مشاهده قیمت میلگرد ST37 کلیک کنید.
چدن سفید (White Cast Iron)
وقتی چدن مذاب با سرعت بالایی سرد شود، کربن فرصت تبدیل شدن به گرافیت را پیدا نمیکند و با آهن ترکیب شده و فاز بسیار سختی به نام سمنتیت (Cementite) را تشکیل میدهد. ساختار چدن سفید به دلیل وجود سمنتیت، فوقالعاده سخت اما بسیار ترد است. سطح مقطع شکست آن به رنگ سفید و درخشان است. به دلیل مقاومت به سایش بالا، در ساخت قطعاتی مانند آسترهای آسیاب و پروانه توربین ها کاربرد دارد.
چدن چکشخوار (Malleable Cast Iron)
این نوع چدن از یک عملیات حرارتی روی چدن سفید به دست میآید. با حرارت دادن طولانی مدت چدن سفید (آنیل کردن)، ترکیب سخت سمنتیت تجزیه شده و کربن به شکل تودههای گرافیت شبه کروی (Temper Carbon) درمیآید. این فرایند، تردی چدن سفید را از بین برده و به آن مقداری قابلیت چکشخواری و ماشین کاری بهتر میبخشد. در ساخت اتصالات لوله و قطعات کشاورزی استفاده میشود.
اجزای سازنده آلیاژ چدن چیست و چه نقشی دارند؟
شاید بپرسید این آلیاژ دقیقا از چه موادی ساخته شده است؟ پایه و اساس چدن همان آهن است، اما این عناصر دیگر هستند که به آن شخصیت میبخشند. درک نقش هر یک از این اجزا به ما کمک میکند تا بفهمیم چگونه میتوان خواص مختلفی از یک آلیاژ پایه استخراج کرد. در واقع، کنترل دقیق این عناصر، کلید دستیابی به ساختار چدن مطلوب برای کاربردهای صنعتی گوناگون است.
عناصر اصلی: آهن، کربن و سیلیسیم
این سه عنصر، ستونهای اصلی چدن را تشکیل میدهند.
- آهن (Fe): به عنوان فلز پایه، بیشترین درصد ترکیب (حدود ۹۲ تا ۹۵ درصد) را به خود اختصاص میدهد و بستر اصلی برای سایر عناصر است.
- کربن (C): مهمترین عنصر آلیاژی در چدن است. مقدار و شکل آن (گرافیت یا سمنتیت) تعیینکننده اصلی نوع و خواص مکانیکی چدن است.
- سیلیسیم (Si): این عنصر به شدت تمایل به تشکیل گرافیت را افزایش میدهد. در واقع، سیلیسیم کربن را از ترکیب با آهن (سمنتیت) بازداشته و آن را به سمت آزاد شدن به شکل گرافیت سوق میدهد.
علاوه بر سه عنصر اصلی، مقادیر کمی از عناصر دیگر نیز در چدن وجود دارند که یا به عنوان ناخالصی از سنگ آهن باقی ماندهاند یا عمدا برای اصلاح خواص اضافه میشوند. برای مثال، منگنز باعث افزایش سختی میشود، در حالی که گوگرد و فسفر معمولا به عنوان عناصر نامطلوب شناخته میشوند که میتوانند باعث تردی و کاهش کیفیت شوند مگر اینکه مقادیرشان به دقت کنترل شود.
همچنین برای مشاهده قیمت میلگرد ST52 کلیک کنید.
