چدن یکی از پرکاربردترین آلیاژهای آهنی در صنایع مختلف است که به دلیل قابلیت ریخته گری مناسب، مقاومت مطلوب در برابر سایش و امکان دستیابی به خواص مکانیکی متفاوت، در ساخت طیف گسترده ای از قطعات مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، تمام چدن ها خواص یکسانی ندارند و تفاوت در ترکیب شیمیایی، شکل گرافیت، سرعت سرد شدن و عملیات حرارتی می تواند ساختار و عملکرد آن ها را به طور قابل توجهی تغییر دهد.
چدن خاکستری، سفید، داکتیل، چکش خوار و آلیاژی از مهم ترین انواع چدن هستند. هر یک از این مواد نیز بر اساس استانداردهایی مانند ASTM، DIN، EN و ISO با علائم و گریدهای مشخصی معرفی می شوند. شناخت انواع چدن و استانداردهای نام گذاری آن ها به مهندسان، طراحان، تولیدکنندگان و خریداران کمک می کند تا هنگام انتخاب متریال یا تطبیق گریدهای مختلف، تصمیم دقیق تری بگیرند.
ثامن تجارت با ارائه انواع چدن در گریدها و استانداردهای مختلف، امکان انتخاب محصول مناسب برای کاربردهای متنوع صنعتی را فراهم می کند.
انواع چدن را می توان بر اساس ساختار، شکل حضور کربن و گرافیت، ترکیب شیمیایی و روش تولید دسته بندی کرد. چدن خاکستری، چدن سفید، چدن داکتیل یا نشکن، چدن چکش خوار و چدن آلیاژی از مهم ترین گروه هایی هستند که در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند.
چدن خاکستری
چدن خاکستری یا Gray Cast Iron یکی از شناخته شده ترین و پرمصرف ترین انواع چدن است. نام این ماده از ظاهر خاکستری سطح شکست آن گرفته شده است. در ریزساختار این نوع چدن، گرافیت عمدتا به شکل ورقه ای یا پولکی مشاهده می شود.
وجود گرافیت ورقه ای باعث ایجاد برخی ویژگی های مهم مانند قابلیت ماشین کاری مناسب، جذب ارتعاش مطلوب و انتقال حرارت مناسب می شود. به همین دلیل چدن خاکستری در ساخت قطعاتی که کنترل ارتعاش یا ماشین کاری اهمیت دارد، کاربرد فراوانی پیدا کرده است.
از کاربردهای رایج چدن خاکستری می توان به بدنه ماشین آلات، پوسته پمپ، برخی قطعات موتور، دیسک ترمز، پایه تجهیزات و انواع قطعات ریختگی صنعتی اشاره کرد.
البته شکل ورقه ای گرافیت می تواند باعث تمرکز تنش شود. به همین علت چدن خاکستری در مقایسه با چدن داکتیل معمولا شکل پذیری و مقاومت کمتری در برابر بارهای ضربه ای دارد.
چدن سفید
چدن سفید یا White Cast Iron نوعی چدن است که در آن بخش قابل توجهی از کربن به جای تشکیل گرافیت آزاد، در ساختارهای کاربیدی مانند سمنتیت حضور دارد. سطح شکست این چدن معمولا روشن یا سفید به نظر می رسد و نام آن نیز از همین ویژگی گرفته شده است.
ساختار کاربیدی چدن سفید سختی و مقاومت سایشی بالایی ایجاد می کند، اما در مقابل، ماده را تردتر کرده و ماشین کاری آن را دشوار می کند. به همین دلیل استفاده از چدن سفید بیشتر در شرایطی رایج است که مقاومت در برابر سایش نسبت به شکل پذیری اهمیت بیشتری داشته باشد.
قطعات مقاوم به سایش، برخی غلتک ها، قطعات تجهیزات خردایش و بخش هایی از ماشین آلات معدنی از جمله مواردی هستند که می توانند از چدن سفید یا انواع آلیاژی آن ساخته شوند.
چدن داکتیل یا نشکن
چدن داکتیل که با نام های چدن نشکن، Ductile Iron و Spheroidal Graphite Iron نیز شناخته می شود، دارای گرافیت هایی با شکل عمدتا کروی است. برای دستیابی به این ساختار، مذاب چدن تحت عملیات مناسب قرار می گیرد و عناصری مانند منیزیم می توانند در کروی شدن گرافیت نقش داشته باشند.
کروی شدن گرافیت تمرکز تنش را در مقایسه با گرافیت ورقه ای کاهش می دهد و در نتیجه امکان دستیابی به استحکام، چقرمگی و ازدیاد طول بالاتر فراهم می شود.
