چدن

چدن به آلیاژهایی از آهن و كربن كه بین ۲٫۱الی ۶٫۲ درصد كربن داشته باشند، گفته می‌شود. رنگ مقطع شكست این آلیاژ به عنوان شناسه نامگذاری انواع مختلف آن به كار می رود. ببیش از ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشكیل میدهد و عناصر آلیاژی اصلی آن كربن و سیلیسیم هستند. به طور معمول بین۲٫۱ تا ۴ درصد كربن و ۱ تا ۳ درصد سیلیسیم دارد و به عنوان آلیاژی سه گانه شناخته می شود. با این وجود، انجماد آن از روی دیاگرام فازی دوتایی آهن- كربن بررسی میشود. جایی كه نقطه یوتكتیك در دمای ۱۱۵۴ درجه سانتی گراد و ۴/۳ درصد كربن اتفاق می افتد كه حدود ۳۰۰ درجه كمتر از نقطه ذوب آهن خالص است. چدنها، به استثنا نوع داكتیل، ترد هستند و به دلیل نقطه ذوب پایین، سیالیت، قابلیت ریخته گری، ماشین كاری، تغییرشكل ناپذیری و مقاومت به سایش به موادی مهندسی با دامنه وسیعی از كاربرد تبدیل شده و در تولید لوله ها، ماشینها، قطعات صنعت خودرو مانند سرسیلندر، بلوك سیلندر و جعبه گیربكس به كار میروند. چدن همچنین به تضعیف و تخریب ناشی از اكسیداسیون (خوردگی) مقاوم است.

واژه چدن مشخص كننده گروه كاملی از فلزات با خواص گوناگون و متنوع است. این واژه  نامی عمومی شبیه فولاد است كه باز هم به گروه خاصی از فلزات اطلاق می شود. فولادها و چدن ها از آهن , همراه با كربن به عنوان عنصر آلیاژی اصلی, تشكیل می شوند. فولادها كمتر از دو درصد و غالباً كمتر از یك درصد كربن دارند در حالی كه چدن ها بیشتر از دو درصد كربن دارند. چدن با حداكثر دو درصد كربن، به صورت آلیاژی تك فاز منجمد، و تمام كربن آن در آستنیت حل می شود. بنابراین طبق تعریف چدن ها به صورت آلیاژهای ناهمگن منجمد می شوند و همواره ریزساختار آنها بیش از یك تشكیل دهنده دارد. چدن علاوه بر كربن باید حاوی مقدار قابل توجهی سیلیسیم, معمولاً از یك تا سه درصد, نیز باشد. و بنابراین چدن را باید آلیاژ آهن-كربن-سیلیسیم دانست. وجود سیلیسیم و كربن بسیار زیاد در چدن ها از آنها آلیاژهای ریختگی عالی می سازد. دمای ذوب این آلیاژها از دمای ذوب فولاد بسیار كمتر است. چدن مذاب از فولاد سیال تر است و با مواد قالب كمتر وارد واكنش می دهد. تشكیل گرافیت با چگالی كم، در حین انجماد چدن به كاهش تغییر حجم فلز از حالت مذاب به جامد می انجامد و تولید قطعات ریختگی پیچیده تر را ممكن می كند. اما چدن ها به اندازه ای داكتیل نیستند كه بتوان آنها را نوردكاری یا آهنگری كرد.

