معرفی انواع چدن؛ کاربردها و مزایا

چدن یکی از آلیاژهای آهن است که به دلیل استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و هزینه پایین تولید، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف دارد. چدن بر اساس ترکیب شیمیایی، ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی به انواع مختلفی تقسیم می شود.

کاربردهای اصلی چدن

چدن خاکستری معمولاً برای ساخت بدنه‌های ماشین آلات استفاده می شود زیرا جذب ارتعاش خوبی دارد و قیمت مقرون به صرفه است.
چدن داکتیل به دلیل انعطاف پذیری بالا و مقاومت به ضربه در ساخت دریچه‌های منهول به کار می رود.
چدن سفید که مقاومت بالایی در برابر سایش دارد، برای ساخت تیغه‌های خردکن و سنگ زنی استفاده می شود.
چدن به همراه گرافیت فشرده برای تولید قطعات خودرو مانند بلوک موتور و سرسیلندر کاربرد دارد.
چدن سفید به دلیل سختی زیاد در ساخت رول‌های نورد که نیاز به مقاومت به سایش دارند، استفاده می شود.
چدن مقاوم به خوردگی برای تولید لوله‌های مانسیمان و فاضلاب که در معرض محیط‌های خورنده هستند، به کار می رود.
چدن آلیاژی برای ساخت قطعات صنعتی سنگین مانند پمپ‌ها و تجهیزات سنگین که به مقاومت بالا نیاز دارند، کاربرد دارد.
چدن مقاوم به حرارت در ساخت پمپ‌ها، توربین‌ها و تجهیزات دمای بالا به کار می رود.
چدن گرافیتی با زمینه پرلیتی و آدی برای ساخت چرخ دنده‌ها و تجهیزات انتقال نیرو که به استحکام بالا نیاز دارند، استفاده می شود.
بمنظور پووشش روی انواع منهول پلی اتیلنی میتوان از دریچه‌های چدنی استفاده نمود.
چدن مالیبل به دلیل انعطاف پذیری بالا در تولید اتصالات لوله‌ها و سایر قطعات پیچیده استفاده می شود.
چدن مقاوم به حرارت برای ساخت قطعات کوره‌ها و ماشین آلاتی که در دماهای بالا کار می کنند، کاربرد دارد.
چدن برای ساخت قطعات سیستم‌های تهویه و تبرید به کار می رود که نیاز به مقاومت به حرارت و خوردگی دارند.
بمنظور نصب ورودی و خروجی سپتیک تانک میتوان روی لوله پلی اتیلن از رینگ و فلنج چدنی استفاده نمود.

مزایای چدن

این آلیاژ پر کاربرد و پر مصرف دارای مزایای بخصوصی میباشد که در ادامه ی چند نمونه از مزایای اصلی آمن میپردازیم:

چدن از نظر اقتصادی نسبت به بسیاری از آلیاژهای دیگر ارزان تر است.
تولید چدن به نسبت ساده تر است و امکان تولید قطعات پیچیده به راحتی وجود دارد.
بسیاری از انواع این فلز، به ویژه چدن سفید، مقاومت خوبی در برابر سایش دارند.
برخی انواع آنها مانند چدن مقاوم به حرارت، در دماهای بالا عملکرد خوبی دارند.
چدن خاکستری به دلیل ساختار گرافیتی خود، جذب ارتعاشات خوبی دارد.
چدن داکتیل و مالیبل انعطاف پذیری بالایی دارند و در برابر ضربه مقاوم تر هستند.
مدلهای مقاوم به خوردگی، در برابر محیط‌های خورنده مقاوم هستند.
چدن به دلیل خاصیت متالورژیکی خود، به راحتی قابل ماشین کاری است.
چدن داکتیل و گرافیت فشرده قادر به تحمل فشارهای بالا هستند.
در بسیاری از کاربردها، عمر طولانی تری نسبت به سایر آلیاژها دارد.

