![ساختمان مولکولی چدن سفید]()
چدن چیست؟
آهن تنها یک فلز برای مصارف صنعتی نیست و برای تولید فولاد و چدن نیز مقداری از این آلیاژ استفاده می شود. میان فولاد و چدن تفاوت های زیادی وجود دارد. یکی از این تفاوتها به مقدار کربن موجود در آنها بر می گردد. به این معنا که کربن موجود در فولاد، بین صفر تا دو درصد و کربن موجود در چدن بیش از دو درصد می باشد.
از دیگر مشخصه های چدن که عامل و وجه تمایز آن فولاد است، می توان به مقاومت پایین در برابر ضربه، انعطاف پذیری کم، نقطه ذوب پایین، قابلیت سیال شدن زیاد، قابلیت جذب ارتعاش خوب، مقاومت بالا در مقابل سایش، عدم حساسیت در برابر شیارهای سطحی و کم بودن میزان انقباض در زمان انجماد و سرد شدن اشاره نمود. نکته قابل ذکر در مورد این ویژگی ها، بسیاری از آنها به ساختمان میکروسکوپی زمینه و چگونگی توزیع کربن در آن بستگی دارد. به همین دلیل با تغییر هر یک از این عوامل، ممکن است خواص چدن نیز تغییر کند.
کاربرد آلیاژ چدن با توجه به نوع آن تعیین می شود که براین اساس 8 دسته متفاوت دسته بندی می شود که در زیر به شرح هر یک می پردازیم:
- چدن خاکستری
چدن های خاکستری دارای ترکیب شیمایی منحصر به فردی می باشند که با دمای پایین، بخشی از کربن آنها، بشکل گرافیت آزاد در چدن توزیع می شود. از آنجا که مقطع شکست این نوع چدن، خاکستری رنگ است، بدین اسم نامگذاری شده اند. مسیر شکست در این چدن خاکستری، عمدتا در امتداد لایه های گرافیت پیش می رود. بخش عمده قطعات ريختگي چدني را از جنس چدن خاکستري مي سازند، واژه عمومي چدن، غالباً به غلط، در مورد چدن خاکستري نیز کاربرد دارد.
ویژگی های این نوع چدن متاثر از ابعاد، مقدار، توزيع پولک هاي گرافيت و سختي نسبي فلز زمينه در پيرامون گرافيت می باشد. اين عوامل را مي توان با کنترل مقدار سيليسيم فلز مذاب، کربن و آهنگ سرمايش قطعه ريختگي تنظيم نمود. به هر میزان که مدت زمان بیشتری طول بکشد تا چدن سرد شود و مقدار کربن و سيليسيم آن بيشتر باشد، پولک ها بيشتر، ساختار زمينه نرم تر و استحکام کمتر بیشتر می شود.
گرافيت پولکي به چدن خاکستري ویژگی های خاصی مي بخشد که برخی از آنها عبارتند از: توانايي مقاومت در برابر بر هم سايي، ماشينکاري پذيري عالي در ترازهايي از سختي با بيشترين مقاومت در مقابل سايش و ميرايي لرزه عالي ناشي از خطي نبودن رابطه تنش ـ کرنش در تنش هاي نسبتاً کم و ... می باشند. چندين عامل بر هسته زايي و رشد پولک هاي گرافيت تأثيرگذار است که مقدار گرافیت، ابعاد و توزيع آن بر خواص چدن تاثیرات شگرفی دارند. در سیستم آهن ـ کربن پایدار، تمامی کربن بصورت گرافیت ظاهر می گردد.
![چدن خاکستری]()
- انواع چدنهای خاکستری
- چدن خاکستری چشم گاوی
- چدن خاکستری با گرافیت یا پولکی یا ورقه‌ای و یا فلسی
- چدن داکتیل یا SG و یا چدن نشکن یا چدن خاکستری با گرافیت کروی
- چدنهای مالیبل با چکشخوار و یا چدنهای خاکستری با گرافیت شکوفه‌ای یا کلوخه‌ای
- چدن سفید
نوع دیگری از چدن ها، چدن سفید است که از ترکیب شیمیایی آلیاژ و یا سرعت سرد شدن آن بطوری که تمامی کربن موجود به سمنتیت (Fe3C) تبدیل می شود. این نوع چدن نمی تواند تغییر شکل دهد و یا در کارهای مکانیکی مورد استفاده قرار بگیرد. از مشخصه های این نوع چدن می توان به سختی، ترد و شکنندگی آن اشاره کرد که در ریخته گری مقاطع نازک تولید می شود. چدن سفید بصورت غيرآلياژي و نيز همراه با مقادير زیادی از عناصر کاربيدزا همچون کرم يا واناديم کاربرد دارند. دليل اصلي کاربرد آلیاژ چدن سفید در صنعت، مقاومت بالا در مقابل ساييدگي و سايش چدن هاي سفيد می باشد.