عناصر آلیاژی

 خواص چدن با افزودن عناصر آلیاژی مختلف تغییر می كند. بعد از كربن، سیلیسیم مهمترین عنصر محسوب می‌شود چرا كه كربن را از حالت محلول خارج كرده، آن را به فرم گرافیت درمی آورد كه تولید چدنی نرمتر، با انقباض كمتر كرده، استحكام و چگالی را كاهش می دهد. گوگرد نیز هنگام اضافه شدن سولفید آهن تولید می‌كند كه مانع تشكیل گرافیت شده سختی را افزایش میدهد. مشكل گوگرد اینست كه گرانروی چدن را در حالت مذاب بالا برده و عیوب ساختاری را افزایش میدهد. برای خنثی كردن اثرات گوگرد از منگنز استفاده می‌شود تا به جای سولفید آهن، سولفید منگنز تشكیل شود. سولفید منگنز از مذاب سبكتر است بنابراین برروی سطح مذاب و درون سرباره شناور میشود. مقدار منگنز مورد نیاز برای خنثی كردن گوگرد برابر است با ۱٫۷مقدار گوگرد+۰٫۳%. افزودن منگنز بیش از این مقدار باعث تولید كاربید منگنز می‌شود كه خود به بالا رفتن سختی و سرعت انجماد منجر میشود. تنها در مورد چدن خاكستری افزایش منگنز تا یك درصد استحكام و چگالی را افزایش میدهد. نیكل نیز از آلیاژسازهای بسیار معمول است كه ساختار پرلیت و گرافیت را پالایش داده به افزایش چقرمگی كمك می‌كند و گاه حتی تفاوت سختی در ضخامتهای مختلف را از بین میبرد. كروم به مقدار جزیی به ملاقه مذاب افزوده می‌شود تا گرافیت آزاد را كاهش داده، مذاب را سرد كند و از آنجا كه تثبیت كننده قوی كاربید به شمار میرود عمدتاً همراه با نیكل افزوده میشود. مقدار بسیار اندكی قلع را نیز می توان به جای ۰٫۵درصد كروم افزود. بین ۰٫۵ تا ۲٫۵درصد مس هم در ملاقه یا كوره به مذاب اضافه می‌شود تا انجماد را كاهش، گرافیت را پالایش و سیالیت را افزایش دهد. افزودن ۰٫۳ تا ۱ درصد مولیبدن باعث افزایش انجماد، پالایش گرافیت و پرلیت می‌شود و معمولاً همراه با نیكل مس و كروم افزوده می‌شود تا خواص استحكامی را بهبود بخشد.

 تیتانیوم به عنوان گاززدا و اكسیدزدا استفاده می‌شود اما سیالیت را هم افزایش میدهد. اضافه نمودن ۰٫۱۵ تا ۰٫۵درصد وانادیوم، سمنتایت را تثبیت كرده سختی و مقاومت به سایش و گرما را افزایش میدهد. همچنین افزودن ۰٫۱ تا ۰٫۳ درصد زیركنیوم به تشكیل گرافیت، احیا و افزایش سیالیت منجر میشود. به مذاب چدن مالیبل، حدود ۰٫۰۰۲ تا ۰٫۰۱ درصد وزنی بیسموت اضافه می‌شود تا بتوان سیلیسیم درصد سیلیسیم را افزایش داد. در چدن سفید عنصر بور به منظور تولید شدن چدن مالیبل افزوده می‌شود تا از اثر زمخت شدن در اثر وجود بیسموت كاسته شود.

تولید چدن خام

چدن از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه بدست می آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است. بسته به نوع كاربرد، میزان كربن و سیلیسم تا حد مطلوب (به ترتیب ۲ تا ۳٫۵ و ۱ تا ۳ درصد وزنی) كاهش داده می شوند. سایر عناصر نیز حین ریخته گیری و قبل از شكل گیری نهایی، به مذاب افزوده می شوند. چدن به جز موارد خاص كه در كوره بلند موسوم به كوره كوپل ذوب میشود، عمدتاً در كوره‌های القای الكتریكی تولید می گردد. پس از تكمیل ذوب، مذاب به كوره نگهدارنده یا قالب ریخته میشود.

انواع چدن  

انواع گوناگون چدن را می توان بر اساس ریزساختار دسته بندی كرد. این دسته بندی بر شكل بخش عمده كربن موجود در چدن مبتنی است. بر این اساس پنج نوع اصلی چدن وجود دارد:

– چدن سفید (WHITE CAST IRON)

– چدن چكش خوار (MALIBLE CAST IRON)

– چدن خاكستری (GRAY CAST IRONS)

– چدن داكتیل-كروی و نشكن (DUCTILE CAST IRON)

– چدن با گرافیت فشرده-كرمی شكل (COMPACTED GRAPHITE CAST IRON)

به هر نوع از این چدن ها می توان تا حدودی عنصرهای آلیاژی افزود، یا آنها را مورد عملیات گرمایی قرار داد، بدون این كه نوع چدن تغییر كند. چدن های آلیاژی را كه معمولاً حاوی بیش از سه درصد عنصر آلیاژی هستند می توان به طور جداگانه به عنوان چدن سفید ، خاكستری ،  یا داكتیل دسته بندی كرد.

