چدن یک آلیاژ آهن است که حاوی 2 تا 4 درصد وزنی کربن، 1 درصد وزنی تا 3 درصد وزنی سیلیکون و مقادیر کمتری از عناصر جزئی است. [1]. در مقایسه، فولاد دارای محتوای کربن کمتر تا 2 درصد وزنی و محتوای سیلیکون کمتری است.

چدن را می توان با آلیاژسازی با مقادیر کمی از منگنز، مولیبدن، سریم، نیکل، مس، وانادیم و تیتانیوم قبل از ریخته گری بهینه سازی کرد.

بسته به محتوای سیلیکون چدن، آن را به عنوان چدن سفید یا چدن خاکستری طبقه بندی می کنند و ممکن است تحت دماهای خاصی برای تولید چدن چکش خوار یا شکل پذیر بیشتر تحت درمان قرار گیرد.

خواص عمومی چدن

چدن به دلیل توانایی آن در ریخته گری آسان به شکل های پیچیده در هنگام مذاب و هزینه کم آن بسیار مورد علاقه است. علاوه بر این، خواص آن را می توان به راحتی با تنظیم ترکیب و سرعت خنک سازی بدون تغییر قابل توجه در روش های تولید تغییر داد.

از دیگر مزایای اصلی آن نسبت به فولاد ریخته‌گری می‌توان به سهولت ماشین‌کاری، میرایی ارتعاش، مقاومت فشاری، مقاومت در برابر سایش و مقاومت در برابر خوردگی اشاره کرد. [2]. مقاومت در برابر خوردگی چدن با افزودن عناصر جزئی مانند سیلیکون، نیکل، کروم، مولیبدن و مس بهبود می یابد. [3].

انواع چدن و ​​کاربرد آنها

چدن را می توان بر اساس ترکیبات آن به چدن خاکستری، چدن سفید، چدن چکش خوار و چدن داکتیل طبقه بندی کرد.

چدن خاکستری

چدن خاکستری یا آهن خاکستری به دلیل ریزساختار گرافیتی دارای رنگ شکستگی خاکستری تیره است. وجود تکه های گرافیت به دلیل افزودن سیلیکون است که برخلاف کاربید آهن، کربن را به شکل گرافیت تثبیت می کند. چدن خاکستری معمولاً دارای ترکیبی از 2.5 درصد وزنی – 4.0 درصد وزنی کربن و 1.0 درصد وزنی – 3.0 درصد وزنی سیلیکون است. [1].

کاربردهای چدن خاکستری

چدن خاکستری رایج ترین نوع چدن است. در کاربردهایی استفاده می‌شود که سفتی بالا، ماشین‌کاری، میرایی ارتعاش، ظرفیت حرارتی بالا و هدایت حرارتی بالا از مزیت‌هایی مانند بلوک‌های سیلندر موتور احتراق داخلی، فلایویل‌ها، جعبه‌دنده‌ها، منیفولدها، روتورهای ترمز دیسکی و وسایل آشپزی استفاده می‌شود.

یک طبقه بندی رایج برای چدن خاکستری استاندارد بین المللی ASTM A48 است. در این سیستم، چدن های خاکستری بر اساس مقاومت کششی شان درجه بندی می شوند، به عنوان مثال چدن خاکستری کلاس 20 دارای حداقل مقاومت کششی 20000 psi (140 مگاپاسکال) است.

چدن سفید

چدن سفید به دلیل وجود کاربید آهن یا سمنتیت Fe3C دارای رنگ شکستگی سفید است. وجود کربن در این شکل، بر خلاف گرافیت، نتیجه محتوای سیلیکون کمتر در مقایسه با چدن خاکستری است. چدن سفید معمولاً حاوی 1.8 درصد وزنی – 3.6 درصد وزنی کربن، 0.5 درصد وزنی – 1.9 درصد سیلیکون و 1.0 درصد وزنی – 2.0 درصد وزنی منگنز است.

چدن های سفید بسیار مقاوم در برابر سایش و در عین حال شکننده هستند. آنها سختی بالایی از خود نشان می دهند زیرا ساختار آنها حاوی ذرات کاربید آهن بزرگ است و به راحتی ماشینکاری نمی شوند.

کاربردهای چدن سفید

چدن های سفید در قطعات مقاوم در برابر سایش استفاده می شود که شکنندگی آن کمترین نگرانی را دارد، مانند آسترهای پوسته، پمپ های دوغاب، آسیاب های گلوله ای، میله های بالابر، نازل های اکستروژن، میکسرهای سیمان، اتصالات لوله، فلنج ها، سنگ شکن ها و پروانه های پمپ.

