چدن

آشنایی با چدن

چدن که در زبان انگلیسی Cast Iron نامیده می‌شود، آلیاژی از آهن، کربن و سیلیسیم (Fe-c-Si) است (فرمول شیمیایی) که از آهن خام خاکستری ساخته می‌شود. برای ساخت این کالا، آهن خام را همراه با مقداری آهن قراضه در کوره‌های مخصوص ذوب می‌کنند تا مقداری از کربن آن بسوزد و ناخالصی‌هایی نظیر گوگرد و فسفر که خصوصیات آن را تا حد زیادی تحت تأثیر قرار می‌دهند، به صورت سرباره خارج گردند. فلز مذاب باقی مانده که حاوی مقداری منگنز نیز هست، چدن نام دارد. منگنز این محصول را سخت می‌کند و سیلیسیم هم سبب می‌شود که کربن به صورت گرافیت درآید. میزان کربن موجود در این کالا ۲ تا ۳٫۵% وزن آن است.

جنس چدن بستگی به سرعت سرد شدن و نیز جنس آهن خامی دارد که در ساخت آن مصرف می‌شود. قیمت نسبتاً پایین و نیز ویژگی سبب های چدن استفاده از آن در صنایع مختلف شده است. در صنعت ساختمان از چدن برای ساخت لوله‌های آب و فاضلاب، نرده، کف پوش، یراق آلات و… استفاده می‌کنند.

کوره‌های تولید

هنگام تولید چدن از آهن خام، چون مقداری از کربن آهن خام می‌سوزد و مقداری از ناخالصی‌های آن نیز به صورت سرباره خارج می‌شود، بنابراین وزن چدن حاصل از وزن آهن خام مصرفی اندکی کمتر است. برای تولید چدن از سه نوع کوره به شرح زیر استفاده می‌کنند:

کوره شعله‌ای

این کوره از ظرف بزرگ سرپوشیده‌ای تشکیل شده است که آهن خام را در آن ریخته و شعله را روی آن قرار می‌دهند تا کربن و دیگر عناصر آهن خام بسوزد و چدن با ۶ تا ۱۰% کاهش وزن تولید شود. در این کوره، گداز آور مصرف نمی‌شود و مصرف سوخت آن زیاد است.

کوره کوپل (Kupol Kiln)

شکل این کوره و روند کار آن مشابه کوره بلند آهن گدازی است، با این تفاوت که مقداری از آن کوچکتر است. در کوره کوپل، آهن خام با ۳ تا ۶% کاهش وزن به چدن تبدیل می‌شود.

کوره برقی

حرارت این کوره از انرژی برق تأمین می‌شود و مزیتش نسبت به دو کوره قبل این است که می‌توان دمای آن را بالا برد و ثابت نگه داشت. از کوره برقی برای تولید چدن‌های ویژه و با مقاومت زیاد استفاده می‌کنند.

نقطه ذوب

این محصول، شامل ۲ الی ۳٫۵% کربن و مقدار کمی منگنز می‌باشد. ناخالصی‌های موجود در آهن خام مثل گوگرد و فسفر که خصوصیات آن را تحت تاثیر منفی خود قرار می‌دهد، در چدن تا حد قابل قبولی کاهش یافته‌اند. نقطه ذوب چدن بین k 1470-1420 می‌باشد که از هر دو ترکیب اصلی آن کمتر است و آنرا به اولین محصول ذوب شده پس از گرم شدن همزمان کربن و آهن تبدیل می‌کند. این کالا بسیار محکم، سخت و شکننده می‌باشد.

این فلز به استثنا نوع داکتیل، ترد است و به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت، قابلیت ریخته گری، ماشین کاری، تغییرشکل ناپذیری و مقاومت به سایش به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از کاربرد تبدیل شده و در تولید لوله‌ها، ماشین آلات صنعتی، قطعات صنعت خودرو مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و جعبه گیربکس و… کاربرد فراوانی دارد.