۱-چدن سفید        

هرگاه تركیب شیمیایی چدن مناسب باشد, یا آهنگ سرمایش آن در حین انجماد به اندازه كافی تند باشد, چدن به گونه ای منجمد می شود كه همه كربن موجود در آن با آهن به صورت كاربید آهن تركیب می شود. این تركیب كه سمنتیت نیز نامیده می شود سخت و ترد است و تركیب غالب در ریزساختار چدن سفید محسوب می شود. بنابراین چدن سفید سخت و ترد و مقطع شكست آن سفید و بلورین است زیرا اساساً گرافیت ندارد. استحكام فشاری چدن سفید بسیار زیاد و مقاومت آن در برابر سایش عالی است. این نوع چدن در حالت گداخته سختی خود را تا مدت محدودی  حفظ می كند.

با افزایش آهنگ انجماد موضعی چدن, می توان نواحی گزیده ای از قطعه ریختگی را به چدن سفید تبدیل كرد. قابلیت ریخته گری چدن سفید به خوبی چدن های دیگر نیست زیرا دمای انجماد آن معمولاً بالاتر است, و كربنی كه به صورت كاربید آهن است منجمد می شود. بنابراین دیگر گرافیت در به حداقل رسانیدن انقباض در حین انجماد نقشی ندارد. بخشی از قطعه ریختگی كه با آهنگی معتدل جامد می شود, هم گرافیت دارد و هم كاربید آهن. این ساختار را چدن ابلق می نامند.

چدن سفید سخت می تواند در قطعه ریختگی از چدن نرم نیز به وجود آید. دلیل این امر سرمایش سریع مقطعی نازك یا گوشه ای تیز از قطعه یا وجود پره ای بر روی قطعه ریختگی است كه از وجود درزی در قالب ناشی شده است و باعث گرماگیری و افزایش آهنگ انجماد می‌شود.

۲-چدن چكش خوار

مشخصه این نوع چدن این است كه بخش عمده كربن موجود در ریزساختار آن به صورت گره های نامنظم گرافیت دیده می شود. این نوع گرافیت كربن بازپختی نام دارد زیرا در حالت جامد و در حین عملیات گرمایی تشكیل می شود.برای تولید چدن چكش خوار, چدن را به صورت چدن سفید با تركیب شیمیایی مناسب می ریزند. پس از آن كه قطعات ریختگی را از قالب بیرون آوردند, آنها را به مدت طولانی در دمایی بالاتر از ۹۰۰ درجه سلسیوس تحت عملیات گرمایی قرار می دهند. این عملیات كاربید آهن را تجزیه می كند و كربن آزاد را به صورت گرافیت در چدن رسوب می دهد. آهنگ سریع انجماد كه برای تولید چدن سفید ضرورت دارد باعث محدودیت ضخامت مقاطع ریختگی چدن چكش خوار می شود.

با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت می توان به گستره وسیعی از خواص مكانیكی در چدن چكش خوار دست یافت. زمینه های پرلیتی و مارتنزیتی با سرمایش سریع در حوالی دمای بحرانی و افزودن عنصرهای آلیاژی به دست می آیند. چدن های چكش خواری كه در زمینه خود مقداری كربن تركیبی داشته باشند غالباً به عنوان چدن چكش خوار پرلیتی شناخته می شوند, اگرچه ممكن است ریزساختار آنها مارتنزیتی یا پرلیتی كروی شده باشد.

۳-چدن خاكستری

هنگامی كه تركیب چدن مذاب و آهنگ سرمایش آن مناسب باشد, كربن موجود در آن در حین انجماد جدا می شود و پولك های گرافیت را تشكیل می دهد كه درون هر سلول اوتكتیك به یكدیگر متصل اند. گرافیت در درون مذاب از ناحیه لبه رشد می كند و پولك مشخصه چدن خاكستری را تشكیل می دهد. هنگامی كه چدن خاكستری می شكند, بخش عمده شكست در پولك های گرافیت رخ می دهد, و به همین دلیل رنگ مقطع شكست آن خاكستری است. از آنجا كه بخش عمده قطعات ریختگی چدنی را از جنس چدن خاكستری می سازند, واژه عمومی چدن را, غالباً به غلط در مورد چدن خاكستری به كار می برند.

