آهن یکی از مهمترین مصالح ساختمانی در جهان است که امکان رشد سریع بشر را فراهم کرده است. ما با آلیاژهای رایج کربن برای ساخت فولاد آشنا هستیم، اما چه انواع مختلفی از چدن ریخته‌گری وجود دارد؟ ما در این مقاله در صباپروفیل همه چیز را در مورد آن‌ها توضیح خواهیم داد.
آهن چیست؟
آهن با تشکیل حدود 35 درصد از جرم زمین، عنصری فراوان است که در اکثر قاره‌های سراسر جهان یافت می‌شود. برای استخراج، سنگ آهن در معادن روباز بزرگ استخراج می‌شود، سپس خرد شده و برای تصفیه سنگ معدن فرآوری می‌شود. از آنجا می‌توان آن را با استفاده از کوره‌های بزرگ ذوب کرد تا آهن ذوب شود، پس از ذوب شدن، ناخالصی‌ها حذف شده و آهن برای پردازش بیشتر منتقل می‌شود.
آهن با نماد شیمیایی Fe، بیست و ششمین عنصر جدول تناوبی است و بیش از 5 هزار سال است که توسط انسان استفاده می‌شود. آهن که فلزی براق و مایل به خاکستری رنگ است و در هوای مرطوب زنگ می‌زند، یکی از فراوان‌ترین فلزات روی زمین است که 5.6 درصد از پوسته زمین و تقریباً تمام هسته زمین را تشکیل می‌دهد. آهن را می‌توان پرمصرف‌ترین و ارزان‌ترین فلز دنیا نیز نامید. آهن (Iron) نام خود را از “iren” آنگلوساکسون گرفته است. نماد عنصر، Fe، از کلمه لاتین “ferrum” به معنای “استحکام” آمده است.
آهن نقش کلیدی در تاریخ بشریت ایفا کرده است، زیرا کسانی که می‌توانستند آن را برای ساخت سلاح، ابزار و مواد دیگر دستکاری کنند، قدرت اقتصادی و سیاسی به دست آوردند. در جامعه مدرن، آهن مهمترین فلز در بین تمام فلزات است، زیرا از آن برای ساخت انواع مختلف فولاد استفاده می‌شود که آن‌ها نیز در مجموعه‌های متنوعی از کاربردها استفاده می‌شوند. آهن همچنین عنصر مهمی در زندگی گیاهی و جانوری است. در گیاهان در ایجاد کلروفیل و در انسان نقش مهمی در سیستم عروقی دارد.
چدن چیست؟
فلز چدن (به انگلیسی Cast Iron) یکی از محصولات فلزی مهم و پرکاربرد در صنعت است که از آهن و کربن تشکیل می‌شود. این فلز از آهن، کربن و عناصر دیگری مانند سیلیسیم، منگنز و گاهی نیکل و کروم تشکیل شده است. ترکیب مختلف این عناصر در فلز چدن باعث تولید انواع مختلف چدن‌ها با ویژگی‌های متفاوت می‌شود.
ویژگی مهم فلز چدن در مقایسه با فلز آهن، مقاومت بیشتر آن به زنگ‌زدگی و خوردگی است که به دلیل حضور عناصر پتینه‌ساز مانند سیلیسیم و منگنز در ترکیب فلز چدن است. از این‌رو، فلز چدن بیشتر در برابر عوامل محیطی و شرایط آب و هوایی سخت‌تر مقاومت نشان می‌دهد.
فلز چدن به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در صنایع مختلف بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله کاربردهای مهم آن می‌توان به تولید قطعات خودرو، اجزاء صنایع ماشین‌سازی، ابزارآلات، ساختمان‌سازی، لوازم آشپزخانه و صنایع فلزی اشاره کرد. همچنین، فلز چدن به عنوان یکی از مواد پایه برای تولید قطعات بزرگ‌تر و سنگین‌تر نظیر توربین‌ها و تیغه‌های بادی نیز استفاده می‌شود.
