فلزات به علت خواص فیزیکی و شیمیایی خاص خود، نقش بسیار مهمی در صنعت و زندگی روزمره انسان‌ها ایفا می‌کنند. فلزات عناصری هستند که به طور طبیعی در طبیعت یافت شده و دارای خواص ویژه‌ای مانند چکش خواری، شکل پذیری و هدایت الکتریکی هستند. فلزات از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که با پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند. این پیوندها بسیار قوی هستند و به فلزات استحکام و سختی می‌بخشند. این مجموعه از عناصر شامل فلزات سبکی نظیر آلومینیوم، آهن، مس و نیکل و همچنین فلزات سنگینی نظیر روی، سرب و طلا می‌شوند.
چدن نیز یکی از انواع فلزات است که با ترکیبی از آهن و کربن و عناصر دیگر تشکیل میشود. این ماده فلزی به دلیل خواص منحصر به فرد خود از جمله مقاومت بیشتر در برابر زنگ زدگی و خوردگی و همچنین مقاومت مکانیکی بالا، به صورت گسترده‌ای در صنعت استفاده میشود. چدن در تولید قطعات خودرو، ابزارآلات صنعتی، تجهیزات ماشین‌های کشاورزی، ساختمان‌سازی و صنایع فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اهمیت چدن به دلیل ویژگی‌های آن است که آن را از دیگر مواد فلزی متمایز میکند. این فلز دارای مقاومت زیادی در برابر خوردگی و زنگ زدگی است که آن را مناسب برای استفاده در محیط‌های مرطوب و محل‌هایی که با آب و هوایی سخت مواجه هستند، می‌سازد. همچنین، چدن به دلیل قابلیت ترکیب با عناصر دیگر، از جمله سیلیسیم و منگنز، خواص مکانیکی و حرارتی بهبود یافته‌ای دارد که باعث افزایش کارایی و مصرف آن در صنایع مختلف میشود. همچنین، توانایی چدن در پذیرش شکل‌های مختلف و مقاومت آن به شرایط سخت محیطی، از دیگر دلایل موفقیت و کاربرد گستردهٔ آن در صنعت است. حال که به اهمیت چدن پی بردید، در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا به بررسی بیشتر این فلز پرداخته و به سوالات مختلف در رابطه آن پاسخ دهیم.
فهرست مطالب
فلز 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.
مهمترین ویژگی‌های عبارتند از:
- حاوی مقادیر قابل توجهی کربن است، معمولا 2 تا 4 درصد.
- عناصری مانند سیلیسیم، منگنز و فسفر نیز در ترکیب آن وجود دارد.
- از ریخته‌گری آهن مذاب و کربن در قالب تولید میشود.
- انواع مختلفی مانند چدن خاکستری، چدن سفید، چدن نشکن و چدن آلیاژی دارد.
- سختی و مقاومت بالا ولی شکنندگی و چکش خواری پایینی دارد.
- به دلیل قابلیت ریخته‌گری بالا، برای تولید انواع قطعات به کار می‌رود.
- در صنایع خودروسازی، ماشین‌سازی، لوله‌کشی و تجهیزات سنگین استفاده فراوان دارد.
- از جمله فلزات اصلی در تولید آلیاژهای فولادی نیز محسوب میشود.
انواع چدن
انواع مختلفی از چدن وجود دارد که بر اساس ترکیبات شیمیایی و ساختار میکروسکوپی آن‌ها تفاوت‌هایی دارند. این انواع عبارتند از:
- چدن داکتیل (Ductile cast iron): حاوی گره‌های گرافیت است که انعطاف پذیری بیشتری نسبت به سایر چدن‌ها دارد و در عین حال دارای خواص مقاومتی عالی است.
- چدن خاکستری (Gray cast iron): دارای ورقه‌های گرافیت است که ماشین‌کاری آن را نسبت به سایر چدن‌ها بهبود می‌بخشد.