خواص

این محصول نیز مانند آهن خام، بدون حالت خمیری از جامد به مایع تبدیل می‌شود. بنابراین قابلیت چکش خواری خوبی ندارد. چدن سخت و شکننده است، مقاومت آن در برابر آتش بیشتر از فولاد بوده و دیر زنگ می‌زند. هر یک متر از این کالا به ازای هر یک درجه افزایش دما، ۰٫۰۱ میلیمتر افزایش طول خواهد داشت. مقاومت کششی این محصول باید حداقل ۱۴۰۰ kg/cm^۲ و مقاومت خمشی آن ۲۷۰۰ kg/cm^۲ باشد.

انواع و کاربرد در صنعت

انواع مختلف این محصول نیز مانند انواع آهن خام هستند و وجه اشتراک آن‌ها این است که همگی در برابر فشار مقاوم هستند. در ادلامه به بررسی انواع چدن ها خواهیم پرداخت:

• سفید (White Cast Iron): اگر چدن مذاب را زود سرد کنند، کربن آن به شکل گرافیت در نمی‌آید. همچنین مقدار کم سیلیسیم در نوع سفید نیز موجب می‌شود که کربن کمی در آن به شکل گرافیت درآید. سطح شکسته چدن سفید دارای دانه‌های ریز بوده و جنس آن نیز سخت است به طوری که قابل سوهان کشیدن نیست. از این محصول وسایل کوچک می‌سازند.
• خاکستری (Gray Cast Iron): هر گاه چدن مذاب را به آهستگی سرد کنند و نیز مقدار سیلیسیم در آن زیاد باشد، کربن بیشتری در آن به شکل گرافیت در می‌آید و رنگ چدن را تیره می‌کند. چدن خاکستری از چدن سفید نرمتر است، شکننده بوده، قابلیت چکش خواری دارد و سطح شکسته آن دارای دانه‌هاس درشت است. از این محصول براس ساخت لوله‌های چدنی، ناودانی، پروفیل پنجره، درپوش‌های چدنی کف خیابان‌ها، شبکه چدنی، یراق آلات و… استفاده می‌کنند.
  
• نیمه خاکستری: جنس آن بین چدن سفید و چدن خاکستری است.
• سخت (Chilled Cast Iron):  برای ساخت چدن سخت، چدن را گرم کرده سپس سطح خارجی آن را زود سرد می‌کنند و اجازه می‌دهند که داخل آن به آهستگی خنک شود. بدین ترتیب سطح آن نوع سفید و مغز آن از نوع خاکستری است. این چدن دیر ساییده می‌شود و از آن لوله‌های زیر دال پل‌ها را می‌سازند.
  
• نرم (دم دیده -Ductile Cast Iron): این نوع چدن که به آن داکتیل هم گفته می‌شود در صنعت کاربرد فراوانی دارد. برای اینکه مقاومت چدن در برابر ضربه بالا رود و بتوان آن را چکش کاری کرد، تکه‌های چدن سفید و نیمه خاکستری را به همراه مقداری گرد سنگ اکسید آهن (Fe_۲O_۳) حرارت می‌دهند تا بخشی از کربن آن بسوزد، تردی آن کم شده و نرم شود. از این چدن در ساخت وسایل کوچک نظیر یراق در و پنجره، کلید و قفل، شیر آب و… استفاده می‌کنند.
• مالیبل: چدن چکش خوار یا مالیبل، ذاتاً از نوع چدن‌های هیپو یوتکتیکی کم آلیاژی یا غیر آلیاژی می‌باشند. جهت ایجاد گرافیت‌های کروی فشرده و حصول خواص مکانیکی ویژه مانند استحکام و چکش خواری، عملیات آنیل کردن این آلیاژ 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. 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.

سایر کاربردها

لوله های چدنی هنگامی که در یک دستگاه روی هم سوار میشوند، در مقایسه با لوله‌های پلاستیکی سر و صدای کمتری ایجاد می‌کنند. لوله‌ها و واشرهای آهنی لرزش کل سیستم را کاهش می‌دهد. لوله‌های چدنی به دلیل طول عمرشان بسیار شهرت دارند. یک مزیت بزرگتر این است که لوله‌های غیر قابل احتراق چدنی در مقایسه با لوله‌های پلاستیکی، مانع از انتشار آتش سوزی می‌شوند.