تفاوت بین چدن چکش‌خوار و چدن ریخته‌گری چیست؟
انواع مختلفی از چدن وجود دارد که بر اساس ترکیبات شیمیایی و ساختار میکروسکوپی آن‌ها تفاوت‌هایی دارند. دو نوع رایج چدن عبارتند از چدن چکش خوار (Malleable or Wrought cast iron) و چدن ریخته گری.
چدن چکش‌خوار (Wrought Iron)
“چکش‌خوار” از کلمه ژرمنی “werken” به معنی “کار کردن” آمده است که دقیقاً به همین روش ساخته می‌شود. قطعات آهن در حالی که داغ هستند، چکش‌کاری، نورد و شکل داده می‌شوند، هم برای ایجاد شکل مورد نیاز و هم برای افزایش استحکام ماده.
بنابراین، ماده تولید شده چکش‌خوار است و با استحکام کششی بالا، همچنین می‌تواند دوباره حرارت داده و شکل داده شود و این موضوع اصلاح و تعمیر آن را نسبتاً ساده می‌کند.
خواص شیمیایی چدن چکش‌خوار:
حاوی حدود 0.1% کربن، 0.25% ناخالصی (گوگرد، فسفر، سیلیسیم) و 2% سرباره که مخلوطی از فلز و اکسیدهای سیلیسیم است که در فرآیند ذوب ایجاد می‌شود. وجود سیلیکات آهن در چدن چکش‌خوار به جلوگیری از خوردگی بیش از حد کمک می‌کند، به این معنی که محصولات چدن چکش‌خوار که در خارج از منزل باقی می‌مانند، پتینه‌ای تشکیل می‌دهند که معمولاً نیازی به رنگ‌آمیزی ندارد.
خواص فیزیکی چدن چکش‌خوار:
به دلیل محتوای کربن و کار روی ماده، که شبیه آهنگری است، چدن چکش‌خوار استحکام کششی بسیار بالایی در حدود 300 مگاپاسکال دارد که با فولادهای سازه‌ای مدرن قابل مقایسه است.
چدن ریخته‌گری:
چدن ریخته‌گری را می‌توان به دو دسته مجزا تقسیم کرد: خاکستری و چکش‌خوار، اولی اولین و نسخه اصلی و دومی نوع به‌روزرسانی‌شده و چندکاره‌تر است. اکثر چدن‌های ریخته‌گری خواصی شبیه به چدن چکش‌خوار دارند، اما کربن بیشتری، حدود 2-4% دارند.
این محتوای بالای کربن، خواص مشخصه آن یعنی سختی را به آن می‌دهد. چدن ریخته‌گری مانند چدن چکش‌خوار با ذوب سنگ آهن ساخته می‌شود، اما به جای شکل‌گیری فیزیکی، فلز مذاب در قالب‌ها ریخته می‌شود. آهن اولین ماده‌ای نیست که ریخته می‌شود، اما به خوبی به این فرآیند قرض می‌دهد و امکان تولید قطعات با شکل‌های پیچیده را فراهم می‌کند که استحکام نسبتاً بالایی دارند، اما با هزینه بسیار کم.
خواص شیمیایی چدن ریخته‌گری:
چدن خاکستری یا ریخته‌گری به طور کلی حاوی حدود 2-4% کربن، 1-3% سیلیسیم و منگنز حدود 0.5% است. بسیاری از چدن‌های خاکستری همچنین حاوی حدود 0.3% مس هستند. چدن ریخته‌گری به اندازه چدن چکش‌خوار در برابر خوردگی مقاوم نیست، به این معنی که برای جلوگیری از زنگ‌زدگی به نوعی پوشش نیاز دارد. رایج‌ترین نوع رنگ است که به صورت شیمیایی به سطح قطعه می‌چسبد و از خوردگی جلوگیری می‌کند.
خواص فیزیکی چدن
از ویژگی های اصلی چدن می توان به سختی، مقاومت در برابر سایش و سهولت ساخت اشاره کرد. با این حال، تولید معمولاً فقط مربوط به تولید اولیه است، زیرا جوشکاری چدن کاری دشوار است.
