چدن چیست و چه انواعی دارد؟

چدن جز اولین مواد فلزی است که از حدود سال1780میلادی در صنعت عمران و سازه مورد استفاده قرار گرفت، به طوری­که ستون­های چدنی هم در ساختمان­ها و هم در پایه های پل استفاده شده اند. از چدن در صنعت نفت و گاز برای ساخت لوله های مجرای آب، قطعات بسته بندی، دیگ­های بخار، بدنه شیرها و قطعات شیر استفاده می­­کنند. چدن، آلیاژی است که به لحاظ ویژگی­هایی نظیر سهولت تولید به روش ریخته گری از طریق کوره کوپلا، دمای ذوب پایین آن نسبت به فولاد و سیالیت بسیار بالای مذاب مورد توجه صنایع ریخته گری قرار گرفته است.

چدن چیست؟

چدن ها آلیاژهای آهنی هستند که معمولا 2-4٪ کربن و 1-3٪ سیلیسیم و مقدار کمی منگنز دارند، علاوه بر این عناصر آلیاژی، معمولا برخی ناخالصی ها مانند گوگرد و فسفر نیز در ساختار آنها قابل مشاهده است. این مقدار کربن بالا و وجود سیلیسیم قابلیت ریخته گری بسیار عالی برای چدن فراهم می­کند.

چدن ها را می‌توان به دو گروه اصلی تقسیم کرد. گروه اول چدن‌های غیر آلیاژی هستند که در بیشتر موارد برای کاربردهای عمومی و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند و دسته دوم، چدن‌های آلیاژی هستند که غالبا برای دستیابی به اهداف خاصی نظیر مقاومت در برابر سایش، حرارت و خوردگی به کار می‌روند.

تقسیم بندی کلی چدن­ ها

چدن های غیرآلیاژی

این دسته از چدن‌ها، بزرگترین گروه آلیاژهای ریخته گری را تشکیل می­دهند که برای اهداف عمومی و اکثر کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار می­گیرند و بر اساس مورفولوژی گرافیت، در انواع لایه‌ای، کروی، فشرده و … قابل مشاهده هستند.

در هنگام انجماد این آلیاژها، یکی از رفتارهای زیر مشاهده می شود:

انجماد با سرعت بالا و غیر تعادلی

اگر سرعت سرد شدن به اندازه كافي زياد باشد، در ضمن انجماد و مراحل بعد از آن تشكيل گرافيت امكان پذير نبوده و سمنتيت به وجود مي­آيد. بنابراين انتظار مي رود كه ساختمان نهایی شامل پرلیت باشد. انجماد و نحوه سرد شدن این چدن­ها از نمودار آهن- سمنتیت تبعیت می­کند.

انجماد با سرعت کم و تعادلی

چدن هایی كه انجماد و نحوه سرد شدن آنها از نمودار آهن -گرافيت تبعيت می­کند و در انجماد آن‌ها کربن به صورت گرافیت  رسوب می­­کند.

 انواع چدن­ های غیرآلیاژی

چدن سفید

چدن سفید هنگامی تشکیل می شود که کربن موجود در ساختار مذاب قادر به ایجاد گرافیت در هنگام انجماد نباشد. بنابراین کربن به صورت کاربید آهن (سمنتیت) در ساختار رسوب می‌کند. ریزساختار نهایی ترد بوده و در زیر میکروسکوپ به رنگ سفید مشاهده می‌شود. به همین دلیل به آن‌ها، چدن سفید اطلاق می‌شود.

سطح مقطع شكست این آلیاژها به دلیل عدم وجود گرافیت، سفيد و براق است. سختی و استحکام بسیار بالایی داشته و ساختاری ترد و شکننده دارند. مقاومت به سایش آن‌ها بسیار بالا بوده و قابلیت ماشینکاری ندارند.

یکی از انواع این آلیاژها را چدن سرد می­نامند. هنگامی که یک ناحیه موضعی از چدن خاکستری خیلی سریع از مذاب خنک می­شود، چدنی در موضع خنک شده تشکیل خواهد شد که به این نوع چدن سفید، چدن سرد می­گویند. با تنظیم ترکیب کربن چدن سفید می توان چدن سرد را ریخته گری کرد به طوری که معمولا سرعت خنک کردن سطح آنقدر سریع است که بتواند چدن سفید تولید کند، در حالی که در سرعت های پایین خنک کردن، چدن خاکستری تولید خواهد شد.