- چدن سفید (White cast iron): دارای مقادیر زیادی کاربید آهن است که آن را بسیار شکننده میکند اما مقاومت در برابر سایش بالایی دارد.
- چدن چکش خوار (Malleable cast iron): اساساً چدن سفید است که برای تبدیل کاربیدهای آهن به گره‌های گرافیت به طور ویژه عملیات حرارتی شده است و خواصی مشابه چدن داکتیل دارد.
تفاوت چدن و فولاد
چدن و فولاد دو نوع فلز هستند که از آهن و کربن تشکیل می‌شوند، اما تفاوت‌های مهمی در ترکیب و خواص آن‌ها وجود دارد. این تفاوت‌ها عبارتند از:
1. ترکیب شیمیایی:
– چدن: چدن دارای محتوای کربن بالاتری نسبت به فولاد است. معمولاً میزان کربن در چدن بین 2 تا 4 درصد است.
– فولاد: در فولاد، محتوای کربن کمتر از 2 درصد است. معمولاً ترکیب شیمیایی فولاد به گونه‌ای است که کربن بین 0.2 تا 2 درصد باشد.
2. خواص مکانیکی:
– چدن: چدن به دلیل محتوای کربن بالا، معمولاً سخت است. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند چدن مناسب برای تولید قطعات با خواص ضدسایش و مقاومت در برابر فشار باشد.
– فولاد: فولاد با محتوای کربن کمتر، مقاومت بالاتری نسبت به چدن دارد و به دلیل معتدل بودن خواص مکانیکی، در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3. کاربردها:
– چدن: به دلیل خواص ضدسایش و مقاومت در برابر فشار، چدن بیشتر در تولید اجزاء صنعتی، بدنه ماشین‌آلات، قطعات خودرو و لوازم آشپزخانه استفاده میشود.
– فولاد: به دلیل مقاومت بالاتر و انعطاف‌پذیری در خواص مکانیکی، فولاد در ساختمان‌ها، خودروها، ابزارهای صنعتی، لوازم آشپزخانه و… به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.
به طور خلاصه، تفاوت اصلی بین چدن و فولاد در محتوای کربن و خواص مکانیکی آن‌هاست که به تفاوت‌های مهم در کاربردها منجر میشود. هر کدام از این فلزات بر اساس نیازها و مشخصات موردنظر در صنایع و کاربردهای مختلف استفاده می‌شوند. اما کاربرد فولاد همیشه بیشتر از چدن بوده است. استفاده بیشتر از فولاد نسبت به چدن به دلیل ویژگی‌ها و خواص منحصر به فولاد است که آن را به یک ماده بسیار محبوب و چند منظوره در صنایع مختلف میکند. مهمترین دلایل استفاده گسترده‌تر از فولاد نسبت به چدن عبارتند از:
– مقاومت بالا: فولاد به دلیل محتوای کمتر کربن نسبت به چدن، مقاومت بالاتری دارد. این ویژگی آن را برای بسیاری از کاربردها از جمله ساخت و ساز، صنایع خودروسازی، ابزارهای صنعتی و… مناسب میکند.
– قابلیت تشکیل و انعطاف‌پذیری: فولاد به دلیل ویژگی‌های مکانیکی متنوع، قابلیت تشکیل و انعطاف‌پذیری بالاتری دارد. این ویژگی آن را برای ساخت و تولید اشیاء با شکل‌ها و ابعاد مختلف، از جمله ساختمان‌ها، ابزارها و قطعات صنعتی، بسیار مورد استفاده قرار میدهد.
– وزن کمتر: در مقایسه با چدن، فولاد دارای وزن کمتری است که آن را برای کاربردهایی که نیاز به وزن سبک‌تر دارند، مناسب میکند.
– هزینه تولید: تولید فولاد اغلب از چدن ارزان‌تر است که باعث میشود در صنایع و کاربردهایی که هزینه تولید مهم است، فولاد انتخاب شود.