تولیدکنندگان وسایل نقلیه شروع به ارزیابی مجدد موتور چدنی کرده‌اند. جالب است بدانید که قطعه‌های چدنی در گذشته پایه اصلی ساخت ماشین و کامیون بود. با پیشرفت علوم فنی و مهندسی، شرکت‌ها برای کاهش وزن کلی خودرو به استفاده از قطعات آلومینیومی سبک‌تر روی آوردند.

از جمله موارد کاربرد دیگر این محصول، تولید ظروف آشپزخانه و آشپزی می‌باشد که در ادامه به بررسی آن خواهیم پرداخت.

وزن مخصوص

وزن مخصوص چدن بر اساس واحد گرم بر سانتی‌متر مکعب (gr/cm^۲) برابر با ۷٫۲ می‌باشد.

چدن‌ریزی (شکل دهی)

برای ساختن اجسام چدنی که شکل ساده‌ای دارند، چدن مذاب را در قالبی که از چدن سخت ساخته شده است، می‌ریزند. ولی برای ساختن اجسام چدنی که شکل ساده ندارند، از بستر ماسه‌ای استفاده می‌کنند. بدین ترتیب که ابتدا به ماسه مقداری بانتونیت (گل سر شور) می‌زنند تا چسبنده شود. سپس مدل چوبی مد نظر را در بستر ماسه قرار می‌دهند تا ماسه شکل مدل را به خود بگیرد. در نهایت مدل چوبی را برمی‌دارند و در قالب آماده شده به آرامی چدن مذاب می‌ریزند تا دیواره‌های قالب فرو نریزد. به این روش شکل دادن، ریخته‌گری می‌گویند که برای فلزات دیگر نیز به کار می‌رود.

چدن هنگام گرفتن کمی منبسط می‌شود ولی پس از آن منقبض شده و ۰٫۵ تا ۱% کاهش حجم می‌یابد. بنابراین مدل چوبی را از هر جهت ۰٫۵ تا ۱% بزرگتر می‌سازند تا این کاهش حجم جبران شود. هر چه مقدار کربن چدن بیشتر باشد، هنگام گرفتن کمتر منقبض می‌شود.

لوله‌های چدنی را هم به روش ریخته‌گری و هم با استفاده از قالب چرخنده میسازند. بدین ترتیب که چدن مذاب هنگام چرخیدن قالب به بدنه آن پرتاب شده و به آن می‌چسبد و به شکل لوله در می‌آید. جنس این لوله‌ها از لوله‌های ریخته‌گری بهتر است. مقاومت کششی لوله‌های چدنی نباید از ۱۲۰۰ kg/cm^۲ کمتر باشد.

تفاوت چدن و فولاد – تشخیص چدن از فولاد

یکی از مهم‌ترین مباحث در بخش آلیاژها تشخیص چدن از فولاد و شناخت صحیح این آلیاژها و درک تفاوت‌های موجود میان آن‌ها است. در ادامه به بررسی فولاد و چدن و ذکر تفاوت میان این دو محصول خواهیم پرداخت.

همانطور که می‌دانیم، هر دو محصول چدن و فولاد از آلیاژهای آهن هستند. برای توضیح دقیق تفاوت میان این دو آلیاژ باید به درصد کربن موجود در آن‌ها اشاره کرد. آلیاژهای آهنی با حدود ۰٫۶ تا ۱٫۶ درصد کربن را فولاد می‌نامند و در صورتیکه میزان کربن در آلیاژ بیشتر از ۲ درصد باشد، آن آلیاژ چدن نامیده خواهد شد.

آنالیز

چدن به آلیاژهایی از آهن و کربن گفته می‌شود که بین ۲٫۱ الی ۶٫۲ درصد کربن داشته باشند. رنگ مقطع شکست این آلیاژ آهن کربنی به عنوان شناسه نام‌گذاری انواع مختلف آن به کار می‌رود. بیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل می‌دهد و عناصر آلیاژی اصلی تشکیل دهنده آن کربن و سیلیسیم هستند. به‌طور معمول بین۲٫۱ تا ۴ درصد کربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه‌گانه شناخته می‌شود. با این وجود، انجماد آن از روی دیاگرام فازی دوتایی آهن-کربن بررسی می‌شود. جایی که نقطه یوتکتیک در دمای ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و ۴٫۳ درصد کربن اتفاق می‌افتد که حدود ۳۰۰ درجه کمتر از نقطه ذوب آهن خالص است.