چدن‌ خاکستری (Gray Cast Iron) سیال‌ ترین آلیاژ آهنی بوده و مقاطع پیچیده و نازک را می ‌توان از آن تولید کرد. اگر ترکیب شیمیایی چدن در گستره چدن خاکستری و آهنگ انجماد مناسب و درستی باشد، کربن موجود در آهن به هنگام انجماد جدا شده و رشته‌های گرافیتی را تشکیل می‌دهند(شکل زیر). این چدن هادر سختی ‌هایی که مقاومت سایش خوب دارند دارای تراش ‌پذیری عالی هستند. سطح شکست چدن خاکستری به رنگ خاکستری دوده‌ای است و از این رو چدن خاکستری نامیده می‌شوند.

چدن خاکستری دارای ویژگی‌های متعدد و مفیدی بوده و برای ریخته گری در اشکال پیچیده و در ابعاد کوچک و بزرگ هنوز مورد علاقه مهندسان طراح می ‌باشد. امروزه، به علت ارزانی و سادگی انجام کار، حدود ۷۵% وزنی تمام قطعات ریختگی از چدن خاکستریاست. در این نوع چدن، گرافیت رشته ‌ای موجب ایجاد خواص ویژه‌ای مانند؛ تراش‌ پذیری عالی در سختی هایی که مقاومت سایشی بالاست، مقاومت به ‌خوردگی سایشی با روغنکاری محدود، و قدرت جذب ارتعاش عالی می شود. وقتی استحکام فشاری، پایداری ابعاد، و قرار گرفتن دقیق تحت تنش مورد نیاز باشد، چدن خاکستری با فولادهای پر استحکام قابل مقایسه است.

مقدار، اندازه، شکل و پراکندگی گرافیت یا کاربید، مبانی اصلی تعیین کننده خواص استحکامی چدن های خاکستری می باشند و کنترل آنها اهمیت زیادی در تولید چدن خاکستری دارد. ساختار گرافیت در چدن های خاکستری ممکن است در اثر تغییرات ذوب، جوانه زایی، سرعت انجماد و تاثیر بعضی از عناصر هر چند جزیی تغییر زیادی پیدا کند. گرافیت می تواند به صورت ورقه های درشت یا ریز به صورت پراکنده به وجود آید.

اثر عناصر آلیاژی بر چدن خاکستری

سیلیسیوم: در بین عناصر آلیاژی قوی ترین عامل گرافیت زا به شمار می رود. این عنصر احتمالا با آهن ترکیب Fe₃Si تشکیل داده و از خود، گرافیت آزاد به جای گذاشته که بیشترین مقدار موثر آن حدود ۳% است.

نیکل: نیز به گرافیته شدن کمک می کند ولی تاثیر آن تنها به اندازه نصف تاثیر سیلیسیوم می باشد. نیکل وزن مخصوص چدن را زیاد کرده و از میزان تخلخل آن به نحو قابل توجهی می کاهد. نیکل همراه با کمی سیلیسیوم با تغییر ساختار پرلیت درشت به پرلیت ریز و نهایتا به مارتنزیت، زمینه چدن را به طور یکنواخت سخت و مقاوم می سازد، به ریز شدن دانه کمک کرده و پراکندگی گرافیت را در یک حالت بسیار ریز افزایش می دهد و در نتیجه استحکام و سختی را بهبود می بخشد. این عنصر در ترکیبات چدن با عناصری نظیر کروم جهت حصول یکنواختی ریخته گری قطعات با ضخامت متغیر، کاربرد وسیعی دارد.

کروم: کاربیدهای پایداری تشکیل داده و به تشکیل پرلیت لایه ای و سخت تر کمک می کند. بنابراین استحکام، سختی و مقاومت به فرسایش را افزایش می دهد. در مقادیر ۱٫۵-۱ درصد مقاومت به نرم شدن و اکسیده شدن را زیاد می کند و از گرافیته شدن قسمت های نازک تر جلوگیری می کند.

مولیبدن: هنگام سرد کردن، سرعت تبدیل آستنیت به پرلیت را کاهش داده و در نتیجه پرلیت بسیار ریزی تشکیل می دهد که به نحو قابل توجهی استحکام، سختی و عمر خستگی را زیاد می کند. مولیبدن موثرترین عنصر آلیاژ دهنده برای افزایش استحکام چدن بوده و یکنواختی ساختاری در قطعات سنگین را زیاد می کند و سختی  پذیری را بهبود می بخشد.