– امکانات آلیاژی: امکان افزودن عناصر آلیاژی به فولاد به منظور بهبود ویژگی‌ها و خواص آن وجود دارد. این امکانات آلیاژی باعث میشود فولادهای با خواص و کاربردهای مختلف تولید شوند.
به طور کلی، مزیت‌های فولاد نسبت به چدن و همچنین تنوع خواص مکانیکی و مقاومت‌های مختلف آن، باعث شده است تا فولاد در صنایع مختلف مورد استفاده گسترده‌ای قرار گیرد و ترجیح بیشتری نسبت به چدن داشته باشد. البته، هر کدام از این فلزات بر اساس نیازها و مشخصات مورد نیاز در کاربردهای خاص، استفاده می‌شوند.
نقطه ذوب چدن و فولاد
نقطه ذوب یا دمای ذوب یک ماده، دمایی است که در آن ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل میشود. نقطه ذوب چدن و فولاد متفاوت هستند به دلیل تفاوت در محتوای کربن این دو فلز. این دماها بر اساس محتوای کربن و دیگر عناصر آلیاژی ممکن است متغیر باشند. به طور کلی:
– نقطه ذوب چدن به دلیل محتوای کربن بالا حدود 1130-1480 درجه سانتی‌گراد (2066-2696 درجه فارنهایت) می‌باشد. اما این مقدار میتواند بسته به نوع چدن و آلیاژهای دیگر متغیر باشد.
– نقطه ذوب فولاد به دلیل محتوای کربن کمتر از چدن، کمتر از آن است و بسته به میزان کربن و آلیاژهای دیگر، معمولاً بین 1370-1510 درجه سانتی‌گراد (2500-2750 درجه فارنهایت) قرار دارد.
در هر دو مورد، با افزایش محتوای کربن، نقطه ذوب افزایش می‌یابد. این تفاوت در نقطه ذوب این دو فلز اهمیت زیادی دارد و برای کاربردهای مختلف، مهم است که نقطه ذوب دقیق محصول چدن یا فولاد مورد استفاده را بدانیم.
چدن چگونه ساخته می شود؟
فرآیند تولید چدن به این صورت است که این فلز چگونه نام خود را به دست آورده است. برای ساختن چدن، سنگ آهن را در کوره حرارت می‌دهند تا مذاب شود. مراحل عمده تولید چدن عبارتند از:
استخراج ماده اولیه: معمولاً از سنگ‌های معدنی نظیر هماتیت و مگنتیت، آهن استخراج میشود. این سنگ‌ها معمولاً شامل آهن و اکسید آهن هستند که با فرآیندهای مختلف از آن‌ها آهن اختصاصی به دست می‌آید.
تجهیزات کک‌سازی: آهن حاصل از مرحله اول، در کک‌سازها به‌همراه ذغال‌های نرم به کک تبدیل میشود. کک یک جامد سخت و خام است که حاصل از گرم‌کردن ذغال‌ها در شرایط کم‌اکسیژن تولید میشود.
فرآوری کک‌ها: کک‌ها به کوره‌های فولادسازی منتقل می‌شوند و در آنجا با استفاده از اکسیژن، باعث تولید گازهای گرمازا می‌شوند که انرژی مورد نیاز برای ذوب و فرآوری آهن را تامین می‌کنند.
ذوب و فرآوری آهن: آهن و کک‌ها به کوره‌های ذوب می‌رسند و در آنجا با استفاده از انرژی گرمایی گازهای گرمازا، آهن ذوب و به چدن تبدیل میشود.
تفکیک اضافی: چدن میتواند درصد کربن بالایی داشته باشد که با فرآیند تفکیک اضافی، کربن اضافی از آن جدا میشود تا به ترکیب مناسب چدن برسیم.
تولید محصولات چدن: چدن مذاب به محلول‌های مختلف فلزی تبدیل میشود و میتواند برای تولید محصولات چدنی نظیر تیغه‌ها، اجزاء خودرو، قطعات صنعتی و… استفاده شود.
