شمش چدن

شمش چدن چیست ؟

چدن یک آلیاژ آهنی است که دارای بیش از 2درصد کربن است. بنابراین درصد کربن آن می‌تواند هر مقداری بین 2 تا 67/6 درصد باشد، ولی این مقدار در عمل بین 2 تا 4درصد است. نام چدن برگرفته از ویژگی‌های ریخته‌گری عالی آن است. این آلیاژ سخت و ترد است.

تفاوت اساسی بین چدن و فولاد این است که فولاد دارای کمتر از 2 درصد کربن و چدن دارای بیش از 2درصد کربن است.

علاوه بر آن، از نظر جزییات ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی نیز تفاوت‌هایی بین آهن کارشده و شمش چدن یافت می‌شود. اگرچه هم فولاد و هم چدن حاوی مقادیر کمی کربن هستند و مشابه یکدیگر به نظر می‌آیند، ولی اختلاف قابل توجهی بین دو فلز وجود دارد.

مقدار کربن در فولاد کمتر از 2 درصد است که باعث می‌شود محصول نهایی به صورت یک ساختار میکروبلوری منجمد شود. میزان کربن در چدن بیشتر بوده و این بدین معنی است که چدن به صورت یک آلیاژ ناهمگن منجمد می‌شود و بنابراین بیش از یک ساختار میکروبلوری در ماده وجود دارد.

ترکیب میزان بالای کربن و وجود سیلیسیم در شمش چدن ، منجر به قابلیت ریخته‌گری عالی آن می‌شود. انواع چدن‌ها شامل چدن خاکستری، چدن سفید، چدن چکش‌خوار، چدن نشکن، و چدن با گرافیت فشرده، با استفاده از روش‌های فراوری و عملیات حرارتی مختلفی تولید می‌شوند.

چه عناصری به طور معمول در چدن استفاده می شود !

دیگر عناصر آلیاژی که به طور معمول در چدن استفاده می‌شوند عبارتند از:

• منگنز: افزایش مقاومت به سایشی
• کروم: افزایش سختی‌پذیری، مقاومت به سایش، مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون
• نیکل: افزایش استحکام کششی
• تنگستن: افزایش سختی داغ و استحکام داغ
• مولیبدن: افزایش سختی‌پذیری
• وانادیم: افزایش سختی‌پذیری و سختی داغ
• سیلیسیم: افزایش سختی‌پذیری و مقاومت الکتریکی
• آلومینیم: به عنوان اکسیژن‌زدا در فولاد
• تیتانیم: به عنوان اکسیژن‌زدا در فولاد
• نیوبیم: کاهش سختی‌پذیری و افزایش انعطاف‌پذیری، و درنتیجه افزایش استحکام ضربه
• کبالت: کاهش سختی‌پذیری، مقاومت در برابر نرم شدن در دماهای بالا

انواع چدن

در جدول زیر ترکیب شیمیایی انواع مختلف چدن‌ها مشاهده می‌شود.

در زیر برخی از انواع مهم چدن‌ها آورده شده‌است:

• خاکستری
• نشکن
• چدن با گرافیت فشرده
• سفید
• چکش‌خوار
• مقاوم به سایش
• چدن با گرافیت گره‌‌مانند یا کروی
• آستنیتی

خواص مکانیکی شمش چدن چیست ؟

خواص مکانیکی یک ماده نشان‌دهنده چگونگی پاسخ آن ماده تحت تنش‌های مشخص است و به کمک آنها می‌توان میزان مناسب بودن آن ماده برای کاربردهای مختلف را تعیین کرد.

مشخصات و جزییات توسط سازمان‌هایی مانند انجمن آزمون و مواد آمریکا (ASTM) تنظیم شده‌اند تا کاربران بتوانند مواد را با اطمینان از برآورده شدن الزامات مدنظر در کاربردهای خود، خریداری نمایند. متداول‌ترین مشخصه چدن خاکستری ASTM A48 است.

یکی از روش‌های استاندارد جهت ارزیابی کیفی محصولات ریختگی با توجه به مشخصات آنها، ریخته‌گری یک میله آزمایشی همراه با قطعات ریختگی مهندسی‌شده است. سپس آزمون‌های ASTM بر روی این میله آزمایشی انجام می‌شود و از نتایج برای ارزیابی کیفی کل قطعات ریختگی استفاده می‌شود.

