کاربرد شمش چدن در صنعت و ساخت و ساز

شمش یکی از محصولاتی است که طی فرایندهای مختلف روی فلزات ایجاد می‌شود. احتمالا معروف‌ترین شمش شناخته‌شده، شمش طلا باشد. با این حال انواع فلزات دیگر هم دارای شمش هستند. یکی از این فلزات چدن است که از ترکیب آهن، کربن و سایر عناصر ایجاد می‌شود. شمش چدن خواص و ویژگی‌های خاص خود را دارد. کاربردهای شمش چدن چیست؟ انواع شمش چدن و ویژگی‌های آن کدامند؟ در این مطلب به بررسی جامع شمش چدن و کاربردهای آن خواهیم پرداخت.

تعریف چدن

برای این که با کاربردهای شمش چدن آشنا شوید، ابتدا بیاد چدن و ماهیت آن را بیشتر بشناسید. چدن که به انگلیسی Cast Iron نامیده می‌شود، آلیاژی بر پایه آهن است. با توجه به این که مقدار کربن در چدن بسیار بالاست، سختی و مقاومت بالایی هم دارد. وجود کربن به میزان 4 درصد در چدن برای مصارف صنعتی ضروری است. البته به غیر از کربن، عناصر دیگری مثل منگنز، سیلیسیم، گوگرد و فسفر هم در چدن استفاده شده می‌شود.

به طور کلی آهن‌ها به دو نوع چدن و فرفورژه تقسیم‌بندی می‌شوند. آهن فرفورژه قدیمی‌ترین نوع آهن است و خلوص بالایی هم دارد. از طرف دیگر چدن مجموعه‌ای از فلزات مختلف است که طی فرایندهای خاصی با آهن آلیاژ می‌شوند.

تاریخچه ساخت و استفاده از چدن به 1200 سال قبل از میلاد مسیح برمی‌گردد. ابتدا از آهن برای ساخت انواع ادوات جنگی استفاده می‌شد. بعد از آن نوبت به استفاده از چدن در زندگی روزمره مردم رسید. به این ترتیب استفاده از چدن قدمت زیادی دارد.

منظور از شمش چدن چیست؟

برای آشنایی با کاربردهای شمش چدن، ابتدا بهتر است تعریفی از شمش این ماده داشته باشیم. شمش چدن نوعی آلیاژ فروکربن محسوب می‌شود. این آلیاژ حاوی 2.11 درصد کربن است. البته همانطور که در تعریف چدن هم اشاره کردیم، فسفر، گوگرد و منگنز هم در این آلیاژ وجود دارند.

شمش چدن ویژگی‌ها و قابلیت‌های زیادی دارد که مهم‌ترین آن قابلیت ریخته‌گری است. این شمش در برابر انواع ضربه، فشار و سایر آسیب‌ها مقاومت بسیار بالایی دارد. فرایند تولید شمش چدن بسیار ساده است و هزینه زیادی هم ندارد. به همین دلیل از این ماده در بسیاری از صنایع و حوزه‌های مهندسی استفاده می‌شود.

شمش چدن چگونه تولید می‌شود؟

به طور میانگین در چدن که از خانواده آلیاژهای آهنی است، حدود 2 تا 4 درصد کربن استفاده شده است. دلیل سختی چدن هم همین موضوع است. سیلیسیم هم عنصر دیگری است که بین 3 تا 5 درصد در چدن مورد استفاده قرار می‌گیرد. باقی عناصر کمتر از 2 درصد در چدن وجود دارند. برای تولید شمش چدن مرحله اول ذوب کردن سنگ آهن، فولاد قراضه و آهن است.

بعد از ذوب مواد ذکرشده، عناصری مثل گوگرد، فسفر و ... از ترکیب جدا می‌شوند. از طرف دیگر میزان سیلیسیم و کربن هم کاهش داده می‌شود تا به حد مطلوب برسند. کاربردهای شمش چدن به فرایند ساخت آن و میزان استفاده از عناصر مختلف بستگی دارد. برای ذوب چدن از کوره‌های بلند و مخصوص استفاده می‌کنند که با عنوان کوره کوپل شناخته می‌شوند.