یک درجه محبوب از آهن سفید، اتوهای سفید کروم بالا، ASTM A532 است. این شامل نیکل و کروم برای کاربردهای سایشی کم ضربه است [4].

چدن چکش خوار

چدن های چکش خوار از طریق عملیات حرارتی آهسته بازپخت چدن سفید تشکیل می شوند. این منجر به تبدیل کربن به شکل کاربید آهن در آهن سفید به گرافیت می شود و ماتریکس باقیمانده از فریت یا پرلیت تشکیل شده است. [1]. گرافیت به شکل کروی یا گره ای وجود دارد.

چدن چکش خوار چکش خواری خوب و شکل پذیری خوبی از خود نشان می دهد. به دلیل محتوای سیلیکون کمتر در مقایسه با چدن های دیگر، چقرمگی شکست خوبی در دمای پایین از خود نشان می دهد.

کاربردهای چدن چکش خوار

چدن چکش خوار به دلیل استحکام کششی و شکل پذیری خوب آن برای اتصالات و تجهیزات الکتریکی، ابزارهای دستی، اتصالات لوله، واشر، براکت ها، تجهیزات کشاورزی، سخت افزار معدن و قطعات ماشین آلات استفاده می شود.

یک طبقه بندی رایج برای چدن چکش خوار ASTM A47 است.

چدن داکتیل

چدن داکتیل که با نام‌های چدن گره‌دار و چدن گرافیت کروی نیز شناخته می‌شود، با وجود گرافیت به شکل گره‌های کروی مانند چدن چکش‌خوار تعریف می‌شود. متفاوت از چدن چکش خوار، چدن داکتیل نه با عملیات حرارتی آهن سفید، بلکه از طریق یک ترکیب شیمیایی خاص تشکیل می شود.

چدن داکتیل حاوی 3.2 درصد وزنی – 3.6 درصد وزنی کربن، 2.2 درصد وزنی – 2.8 درصد سیلیکون و 0.1 درصد وزنی – 0.2 درصد وزنی منگنز، و همچنین مقادیر کمتری منیزیم، فسفر، گوگرد و مس است. . وجود منگنز مسئول شکل کروی اجزاء گرافیت است [4].

کاربردهای چدن داکتیل

این ماده به دلیل ریزساختار، انعطاف پذیری بیشتری نسبت به چدن های خاکستری یا سفید دارد. به همین دلیل از آن به عنوان لوله چدن داکتیل برای زیرساخت های آب و فاضلاب استفاده می شود. همچنین می تواند چرخه حرارتی را تحمل کند و بنابراین در چرخ دنده های خودرو و اجزای تعلیق، ترمزها و سوپاپ ها، پمپ ها و قطعات هیدرولیک و محفظه های توربین های بادی استفاده می شود.

چدن داکتیل معمولاً به عنوان ASTM A536 طبقه بندی می شود.

تولید و فرآوری

برای تولید چدن، آهن باید از سنگ آهن استخراج شود. سنگ معدن در یک کوره بلند ذوب می شود و در آنجا به آهن خام و سرباره جدا می شود. کوره تا حدود 1800 درجه سانتیگراد در اتمسفر اکسیژن گرم می شود و سرباره تشکیل شده به بالا می رود و می توان آن را حذف کرد.

آهن خوک مذاب زیر حاوی حدود 3 تا 5 درصد وزنی کربن است. سپس با آهن، فولاد، کک و سنگ آهک ترکیب می شود.

هنگامی که ناخالصی ها به طور انتخابی از این آهن حذف می شوند، محتوای کربن کاهش می یابد. در این مرحله، سیلیکون ممکن است برای تبدیل محتوای کربن به گرافیت یا سیمان اضافه شود. سپس آهن به اشکال مختلف ریخته می شود.

[1] R. Elliott، فناوری چدن. باترورث، 1988، ص. 1

[2] «چدن در مقابل فولاد ریخته‌گری»، ریخته‌گری Reliance، می. 17, 2017. [Online]. [Accessed: Oct. 8, 2018].

[3] SK Sarna، “خوردگی چدن ها”، ispatguru.com، 28 ژوئن 2016. [Online]. [Accessed: Oct. 8, 2018].

[4] SK Sarna، “کاربردهای چدن، ریخته گری آهن ساخته شده در چین”، ریخته گری Reliance. [Online]. [Accessed: Oct. 9, 2018].