این مشخصات همچنین هنگام جوشکاری قطعات چدنی به یکدیگر اهمیت دارد. خواص مکانیکی جوش باید همانند خواص مکانیکی قطعاتی که به یکدیگر جوش می‌خورند و یا فراتر از آن باشند؛ در غیر اینصورت شکست و خرابی رخ می‌دهد.

چدن سفید

با اینکه این چدن به اندازه چدن خاکستری متداول نیست ولی خوب است به آن اشاره شود. دلیل نام‌گذاری این چدن به دلیل رنگ سفید آن است که ناشی از ترکیباتی از آهن به نام سمنتیت است. همانند چدن خاکستری، چدن سفید نیز دارای شکستگی‌های کوچک بسیاری است.

تفاوت آنها در این است که چدن سفید در زیر سطح خود دارای سمنتیت است در حالی که چدن خاکستری در زیر سطح خود گرافیت دارد. گرافیت ظاهری خاکستری رنگ و سمنتیت ظاهری سفید رنگ ایجاد می‌کند. چدن سفید سخت بوده و مقاومت به سایش عالی دارد.

در این چدن کربن به صورت کاربید آهن (Fe₃C) حضور دارد.

خواص آن عبارتند از:

• استحکام فشاری بالا
• سخت بودن ماشین‌کاری آن
• سختی خوب
• مقاومت به سایش

کاربردهای چدن سفید

فرایند سرمایش مورد استفاده برای ساخت چدن سفید منجر به ایجاد ماده‌ای ترد با مقاومت بالا نسبت به سایش می‌گردد. به همین دلیل، از این چدن در ساخت جداره داخلی آسیاب‌ها، افشانک ساچمه‌زنی، کفشک ترمز قطار، بدنه پمپ دوغابی، غلتک‌های دستگاه نورد، و سنگ شکن‌ها استفاده می‌شود.

چدن نیکل سخت (دارای عنصر آلیاژی نیکل) به طور ویژه در پارویی مخلوط‌کن‌ها، مته‌ها و قالب‌ها، صفحات آستر برای آسیاب‌های گلوله‌ای، مجرای تخلیه زغال سنگ، و فنر سیم‌کشی کاربرد دارد.

چدن خاکستری

چدن خاکستری متداول‌ترین نوع از چدن‌ است و دارای ریزساختار گرافیتی حاوی تعداد زیادی شکستگی‌های کوچک است. به این دلیل به آن چدن خاکستری گفته می‌شود که حضور این شکستگی‌های کوچک باعث ایجاد ظاهر خاکستری رنگ می‌شود.

زمانی که چدن خاکستری تولید می‌شود، شکستگی‌ها باز می‌شوند تا گرافیت خاکستری رنگ زیر سطح نمایان شود. استحکام چدن خاکستری و همچنین میزان جذب ضربه آن به اندازه فولاد نیست ولی استحکام فشاری آن همانند فولاد است. درنتیجه برای کاربردهایی که استحکام فشاری مدنظر باشد این فلز انتخاب مناسبی است.

کربن در این نوع چدن بیشتر به صورت گرافیت است. این چدن ارزان است.

خواص آن عبارتند از:

• قابلیت ماشین‌کاری خوب
• مقاومت به سایش خوب
• استحکام فشاری بالا
• تردی

کاربردهای چدن خاکستری

یکی از ویژگی‌های مهم چدن خاکستری، توانایی مقاومت در برابر سایش حتی هنگام محدود بودن میزان روان‌کاری است (به عنوان مثال دیواره بالایی سیلندر در بدنه موتور). از چدن خاکستری در ساخت بدنه موتورها و سرسیلندرها، لوله‌های چندشاخه (منیفولدها)، مشعل‌های گاز، چرخ دنده خام، محفظه‌ها و بدنه‌ها استفاده می‌شود.

چدن نشکن ( چدن داکتیل )

خواص ویژه این نوع چدن ناشی از افزودن منیزیم به آلیاژ است. حضور منیزیم باعث می‌شود که گرافیت برخلاف  داشتن ظاهر لایه‌ای در چدن خاکستری، در اینجا ظاهر کروی داشته باشد. کنترل ترکیب شیمیایی در فرایند تولید بسیار مهم است.

مقادیر کمی از ناخالصی‌هایی مانند گوگرد و اکسیژن، با منیزیم واکنش داده و بر شکل مولکول‌های گرافیت تاثیر می‌گذارند. این امر در طی فرایند ریخته‌گری و یا از طریق عملیات حرارتی، به عنوان یک مرحله فراوری پسین، به دست می‌آید.