به دلیل افزايش آهنگ انجماد موضعي چدن، مي توان نواحي گزيده اي از قطعه ريختگي را به چدن سفيد تبديل کرد. قابليت ريخته گري چدن سفيد به خوبي چدن هاي ديگر نيست چرا که دماي انجماد آن عموما بیشتر است و کربني که بصورت کاربيد آهن است، حالت انجماد دارد. به همین دلیل گرافيت در به حداقل رسانيدن انقباض در حين انجماد، هیچ نقشي ندارد. بخشي از قطعه ريختگي که با آهنگي معتدل جامد مي شود، دارای گرافيت و کاربيد آهن می باشد. به اين ساختار، چدن ابلق نیز گفته می شود.
مي توان در قطعه ريختگي از چدن نرم نيز، چدن سفيد سخت ایجاد کرد که دلیل آن سرمايش سريع مقطعي نازک، گوشه اي تيز از قطعه و يا وجود پره اي بر روي قطعه ريختگي می باشد که از وجود درزي در قالب ناشي و موجب گرماگيري و افزايش آهنگ انجماد شده است.
![شمش چدن سفید]()
- چدن خالدار
چدنی که دارای ترکیب شیمیایی بینابینی بوده و در حالت جامد از ساختمان مخلوط چدن سفید و چدن خاکستری بر حسب سرعت سرد شدن تشکیل شده است، چدن خالدار نام دارد.
- چدن سرد شده
چدنی که در وضعیت معمولی انجماد به شکل خاکستری ظاهر شده اما با افزایش سرعت سرد کردن در حین انجماد، در قسمتهای سریع سرد شده، بخشی از قطعه را چدن سفید تشکیل می دهد. در این نوع چدن ها، قطعه سطحی سخت است که مرکز آن نرم می باشد. این نوع چدن ها در برابر خستگی زیادی مقاومت بالایی دارند.
- چدن چکشخوار یا مالیبل
چدن چکشخوار یا مالیبل دارای انعطاف پذیری زیاد بوده و توانایی چکشخواری مناسبی دارد که با عملیات حرارتی بسیار طولانی (حدود 100 ساعت) از چدن سفید تهیه می شود. در این نوع چدن ها، کربن به صورت اسفنجی (برفکی) در زمینه پراکنده می شود.
ویژگی بارز اين نوع چدن اینکه بخش عمده کربن موجود در ريزساختار آن، بصورت گره هاي نامنظم گرافيت قابل مشاهده می باشد. اين نوع گرافيت کربن بازپختي نامیده می شود چرا که در حالت جامد و در حين عمليات گرمايي ایجاد می گردد. براي توليد و تهیه چدن چکشخوار، ابتدا چدن را بصورت چدن سفيد با ترکيب شيميايي مناسب مخلوط کرده و سپس از آن که قطعات ريختگي را از قالب بيرون آوردند، آنها را به مدت طولاني در دمايي بالاتر از 900 درجه سلسيوس تحت عمليات گرمايي قرار مي دهند. اين عمليات کاربيد آهن را تجزيه مي کند و کربن آزاد را به صورت گرافيت در چدن رسوب مي دهد. آهنگ سريع انجماد که براي توليد چدن سفيد ضرورت دارد باعث محدوديت ضخامت مقاطع ريختگي چدن چکش خوار مي شود.