ترکیب قابلیت ریخته گری چدن با خواص مکانیکی مطلوب باعث شده است چدن داکتیل در ساخت لوله و اتصالات، قطعات خودرو، چرخ دنده ها، میل لنگ ها، شیرآلات و بسیاری از قطعات مهندسی مورد استفاده قرار گیرد.
گریدهای مختلف چدن داکتیل می توانند از نظر استحکام کششی، تنش تسلیم و درصد ازدیاد طول با یکدیگر متفاوت باشند. به همین دلیل هنگام انتخاب این چدن باید گرید استاندارد و خواص مکانیکی مورد نیاز قطعه به طور همزمان بررسی شوند.
چدن چکش خوار
چدن چکش خوار یا Malleable Cast Iron از طریق عملیات حرارتی مناسب روی چدن سفید تولید می شود. این عملیات باعث تغییر ساختار کربنی ماده و تشکیل ساختاری می شود که نسبت به چدن سفید اولیه، قابلیت تحمل تغییر شکل و ضربه بیشتری دارد.
چدن چکش خوار به دلیل ترکیب مناسبی از استحکام، چقرمگی و قابلیت ریخته گری در تولید برخی اتصالات، بست ها، قطعات خودرو، تجهیزات کشاورزی و قطعات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.
البته توسعه چدن های داکتیل باعث شده است در بسیاری از کاربردها امکان استفاده از چدن داکتیل به عنوان گزینه جایگزین وجود داشته باشد. با این حال، چدن چکش خوار همچنان دارای گریدها و کاربردهای صنعتی مشخصی است.
چدن آلیاژی
چدن آلیاژی به چدن هایی گفته می شود که برای دستیابی به خواص مشخص، مقدار کنترل شده ای از عناصر آلیاژی به ترکیب آن ها اضافه می شود. نیکل، کروم، مولیبدن، مس و سیلیسیم از جمله عناصری هستند که بسته به نوع چدن و عملکرد مورد انتظار می توانند در ترکیب به کار روند.
هدف از آلیاژسازی می تواند افزایش مقاومت سایشی، بهبود مقاومت در برابر خوردگی، افزایش استحکام در دمای بالا یا ایجاد پایداری بیشتر در شرایط کاری خاص باشد.
برای مثال، برخی چدن های پرکروم به دلیل تشکیل کاربیدهای سخت برای محیط های سایشی مناسب هستند. در مقابل، چدن های دارای مقادیر بالای نیکل می توانند در برخی محیط های خورنده یا شرایط دمایی خاص مورد استفاده قرار گیرند.
بنابراین اصطلاح «چدن آلیاژی» به یک گرید مشخص اشاره نمی کند و مجموعه بزرگی از چدن ها با ترکیبات و خواص متفاوت را شامل می شود.
به دلیل تنوع بالای چدن ها، سیستم های استاندارد مختلفی برای تعریف ترکیب، خواص مکانیکی، روش آزمون و نام گذاری گریدهای چدن تدوین شده اند. ASTM، DIN، EN و ISO از مهم ترین استانداردهایی هستند که هنگام بررسی مشخصات چدن با آن ها مواجه می شویم.
نکته مهم این است که شیوه نام گذاری در تمام این استانداردها یکسان نیست. در برخی استانداردها استحکام کششی مبنای اصلی تعیین گرید است، در حالی که در سیستم های دیگر ممکن است نوع گرافیت، خواص مکانیکی یا ترکیبی از مشخصات ماده در نام گذاری منعکس شود.
استاندارد ASTM
ASTM مجموعه گسترده ای از استانداردهای مواد و آزمون را منتشر می کند و برای انواع مختلف چدن نیز استانداردهای جداگانه ای وجود دارد. بنابراین عبارت «استاندارد ASTM چدن» به یک استاندارد واحد اشاره نمی کند.
برای مثال، ASTM A48/A48M برای طبقه بندی برخی چدن های خاکستری بر اساس استحکام کششی کاربرد دارد. در این سیستم گریدهایی مانند Class 20، Class 30، Class 40 و موارد مشابه دیده می شوند.
برای چدن داکتیل نیز ASTM A536 یکی از استانداردهای شناخته شده است. در این استاندارد گریدهایی با ساختاری مانند 65-45-12 دیده می شود. این اعداد به ترتیب با حداقل استحکام کششی، حداقل تنش تسلیم و حداقل ازدیاد طول ارتباط دارند و واحدهای تعریف شده در استاندارد باید هنگام تفسیر آن ها در نظر گرفته شوند.
