چدن

درپوش چدنی یک منهول. راحتی ساخت به روش ریخته‌گری، استحکام بالا و مقاومت فوق‌العاده در برابر زنگ زدگی و سایش، استفاده از چدن را برای چنین کاربردهایی بسیار مناسب کرده‌است.

چدن‌ها (به انگلیسی: Cast Irons) خانواده ای از آلیاژهای آهنی هستند که از آهن، کربن (از ۲٫۱۱٪ تا تقریباً ۴٫۵٪) و سیلیسیم (تا ۳٫۵٪) تشکیل می‌شوند. چدن‌ها معمولاً بر اساس ریخت‌شناسی انجماد آنها از دمای یوتکتیک نامگذاری می‌شوند:

• چدن خاکستری
• چدن داکتیل، چدن نودولار یا چدن گرافیت کروی
• چدن سفید
• چدن مالیبل
• چدن گرافیت فشرده

چدن‌ها، به استثنا نوع داکتیل، تا حدودی شکننده هستند و به دلیل داشتن نقطه ذوب پایین، سیالیت بالا، قابلیت ریخته‌گری آسان، قابلیت ماشین کاری بالا، تغییرشکل ناپذیری و مقاومت به سایش بالا، به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از کاربردها تبدیل شده‌اند و در تولید انواع لوله‌ها، ماشین آلات، قطعات مورد استفاده در صنعت خودروسازی مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و جعبه دنده به کار می‌روند. چدن‌ها همچنین در برابر تخریب ناشی از اکسایش و زنگ زدگی مقاومت بالایی دارند.

پوسته چدنی یک گیربکس. چدن‌ خاکستری علاوه بر راحتی در ریخته‌گری قابلیت جذب انرژی فوق العاده خوبی نیز دارند که باعث کاهش صدا و لرزش می‌شوند.

وجه تمایز چدن‌ها و فولادها، درصد کربن موجود در آنهاست به نحوی که آلیاژ آهن حاوی تا ۲ درصد کربن را فولاد و آلیاژ آهن حاوی ۲ الی ۶٫۶۷ درصد کربن را چدن می‌نامند. کربن موجود در چدن‌ها به صورت گرافیت در زمینه پراکنده‌است و این در حالی است که کربن در فولادها به صورت ترکیب بین فلزی سمنتیت (Fe₃C) ظاهر می‌شود و به این دلیل خواص مکانیکی و فیزیکی و شیمیایی فولادها با چدن‌ها متفاوت است.

تولید چدن

یک ماهیتابه کوچک چدنی

چدن از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه بدست می‌آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است. بسته به نوع کاربرد، میزان کربن و سیلیسیم تا حد مطلوب (به ترتیب ۲ تا ۳٫۵ و ۱ تا ۳ درصد وزنی) کاهش داده می‌شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته‌گری و قبل از شکل‌گیری نهایی، به مذاب افزوده می‌شوند. چدن به جز موارد خاص که در کوره بلند موسوم به کوره کوپل ذوب می‌شود، عمدتاً در کوره‌های القای الکتریکی تولید می‌گردد. پس از تکمیل ذوب، مذاب به کوره نگهدارنده یا قالب ریخته می‌شود.

طبقه‌بندی چدن‌ها

اولین طبقه‌بندی انجام شده برای چدن‌ها در گذشته بر اساس رنگ سطح مقطع شکست آنها انجام گرفت. بر این اساس چدن‌ها به دو دسته کلی تقسیم شدند:

• چدن سفید: از آنجا که در این چدن‌ها، شکست در امتداد صفحات کاربید آهن رخ می‌دهد، سطح مقطع شکست کریستالی آنها سفید است.
• چدن خاکستری: در این چدن‌ها، شکست در امتداد صفحات گرافیت رخ می‌دهد، به همین دلیل سطح مقطع شکست کریستالی آنها خاکستری است.

