چدن چیست ؟
چدن (Cast Irons) خانواده ای از آلیاژهای آهنی هستند که از آهن، کربن (از ۲٫۱۱٪ تا تقریباً ۴٫۵٪) وسیلسیوم (تا ۳٫۵٪) تشکیل می‌شوند . چدنها غیر از 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.
تولید چدن
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.
در اواخر قرن ۲۰ میلادی ، ظروف نچسب بیشتر از چدن در بیشتر خانه ها رایج شده بود ، آشپزهای بیشتری به استفاده از قابلمه های چدنی برگشتند و این آلیاژ را به عنوان یک گزینه مناسب و سالم انتخاب کردند و مزایای آن را دوباره کشف کردند. چدن آلیاژی از آهن و کربن است که در آن بیش از ۲% کربن وجود دارد. این آلیاژ به دلیل مقرون به صرفه بودن و دوام بالا ، تا اوایل قرن ۲۰ ماده مورد علاقه ظروف آشپزی بود. این ماده از آلومینیوم ارزان تر بود و به طور گسترده تری در دسترس مردم قرار می گرفت .
بسته به محتوای سیلیکون موجود در چدن، این ماده به عنوان چدن سفید یا چدن خاکستری طبقه بندی می شود و ممکن است تحت دمای بیشتر تحت فرآوری قرار گیرد تا چدن قابل انعطاف یا شکل پذیر تولید شود.
دسته بندی 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.
کاربرد چدن
- در تولید قطعات ریختگی تحت فشار از جمله شیر فلکه ها، بدنه های پمپ قطعات ماشین آلات که در معرض شوک و خستگی هستند، میل لنگ ها، چرخ دنده ها، غلتک ها، تجهیزات فرایند شیمیایی، مخازن ریختگی تحت فشار و…
- برای خودرو و صنایع وابسته به آن مثلا در ساخت مفصل های فرمان، دیسک ترمزها، بازوها، میل لنگ‌ها و چرخ دند‌ه‌ها، صفحه کلاچ‌ها و…
- در راه آهن، کشتیرانی و خدمات سنگین و دیگر جاهایی که نیاز به مقاومت در برابر شوک است مثلا در تجهیزات الکتریکی کشتی‌ها، بدنه موتور، پمپ ها، بست ها و غیره.
- قطعات غیر فشاری برای کاربردهای درجه حرارت بالا برای مثال در ساخت قطعات و جعبه های درگیر با آتش، میله های شبکه، قطعات کوره‌ها، قالبهای شمش، قالبهای شیشه، بوته‌های ذوب فلز.
- اگر چدن های غیر آلیاژی به طور کلی مقاوم به خوردگی ( Corrosion ) بویژه در محیط های قلیایی هستند، مهمترین کاربرد این چدنها در پمپهای دنده‌ای حمل اسید سولفوریک، پمپ‌ها و شیرهایی که در آب دریا مصرف می‌شوند، قطعات مورد استفاده در سیستم های بخار و جابجایی محلول های آمونیاکی، سود و نیز برای پمپاژ و جابجایی نفت خام اسیدی در صنایع نفت هستند.
آهن چیست ؟
آهن ( Fe ) نام یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی ۲۶ و چگالی ۷۸۷۴ کیلوگرم بر مترمکعب است. آهن یک فلز است که در نخستین دوره فلزهای واسطه جای دارد. آهن از دیدگاه جرم، بزرگترین عنصر سازنده کره زمین است. آهن اصلی‌ترین عنصر سازنده هسته بیرونی و درونی زمین و چهارمین عنصر متداول در پوسته‌است.
در حدود 1400 پیش از میلاد، از ساخته‌های آهنی در قلمرو هیتی‌ها در ارمنستان کنونی استفاده می‌شد که این به عنوان نخستین شواهد مصرف این عنصر است.
تولید آهن فلزی
الف) روش‌های آزمایشگاهی
در برخی کاربردهای خاص که به آهن خالص نیاز است می‌توان آن را در آزمایشگاه در مقادیر کم از طریق کاهش اکسید خالص یا هیدروکسید آن با هیدروژن تولید کرد، یا می‌توان را تا ۲۵۰ درجه سلسیوس گرم کرد تا تجزیه شده و آهن خالص پودری ایجاد گردد. روش دیگر الکترولیز کلرید آهن بر روی کاتد آهنی است.
ب) روش‌های صنعتی اصلی
سنگ آهن
امروزه، تولید صنعتی آهن یا فولاد از دو مرحله اصلی تشکیل شده‌است. در مرحله اول، سنگ آهن با کک در کوره بلند کاهش یافته و فلز مذاب از ناخالصی‌هایی مانند کانی‌های سیلیکات جدا می‌شود. در این مرحله آلیاژی تولید می‌شود – آهن خام – که حاوی مقادیر نسبتاً زیادی کربن است. در مرحله دوم، توسط فرایند اکسایش مقدار کربن موجود در آهن خام کاهش می‌یابد تا آهن فرفورژه، فولاد یا چدن تولید شود. در این مرحله می‌توان سایر فلزات را برای ساخت آلیاژهای فولادی به آن اضافه کرد.