انواع چدن

هر یک از این انواع چدن بسته به نیازهای صنعتی و شرایط کاری، در ساخت قطعات مختلف و تجهیزات صنعتی استفاده می شود.در ادامه، انواع چدن و تفاوت‌های آن‌ها را معرفی می کنیم:

چدن خاکستری

چدن خاکستری با گرافیت پولکی ساختاری شکننده دارد که باعث می شود مقاومت آن در برابر ضربه کم باشد، اما ویژگی‌هایی مانند جذب ارتعاش بالا، ماشین کاری آسان و مقاومت در برابر سایش، آن را به گزینه ای اقتصادی برای کاربردهای عمومی مانند بدنه ماشین آلات و ابزارهای سبک تبدیل کرده است.

چدن داکتیل

چدن داکتیل به دلیل وجود گرافیت کروی، انعطاف پذیری و مقاومت بالایی در برابر ضربه و خستگی دارد. این چدن در کاربردهای سنگین مانند دریچه‌های منهول چدنی و در ساخت قطعات خودرو به کار می رود و به دلیل دوام و تحمل فشار، از چدن خاکستری پیشرفته تر است، اما هزینه تولید بالاتری دارد.

چدن سفید

چدن سفید به دلیل حضور کاربید آهن به جای گرافیت، بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش است، اما شکنندگی زیاد و غیرقابل ماشین کاری بودن، استفاده از آن را محدود به قطعات مقاوم به سایش مانند تیغه‌های خردکن و رول‌های نورد کرده است.

چدن مالیبل

چدن مالیبل با عملیات حرارتی از چدن سفید تولید می شود و با داشتن گرافیت کلوخه ای، مقاومت و انعطاف پذیری بهتری دارد. این نوع چدن برای ساخت قطعات کوچک و ابزارآلاتی که نیاز به تحمل ضربه دارند، مانند اتصالات لوله و قطعات خودرو، کاربرد دارد.

چدن آلیاژی

چدن آلیاژی با افزودن عناصر خاصی مانند کروم، نیکل و مولیبدن خواصی مانند مقاومت به خوردگی، حرارت و سایش را بهبود می بخشد. این نوع چدن برای کاربردهای خاص صنعتی مانند توربین‌ها و پمپ‌ها که نیاز به دوام در شرایط خاص دارند، استفاده می شود، اما هزینه بالاتری دارد.

چدن گرافیت فشرده

چدن گرافیت فشرده دارای ساختار گرافیتی خاصی است که میان مدل خاکستری و داکتیل قرار دارد. این نوع چدن ترکیبی از استحکام بالا و انعطاف پذیری خوب با جذب ارتعاش بیشتر است. برای کاربردهایی که نیاز به تحمل فشار و حرارت دارند، مانند بلوک موتور و سرسیلندر خودرو، گزینه مناسبی است. اما هزینه تولید آن نسبت به چدن خاکستری بیشتر است.

چدن نشکن پرکروم

یک چدن داکتیل است که با افزودن کروم به آن مقاومت به سایش و خوردگی به شدت افزایش یافته است. این نوع چدن برای محیط‌های صنعتی مانند معادن و صنایع سیمان که با دما و شرایط خورنده مواجه هستند، بسیار مناسب است. هزینه تولید بالا و حساسیت به شرایط تولید از معایب آن به شمار می رود.

چدن گرافیت آدی

نوعی چدن داکتیل است که با استفاده از عملیات حرارتی خاص به استحکام و انعطاف پذیری بسیار بالا دست پیدا می کند. این ویژگی‌ها باعث شده که از آن در ساخت قطعات صنعتی مانند چرخ دنده‌ها و قطعات ماشین آلات سنگین استفاده شود. فرآیند پیچیده تولید و هزینه بالا از معایب این نوع چدن است.