ساختار زمينه در پيرامون گرافيت قابل تنظیم است که در این صورت مي توان به گستره وسيعي از خواص مکانيکي در چدن چکش خوار دست پیدا کرد همچین کاربرد آلیاژ چدن را نیز افزایش می دهد. زمينه هاي پرليتي و مارتنزيتي با سرمايش سريع در حوالي دماي بحراني و افزودن عنصرهاي آلياژي تهیه می شوند. چدن هاي چکش خواري که در زمينه خود مقداري کربن ترکيبي داشته باشند غالباً بعنوان چدن چکش خوار پرليتي شناخته شده است حتی اگر ريزساختار آنها مارتنزيتي يا پرليتي کروي شده باشد. علت انتخاب چدن های چکش خوار، قیمت مناسب و ماشینکاری راحت و ساده آنها می باشد و در اتصالات لوله ها، قطعات اتومبیل قطعات کشاورزی، اتصالات الکتریکی و قطعات مورد استفاده در صنایع معدنی کاربرد دارند.
- چدن نشکن یا چدن داکتایل
چدنی که در هنگام ذوب ریزی با انجام یک سری عملیات، گرافیت موجود در آن به گرافیت کروی تبدیل می شود، چدن نشکن نام دارد. گرافیت چدن نشکن شدن (داکتایل) چدن، کروی شدن می باشد که علت مقاومت بالای آن شناخته شده است. رنگ سطح شکست چدن های نشکن به سطح شکست فولادها شباهت زیادی دارد. در این نوع چدن ها همیشه به حالت ایده آل نمی رسیم فقط بر اساس مقدار کروی شدن، درصدی را برای آن معین می کنند.
چدن های نشکن در سال 1948 در فیلادلفیای آمریکا در کنگره جامعه ریخته گران معرفی شد و در طی دهه 1950 توسعه پیدا کرد. سرانجام در دهه 1960 با استقبال گسترده ای از سوی نهادهای تولیدی مواجه گردید. این نوع چدن متشکل از کربن 3.7%، سیلیسیم 2.5%، منگنز0.3%، گوگرد 0.01%، فسفر 0.01% و منیزیم 0.04% است که عامل تمایز آن چدن خاکستری و وجود منیزیم می باشد. جهت تهیه چدن گرافیت کروی از منیزیم و سدیم استفاده می‌شود که از نظر اقتصادی منیزیم مقرون به صرفه می باشد. به منظور اصلاح و بازیابی بهتر منیزیم برخی از اضافه شونده‌هایی از عناصر دیگر با آن ترکیب شده که موجب کاهش مصرف منیزیم و تعدیل کننده آن اسمی باشد.
![شمش چدن خالدار]()
- چدن با گرافیت فشرده
چدن با گرافیت فشرده در بین سلولهای یوتکتیک مشابه با گرافیت در چدنهای خاکستری قرار می گیرد اما درشتتر و با ابتدا و انتهای گرد شده که از این رو به این نوع چدن ها، «چدن با گرافیت کرمی شکل» نامیده می شوند. در صورتی که سدیم یا منیزیم به چدن کمتر اضافه شود، به جای بدست آمدن چدن داکتایل، چدن فشرده تولید می گردد. زمانی که چدن با گرافیت فشرده ایجاد می شود که گرافیت های آن بشکل ورقه ای نباشد و میزان گرافیت کروی آن از 20% کمتر باشد.
فرآيند توليد چدن با گرافیت فشرده به چدن داکتيل شباهت زیادی دارد که مستلزم کنترل دقيق متالورژيکي و افزودن عناصر خاکی کمياب است، اما برای توليد چدن با گرافيت فشرده وجود عنصر آلياژي ديگري از قبيل تيتانيم نيز الزامی است تا تشکيل گرافيت کروي کاهش پیدا کند. چدن با گرافيت فشرده که قابليت ريخته گری چدن خاکستري را حفظ مینماید، استحکام کششی بالایی داشته و تا حدودي نيز داکتيل است. با افزودن عنصرهای آلياژی، يا انجام عمليات گرمايی مي توان ساختار زمينه اين چدن را تنظيم نمود.
- چدن پرآلیاژ
کاربرد آلیاژ چدن در محیط هایی که باید در برابر اکسیداسیون، خوردگی و مقاومت مقاومت داشته باشند، صورت می گیرد. در این نوع از چدن ها، گرافیت می تواند بصورت ورقه ای و یا کروی ظاهر گردد.