برای اینکه ماده آماده شده به خاصیت موردنظر برسد، آن را در کوره‌های القایی الکتریکی هم حرارت می‌دهند. چدن در دمای 1420 تا 1470 درجه کلوین ذوب می‌شود. وجود سیلیسیم در این آلیاژ، باعث می‌شود تا ماده طی فرایند حرارتی گرافیتی شود.

معرفی انواع ساختارهای چدن

برای شناخت کاربردهای شمش چدن، اولین قدم آشنایی با ساختارهای این ماده است. با توجه به برخی زمینه‌های خاصی که چدن‌ها دارند، خواص مکانیکی آنها تعیین می‌شود. در ادامه برخی از مهم‌ترین انواع ساختارهای چدن را بررسی خواهیم کرد.

فریت

یکی از انواع ساختارهای زمینه‌ای شمش چدن است که استحکام کمی دارد و بسیار نرم است. از دیگر ویژگی‌های مهم فریت، چکش‌خواری، ضریب هدایت گرمایی مناسب و قابلیت ماشین‌کاری است.

پرلیت

به ترکیب شمانتیت و فریت گفته می‌شود که از واکنش یوتکتیک از استینیت به وجود می‌آید. ظاهر این نوع ساختار چدن صدفی بوده و دلیل نامگذاری آن هم همین موضوع است. زمینه پرلیت بسیار محکم‌تر و مقاوم‌تر از فریت است. برخی از ویژگی‌های مهم پرلیت عبارتند از قابلیت ماشین‌کاری، سخت بودن و ضریب هدایت گرمای پائین.

فریت – پرلیت

پر واضح است که ترکیبی از ساختارهای زمینه‌ای فریت و پرلیت خواهد بود. درواقع خصوصیات و ویژگی‌های بینابینی این دو را دارد.

آستینیت

این نوع چدن‌ها دارای چقرمگی مناسبی هستند و تا دمای 800 درجه سانتی‌گراد مقاومت تنش پارگی دارند. کاربردهای شمش چدن با زمینه آستینیت بسیار زیاد است. چدن گرافیت ورقه‌ای و گرافیت کروی آلیاژی از جمله محصولات چدنی با زمینه آستینیت هستند. این محصولات خاصیت غیرمغناطیسی دارند و در برابر خوردگی مقاومت خوبی نشان می‌دهند.

کاربردهای شمش چدن

با توجه به این که چدن آلیاژی از آهن است، مثل این عنصر تنوع بالایی هم دارد. هر کدام از انواع شمش‌های چدن، دارای ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود هستند. در ادامه انواع و کاربردهای شمش چدن را بررسی خواهیم کرد.

1. چدن خاکستری

با توجه به وجود مقاطع شکست چدن با گرافیت ورقه‌ای، رنگ این محصول به صورت خاکستری است. چدن خاکستری یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین چدن‌ها در صنایع مختلف محسوب می‌شود. مهم‌ترین چدن‌های خاکستری، عبارتند از GG-20 و GG-25. از این چدن‌ها در ساخت انواع شیر و اتصالات، خودروسازی، ماشین‌آلات صنعتی، پمپ‌سازی، ساخت لوله و ... استفاده می‌کنند. در چدن خاکستری میزان عناصر موجود به ترتیب کربن 5/3 تا 4 درصد، سیلیسیوم 5/0 تا 5/1 درصد، گوگرد زیر 6 درصد، منگنز 2/0 تا 8/0 درصد و فسفر هم زیر 1/0 درصد است. این چدن در زمینه فریت، پرلیت و فریت – پرلیت تولید می‌شود.

2. چدن داکتیل

نوع دیگری از چدن که در زمینه فریت و پرلیت قرار دارد. چدن داکتیل با عنوان چدن نشکن هم شناخته می‌شود. ترکیب آلیاژ چدن داکتیل شباهت زیادی به چدن خاکستری دارد. این نوع چدن در زمان انجماد، گرافیت‌های کروی شکل دارد. به همین دلیل تمرکز تنش در این محصول بسیار کمتر می‌شود و چقرمگی و استحکام آن بالاتر می‌رود. از چدن داکتیل بیشتر در صنایع حمل و نقل استفاده می‌کنند.