به همین دلیل هنگام مشاهده یک گرید ASTM نباید تنها به اعداد آن توجه کرد؛ شماره استاندارد مربوطه نیز بخش مهمی از شناسایی ماده است.
استاندارد DIN
DIN مخفف Deutsches Institut für Normung یا موسسه استاندارد آلمان است. بسیاری از نام گذاری های قدیمی DIN هنوز در نقشه های مهندسی، کاتالوگ تجهیزات و اسناد صنعتی مشاهده می شوند.
یکی از مثال های شناخته شده، نام های قدیمی GG برای چدن خاکستری و GGG برای چدن با گرافیت کروی است. برای نمونه، نام هایی مانند GG-25 و GGG-40 در منابع و نقشه های قدیمی صنعتی بسیار رایج هستند.
با توسعه و یکپارچه سازی استانداردهای اروپایی، بخش قابل توجهی از این نام گذاری ها با سیستم EN جایگزین شده اند. بنابراین در بررسی تجهیزات قدیمی ممکن است لازم باشد گرید DIN با نام جدیدتر EN تطبیق داده شود.
این تبدیل باید با توجه به استاندارد دقیق، خواص مکانیکی و شرایط تعریف شده برای ماده انجام شود و شباهت نام یا عدد به تنهایی برای اثبات معادل بودن دو گرید کافی نیست.
استاندارد EN
استانداردهای اروپایی EN امروزه یکی از مهم ترین مراجع برای نام گذاری و مشخص کردن انواع چدن در اروپا هستند.
برای چدن خاکستری می توان به استاندارد EN 1561 اشاره کرد. در این سیستم نام هایی مانند EN-GJL-200، EN-GJL-250 و EN-GJL-300 دیده می شوند. عبارت GJL نشان دهنده چدن با گرافیت ورقه ای است و عدد موجود در نام گرید با حداقل استحکام کششی تعریف شده برای گرید ارتباط دارد.
برای چدن داکتیل نیز EN 1563 از استانداردهای مهم است. نام هایی مانند EN-GJS-400-15 و EN-GJS-500-7 نمونه هایی از گریدهای این سیستم هستند. GJS به چدن با گرافیت کروی اشاره می کند و اعداد بعدی بیانگر مشخصات مکانیکی تعریف شده برای گرید هستند.
یکی از مزایای سیستم EN این است که ساختار نام گذاری در بسیاری از موارد اطلاعات مفیدی درباره نوع چدن و خواص مورد انتظار آن در اختیار مهندس قرار می دهد.
استاندارد ISO
ISO یا سازمان بین المللی استانداردسازی نیز استانداردهایی برای انواع چدن تدوین کرده است. این استانداردها با هدف ایجاد چارچوب های بین المللی برای مشخصات، طبقه بندی و آزمون مواد مورد استفاده قرار می گیرند.
برای مثال، ISO 185 به چدن خاکستری با گرافیت ورقه ای مربوط است و ISO 1083 مشخصات چدن با گرافیت کروی را پوشش می دهد.
ساختار گریدها در استانداردهای ISO ممکن است از نظر مفهومی با برخی گریدهای EN شباهت داشته باشد، اما برای جایگزینی یک گرید ISO با ASTM، DIN یا EN باید نسخه استاندارد، خواص مکانیکی، شرایط نمونه برداری و سایر الزامات فنی بررسی شوند.
در پروژه های مهندسی و خرید تجهیزات، معمولا نیاز به مقایسه گریدهای ASTM، DIN و EN وجود دارد. جدول زیر تعدادی از گریدهای شناخته شده را برای مقایسه کلی نشان می دهد.
| نوع چدن | ASTM | DIN قدیمی | EN | توضیح کلی |
| چدن خاکستری | ASTM A48 Class 30 | GG-20 | EN-GJL-200 | چدن خاکستری با استحکام متوسط |
| چدن خاکستری | ASTM A48 Class 35 | GG-25 | EN-GJL-250 | مناسب بسیاری از قطعات عمومی مهندسی |
| چدن خاکستری | ASTM A48 Class 40 | GG-30 | EN-GJL-300 | استحکام بالاتر نسبت به گریدهای قبلی |
| چدن داکتیل | ASTM A536 60-40-18 | GGG-40 | EN-GJS-400-18 | داکتیل با ازدیاد طول بالا |
| چدن داکتیل | ASTM A536 65-45-12 | GGG-40 | EN-GJS-400-15 | ترکیب مناسب استحکام و شکل پذیری |
| چدن داکتیل | ASTM A536 80-55-06 | GGG-50 | EN-GJS-500-7 | استحکام بالاتر و ازدیاد طول کمتر |
نکته مهم: جدول فوق برای مقایسه تقریبی خانواده ها و گریدهای نزدیک ارائه شده است و نباید تمام ردیف های آن را «معادل دقیق و قابل جایگزینی» در نظر گرفت. استانداردهای ASTM، DIN و EN ممکن است از نظر الزامات شیمیایی، خواص مکانیکی، ابعاد نمونه، عملیات حرارتی و روش آزمون تفاوت داشته باشند. برای انتخاب جایگزین در یک پروژه واقعی باید متن آخرین ویرایش استاندارد، نقشه فنی و الزامات طراحی بررسی شود.