چدن خاکستری

چدن خاکستری از رایج ترین و پرکاربردترین چدن­ های گرافیتی است. زمانی كه مقطعی از يك قطعه از اين نوع چدن ­ها شكسته شود، مسير شكست معمولاً در امتداد لايه هاي گرافيت پيش می ­رود و به علت وجود گرافيت، سطح مقطع شكست خاكستري است، از اين رو این چدن ها با نام خاکستری شناخته می‌شوند.

شکل گرافیت در این آلیاژها به صورت لایه­ای یا ورقه ای است و معمولاً دارای ماتریس فریتی هستند، با این حال دستیابی به یک ماتریس پرلیتی با دقت در تعادل بین عناصر آلیاژی ترجیح داده می­شود.

خواص چدن­ های خاكستری تحت تأثير اندازه، مقدار و توزيع گرافيت­ هاي لايه­ ای تغيير مي­ کند و نوع ماتریس ریز ساختار آن­ها در كنترل خواص مكانيكی چدن نقش اساسی دارد. این چدن ها از نقطه ذوب پایين، سياليت زياد، انقباض كم در حين انجماد، مقاومت در برابر سايش (ناشي از وجود گرافيت ­های لایه ای)، هدایت حرارتی بالا، مدول الاستیسیته کم و توانایی مقاومت در برابر شوک حرارتی، قابليت جذب ارتعاش، قيمت ارزان و قابليت ماشينكاري عالي برخوردارند؛ اما یکی از مهم‌ترین معایب آن‌ها وابستگی ساختار و خصوصیات مکانیکی آلیاژ به سرعت سردکردن است، از این رو در هنگام انجماد آن ها باید بسیار دقت کرد.

از چدن های خاکستری در بلوک های موتور، سرسیلندر، قالب ها و بدنه دریچه هیدرولیک استفاده می­شود.

 اثر اندازه لايه گرافيت بر خواص و کاربردهای چدن خاکستری

اندازه لايه هاي گرافيت نقش بسيار مهمي بر روي خواص چدن­ دارد، بنابراین کنترل ساختار در هنگام انجماد بسيار مهم است. مناسب­ترين روش براي كنترل توزيع و اندازه گرافيت­ها، استفاده از جوانه زا و تلقيح كننده هایی نظير CaSi ،Si ،FeS Ca ،Al ،Ti ،Zr است که نقش مهمی در ايجاد مكان ­های مناسب برای جوانه زنی گرافيت دارند.

چدن داکتیل (نشكن)

اين چدن تركيب شيميایي مشابهی با نوع خاكستري دارد و در ضمن انجماد، گرافيت به جاي ورقه اي به شكل كروي رسوب می­کند. عملیات كروي كردن با حذف گوگرد و اکسیژن از مذاب توسط اضافه كردن مقدار بسيار كمی از عناصري نظير ليتيم، سديم، پتاسيم، منيزيم، كلسيم، سريم و … قبل از ريختن مذاب به درون قالب انجام مي گيرد. از بين عناصر ياد شده، منیزیم برای کروی کردن گرافیت سازگارتر و ارزان­تر است. شکل گیری گرافیت کروی زمانی اتفاق می افتد که گرافیت یوتکتیک از آهن مذاب جدا شود.

این چدن­ها از نظر خواص فیزیکی در مقایسه با چدن های با گرافیت لایه ای ضعیف ترند، اما خصوصیات مکانیکی بهتری از خود نشان می ­دهند. آن­ها می ­توانند به عنوان جایگزین مناسبی برای فولاد به کار روند؛ به عنوان مثال در لوله ها استفاده می­شوند و مکمل چدن های مالیبل هستند.

چدن داکتیل همانند چدن­ خاكستري داراي سياليت بالا، نقطه ذوب پائين، قابليت ماشينكاري خوب و مقاومت سايش عالی  ناشي از وجود گرافيت است. مزيت عمده چدن­هاي داکتیل نسبت به خاكستري، استحكام و انعطاف پذيري بالا و مدول الاستیسیته بالای آن ها است.

