خصوصیات فیزیکی چدن و تأثیر آن بر کاربردها

چدن‌ها با توجه به خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی که دارند، نقش بسیار زیادی در صنعت و زندگی روزمره ایفا می‌کنند. این آلیاژ گرانبها در دسته‌بندی فلزها قرار می‌گیرد و ویژگی عمومی فلزها همچون شکل پذیری، چکش خواری و هدایت الکتریکی را دارد. چدن‌ها از ترکیبات مختلفی همچون آهن، کربن تشکیل می‌شوند. این ماده فلزی به دلیل ویژگی‌های مهمی همچون مقاومت بالا در برابر زنگ زدگی و خوردگی، مقاومت مکانیکی بالا و سختی چدن در صنعت، کاربرد بسیار گسترده‌ای دارد. کاربردی که چدن دارد، تا حدودی به خواص فیزیکی و شیمیایی آن مربوط می‌شود. در ادامه مقاله قصد داریم تا در خصوص ویژگی‌های فیزیکی و مهم چدن صحبت کنیم.

خواص فیزیکی و شیمیایی چدن

خصوصیات فیزیکی یک ماده،‌ توسط آزمایش‌های مختلف توسط کارشناسان تعیین می‌شود که به نوعی عیار کیفی هر ماده از همین طریق شناخته می‌شود. طبق بررسی‌هایی که انجام شده، کارشناسان ویژگی‌های فولاد زنگ نزن و چدن را شبیه هم می‌دانند، اما در عین شباهت، این دو ماده تفاوت‌های اساسی هم دارند. 

ویژگی‌های فیزیکی چدن در هنگام جوشکاری اهمیت زیادی دارد. زیرا هنگام جوش دادن دو ماده، باید خواص مکانیکی و فیزیکی آن تقریبا یکسان باشد تا دو ماده در یک سطح قرار گیرند. در غیر اینصورت شکستگی و خرابی رخ می‌دهد و جوشکاری به خوبی صورت نمی‌گیرد.

در ادامه مهم‌ترین ویژگی‌های فیزیکی چدن به همراه توضیح آن‌ها را برای شما آورده‌ایم.

شکل پذیری چدن: توانایی تغییر شکل چدن بدون شکستگی

سختی چدن: مقاومت چدن در برابر سایش و فرورفتگی

الاستیسیته چدن: توانایی مواد بعد از تغییر شکل در بازگشت به ابعاد اصلی

مقاومت کششی چدن: تحمل بیشترین تنش طولی در یک چدن بدون پاره شدن

انعطاف پذیری  و مغناطیس چدن: توانایی تغییر شکل چدن بدون پارگی

مقاومت در برابر خستگی چدن: مقاومت در برابر بالاترین استرس بر ماده برای تعداد مشخصی از چرخه بدون شکستن

بررسی خوردگی در چدن

چدن‌ها تا حدودی مستعد خوردگی هستند. البته این در شرایطی است که در معرض رطوبت بالا و اکسیژن زیاد قرار گیرند و خوردگی سریعی در آن‌ها رخ می‌دهد. این ویژگی چدن شباهت زیادی به آهن دارد.  از آنجایی که در چدن هم آلیاژ آهن به کار رفته، بنابراین این فلز هم کمی دچار خوردگی می‌شود. همانطور که می‌دانید، آهن یکی از فلزاتی است که به سرعت مستعد زنگ زدگی است و در محیط بارانی و مرطوب به سرعت دچار زنگ زدگی می‌شود. زنگ زدگی آهن با پوسته پوسته شدن آن همراه است.

برای جلوگیری از زنگ زدگی چدن و آهن، باید روی این فلزات پوششی را قرار داد تا از خوردگی جلوگیری شود. بهترین روش جلوگیری از خوردگی استفاده از روکش پودری و رنگ کردن است. پوشش‌های پودری دوام بسیار بالایی داشته و از خرد شدن و ترک خوردن چدن جلوگیری می‌کند.

بررسی شکل پذیری چدن

چدن‌های شکل پذیر، نوع مدرن و جدیدی از چدن هستند که در سال ۱۹۴۰ توسط محققان به وجود آمدند. با اضافه کردن برخی از عناصر همچون منیزیم، مس و سریم، تا حدودی می‌توان زیر ساخت و ویژگی‌های فیزیکی چدن را تغییر داد. شکل پذیری و سختی چدن موجب می‌شود تا هیچ گونه ترک و شکستگی در سطح فلز به وجود نیاید و در نتیجه فلز چدن خاصیت بی نظیری بدون شکنندگی داشته باشد.