مس: تشکیل گرافیت را تسریع می کند ولی فقط حدود یک پنجم قدرت گرافیت کنندگی سیلیسیوم را دارد، مقاوم کننده متوسط زمینه چدن بوده و نقاط سمنتیتی حجیم را تجزیه می کند. سختی چدن هایی را که خاصیت تبریدی زیادی دارند کم می کند ولی در چدن های خاکستری معمولی باعث افزایش سختی، مقاومت به سایش و خوردگی می شود.

وانادیم: به نحو موثری به ریزتر شدن ذرات چدن کمک کرده و سختی چدن و پایداری کاربید را زیاد می کند. همچنین سختی تبریدی، سفتی و مقاومت به سایش را افزایش می دهد.

فسفر: که مقدار آن در چدن خاکستری اصولا بین ۰٫۸-۰٫۰۲% می باشد. فسفر سیالیت ذوب را افزایش می دهد و در مقادیر بالاتر از ۰٫۱۵% اغلب به صورت اجزای یوتکتیک (استدیت) با نقطه ذوب ۹۸۰-۹۵۰ درجه سانتی گراد یافت می شود. به علت وضعیت جدایی یا تفکیکی استدیت معمولا الگوی سلولی با مشخصه اندازه سل یوتکیتیک که در طول انجماد توسعه پیدا می کند به خود می گیرد. مقدار فسفر اضافی سبب افزایش سختی و استحکام کششی می شود و شکنندگی چدن ها به علت تشکیل استدیت بالا می رود.

ترکیب شیمیایی مذاب و سرعت سرد شدن مبنای اصلی در تعیین خواص چدن خاکستری می باشد. چدن های خاکستری با نام آلیاژ آهن-کربن-سیلیسیوم-فسفر شناخته می شوند و هر کدوام این عناصر روی ساختار میکروسکوپیف خواص مکانیکی و سختی اثرات مهمی دارند. با افزایش میزان کربن در مذاب، استحکام و سختی قطعه ریختگی کاهش می یابد زیرا مقدار گرافیت بیشتر و اندازه آن درشت تر می شود. از طرف دیگر، نگهداری ذوب در دماهای بالا و یا دماهای ریخته گری به علت تاثیر روی نوع، شکل و پراکندگی گرافیت، اثرات قابل توجهی بر خواص مکانیکی قطعه ریختگی دارد.

دسته بندی چدن های خاکستری

معمولا چدن ‌های خاکستری را بر مبنای حداقل استحکام کششی که در یک اندازه مقطع معین به‌ دست می‌آید دسته ‌بندی می ‌کنند. بیشتر چدن ‌های خاکستری طبق ASTM با مشخصات A48 دسته‌بندی می‌شوند، که دارای گروه‌ هایی با استحکام کششی ۲۰۰۰۰ تا psi ۶۰۰۰۰ می‌باشند (جدول زیر). مشخصات دیگر برای محصولات خاص به‌ کار می‌رود. استحکام چدن ‌های خاکستری بیشتر به ساختار زمینه و اندازه، توزیع و نوع رشته‌های گرافیت بستگی دارد.

بر مبنای مقدار کربن، چدن‌های خاکستری را به‌ صورت هایپو یوتکتیک و هایپر یوتکتیک دسته‌بندی می‌کنند. مثلا؛ چدن خاکستری با%۲Si دارای ترکیب یوتکتیکی با ۳٫۶%C است. هر چدن خاکستری با کمتر از۳٫۶C % و %۲Si به‌عنوان هایپو یوتکتیکی، و چدنی با بیش از ۳٫۶C % و %۲Si به‌عنوان هایپر یوتکتیکی دسته‌بندی می ‌شود.