ترکیب شیمیایی و اساس ساختار چدن
راز اصلی در ساختار چدن به رقابت بین دو عنصر کلیدی، یعنی کربن و سیلیسیم، برمیگردد. اگر سیلیسیم در ترکیب غالب باشد و سرعت سرد شدن آهسته باشد، کربن به صورت گرافیت آزاد میشود و چدن خاکستری یا نشکن تولید میشود. اما اگر مقدار سیلیسیم کم و سرعت سرد شدن بالا باشد، کربن با آهن ترکیب شده و چدن سفید به دست میآید. این دوگانگی، اساس تنوع در خانواده بزرگ چدنها است.
| نوع چدن | درصد کربن (C) | درصد سیلیسیم (Si) | شکل گرافیت |
| چدن خاکستری | ۲.۵ – ۴.۰ % | ۱.۰ – ۳.۰ % | ورقهای |
| چدن نشکن (داکتیل) | ۳.۰ – ۴.۰ % | ۱.۸ – ۲.۸ % | کروی |
| چدن سفید | ۱.۸ – ۳.۶ % | ۰.۵ – ۱.۹ % | بدون گرافیت (سمنتیت) |
| چدن چکشخوار | ۲.۲ – ۲.۹ % | ۱.۱ – ۱.۹ % | شبه کروی (تودهای) |
روشهای تولید و کنترل ساختار چدن در فرآیند ریخته گری
تولید چدن یک فرایند دقیق است که در کورههای بلند یا کورههای القایی صورت میگیرد. اما بخش مهم ماجرا پس از ذوب اتفاق میافتد. کنترل ساختار چدن در حین انجماد و سرد شدن، یک هنر مهندسی است. عواملی مانند دمای مذاب، سرعت سرد شدن و ترکیبات شیمیایی همگی باید به دقت مدیریت شوند تا محصول نهایی دقیقا همان چیزی باشد که طراحان انتظار دارند. فرایند ریختهگری باید با دقت تمام انجام شود تا عیوب در قطعه نهایی به حداقل برسد.
نقش سرعت سرد کردن
سرعت سرد شدن، شاید مهمترین عامل در تعیین ساختار چدن باشد. همانطور که اشاره شد، سرد کردن سریع مانع از تشکیل گرافیت شده و به ایجاد چدن سفید منجر میشود. در مقابل، سرد کردن آهسته به اتمهای کربن زمان کافی میدهد تا در کنار هم جمع شده و گرافیت را تشکیل دهند. به همین دلیل قطعات ضخیم که دیرتر سرد میشوند، معمولا ساختار خاکستری دارند.
اهمیت عملیات حرارتی
عملیات حرارتی راه دیگری برای تغییر ساختار چدن پس از انجماد است. بهترین مثال برای این مورد، تولید چدن چکشخوار است. در این فرایند، قطعه چدن سفید که سخت و شکننده است، برای ساعتهای طولانی در دمای بالا نگه داشته میشود تا ساختار داخلی آن تغییر کرده و خواص مکانیکی بهتری پیدا کند. این فرایند نشان میدهد که خواص چدن ثابت و غیرقابل تغییر نیست.
برای خواندن مقاله عملیات حرارتی فولاد کلیک کنید.
تفاوت چدن و فولاد در چیست؟
گرچه هر دو آلیاژهایی از آهن هستند، اما تفاوتهای اساسی با یکدیگر دارند. اصلیترین تفاوت در میزان کربن است؛ فولادها کمتر از ۲ درصد کربن دارند در حالی که این مقدار در چدنها بالاتر است. این تفاوت در کربن، خواص آنها را کاملا متمایز میکند. چدنها معمولا سختتر و شکنندهتر هستند اما قابلیت ریختهگری بهتری دارند، در حالی که فولاد چقرمگی و قابلیت شکل دهی بیشتری دارد.