چدن‌هایی با خاصیت شکل پذیر انواع مختلفی دارند که طبق عملیات حرارت، در شکل‌های مختلفی تولید می‌شوند. این چدن‌ها خاصیت فیزیکی و مکانیکی و همچنین مقاومت بسیار بالایی در برابر سایش و فرسایش دارند.  چدن‌های شکل پذیر در برابر سرد شدن، انقباض کمتری را خواهند داشت.

بررسی نقطه ذوب و مغناطیس چدن

نقطه ذوب یا همان دمای ذوب یک فلز، به دمایی می‌گویند که ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می‌شود. نقطه ذوب چدن هم با توجه به مقدار کربن موجود در آن تعیین می‌شود. دمای ذوب هر فلز با توجه به محتوای کربن و دیگر عناصر آلیاژ متغیر است.

به طور کلی نقطه ذوب چدن با توجه به محتوای کربن و گرافیت بالا از ۱۱۳۰-۱۴۸۰ درجه سانتی گراد و ۲۰۶۶-۲۶۹۶ درجه فارنهایت است. این نقطه ذوب در تمامی چدن‌ها یکسان نبوده و با توجه به نوع چدن و آلیاژهای به کار رفته در آن تعیین می‌شود.

هرچه مقدار کربن در چدن بیشتر باشد، نقطه ذوب هم تا حد زیادی افزایش پیدا می‌کند. نقطه ذوب نقش بسیار مهمی در تعیین عملکرد و کاربرد چدن دارد. در برخی صنایع به دلیل نقطه ذوب بالا، استفاده از چدن توصیه می‌شود و در برخی صنایع دیگر، این فلز کاربرد ندارد.

عملیات حرارتی چدن و تاثیر آن بر خواص فیزیکی

عملیات حرارتی در فرآیند فرم دهی و تولید چدن نقش بسیار مهمی دارد. با عملیات حرارتی می‌توانید بسیاری از خواص فیزیکی همچون مغناطیس چدن را تا حد زیادی بهبود ببخشید. دو عملیات حرارتی که تاثیر بسیاری در خواص فیزیکی آن دارد عبارتند از:

کربن دهی

یکی از عملیات حرارتی شامل عملیات کربن دهی است. در این عملیات تا حد زیادی کربن در چدن افزایش پیدا می‌کند. هرچه که کربن در چدن افزایش پیدا کند، خاصیت آهنربایی چدن هم افزایش می‌یابد و به عبارت خاصیت مغناطیس چدن بیشتر می‌شود. در این عملیات که در مراحل اولیه تولید چدن انجام می‌شود، کربن به مواد اولیه تولیدی اضافه شده و پس از آن فرآیند کربن دهی به منظور افزایش خواص مکانیکی و فیزیکی صورت می‌گیرد.

ترمیم حرارتی

ترمیم حرارتی یکی دیگر از مراحل مهم در عملیات حرارتی بوده که وظیفه اصلی آن بهبود خواص مکانیکی و فیزیکی چدن است. ترمیم حرارتی دو مرحله اصلی دارد که عبارتند از:

فرایند آنیلینگ یا بازپخت که در این مرحله تمامی تنش‌های چدن همچون اصطکاک و زنگ زدگی آن اصطلاح شده و تا حد زیادی بهبود پیدا می‌کند.

فرایند کوئنچینگ که در ترمیم حرارتی نقش بسیار مهمی دارد. پس از تنظیمات حرارتی، ماده با سرعت زیادی سرد می‌شود تا سختی چدن تا حد زیادی افزایش پیدا کند. در واقع مرحله کوئنچینگ موجب بهبود مقاومت و سختی چدن در برابر سایش و فرسایش می‌شود.

تلفیق مرحله کربن دهی و ترمیم حرارتی بیشتر خواص مکانیکی و فیزیکی چدن را تحت تاثیر قرار می‌دهد تا چدن خواصی مطلوب کسب کرده و طبق کاربردهای موردنظر در صنایع استفاده شود. عملیات حرارتی در تولید چدن بسیار مهم و حیاتی بوده و در بهبود ویژگی‌هایی همچون مغناطیس چدن و سختی چدن تاثیر بسیار زیادی دارد.