خواص چدن خاكستری از ابعاد, مقدار, و توزیع پولك های گرافیت, و سختی نسبی فلز زمینه در پیرامون گرافیت, تأثیر می پذیرد.این عوامل را می توان با كنترل مقدار كربن و سیلیسیم فلز مذاب و آهنگ سرمایش قطعه ریختگی تنظیم كرد. هرچه چدن آهسته تر سرد شود و مقدار كربن و سیلیسیم آن بیشتر باشد, تمایل به ایجاد پولك های بیشتر و بزرگتر گرافیت, ساختار زمینه نرم تر, و استحكام كمتر افزایش می یابد. گرافیت پولكی خواص بی همتایی به چدن خاكستری می بخشد كه از جمله می توان به ماشینكاری پذیری عالی در ترازهایی از سختی با بیشترین مقاومت در برابر سایش, توانایی مقاومت در برابر برهم سایی, و میرایی لرزه عالی ناشی از خطی نبودن رابطه تنش- كرنش در تنش های نسبتاً كم اشاره كرد.

چندین عامل بر هسته زایی و رشد پولك های گرافیت تأثیر می گذارند. مقدار گرافیت و نیز ابعاد و توزیع آن تأثیر مهمی برخواص چدن دارند.

در سیستم آهن-كربن پایدار، تمامی كربن بصورت گرافیت ظاهر می‌شود.

انواع چدن‌های خاكستری از نظر شكل گرافیت

• چدن‌های خاكستری با گرافیت كلوخه‌ای یا شكوفه‌ای یا چدن‌های مالیبل با چكش‌خوار
• چدن خاكستری با گرافیت ورقه‌ای یا فلسی یا پولكی
• چدن خاكستری با گرافیت كروی یا چدن داكتیل یا SG و یا چدن نشكن
• چدن خاكستری چشم گاوی (این نوع چدن ما بین خاكستری و سفید می‌باشد كه به علت گرافیتهای نسبتاً بزرگ در بین فاز روشن رنگ فریت به این اسم مشهور است.

در سیستم آهن كربن ناپایدار نمی‌توان گفت تمام كربن به صورت گرافیت آزاد رسوب می‌كند چون شرایط تبرید و انجماد در نوع چدن حاصل نقش دارد.

انواع چدن‌ها از نظر فاز زمینه

• زمینه فریتی
• زمینه فریتی-پرلیتی
• زمینه پرلیتی
• زمینه مارتنزیتی
• زمینه آستنیتی
• زمینه بینیتی

 ۴-چدن داكتیل

این چدن را گاهی به نام چدن با گرافیت كروی یا SG نیز می شناسند. در چدن داكتیل می توان به تركیبی غیر متعارف از خواص دست یافت زیرا در این نوع چدن, گرافیت به جای پولك های جداگانه به صورت كره یا گویچه ظاهر می شود. این شیوه انجماد با افزودن مقداری اندك, ولی كاملاً معین از منیزیم به چدن مذابی با تركیب شیمیایی مناسب به دست می آید. چدن پایه ازلحاظ دارا بودن بعضی عنصرهای فرعی كه مانع تشكیل گرافیت كروی می شوند، محدودیت زیادی دارد

زیاد بودن مقدار كربن وسیلیسیم در چدن داكتیل از لحاظ فرایند ریخته گری مزایایی در بر دارد, اما گویچه های گرافیت بر خواص مكانیكی تأثیر جزئی می گذارند. رابطه تنش كرنش در چدن داكتیل همانند چدن چكش خوار خطی است و این نوع چدن گستره وسیعی از استحكام تسلیم را ارائه می كند و همان گونه كه از نام آن بر می آید داكتیل است. قطعات ریختگی چدن داكتیل در گستره وسیعی از ابعاد مختلف ومقاطع گوناگون, از بسیار نازك تا بسیار ضخیم, تولید می شوند.

رده های مختلف این نوع چدن با تنظیم ساختار زمینه در پیرامون گرافیت, به حالت سیاه تاب یا با انجام عملیات گرمایی تولید می شوند.بین رده های معمولی این نوع چدن, از لحاظ تركیب شیمیایی تفاوت اندكی وجود دارد, و این گونه تنظیم ها را برای بهبود ریزساختار زمینه مطلوب انجام می دهند. برای تنظیم ساختار زمینه چدن داكتیل در حالت سیاه تاب یا آماده سازی آن برای عملیات گرمایی می توان عنصرهای آلیاژی را به چدن افزود. چدن های داكتیل و چدن های داكتیل آلیاژی با تركیب شیمیایی خاص, خواص غیر متعارفی دارند كه در كاربردهای ویژه به كار می آیند.