ظروف پخت و پز چدنی

از این محصول در ساخت ظروف پخت و پز نیز استفاده می‌شود و امروزه تابه و قابلمه از جنس آن در ابعاد مختلف تولید گردیده است. کارشناسان اعتقاد دارند که ظروف چدنی واقعی هیچگونه یونی وارد غذا نمی‌کنند. نکته مهم در انتخاب ظروف چدنی این است که باید توجه داشت که این ظروف از جنس چدن واقعی بوده و آلومینویم فشرده با روکش تفلون نباشند.

استفاده از ظروف چدنی به همین دلیل که دارای کنش و واکنش منفی با غذا نیستند، یک امر مطلوب، محسوب می‌شوند اما اگر استفاده از ظروف چدنی، موجب افزایش میزان یون‌های آهن در غذای مصرفی شود و با توجه به این نکته که کمبود آهن، مساله‌ای بسیار شایع در دنیای امروزی است، استفاده از این ظروف می‌تواند مفیدتر هم باشد؛

نکات مهم در خرید ظروف

1. ظروف چدنی اصل، کمیاب و گران هستند.
2. این ظروف سنگین هستند و استفاده از آنها آسان نیست.
3. بسیاری از ظروفی که به نام ظروف چدنی عرضه می‌شوند، در حقیقت آلومینیوم فشرده هستند که با فرآیند ریخته‌گری تهیه می‌شوند؛ این فرآیند موجب افزایش مقاومت و نیز افزایش جرم حجمی و در نتیجه سنگین شدن این ظروف(به نسبت آلومینیوم و نه نسبت به چدن اصل) می‌شود؛ این ظروف به ندرت به صورت بدون پوشش یا بدون لعاب یافت می‌شوند و اغلب دارای پوشش تفلون هستند البته متخصصان امر تغذیه اعتقاد دارد که «فقط اگر این ظروف لعاب استیل داشته باشند، مشکلی ایجاد نمی‌کند.»
4. یک راه برای تشخیص چدنی بودن ظرف این است که آهن ربا به آنها می‌چسبد و اگر با نیروی زیاد یا از ارتفاع بلند به زمین بی‌افتند، می‌شکنند(نه این که قُر یا له شوند.)
5. در ظروف چدنی جدید، نوعی اندود سرامیک به کار می­رود که براساس اطلاعات فعلی، این گونه ظروف نچسب ضمن داشتن امتیازات ظروف چدنی، مضرات ظروف تفلونی را نیز ندارند؛ گرانی قیمت این ظروف از جنبه­‌های منفی کاربرد آنهاست.
6. گفته می‌شود برای کاهش تبادلات نامطلوب چدن‌های فاقد روکش با غذا، نخستین بار، سطح داخلی آنها با کمی روغن چرب شود و دو ساعت روی اجاق گاز یا فر قرار گیرند.
7. قبل از استفاده از ظروف چدنی اصل و فاقد روکش باید چند دقیقه‌ای آنها را روی حرارت بگذارید تا گرم شوند؛ برای آنکه از گرم شدن کافی ظرف مطمئن شوید، می‌توانید قطره‌ای آب داخل آن بریزید و اگر به سرعت تبخیر شد، یعنی ظرف گرم شده است.
8. بعد از اتمام پخت، ماده غذایی را از درون ظروف چدنی فاقد روکش خارج کنید تا چدن اکسید نشود؛ در ضمن بهتر است در ظروف چدنی فاقد روکش، مواد اسیدی مثل آبلیمو یا سس گوجه‌فرنگی ریخته نشود.
9. برای شست‌وشوی چدن‌های دارای روکش تفلون از ابر استفاده کنید چرا که سیم ظرفشویی باعث خراشیدگی و آسیب به روکش آن می‌شود.