کاربرد چدن با توجه به خواص فیزیکی

همانطور که گفتیم، کاربرد چدن در صنایع مختلف، با توجه به خواص فیزیکی آن‌ها تعیین می‌شود. امروزه چدن به وفور در کاربردهایی که به سختی و مقاومت سایشی زیادی نیاز دارند، استفاده می‌شود. تا قبل از رایج شدن فولاد، چدن بهترین و فراوان‌ترین گزینه برای اهداف ساختاری بود. از آنجایی که چدن به دلیل عدم نیازهای اولیه آلیاژی، روش‌های تولید کم هزینه و تنوع زیاد مقرون به صرفه بوده، به همین دلیل جزو فلزهای فراوان در سراسر دنیا استفاده می‌شود.

استفاده از چدن‌های نشکن در ساخت قطعات خودرو مفید است.  چدن‌های نشکن یا داکتیل پرطرفدارترین انواع چدن‌ها بوده که کاربرد بسیار مهمی در صنایع دارند. از دیگر کاربردهای صنعتی چدن داکتیل می‌توان به ساخت کامیون‌های کلاس ۸، ساخت پمپ‌های چاه نفت، ساخت قطعات‌کامیون‌های دیزلی برون‌شهری و تراکتورهای کشاورزی اشاره نمود. همچنین در ساخت و تولید توربین‌های بادی از چدن گرافیت کروی برای قطعات و توپی‌های ساختاری مثل قاب توربین استفاده می‌شود.

کاربرد چدن در صنایع مختلفی بوده که بیشترین آن در ساخت و تولید قطعات خودرو  است. در ادامه کاربردهای مختلف این فلز را بیشتر بررسی خواهیم کرد.

ساخت دیسک ترمز در خودرو سازی

ساخت ظروف آشپزخانه

تولید بسیاری از لوله‌های آب و برخی شیرها و سوپاپ‌ها

ساخت انواع ماشین‌های صنعتی

ساخت شفت‌ها و میله‌ها در سایزهای مختلف

ساخت برخی تجهیزات معدن

خدمات کشتیرانی و ماشین‌های سنگین

ساخت پل

ساخت چرخ و زنجیر

ساخت دستگاه‌های صنعتی

ساخت راه آهن و خطوط گازی

ساخت پنجره‌های دکوراتیو و خرپای سقف

در صنعت خودروسازی همچون ساخت بلوک سیلندر، جعبه گیربکس، چرخ دنده، صفحه دنده، صفحه کلاچ، سرسیلندر، مفصل‌های فرمان 

مزایای استفاده از چدن

موادی که از چدن ساخته می‌شوند، به خصوص چدن خاکستری، قابلیت ماشین کاری بسیار خوبی دارند.

چدن‌ها خاصیت ریخته گری بسیار بالایی دارند.

چدن‌ها رقیب سرسخت فولاد هستند که در مقایسه با فولاد، تا پنج برابر مقاومت فشاری آن‌ها بیشتر است.

چدن یک فلز  با مقاومت بسیار بالا در برابر انواع سایش و فرسایش است.

این فلز مقاومت زیادی در برابر تغییر شکل و غلظت از خود نشان می‌دهد و غلظت تنش آن بسیار پایین است.

سخن پایانی در خصوص ویژگی‌های فیزیکی چدن و تأثیر آن بر کاربردها

در این مقاله در خصوص چدن و ویژگی‌های مکانیکی و فیزیکی آن صحبت کردیم. همانطور که می‌دانید، چدن یک رقیب بسیار سر سخت برای فلز فولاد بوده که ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها با هم متفاوت است. از مهم‌ترین ویژگی‌‌های این فلز می‌توان به سختی چدن و مغناطیس چدن اشاره کرد. برای بهبود بیشتر خواص فیزیکی چدن، عملیات حرارتی حتما باید انجام شود. عملیات حرارتی شامل دو بخش کربن دهی و ترمیم حرارتی بوده که هر کدام از این مراحل تاثیر به سزایی در بهبود کیفیت خواص مکانیکی چدن دارد. تمامی نکات و‌ ویژگی‌های خواص فیزیکی چدن در مقاله بالا برای شما نام برده شده است.