کاربردهای چدن
چدن به وفور در کاربردهایی استفاده میشود که به سختی و مقاومت سایشی بالا نیاز دارند و کمتر به خواص ساختاری اهمیت می‌دهند. این به این دلیل است که فولاد را می‌توان به طور کلی اصلاح کرد تا ویژگی‌های ساختاری مطلوب‌تری نسبت به چدن برای بسیاری از پروژه‌ها داشته باشند. اگرچه، قبل از رایج شدن فولاد، چدن تا حدودی برای اهداف ساختاری محبوب بود. چدن نیز به دلیل نیازهای اولیه عناصر آلیاژی و روش کم هزینه تولید، کاملاً مقرون به صرفه است. بنابراین، امروزه استفاده از چدن در سراسر جهان بسیار رایج است. در اینجا چند نمونه آورده شده است، اگرچه دانستن این نکته مهم است که بسته به انتخاب یکی از چهار نوع چدن ذکر شده در بالا، این موارد متفاوت خواهند بود:
- دیسک‌های ترمز
- چرخ دنده‌ها و صفحات دنده
- چرخ دنده
- زنجیر
- دستگاه
- ظروف آشپزی
- قطعات معماری تزئینی
- بلوک‌های موتور
- شفت و میله از انواع مختلف
- مسکن
- تجهیزات معدن
مزایای چدن
چدن به دلیل استحکام و مقاومت در برابر خوردگی خود شناخته شده است. همچنین یک ماده عالی برای پخت و پز است زیرا می تواند گرما را به طور مساوی توزیع کند و غذا را به خوبی حفظ کند. برخی از مزایای استفاده از چدن عبارتند از:
- بادوام و مقاوم در برابر سایش
- مقرون به صرفه
- قابل ریخته‌گری و شکل دهی آسان
- مقاوم در برابر خوردگی
- هدایت حرارتی خوب
- عایق الکتریکی
- مقاوم در برابر حرارت
- قابلیت نگهداری آسان
- عمر طولانی
به طور کلی، چدن به دلیل ویژگی‌ها و مزایای متنوع خود به یک ماده فلزی محبوب در صنایع مختلف تبدیل شده است و در کاربردهای گوناگون از جمله صنایع خودروسازی، ساختمانی، ماشین‌آلات صنعتی، تجهیزات آب و فاضلاب و بسیاری دیگر بکار می‌رود.
چدن یک آلیاژ آهن و کربن است که به دلیل استحکام، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت نگهداری آسان آن شناخته شده است.
عملیات حرارتی چدن
عملیات حرارتی در فرآیند تولید و فرم‌دهی چدن بسیار مهم است و بهبود خواص مکانیکی و ساختاری آن را تحت تأثیر قرار میدهد. دو عملیات حرارتی اصلی که در تولید چدن استفاده می‌شوند عبارتند از:
1. کربن‌دهی (Carbonization):
این عملیات حرارتی به افزایش مقدار کربن در چدن می‌پردازد. با افزایش درصد کربن، خواص آهنربایی چدن افزایش می‌یابد. در مراحل اولیه تولید چدن، کربن به مواد اولیه افزوده میشود و پس از آن فرآیند کربن‌دهی به منظور بهبود خواص مکانیکی انجام میشود.
2. ترمیم حرارتی (Heat Treatment):
این فرآیند با هدف بهبود خواص مکانیکی چدن انجام میشود. ترمیم حرارتی شامل دو مرحله اصلی است:
الف. فرآیند آنیلینگ یا بازپخت (Annealing): این مرحله با هدف کاهش تنش‌ها و بهبود اصطکاک و زنگ‌زدگی انجام میشود.
ب. عملیات کوئنچینگ (Quenching): پس از تنظیم حرارتی، چدن به سرعت سرد میشود تا سخت‌کندگی در آن افزایش یابد. این مرحله باعث بهبود خواص سختی و مقاومت در برابر سایش چدن میشود.