با ابداع متالوگرافی و با افزایش دانش در مورد چدن‌ها، طبقه‌بندی‌های دیگری بر اساس ساختار کریستالی آنها امکان‌پذیر شد:

• بر اساس شکل گرافیت: گرافیت لایه ای (FG)، گرافیت کروی (SG)، گرافیت فشرده یا کرمی شکل (CG)، گرافیت آبدیده (TG)؛ ساختار گرافیت آبدیده یا تمپر گرافیت از طریق یک فرایند حالت-جامد ایجاد می‌شود که به آن مالیبل سازی (malleabilization) گفته می‌شود.
• بر اساس ماتریس: فریتی، پرلیتی، آستنیتی، مارتنزیتی، باینیتی (آستمپر شده)

چدن خاکستری

نوشتار اصلی: چدن خاکستری

نمای میکروسکوپی ریزساختار یک چدن خاکستری. رشته‌های سیاه رنگ گرافیت لایه ای در سراسر ساختار پراکنده شده‌اند.

چدن خاکستری ریزساختار گرافیتی خاصی دارد که باعث می‌شود مقطع شکست آن به رنگ خاکستری باشد. در این نوع چدن‌ها تمامی یا قسمت اعظم کربن به صورت آزاد (گرافیت) رسوب می‌کند. از نظر وزنی رایج‌ترین نوع چدن و پرکاربردترین ماده ریخته‌گری محسوب می‌شود. چدن خاکستری عمدتاً حاوی ۲٫۵ تا ۴ درصد کربن، ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم و مابقی آهن است. این نوع چدن استحکام کششی و مقاومت به شوک کمتری نسبت به فولاد دارد اما از نظر استحکام فشاری با فولاد کربنی کم و میان کربن قابل مقایسه است.

چدن داکتیل

نوشتار اصلی: چدن نشکن

تصویر ریزساختار یک نوع چدن داکتیل در زیر یک میکروسکوپ نوری با بزرگنمایی ۱۰۰ برابر. چدن داکتیل به عنوان چدن گرافیت کروی یا چدن نشکن نیز شناخته می‌شود.

چدن داکتیل یا چدن نشکن که در گذشته چدن نودولار یا گرافیت کروی نیز خوانده می‌شد، چدنی است که در آن گرافیت به شکل کره‌هایی کوچک می‌باشد. در چدن داکتیل، مانند چدن خاکستری، گرافیت یوتکتیک در حین فرایند انجماد از آهن مذاب جدا می‌شود، اما با اضافه کردن مواد افزودنی خاص به مذاب قبل از ریخته‌گری، گرافیت به شکل کره‌هایی رشد می‌کند و شباهتی به گرافیت‌های شکل گرفته در چدن خاکستری ندارد. چدن حاوی گرافیت کره ای بسیار قوی تر از چدن خاکستری یا چدن مالیبل است و قابلیت کشیده شدن و تغییر طول بیشتری قبل از شکست ناگهانی نسبت به آنها دارد. می‌توان این ماده را به عنوان یک ماده کامپوزیت طبیعی در نظر گرفت، که در آن گرافیت کره ای خواص منحصر به فردی به چدن داکتیل داده‌است.

از مزایای چدن داکتیل می‌توان به راحتی ریخته‌گری و ماشینکاری، نسبت استحکام به وزن فوق‌العاده بالای آن اشاره کرد. همچنین هزینه ریخته‌گری چدن داکتیل از فولاد بسیار کمتر است.

خواص چدن داکتیل :نقطه ذوب پایین، ریخته‌گری مناسب، ماشینکاری عالی، مقاومت سایشی خوب، شکل‌پذیری مطلوب.