براي توليد چدن با گرافيت كروي و زمينه فريتي، معمولاً از عمليات حرارتي كمك گرفته می شود. به اين ­صورت كه ابتدا چدن با زمينه پرليتي را ريخته گري كرده و سپس به كمك عمليات حرارتي آنيل، پرليت را به فريت و گرافيت تجزيه مي­كنند. گرافيت زمينه فريتي را مي توان مستقيماً از ريخته گري به دست آورد. در شرايطي كه ساختار زمينه مخلوطي از فريت و پرليت است، دانه هاي فريت اغلب به صورت هاله­اي در اطراف كره­­ هاي گرافيت تشكيل مي­شوند. به این علت که كربن محلول در زمينه در اطراف ذرات گرافيت به راحتي مي تواند به سمت آن­ها نفوذ كرده و بر روي آن­ها رسوب كند. اين ساختار به چشم گاوي معروف است.

چدن مالیبل (چدن چکش خوار)

تهیه چدن مالیبل در ابتدا با ريخته گري و تشکیل چدن سفيد و سپس عمليات حرارتي و نگهداری در دمای950-1000 درجه سانتی گراد به منظور تجزيه­ سمنتيت و تشكيل گرافيت انجام می­شود. كربن به صورت كره هاي متلاشي شده و گرافيت به شکل نامنظم رسوب می­کند. از این رو به کربن تمپر شده معروف است.

چدن مالیبل بر اساس فاز زمینه به سه دسته فریتی، پرلیتی و مارتنزیتی تقسیم بندی می‌شود. از نظر خواص مكانيكي، اين نوع چدن خواصی مشابه با چدن گرافیت كروي را ارائه می‌کند، اما چدن مالیبل برای ساخت قطعات نازک، قطعاتی که نیاز به سوراخ‌کاری، کار سرد و یا ماشین‌کاری دارند (تحت شرایطی پکه به مدول الاستیسیته بالایی نیاز است) گزینه مناسب‌تری هستند.

به طور کلی می‌توان گفت انتخاب بین چدن نشکن و چکش‌خوار بیشتر به امکانات موجود و هزینه تمام شده برای تولید قطعه وابسته است.

چدن با گرافیت فشرده

این چدن با گرافيت كرمي شكل معروف است. مشابه با چدن خاكستري، حاوي لايه هاي گرافيت محصور شده بين سلول­هاي يوتكتيكی است و در مقايسه با گرافيت لايه اي، گرافیت این چدن­ها درشت تر، ضخيم تر و تا حدودي گردتر است. گرافيت در این چدن­ها شكلی بين گرافيت لايه اي و گرافيت كروي دارد.

خواص اين نوع چدن­ تقريباً حد واسط  بين خواص چدن خاكستري و نشكن است. بسياري از خواص ريخته گري چدن خاكستري را دارد و از استحكام كششي و انعطا ف پذيري بيشتري برخوردار است.

تاثیر ترکیب شیمیایی بر خواص چدن

• گوگرد : يك عامل پايدار كننده قوي سمنتيت است، گوگرد با آهن تركيب شده و سولفيد آهن (FeS) حاصل در مرز دانه ها رسوب كرده و خواص مكانيكي چدن­ ها را كاهش مي­دهد.
• منگنز:  به تنهایی عامل تثبيت و پايدار كننده سمنتيت است و با حذف گوگرد از ساختار نقش گرافیت زایی دارد.
• فسفر : تا 1/0 درصد محلول در آهن است. بیشتر از 2/0 درصد (حدود 5/0 درصد) يك شبكه تقريباً بسته در مرز بين سلول­ها تشكيل می شود. به علت تُرد و شكنندگی، این شبکه قابليت ماشينكاري و استحكام ضربه چدن به نحو قابل توجهي كاهش ­مي­یابد. از سوي ديگر، چدن­هاي پرفسفر مقاومت به سايش بسيار خوبي دارند.
• سیلیسیم: سيليسيم تمايل چدن به گرافيت زایي را شديداً افزايش مي­دهد، بنابراین استفاده از سيليسيم به اين منظور محدوديت دارد، زيرا درصد سيليسيم بالا باعث فريتي كردن زمينه و در نتيجه كاهش استحكام خواهد شد. لازم به ذكر است كه سيليسيم مازاد بر مقدار فوق، در فريت حل شده و استحكام و سختي را مجدداً افزايش مي­دهد. ميزان افزايش بستگي به درصد سيليسيم حل شده در فريت دارد.