مزایای چدن ریخته‌گری و چدن چکش‌خوار
هم چدن ریخته‌گری و هم چدن چکش‌خوار کاربردهای خاص خود را دارند و برخی از کاربردها برای هر دو مناسب هستند.
مزایای چدن ریخته‌گری:
- ارزان‌تر: چدن ریخته‌گری راهی ارزان برای ساخت قطعات پیچیده است، زیرا مواد اولیه آن نسبت به فولاد یا چدن چکش‌خوار ارزان‌تر است.
- شکل‌های پیچیده: فرآیند ریخته‌گری امکان ایجاد اشکال پیچیده و قابل تکرار از قالب‌ها را فراهم می‌کند.
- سختی: چدن ریخته‌گری سختی و مقاومت در برابر سایش بالایی دارد و آن را برای استفاده در محیط‌های ساینده ایده‌آل می‌سازد.
- دمپینگ لرزش: به دلیل ساختار مولکولی، چدن ریخته‌گری دارای اثرات عالی در دمپینگ لرزش است.
- نگهداری گرما: چدن ریخته‌گری به دلیل چگالی بالای مواد، نگهداری گرمای فوق العاده ای دارد.
مزایای چدن چکش‌خوار:
- استحکام: فرآیند ساخت و ترکیب چدن چکش‌خوار، قطعات ساخته شده از آن را برای کاربردهای سازه‌ای مانند پل‌ها مناسب می‌کند.
- قابل بازکاری: بر خلاف چدن ریخته‌گری، چدن چکش‌خوار قابل گرم شدن و بازکاری است.
- مقاومت در برابر خوردگی: چدن چکش‌خوار مقاومت طبیعی در برابر زنگ‌زدگی دارد، به این معنی که مشکلات نگهداری و هزینه‌های نهایی کمتری دارد.
کاربردهای چدن ریخته‌گری و چدن چکش‌خوار
چدن ریخته‌گری طیف وسیعی از کاربردها در صنعت دارد و هنوز هم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد:
- بدنه شیر: قابلیت ایجاد اشکال پیچیده، چدن ریخته‌گری را برای قطعات لوله‌کشی ایده‌آل می‌سازد.
- پوسته گیربکس در تجهیزات صنعتی: استحکام و خاصیت دمپینگ لرزش چدن ریخته‌گری، آن را برای جعبه‌دنده‌ها (گیربکس‌های) مناسب می‌کند.
- بلوک‌های موتور: قابلیت ماشینکاری خوب، همراه با حفظ گرما و انعطاف‌پذیری در ریخته‌گری، بلوک‌های موتور چدن ریخته‌گری را بسیار مقرون به صرفه می‌سازد.
- دیسک‌های ترمز: استحکام بالا و انبساط حرارتی پایین، به دیسک‌های ترمز چدن ریخته‌گری مقاومت در برابر تاب برداشتن را می‌دهد.
- ظروف آشپزی: حفظ گرما، ماهیتابه‌ها و ظروف چدن ریخته‌گری را برای پخت و پز و سرخ کردن عالی می‌کند.
چدن چکش‌خوار کاربردهای گسترده‌ای داشت، اما در حال حاضر به دلیل مقرون‌به‌صرفه‌تر بودن فولاد کم‌کربن، محبوبیت آن کاهش یافته است. با این حال، کاربردهای رایج آن همچنان شامل موارد زیر می‌شود:
- مبلمان: مانند میز و صندلی باغ
- حصار و نرده: نرده‌های تزئینی ساخته شده از چدن چکش‌خوار در معماری خانگی قرن ۱۹ و ۲۰ بسیار رایج بود.
- بالکن‌ها: قاب و نرده‌های بالکن در شهرهایی مانند پاریس و رم به طور سنتی از چدن چکش‌خوار ساخته می‌شدند.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 7 اسفند 1402
