آشنایی با چدن

چدن، فلزی همه کاره با کاربردهای بی نظیری در دنیای تجاری و صنعتی دارد، لذا آشنایی با چدن کمک شایانی به پیشبرد اهداف ما در حوزه صنعت می کند.

حضور آهن در زندگی روزمره از حدود ۱۲۰۰ سال قبل از میلاد مسیح آغاز شد و شامل طیف وسیعی از کاربردها از ابزار کشاورزی تا سلاح های جنگی را دارد. آهنگری به یک حرفه مهم تبدیل شدند، با آهن کار می کردند تا خصوصیات آن را تغییر داده و مواد را به ابزار تبدیل کنند. هر روستا و شهر مغازه آهنگری داشت که در آن داس، گاو آهن، میخ، شمشیر، نگهدارنده شمعدان و موارد دیگر تولید می شد.

کشف ارزش آهن منجر به آن شد که به دلیل تسلط این ماده در کاربردهای اجتماعی و نظامی، به عصر آهن معروف شده است. یک نقطه عطف دیگر برای فلزات دنبال خواهد شد، انقلاب صنعتی نحوه تولید فلزات و تولید آنها از جمله آهن را تغییر داد.

انواع آهن

آهن دو نوع عمده تولید می شود: آهن فرفورژه و چدن. در این موارد، چدن شامل خانواده فلزات خاص خود است.

آهن فرفورژه

اولین نوع آهن تولید شده و ساخته شده توسط آهنگران آهن فرفورژه بود. این تقریباً آهن بنیادی خالص است که قبل از اینکه با چکش روی سندان تراشیده شود (کار شود) در کوره گرم می شود. آهن با چکش خوردن بیشتر سرباره مواد را دفع می کند و ذرات آهن را بهم جوش می دهد.

در طی انقلاب صنعتی و تسریع در انجام فعالیت های ساختمانی، کاربرد جدیدی برای آهن فرفورژه کشف شد. مقاومت کششی بالا (مقاومت در برابر شکستگی در هنگام کشش) استفاده از آن برای تیرها در پروژه های بزرگ ساختمانی مانند پل ها و ساختمان های بلند را ایده آل کرده است. با این حال، در اوایل قرن ۲۰ هنگامی که محصولات فولادی با عملکرد برتر نسبت به آهن برای مصارف ساختمانی تولید می شدند، استفاده از آهن فرفورژه برای این منظور تا حد زیادی رها شد.

آهن ساخته شده با قطعات تزئینی مشهور شده است. کلیساهای قرن پانزدهم و شانزدهم حاوی قطعات ریز آهن ساخته شده توسط صنعتگران ماهر است. در دنیای مدرن هنوز نرده ها، درها و نیمکت ها از آهن فرفورژه به عنوان قطعات سفارشی ساخته می شوند.

آهن چدن

چدن

چدن از طریق ذوب آلیاژهای آهن و کربن تولید می شود که محتوای کربن آنها بیش از ۲٪ است. پس از ذوب، فلز داخل قالب ریخته می شود. تفاوت اولیه در تولید بین آهن فرفورژه و چدن این است که چدن با چکش و ابزار کار نمی شود. در ترکیب نیز تفاوت هایی وجود، چدن حاوی ۲-۴٪ کربن و سایر آلیاژها و ۱-۳٪ سیلیسیم است که عملکرد ریخته گری فلز مذاب را بهبود می بخشد. مقادیر کمی منگنز و برخی ناخالصی ها مانند گوگرد و فسفر نیز ممکن است وجود داشته باشد. تفاوت بین آهن فرفورژه و چدن را می توان در جزئیات ساختار شیمیایی و خصوصیات فیزیکی نیز یافت.

اگرچه هر دو فولاد و چدن حاوی آثاری از کربن هستند و به نظر مشابه می رسند، تفاوت های چشمگیری بین این دو فلز وجود دارد. فولاد حاوی کمتر از ۲٪ کربن است که باعث می شود محصول نهایی در یک ساختار ریز بلورین جامد شود. محتوای بیشتر کربن در چدن به این معنی است که به عنوان یک آلیاژ ناهمگن جامد می شود و بنابراین بیش از یک ساختار ریز بلوری در مواد دارد.

این ترکیبی از محتوای کربن بالا و وجود سیلیسیم است که قابلیت ریخته گری بسیار خوبی را به چدن می دهد. انواع مختلفی از چدن ها با استفاده از تکنیک های مختلف عملیات حرارتی و فرآوری، از جمله آهن خاکستری، آهن سفید، آهن قابل انعطاف، آهن شکل پذیر و آهن گرافیت فشرده تولید می شوند.

آهن خاکستری

آهن خاکستری با شکل پوسته شدن مولکولهای گرافیت در فلز مشخص می شود. هنگامی که فلز شکسته می شود، شکستگی در امتداد پوسته های گرافیت رخ می دهد، که به آن رنگ خاکستری روی سطح فلز شکسته می دهد. نام آهن خاکستری از این ویژگی ناشی می شود.