انواع کربن در چدن

کربن در داخل چدن به دو صورت آزاد (گرافیت) و ترکیبی (سمانتیت) مشاهده می شود. از نظر سينتيكي، احتمال رسوب کربن به صورت کاربید (سمنتیت)  بالاتر از رسوب آن به صورت آزاد (گرافیت) در ساختار است و گرافيت به مراتب پايدارتر از سمنتيت و یک فاز تعادلی است.

چدن­ های آلیاژی

این چدن­ ها با افزودن عناصر آلیاژی مثل نیکل، کرم، مولیبدن، مس و منگنز قابل تولید هستند. این عناصر آلیاژی منجر به استحکام بالاتر و بهبود خواص چدن خواهند شد. این چدن ها برای كاربردهای خاص نظیر مقاومت سايش، مقاومت حرارت و  مقاومت خوردگي شناخته شده اند که برای ساخت شیرآلات، بدنه پمپ ها، هوزینگ ها، منیفولد، قطعات کمپرسور و تجهیزات صنعتی دیگر به کار می ­روند.

مهم­ترين گروه­ های چدن ­هاي آلياژي عبارتند از:

چدن ­های مقاوم در برابر سايش

اين گروه  شامل چهار دسته اصلی است:  

1-  چدن ­هاي مارتنزيتي نيكل -كروم (مارتنزيت، آستنيت باقيمانده و زمينه سمنتيتي)

 2- چدن­ هاي سفيد پر كروم (آستنيت باقيمانده،  مارتنزيت و كاربيد آلياژي)

 3- چدن­ هاي كروم ، موليبدن (آستنيت باقيمانده، مارتنزيت و كاربيد آلياژي)

 4- چدن­ های سفيد كم كربن (پرليت درشت و زمينه سمنتيتي)

چدن هاي مقاوم در برابر حرارت

 چدن­های آلياژی خاکستری و نشکن مقاوم به حرارت، آلیاژهایی با بيشتر از ۳ درصد سيليسيم هستند که عناصر آلیاژی ديگري نظير كروم، نيكل، موليبدن و آلومينيوم نيز براي بهبود مقاومت در برابر حرارت به آن­ها اضافه شده اند.

چدن­ هاي مقاوم در برابر خوردگی

مقاومت خوردگي چدن­ هاي آلياژي عمدتاً بستگي به تركيب شيميایی و ساختار ميكروسكوپی آن­ها دارد. سه گروه اصلي از اين نوع چدن­ ها عبارتند از:

1- چدن­ هاي پرسيليسيم: زمينه ساختار ميكروسكوپي چدن پرسيليسيم اغلب فريتي و گرافيت آن به شكل ورقه­اي و يا كروي است.

2- چدن­ های موليبدن دار: مقاوم به خوردگي حفره اي  ( ساختمان ميكروسكوپي اين گروه از چدن­ها شامل گرافيت لايه­اي و زمينه فريتي­ است).

3- چدن­ هاي آستنيتي پر نيكل: گرافيت­ ها به شكل ورقه اي و يا كروي هستند و نسبت به محيط ­هاي بازي و اكسيد كننده متوسط مقاوم ­اند.

4- چدن­ های كروم ­دار: جزء چدن­ هاي سفيد محسوب می ­شوند، بنابراين از مقاومت به سايش خوبي نيز برخوردارند، نسبت به محيط­ هاي اكسيدكننده مقاوم هستند، اين نوع چدن­ ها در مقايسه با چدن­ هاي پر سيليسيم از خواص مكانيكي بهتري برخوردارند و ماشينكاري آن­ها بسيار مشكل است.

نتیجه گیری

در این مقاله ابتدا معرفی از چدن و انواع چدن­های غیرآلیاژی همراه با کاربرد و خواص و فیزیکی و مکانیکی و شیمیایی آنها ارائه شده است. اثر شکل و نوع گرافیت و همچنین عناصر آلیاژی به کار رفته در تعیین نوع چدن مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت چدن­ های آلیاژی مقاوم به سایش، حرارت و خوردگی هر یک به طور جداگانه تقسیم بندی و معرفی شده اند.

منابع

اصول و كاربرد عمليات حرارتي فولادها و چدن­ها، تاليف دكتر محمد علي گلعذار

Roy Elliott, Cast Iron Technology, Department of Metallurgy and Materials Science, University of Manchester, England-1998

Cast iron and cast steel, Applied Welding Engineering (Third Edition), 2020, Pages 61-76

R. W. Gregorutti Mechanical properties of compacted graphite cast iron with different microstructures, 2013