چدن سفید

سطح مقطع شکست چدن سفید به دلیل وجود فاز سمنتیت، سفید رنگ است. به دلیل درصد کربن کمتر و خنک کاری سریع تر، کربن در چدن های سفید به جای گرافیت، به شکل سمنتیت (Fe₃C) که یک فاز شبه-پایدار است، رسوب می کند. سمنتیت رسوب کرده از مذاب به شکل ذرات بزرگی در فاز یوتکتیک تشکیل می‌شود. فاز دیگر این نوع چدن آستنیت است که طی فرایند انجماد به مارتنزیت تبدیل می‌شود. این کاربیدهای یوتکتیک درشت تر از آن هستند که سخت گردانی رسوبی ایجاد کنند (مانند برخی فولادها که رسوب سمنتیت، با ممانعت از حرکت نابجایی‌ها در فاز زمینه فریت، از تغییر شکل پلاستیک جلوگیری می‌کند). اما تا حدودی به دلیل سختی خود ذرات سمنتیت که بخشی از حجم ماده را اشغال می‌کنند، سختی کل افزایش می‌یابد به‌طوری‌که سختی چدن سفید بر اساس قانون مخلوط ها برآورد می‌شود. در هر صورت سمنتیت‌ها سختی را افزایش و چقرمگی را کاهش می‌دهند. از آنجا که کاربید بخش بزرگی از ماده را می‌گیرد، چدن سفید را می‌توان نوعی سرمت به حساب آورد. چدن سفید برای بسیاری مصارف بیش از حد ترد است ولی به لطف سختی خوب، مقاومت به سایش بالا و قیمت پایین در ساخت قطعاتی چون سطوح در معرض سایش (مانند پروانه توربین)

در سیستم آهن-کربن پایدار، تمامی کربن به صورت گرافیت ظاهر می‌شود.

چدن مالیبل

نوشتار اصلی: چدن مالیبل

ساختار پلی کریستالی (بلورهای چندگانه) یک نوع چدن مالیبل.

چدن مالیبل یا چدن چکش خوار، ذاتاً از نوع چدن‌های هیپو یوتکتیکی کم آلیاژی یا غیر آلیاژی هستند. جهت ایجاد گرافیت‌های کروی فشرده و حصول خواص مکانیکی مانند استحکام و چکش خواری، عملیات آنیل کردن انجام می‌گیرد. پس از ریخته‌گری، کربن این چدن‌ها به شکل ترکیبی (ترکیب با آهن) بوده و قطعات به صورت چدن سفید درآمده که با فرایند حرارتی بخصوصی به چدن مالیبل تبدیل می‌شوند.

کربن این نوع چدن بیشتر به‌صورت کره‌هایی (کلوخه) از گرافیت و با اشکال نامنظم می‌باشد. چدن چکش‌خوار ابتدا به صورت چدن سفید و با ترکیب شیمیایی مناسب ریخته می‌شود. سپس به هنگام آنیل از سمنتیت چدن سفید، گرافیت جوانه زده و به صورت کروی رشد می‌کند. با تغییر دادن عملیات آنیل، می‌توان چدن چکش خوار با خواص مکانیکی مختلف به دست آورد، از آنجا که ابتدا برای تولید چدن سفید انجماد سریعی لازم است لذا ضخامت قطعات چدن چکش خوار محدود است.

یک زانوی لوله‌کشی ساخته شده از چدن مالیبل.

پس از اتمام مرحله اول آنیل، ساختار دارای کربن برفکی در زمینه آستنیت اشباع شده از کربن بوده و در مرحله دوم می‌توان با تنظیم سرعت سرد کردن ساختار را از فریت تا پرلیت تغییر داد. شکل گرافیت در چدن مالیبل (چکش خوار) کروی نبوده و به شکل برفکی می‌باشد.