چدن مقاوم به حرارت

چدن مقاوم به حرارت با افزودن عناصر آلیاژی خاص مانند نیکل و سیلیسیوم مقاومت بسیار بالایی در برابر تغییرات دمایی و حرارت زیاد دارد. این چدن به طور گسترده در تولید قطعاتی که در شرایط دمای بالا کار می کنند، مثل کوره‌ها و توربین‌ها، استفاده می شود. با این حال، هزینه تولید آن نسبت به سایر انواع چدن‌ها بالاتر است.

چدن مقاوم به خوردگی

با افزودن عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل و مس، مقاومتی عالی در برابر خوردگی و اکسیداسیون پیدا می کند. این نوع چدن برای استفاده در محیط‌های خورنده مانند خطوط انتقال آب و فاضلاب یا تجهیزات دریایی مناسب است. هزینه بالا و حساسیت به شرایط محیطی از معایب آن به شمار می آید.

چدن گرافیتی با زمینه پرلیتی

چدن گرافیتی با زمینه پرلیتی دارای استحکام کششی بالا و مقاومت به سایش است و نسبت به چدن خاکستری معمولی عملکرد بهتری دارد. این نوع چدن در ساخت قطعاتی که به استحکام و سایش مقاوم نیاز دارند، مانند چرخ دنده‌ها و بلوک‌های سیلندر استفاده می شود. شکنندگی بیشتر نسبت به چدن داکتیل از معایب آن است.

چدن گرافیتی با زمینه فریتی

چدن گرافیتی با زمینه فریتی انعطاف پذیری بیشتری نسبت به چدن گرافیتی با زمینه پرلیتی دارد و در عین حال جذب ارتعاش بهتری دارد. این نوع چدن برای کاربردهای کم تنش مانند پایه‌ها و محفظه‌های موتور مناسب است. به دلیل مقاومت پایین تر در برابر سایش و فشار، استفاده از آن محدود به شرایط کم تنش است.

چدن چکش خوار پرکروم

چدن چکش خوار پرکروم از چدن سفید به دست می آید که با عملیات حرارتی و آلیاژ کروم مقاوم به سایش و چکش خواری تبدیل می شود. این نوع چدن برای قطعاتی که باید در برابر سایش و فشار مقاوم باشند، مانند قطعات معدنی و ماشین آلات سنگین، مناسب است. شکنندگی بیشتر نسبت به چدن داکتیل از معایب آن است.

نحوه تولید چدن

تولید آلیاژ چدن فرآیند پیچیده ای است که به متالورژی دقیق نیاز دارد. مراحل اصلی تولید چدن به شرح زیر است:

اولین مرحله در تولید چدن، ذوب آهن است. سنگ آهن به همراه کربن، سیلیسیوم، منگنز و سایر عناصر آلیاژی به کوره ذوب می روند. در این مرحله، آهن در دمای بالا ذوب شده و به حالت مایع در می آید. این فرآیند در کوره های مختلف مانند کوره بلند، کوره قوس الکتریکی یا کوره القائی صورت می گیرد.
پس از ذوب آهن، ترکیب شیمیایی آلیاژ به دقت کنترل می شود. به منظور دستیابی به ویژگی های مورد نظر برای چدن، عناصر آلیاژی مانند کربن (معمولاً 2- 4 درصد)، سیلیسیوم (1- 3 درصد)، منگنز، فسفر و گوگرد به آهن اضافه می شود. این ترکیب ها باعث تغییر خواص چدن مانند سختی، انعطاف پذیری و مقاومت به سایش می شوند.
پس از آماده سازی مذاب، این فلز مایع به قالب های ریخته گری منتقل می شود. قالب ها از جنس های مختلفی مانند ماسه، فولاد یا چدن ساخته می شوند و شکل قطعات نهایی را می دهند. در این مرحله، مذاب چدن در قالب ریخته می شود و سپس به آرامی سرد می شود تا جامد گردد. این مرحله به طور مستقیم بر شکل و ابعاد قطعات نهایی تأثیر می گذارد.
هنگامی که چدن در قالب سرد می شود، ساختار گرافیتی در آن شکل می گیرد. این گرافیت ها می توانند به صورت پولکی، کروی یا فشرده باشند که بر خواص فیزیکی چدن تأثیر می گذارند. نوع گرافیت و ساختار آن وابسته به ترکیب شیمیایی و دمای خنک سازی است. به عنوان مثال، چدن خاکستری دارای گرافیت پولکی است، در حالی که چدن داکتیل گرافیت کروی دارد.
پس از ریخته گری و سرد شدن اولیه، در برخی موارد چدن تحت عملیات حرارتی قرار می گیرد. عملیات حرارتی می تواند شامل آنیل کردن، سخت کردن یا کوئنچینگ باشد. این عملیات باعث تغییر در ساختار میکروسکوپی چدن می شود و ویژگی هایی مانند استحکام، انعطاف پذیری و سختی آن را بهبود می بخشد. برای مثال، چدن داکتیل پس از عملیات حرارتی، خواص مکانیکی بهتری پیدا می کند.
پس از تکمیل ریخته گری و عملیات حرارتی، قطعات چدنی ممکن است نیاز به ماشین کاری و پایان دهی داشته باشند. این شامل برش، تراشیدن، سابیدن یا پرداخت سطح قطعات است. هدف از این فرآیندها، بهبود دقت ابعادی قطعات و دستیابی به سطحی صاف و بدون نقص است.
در نهایت، قطعات چدنی تولید شده باید از نظر کیفیت مورد ارزیابی قرار گیرند. این ارزیابی شامل تست های فیزیکی و شیمیایی مانند تست کشش، آزمایش سختی، تست سایش و تحلیل متالورژیکی است. همچنین، از روش هایی مانند رادیوگرافی و تست اولتراسونیک برای شناسایی عیوب داخلی استفاده می شود.

این مراحل باعث می شوند که چدن تولید شده با خواص مطلوب برای کاربردهای مختلف آماده شود. از نظر ترکیب شیمیایی و عملیات حرارتی، می توان چدن های مختلفی با ویژگی های خاص نظیر چدن داکتیل، خاکستری، سفید، مالیبل یا آلیاژی تولید کرد. در ادامه یک جدول مقایسه ای برای انواع چدن‌ها آورده شده است:

نوع چدن	ساختار گرافیت	ویژگی‌ها	مزایا	معایب	کاربردها
خاکستری	گرافیت پولکی	مقاومت به سایش، جذب ارتعاش بالا	قیمت ارزان، ماشین کاری آسان	شکننده، مقاومت کم به ضربه	بدنه ماشین آلات، دیسک ترمز
داکتیل	گرافیت کروی	انعطاف پذیری بالا، مقاومت به ضربه و خستگی	دوام بالا، تحمل فشار زیاد	هزینه تولید بالاتر	دریچه‌های منهول، قطعات خودرو
سفید	بدون گرافیت (کاربید آهن)	سخت و مقاوم به سایش	مقاومت عالی به سایش	شکنندگی زیاد، غیرقابل ماشین کاری	رول‌های نورد، تیغه‌های خردکن
مالیبل	گرافیت کلوخه ای	مقاومت خوب و انعطاف پذیری مناسب	قابلیت تحمل ضربه، مقاومت به سایش	هزینه تولید بالا	اتصالات لوله، ابزارآلات کوچک
آلیاژی	گرافیت به همراه عناصر آلیاژی	مقاوم به خوردگی، حرارت و سایش	کارایی بالا در شرایط خاص	هزینه بالاتر	قطعات کوره، پمپ‌ها، توربین‌ها
گرافیت فشرده	گرافیت فشرده	ترکیبی از استحکام و انعطاف پذیری بالا	جذب ارتعاش خوب، استحکام مناسب	هزینه بالا	بلوک موتور، سرسیلندر، قطعات حساس به حرارت
نشکن پرکروم	گرافیت کروی + کروم	مقاومت بالا به سایش و خوردگی	مقاومت عالی به سایش و خوردگی	هزینه تولید بالا	معادن، سیمان، صنایع شیمیایی
گرافیت آدی	گرافیت کروی	استحکام و انعطاف پذیری بالا، مقاومت به سایش	استحکام بالا، سبک تر از فولاد	فرآیند تولید پیچیده و هزینه بر	چرخ دنده‌ها، قطعات ماشین آلات سنگین
مقاوم به حرارت	گرافیت با عناصر آلیاژی	مقاومت عالی به حرارت و دماهای بالا	دوام بالا در دمای بالا	هزینه بالا	کوره‌ها، توربین‌ها، قطعات دمای بالا
مقاوم به خوردگی	گرافیت با عناصر مقاوم به خوردگی	مقاومت عالی در برابر خوردگی	طول عمر بیشتر در محیط‌های خورنده	هزینه بالا	خطوط انتقال آب، فاضلاب، تجهیزات دریایی
گرافیتی با زمینه پرلیتی	گرافیت پولکی + زمینه پرلیتی	استحکام کششی بالا، مقاومت به سایش	مقاومت بیشتر به سایش و فشار	شکنندگی بیشتر نسبت به چدن داکتیل	چرخ دنده‌ها، بلوک‌های سیلندر
گرافیتی با زمینه فریتی	گرافیت پولکی + زمینه فریتی	انعطاف پذیری بالا، جذب ارتعاش خوب	جذب ارتعاش بهتر، انعطاف پذیری عالی	مقاومت کمتر به سایش و فشار	پایه‌ها، محفظه‌های موتور
چکش خوار پرکروم	گرافیت کلوخه ای + کروم	مقاوم به سایش و فشار، چکش خوار	مقاومت بالا به سایش و فشار	شکنندگی بیشتر نسبت به چدن داکتیل	قطعات معدنی، ماشین آلات سنگین

مقاومت مکانیکی انواع چدن

مقاومت مکانیکی چدن به ترکیب شیمیایی، نوع چدن (خاکستری، سفید، داکتیل یا مالیبل) و فرآیند تولید آن بستگی دارد. در زیر به ویژگی های مکانیکی برخی انواع چدن اشاره می کنم:

چدن خاکستری

- مقاومت فشاری: حدود 700–1400 مگاپاسکال
- مقاومت کششی: حدود 150–400 مگاپاسکال
- سختی: 150–300 برینل
- ویژگی اصلی: مقاومت بالا در برابر سایش، اما ترد و شکننده.

چدن سفید

- مقاومت فشاری: حدود 1800–2600 مگاپاسکال
- مقاومت کششی: حدود 200–400 مگاپاسکال
- سختی: 400–700 برینل
- ویژگی اصلی: بسیار سخت و مقاوم به سایش، اما شکننده.

چدن داکتیل (نشکن)

- مقاومت فشاری: حدود 400–900 مگاپاسکال
- مقاومت کششی: حدود 400–700 مگاپاسکال
- سختی: 130–250 برینل
- ویژگی اصلی: انعطاف پذیر، چقرمه و مقاوم به ضربه.

چدن مالیبل

- مقاومت فشاری: حدود 300–700 مگاپاسکال
- مقاومت کششی: حدود 250–500 مگاپاسکال
- سختی: 120–200 برینل
- ویژگی اصلی: خواص مکانیکی خوب و چقرمگی مناسب.

عوامل موثر بر مقاومت مکانیکی چدن

مقدار کربن و سیلیسیم: کربن بیشتر باعث افزایش سختی و کاهش چقرمگی می شود.
ریخته گری و عملیات حرارتی: بهبود ساختار میکروسکوپی و کنترل خواص مکانیکی.
نوع گرافیت: در چدن خاکستری گرافیت به صورت ورقه ای است، در حالی که در چدن داکتیل گرافیت به صورت کروی است که باعث افزایش چقرمگی می شود.