ترکیب مراحل کربن‌دهی و ترمیم حرارتی به‌طور دقیق متناسب با نوع چدن و کاربردهای مورد نظر صورت می‌گیرد تا خواص مطلوب در محصولات چدن حاصل شود. این عملیات‌های حرارتی در تولید چدن و صنایع مرتبط با آن بسیار حیاتی هستند.
جمع‌بندی
آهن در ترکیب بسیاری از آلیاژهای فلزی مختلف یافت میشود. بدون آن، فولاد کربنی، فولاد ضد زنگ، سوپرآلیاژها و چندین گروه دیگر از آلیاژهای فلزی را نمی‌توان تولید کرد. چدن اصطلاحی است که برای توصیف خانواده‌ای از آلیاژهای فلزی استفاده میشود که عنصر آلیاژی اصلی آن آهن است. به دلیل نام آن، برخی افراد تمایل دارند فکر کنند که چدن اساساً 100٪ آهن است. در واقع فولادهای کربنی نسبت به چدن‌ها دارای مقادیر بیشتری عنصر آهن در خود هستند. برای اینکه یک آلیاژ عمدتاً آهن به عنوان چدن در نظر گرفته شود، باید بیش از 2٪ کربن داشته باشد تا آلیاژ نهایی چدن در نظر گرفته شود. چدن‌ها همچنین دارای مقادیر کمتری از آلیاژهای دیگر هستند که منگنز و سیلیکون دو مورد از محبوب‌ترین آن‌ها هستند. این عناصر آلیاژی اضافی برای اصلاح بیشتر خواص چدن استفاده میشود و منجر به نامگذاری‌های خاص آلیاژ چدن میشود.
پرسش و پاسخ
ایا چدن رسانای گرما است؟
بله، چدن یک رسانای گرما است، اما از نظر رسانایی گرما، خصوصیات آن نسبت به فلزات دیگر مانند مس و آلومینیوم کمتر است. این به معنی این است که چدن حرارت را کمتر منتقل میکند و از نظر رسانایی گرما، کمتر کارآمد است. دلیل کمتر بودن رسانایی گرمای چدن مربوط به خصوصیات ساختاری آن است. از این رو، استفاده از چدن به عنوان ماده‌ای که نیاز به انتقال حرارت بالا دارد، مانند در رادیاتورها، فن کویل ها، کویل کندانسور و… معمولاً مناسب نیست. برای کاربردهایی که رسانایی گرما، اهمیت کمتری دارد و مقاومت مکانیکی بالاتر مورد نیاز است، چدن میتواند به خوبی عمل کند.
آیا چدن زنگ میزند؟
بله، چدن زنگ میزند. زنگ زدگی یک فرآیند اکسیداسیون است که در آن آهن با اکسیژن هوا واکنش داده و یک لایه اکسید آهن قرمز قهوهای تشکیل میدهد. چدن به دلیل محتوای کربن بالاتر نسبت به فولاد، بیشتر مستعد زنگ زدگی است. کربن باعث میشود که آهن در سطح خود یک لایه نازک محافظ تشکیل دهد، اما این لایه بسیار نازک است و به راحتی میتواند توسط آب، اکسیژن و سایر عوامل خورنده از بین برود. برای جلوگیری از زنگ زدگی چدن، باید آن را با یک لایه محافظ مانند روغن، موم یا رنگ بپوشانید. این لایه محافظ از چدن در برابر آب، اکسیژن و سایر عوامل خورنده محافظت میکند. همچنین میتوانید چدن را در یک محیط خشک و خنک نگهداری کنید تا از زنگ زدگی آن جلوگیری شود. اگر چدن زنگ زده است، میتوانید آن را با استفاده از یک برس سیمی یا یک سنگ ساینده، تمیز کنید. سپس میتوانید چدن را با یک لایه محافظ بپوشانید تا از زنگ زدگی آن در آینده جلوگیری کنید.
فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 14 دی 1402