متالوژی چدن‌ها

نمودار فازی تعادلی آهن-کاربید آهن

هدف متالورژیست طراحی فرایندی برای تولید چدن با ساختاری است که خواص مکانیکی مورد انتظار را به همراه داشته باشد. مهم‌ترین عواملی که بر روی ساختار چدن‌ها تأثیر می‌گذارد موارد زیر است:

• ترکیب شیمیایی
• نرخ خنک سازی
• عملیات بر روی مذاب
• عملیات حرارتی

گستره درصد ترکیب شیمیایی چدن‌های متداول غیر آلیاژی

نوع چدن	درصد عنصر
	کربن	سیلیسیم	منگنز	فسفر	گوگرد
چدن خاکستری	۲٫۵–۴٫۰	۱٫۰–۳٫۰	۰٫۲–۱٫۰	۰٫۰۰۲–۱٫۰	۰٫۰۲–۰٫۲۵
چدن گرافیت فشرده	۲٫۵–۴٫۰	۱٫۰–۳٫۰	۰٫۲–۱٫۰	۰٫۰۱–۰٫۱	۰٫۰۱–۰٫۰۳
چدن داکتیل	۳٫۰–۴٫۰	۱٫۸–۲٫۸	۰٫۱–۱٫۰	۰٫۰۱–۰٫۱	۰٫۰۱–۰٫۰۳
چدن سفید	۱٫۸–۳٫۶	۰٫۵–۱٫۹	۰٫۲۵–۰٫۸	۰٫۰۶–۰٫۲	۰٫۰۶–۰٫۲
چدن مالیبل	۲٫۲–۲٫۹	۰٫۹–۱٫۹	۰٫۱۵–۱٫۲	۰٫۰۲–۰٫۲	۰٫۰۲–۰٫۲

معماری چدنی

تاریخچه

یک پایه لامپ گازی (روشنایی) قدیمی از جنس چدن در شهر وین، اتریش

نوعی از معماری است که چدن در آن نقش اصلی را ایفا می‌کند. این سبک، سبکی برجسته در انقلاب صنعتی بود یعنی زمانی که چدن نسبتاً ارزان بود و فولاد هنوز فراگیر نشده بود. در اوایل عصر انقلاب صنعتی از چدن در ساخت کارخانه‌ها اغلب استفاده می‌شد تا حدودی به خاطر فکر اشتباهی که می‌کردند و آن این بود که این ساختارها ضدآتش‌اند. چون به قدر کافی برای تحمل ابزار آلات سنگین مقاوم است. اما در مقابل آتش که معمولاً در این کارخانه‌ها اتفاق می‌افتد آسیب‌پذیر است. چدن همچنین بسیار در ساخت پل برای سیستم‌های جدید راه‌آهن که اغلب نتایج وحشتناکی داشت به کار می‌رفت. بعدها هم در خط ریل‌های زیر پل استفاده شد که خطرات بسیاری داشت و جان چندین نفر را گرفت. معماری چدن برای چندین قرن استفاده می‌شد. به خصوص در معماری پیش از مدرن در قرن ۱۸ انگلستان برای اولین بار روش‌های تولید جدید چدن به صورت فراوان و ارزان در ساختمان‌های بزرگ را به کار برد. یکی از اولین و مهم‌ترین پل‌های آهنی در شوپ شایر احداث شد که تقریباً تمام ساختار آن با چدن ساخته و تنظیم شده بود. کیفیت چدن استفاده شده در پل زیاد بالا نبود و نزدیک به ۸۰ ترک ترد در ساختار آن مشاهده شده‌است.

موارد استفاده

برای ساخت پل، لوله‌ها، درپوش چاه‌های خیابان، ماشین آلات و بسیاری چیزهای دیگر تا زمان جایگزین شدن فولاد استفاده می‌شد. شکل توسعه یافته اش به عنوان خرپای سقف، شاغول کردن، خطوط گازی و هم چنین پنجره‌های دکوراتیو استفاده می‌شده‌است.

معایب و مزایا

چدن دارای مزیت‌ها و معایبی در معماری است. در فشرده‌سازی قوی و در کشش و خمش ضعیف است. مقاومت و سختی آن مخصوصاً در حرارت بالا (هنگام آتش‌سوزی) بسیار پایین می‌آید.

جستارهای وابسته

• آهن
• آلیاژ
• فولاد
• کربن
• نمودار فازی آهن-کربن