3. چدن سفید

با ترکیب آهن و کربن در فرایند سردشدن با سرعت بالا، چدن سفید تشکیل می‌شود. میزان کربن را در این چدن کاهش می‌دهند تا به صورت فاز نیمه‌پایدار رسوب کند. کربن آزادشده در این محصول به آلیاژ بدون گرافیت و گرافیت‌دار تقسیم می‌شود. سطح مقطع شکست این محصول سفید رنگ است و به همین دلیل به آن چدن سفید می‌گویند. از ویژگی‌های مهم این چدن، می‌توان به دمای بالا، مقاومت بالا و قابلیت انجماد بالا اشاره کرد.

4. چدن آلیاژی

قبل از پرداختن به کاربردهای شمش چدن آلیاژی، باید بدانید که چدن سفید آلیاژی، خاکستری آلیاژی و داکتیل آلیاژی، انواع چدن‌های آلیاژی را تشکیل می‌دهند. این نوع چدن‌ها در برابر سایش، گرما، سرما و ... مقاومت بسیار مناسبی دارند. برای تولید چدن آلیاژی هم از ریخته‌گری استفاده می‌شود. چدن آلیاژی در زمینه‌های آستینیت، پرلیت و مارتنزیت است.

5. چدن مالیبل

این نوع چدن از آنیله‌شدن یا بازپخت چدن سفید تولی می‌شود. چدن مالیبل در زمینه فریت و پرلیت است. از این نوع چدن در تولید اتصالات آب و گاز استفاده می‌شود. روند تولید آن هم به صورت قرارگیری چدن سفید در حرارت 900 درجه سانتی‌گراد است. به این ترتیب کاربید آهن به کربن و آهن تجزیه می‌شود. از طرف دیگر ذرات گرافیت کروی به دور هم جمع می‌شوند. از مهم‌ترین ویژگی‌های چدن مالیبل می‌توان به سخت بودن آن اشاره کرد. به همین دلیل قابلیت تراش ندارد. از چدن مالیبل در ساخت اتصالات لوله‌ها، قطعات ماشین‌آلات کشاورزی و قطعات مورد نیاز معادن استفاده می‌کنند.

6. چدن با گرافیت فشرده

نوعی چدن با گرافیت فشرده 80 درصد و بدون گرافیت ورقه‌ای است. باقی ترکیب این نوع چدن را گرافیت کروی تشکیل می‌دهد. چدن با گرافیت فشرده مقاومت بسیار بالایی دارد و بسیار انعطاف‌پذیر است. چدن با گرافیت فشرده در زمینه فریت و پرلیت است. از این نوع چدن در تولید احتراق توربین، قالب شمش‌ریزی فولاد، ساخت سرسیلندر اتومبیل و ... استفاده می‌شود.

منظور از گرافیت‌سازی شمش چدن چیست؟

نوعی فرایند است که طی آن اتم‌های کربن از چدن برای تشکیل گرافیت رسوب می‌کنند. معمولا گرافیت در چدن خاکستری و چدن گلوله‌ای آسیاب‌شده، بسیار بیشتر از چدن مایع رسوب خواهد کرد. این نوع گرافیت‌ها را می‌توان از آستینیت یا مایعات رسوب داد. همچنین می‌توان از ترک‌خوردگی سیمانیت نیز به دست آورد. در صورتی که گرافیتی شدن را بتوان تا جای ممکن انجام داد، چدن سفید و خاکستری ایجاد خواهد شد. اینکه چدن چه ساختاری دارد، بستگی به درجه گرافیتی شدن آن دارد.

کلام پایانی

در این مطلب به بررسی کاربردهای شمش چدن پرداختیم. چدن آلیاژی از آهن است که کربن زیادی دارد. وجود کربن در این ماده، باعث افزایش سختی آن شده است. البته به غیر از کربن عناصری، مصل سیلیسیم، فسفر، منگنز و ... هم در این آلیاژ وجود دارند. شمش چدن به انواع مختلفی، ازجمله چدن خاکستری، چدن سفید، چدن مالیبل، چدن آلیاژی و ... تقسیم می‌شود. هر کدام از این چدن‌ها دارای خواص و کاربردهای خاص خود هستند که بهتر است با آنها آشنا شوید.