| ویژگی | چدن (Cast Iron) | فولاد (Steel) |
| درصد کربن | معمولا ۲ تا ۴ درصد | معمولا کمتر از ۲ درصد |
| نقطه ذوب | پایینتر (حدود ۱۱۵۰-۱۲۰۰ درجه سانتیگراد) | بالاتر (حدود ۱۴۰۰-۱۵۰۰ درجه سانتیگراد) |
| قابلیت ریختهگری | عالی | متوسط |
| شکنندگی | بالا (به جز نوع نشکن و چکشخوار) | پایین |
| قابلیت جوشکاری | دشوار | آسان |
جایگاه میلگرد صنعتی در این زنجیره
درک ساختار چدن به ما در فولاد شمس گل آذین کمک میکند تا ارزش مواد مهندسی را بهتر بشناسیم. چدن به دلیل ماهیت خود برای کاربردهای ریختهگری ایدهآل است. اما وقتی صحبت از مقاومت کششی بالا و قابلیت تحمل بارهای سنگین در سازهها میشود، جایگاه به خانواده فولادها و محصولاتی مانند میلگرد صنعتی میرسد. میلگردهای ساده و آلیاژی که ما تولید میکنیم، از فولادهایی با ترکیبات کنترلشده ساخته میشوند تا بالاترین سطح از استحکام و اطمینان را برای پروژههای عمرانی و صنعتی فراهم آورند.
سخن پایانی
این مطلب به بررسی جامع اینکه ساختار چدن چیست پرداختیم. ابتدا چدن به عنوان آلیاژی از آهن، کربن و سیلیسیم تعریف و انواع اصلی آن شامل خاکستری، نشکن، سفید و چکش خوار معرفی کردیم. سپس نقش عناصر سازنده و عوامل موثر بر ساختار نهایی مانند سرعت سرمایش و عملیات حرارتی مورد بحث قرار دادیم و به طور کامل اجزای سازنده آلیاژ چدن را مورد بررسی قرار دادیم. تفاوتهای کلیدی بین چدن و فولاد تشریح دادیم و در نهایت جایگاه محصولات فولادی مانند میلگرد صنعتی در مقابل کاربردهای چدن مشخص کردیم. در فولاد شمس گل آذین، به عنوان تخصصی ترین تولیدکننده میلگرد ساده و آلیاژی در ایران، باور داریم که دانش مواد، اساس تولید محصولات با کیفیت است.
جهت اطلاع از قیمت و خرید میلگرد ck60 کلیک کنید.
سوالات متداول
- چگونه میتوان ساختار چدن را کنترل کرد؟
کنترل ساختار چدن از طریق مدیریت دقیق سه عامل اصلی انجام میشود: ترکیب شیمیایی (بهویژه درصد کربن و سیلیسیم)، سرعت سرد کردن مذاب پس از ریختهگری و استفاده از عملیات حرارتی پس از انجماد.
- فرق چدن خاکستری با چدن داکتیل در چیست؟
تفاوت اصلی در شکل گرافیت است. در چدن خاکستری گرافیت به شکل ورقهای است که باعث تردی میشود. در چدن داکتیل (نشکن)، گرافیت به شکل کروی است که استحکام و انعطافپذیری آلیاژ را به شدت افزایش میدهد.
- کاربردهای اصلی انواع چدن در صنعت کداماند؟
چدن خاکستری در بدنه موتور و ماشینآلات، چدن نشکن در لولهها و میللنگ، چدن سفید در قطعات مقاوم به سایش مانند آسیابها و چدن چکشخوار در اتصالات و قطعات کوچک کشاورزی کاربرد دارند.
- چرا چدن سفید اینقدر سخت است؟
سختی بالای چدن سفید به دلیل وجود فاز سمنتیت (کاربید آهن) در ساختار آن است. این فاز به دلیل سرد شدن سریع مذاب تشکیل میشود و یکی از سختترین ترکیبات در آلیاژهای آهنی است.
- آیا چدن زنگ میزند؟
بله، چدن نیز مانند سایر آلیاژهای آهنی دچار زنگزدگی میشود، اما به دلیل درصد بالای سیلیسیم، معمولا مقاومت آن در برابر خوردگی کمی بهتر از فولادهای کربنی ساده است.
- نقطه ذوب چدن چقدر است؟
نقطه ذوب چدن به ترکیب دقیق آن بستگی دارد اما به طور کلی در محدوده ۱۱۵۰ تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد قرار دارد که به طور قابل توجهی پایینتر از نقطه ذوب فولاد است.