گرافیت در این چدن داکتیل به صورت کروی یا گره‌مانند است.

خواص آن عبارتند از:

• استحکام کششی بالا
• خواص ازدیاد طول خوب
• انعطاف‌پذیری بالا
• استحکام بالا

کاربردهای چدن نشکن ( چدن داکتیل )

چدن نشکن را می‌توان به گریدهای مختلفی تقسیم کرد که هرکدام خواص و کاربردهای مناسب خود را دارند. ماشین‌کاری این چدن آسان بوده، استحکام خستگی و استحکام تسلیم خوبی دارد و در برابر سایش مقاوم است. هرچند معروف‌ترین ویژگی آن نشکن بودن آن است.

چدن نشکن ( چدن داکتیل ) را می‌توان در ساخت سگ‌دست فرمان، گاوآهن، میل‌ لنگ، چرخ دنده مخصوص کارهای سنگین، قطعات تعلیق خودرو و کامیون، قطعات هیدرولیکی، و لولاهای درب خودرو به کار برد.

چدن چکش‌خوار

چدن سفید را می‌توان از طریق یک فرایند عملیات حرارتی به چدن چکش‌خوار تبدیل کرد. یک روند طولانی گرمایش و سرمایش منجر به تجزیه مولکول‌های کاربید آهن و درنتیجه آزادشدن مولکول‌های آزاد گرافیت درون آهن می‌شود. نرخ‌های سرمایش مختلف، و افزودن آلیاژها، منجر به تولید چدن چکش‌خوار با ساختاری میکروبلوری می‌شود.

خاصیت چکش‌خواری این چدن‌ها با استفاده از آنیل کردن به دست می‌آید. از این چدن‌ها در تهیه قطعاتی که آهنگری آنها گران است، مانند نگهدارنده ترمز و توپی چرخ‌های واگن استفاده می‌شود. این نوع چدن ارزان است.

خواص آن عبارتند از:

• انعطاف‌پذیری بالا
• چقرمگی بیشتر از چدن خاکستری
• امکان پیچش یا خمش بدون شکست
• قابلیت ماشین‌کاری عالی

کاربردهای چدن چکش‌خوار

داشتن گریدهای مختلف در این چدن بیانگر وجود ساختارهای میکروبلوری مختلف آن است ویژگی‌های خاصی که باعث جذابیت چدن چکش‌خوار می‌شوند، عبارتند از: توانایی نگهداری و ذخیره روانکارها، ذرات غیرساینده، و سطح متخلخل که باقی ذرات ساینده را به دام می‌اندازد. از چدن چکش‌خوار برای ساخت سطوح یاتاقان‌ها مخصوص کارهای سنگین، زنجیرها، چرخ‌های زنجیر، شاتون‌ها، اجزای پیشران و محور (اکسل)، ناوگان ریلی، و ماشین آلات کشاورزی و ساختمانی استفاده می‌شود.

چدن با گرافیت فشرده

این چدن دارای ساختار گرافیتی و خواص مربوط به آن است که ترکیبی از خواص چدن خاکستری و چدن سفید می‌باشد. ساختار میکروبلوری آن در اطراف لایه‌های صاف گرافیت که به یکدیگر متصل شده‌اند، تشکیل می‌شود. جهت ممانعت از تشکیل گرافیت کروی، از آلیاژی مانند تیتانیم استفاده می‌شود. چدن با گرافیت فشرده در مقایسه با چدن خاکستری استحکام کششی بالاتر و انعطاف‌پذیری بهتری دارد. ساختار میکروبلوری و خواص آن را می‌توان از طریق عملیات حرارتی و یا افزودن آلیاژهای دیگر تنظیم نمود.

کاربردهای چدن با گرافیت فشرده

استفاده از این چدن در کاربردهای تجاری به تدریج بیشتر می‌شود. ترکیب خواص چدن خاکستری و چدن سفید منجر به ایجاد محصولی با استحکام بالا و هدایت حرارتی بالا می‌شود که برای بدنه و چهارچوب موتورهای دیزلی، آسترهای سیلندر، دیسک‌های ترمز برای قطارها، منیفولدهای اگزوز، و صفحه دنده در پمپ‌های فشار بالا مناسب است.