کنترل اندازه و ساختار ماتریسی پوسته های گرافیت در حین تولید با تنظیم سرعت و ترکیب خنک کننده امکان پذیر است. آهن خاکستری مانند سایر اشکال چدن شکل پذیر نیست و مقاومت کششی آن نیز کمتر است. با این وجود هادی حرارتی بهتری است و سطح بالاتری از میرایی لرزش را دارد. این یک ظرفیت میرایی دارد که ۲۰-۲۵ برابر بیشتر از فولاد و از همه چدن های دیگر برتر است. همچنین ساخت آهن خاکستری نسبت به سایر چدن ها آسانتر است و خاصیت مقاومت در برابر سایش آن را به یکی از بالاترین حجم محصولات چدن تبدیل کرده است.

آهن سفید

با محتوای مناسب کربن و سرعت خنک سازی زیاد، اتمهای کربن با آهن ترکیب شده و کاربید آهن تشکیل می دهند. این بدان معناست که در ماده جامد شده مولکول های گرافیت آزاد بسیار کم وجود دارد. هنگامی که آهن سفید بریده می شود، به دلیل عدم وجود گرافیت، شکسته سفید به نظر می رسد. ساختار میکرو کریستالی سیمانیت سخت و شکننده با مقاومت فشاری بالا و مقاومت در برابر سایش مناسب است. در برخی از کاربردهای تخصصی، وجود آهن سفید بر روی سطح محصول مطلوب است. این امر می تواند با استفاده از رسانای خوب گرما برای ساخت بخشی از قالب حاصل شود. این گرما را از فلز مذاب به سرعت از آن منطقه خاص بیرون می کشد، در حالی که بقیه ریخته گری با سرعت کمتری سرد می شود.

یکی از محبوب ترین درجه های آهن سفید آهن Ni-Hard است. افزودن آلیاژهای کروم و نیکل به این محصول ویژگی های بسیار خوبی برای کاربردهای سایشی با ضربه کم و کشویی می دهد.

آهن های سفید و آهن های سخت تحت طبقه بندی آلیاژهای ASTM A532قرار می گیرند. “مشخصات استاندارد برای چدن های مقاوم در برابر سایش”.

آهن قابل انعطاف

آهن سفید را می توان با فرآیند عملیات حرارتی، به آهن قابل انعطاف تبدیل کرد. یک برنامه طولانی برای گرم کردن و خنک کردن، منجر به تجزیه مولکولهای کاربید آهن و آزاد سازی مولکولهای گرافیت رایگان در آهن می شود. نرخ های مختلف خنک سازی و افزودن آلیاژها، آهن قابل انعطافی با ساختار ریز بلورها را تولید می کند.

آهن شکل پذیر (آهن ندولار)

آهن داکتیل یا آهن گره ای خاصیت خاص خود را از طریق افزودن منیزیم به آلیاژ بدست می آورد. وجود منیزیم باعث می شود که گرافیت شبیه به کره به پوسته آهن خاکستری شکل بگیرد. کنترل ترکیب در فرآیند ساخت بسیار مهم است. مقادیر ناخالصی کمی مانند گوگرد و اکسیژن با منیزیم واکنش می دهند و بر شکل مولکول های گرافیت تأثیر می گذارند. گریدهای مختلف آهن داکتیل با دستکاری ساختار ریز بلورهای اطراف کره گرافیت تشکیل می شود. این امر از طریق فرآیند ریخته گری یا از طریق عملیات حرارتی به عنوان یک مرحله پردازش پایین دستی حاصل می شود.

آهن گرافیت فشرده

آهن گرافیت فشرده دارای ساختار گرافیت و ترکیبی از آهن خاکستری و سفید است. ساختار ریز بلورها در اطراف پوسته های صاف گرافیت که به هم پیوسته اند تشکیل می شود. از آلیاژی مانند تیتانیوم برای سرکوب تشکیل گرافیت کره ای استفاده می شود. آهن گرافیت فشرده دارای مقاومت کششی بالاتر و شکل پذیری بهبود یافته ای در مقایسه با آهن خاکستری است. ساختار و خواص میکرو کریستالی را می توان از طریق عملیات حرارتی یا افزودن آلیاژهای دیگر تنظیم کرد.

ویژگی های مکانیک آهن

خصوصیات مکانیکی یک ماده نشان می دهد که چگونه تحت تنشهای خاصی پاسخ می دهد، که به تعیین مناسب بودن آن برای کاربردهای مختلف کمک می کند. مشخصات توسط سازمان هایی مانند انجمن امتحان و مواد آمریکایی(ASTM) تنظیم می شود تا کاربران با اطمینان از اینکه شرایط لازم برای کاربردشان را دارند، می توانند مواد را خریداری کنند. مشخصات معمول چدن خاکستری ASTM A48 است.

به منظور واجد شرایط بودن محصولات ریخته گری با توجه به مشخصات آنها، یک روش استاندارد این است که یک میله تست به همراه ریخته گری مهندسی شده بازیابی کنید. سپس آزمایشات ASTM بر روی این نوار آزمون اعمال می شود و از نتایج برای صلاحیت کل دسته ریخته گری استفاده می شود.

هنگام جوشکاری قطعات چدن به یکدیگر مشخصات نیز مهم است. جوش باید از خواص مکانیکی ماده ای که با هم جوش داده شده باشد، برخوردار باشد یا از آن فراتر رود؛ در غیر این صورت، شکستگی و خرابی رخ می دهد.