برای خواندن گرید چدن ابتدا باید مشخص شود ماده بر اساس کدام استاندارد نام گذاری شده است. یک عدد مشابه در دو استاندارد مختلف الزاما مفهوم یکسانی ندارد.
برای درک بهتر، گرید EN-GJL-250 را در نظر بگیرید. EN نشان می دهد که با سیستم استاندارد اروپایی مواجه هستیم، GJL معرف چدن با گرافیت ورقه ای است و عدد 250 به حداقل استحکام کششی تعریف شده برای این گرید مربوط می شود.
در گرید EN-GJS-400-15، عبارت GJS نشان دهنده چدن با گرافیت کروی است. عدد 400 به حداقل استحکام کششی و عدد 15 به حداقل درصد ازدیاد طول تعریف شده برای این گرید اشاره دارد.
در سیستم ASTM باید ابتدا شماره استاندارد را مشاهده کرد. برای مثال، در ASTM A536 65-45-12 سه عدد به ترتیب حداقل استحکام کششی، حداقل تنش تسلیم و حداقل درصد ازدیاد طول را نشان می دهند. در نام گذاری متداول این استاندارد، مقادیر استحکام بر حسب ksi بیان می شوند. بنابراین 65-45-12 به معنی حداقل استحکام کششی 65 ksi، حداقل تنش تسلیم 45 ksi و حداقل ازدیاد طول 12 درصد است.
در نام گذاری های قدیمی DIN نیز ممکن است با علائمی مانند GG-25 و GGG-40 مواجه شوید. GG معمولا برای چدن خاکستری با گرافیت ورقه ای و GGG برای چدن با گرافیت کروی استفاده می شد.
در نتیجه برای خواندن صحیح علائم چدن بهتر است سه موضوع را به ترتیب مشخص کنید: استاندارد مرجع، نوع چدن یا ساختار گرافیت و مفهوم اعداد درج شده در گرید. این روش احتمال اشتباه در انتخاب و جایگزینی مواد را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
سوالات متداول
چدن ها را می توان به گروه های مختلفی تقسیم کرد، اما چدن خاکستری، سفید، داکتیل یا نشکن، چکش خوار و چدن آلیاژی از مهم ترین انواع مورد استفاده در صنعت هستند. هر گروه نیز می تواند شامل گریدها و زیرمجموعه های متعددی باشد.
یکی از مهم ترین تفاوت ها به شکل گرافیت مربوط می شود. گرافیت در چدن خاکستری عمدتا ورقه ای است، در حالی که در چدن داکتیل به شکل کروی تشکیل می شود. این تفاوت باعث می شود چدن داکتیل معمولا از نظر شکل پذیری، چقرمگی و برخی خواص مکانیکی عملکرد بهتری داشته باشد.
GGG یکی از علائم مورد استفاده در نام گذاری قدیمی DIN برای چدن با گرافیت کروی است. برای مثال، GGG-40 یکی از نام هایی است که هنوز در نقشه ها و اسناد فنی قدیمی مشاهده می شود. در استانداردهای جدیدتر اروپایی معمولا از نام گذاری EN-GJS استفاده می شود.
در نام گذاری قدیمی DIN، GG به چدن خاکستری با گرافیت ورقه ای و GGG به چدن با گرافیت کروی یا چدن نشکن اشاره می کند. تفاوت شکل گرافیت تاثیر مهمی بر خواص مکانیکی این دو گروه دارد.
EN-GJS نشان دهنده چدن با گرافیت کروی در سیستم نام گذاری اروپایی است. در گرید EN-GJS-400-15، عدد 400 با حداقل استحکام کششی و عدد 15 با حداقل ازدیاد طول تعریف شده برای گرید ارتباط دارد.