۵-چدن با گرافیت فشرده

گرافیت موجود در این نوع چدن به صورت پولك های كلفت دیده می شود كه در درون هر سلول به یكدیگر متصل اند. این ساختار گرافیت و خواص ناشی از آن, حالتی بینابین چدن خاكستری و چدن داكتیل است. شكل گرافیت فشرده مدت هاست كه شناخته شده و آن را شبه پولك, پولك متراكم, شبه گره ای, و گرافیت كرم مانند نیز می نامند. فرایند تولید این نوع چدن مشابه چدن داكتیل و مستلزم كنترل دقیق متالورژیكی و افزودن عناصر خاكی كمیاب است, اما تولید چدن با گرافیت فشرده مستلزم افزودن عنصر آلیاژی دیگری از قبیل تیتانیم نیز هست تا تشكیل گرافیت كروی به حداقل برسد. چدن با گرافیت فشرده بیشترین قابلیت ریخته گری چدن خاكستری را حفظ می كند, استحكام كششی بیشتری دارد و تا حدودی نیز داكتیل است. با افزودن عنصرهای آلیاژی, یا انجام عملیات گرمایی می توان ساختار زمینه این چدن را تنظیم كرد.

۶-چدن های آلیاژی

این دسته از چدن ها شامل چدن های سفید آلیاژی, چدن های خاكستری آلیاژی, و چدن های داكتیل آلیاژی است.چدن های چكش خوار پر آلیاژ نمی شوند زیرا وجود عناصر آلیاژی مانع از انجام فرایند چكش خواری می شود. چدن های با گرافیت فشرده هنوز عمر چندانی ندارند ونمی توان نقش آنها را در عرصه چدن های آلیاژی ارزیابی كرد.

چدن های آلیاژی در مواردی كه مستلزم مقاومت فوق العاده در برابر سایش, گرما, یا خوردگی است, به كار می روند. به علاوه هنگامی كه خواص فیزیكی غیر متعارف, از قبیل انبساط گرمایی اندك,یا خواص غیر مغناطیسی در نظر باشد از این چدن ها استفاده می شود. قطعات ریختگی چدن آلیاژی به وسیله ریخته گری هایی تولید می شوند كه در این زمینه تخصص دارند,زیرا افزودن۳ تا ۳۰ درصد عنصر آلیاژی به چدن مذاب مستلزم در اختیار داشتن تجهیزات ذوب, فنون ریخته گری, و كنترل كیفیت ویژه است. شناسایی وتعیین خواص ویژه  مورد نیاز درچدن های آلیاژی غالباً بسیار دشوار است,بنابراین همواره آنها را بر اساس تركیب شیمیایی مشخص می كنند. خواص مكانیكی مورد نظر را نیز, در مواردی كه اهمیت داشته باشند, می توان مشخص كرد. چدن های آلیاژی را بر اساس نوع كاربرد غیر متعارف و مشخصه های ویژه آنها دسته بندی می‌كنند.

تغییر كربن معادل در چدن های خاكستری

مقدار گرافیت های ورقه ای مهم ترین عاملی است كه بر روی استحكام و خواص دیگر چدن خاكستری تأثیر می گذارد و تغییر در مقدار آن ها علت اصلی تغییر استحكام چدن هاست كه با استاندارد انگلیسی BS1452 مشخص شده و تا ردیف های ۲۶۰ و یا ۳۰۰ تغییر می كند.

ساختار زمینه در صورتی پرلیتی كامل است كه مقدار سیلیسیم كمتر یا مقدار منگنز زیادتر باشد و به همین ترتیب بر اثر وجود مقادیر بسیار كم و جزئی از عناصر پایدار كننده پرلیت از قبیل: آرسنیك, كرم, مس, نیكل و قلع در مواد اولیه یا قراضه های برگشتی می توان زمینه ای كاملاً پرلیتی به دست آورد.

در مورد چدن هایی كه دارای استحكام كمتری هستند, ساختار زمینه دارای اهمیت كمتری نسبت به نوع گرافیت ها در چدن است, در صورتی كه در چدن های با استحكام و مقاومت زیاد, نوع ساختار زمینه اهمیت زیادی دارد به طوری كه در چنین مواردی سعی می شود تا ساختارهایی كاملاً پرلیتی و یا بینایتی تولید گردد.

تأثیر تغییر ضخامت در ساختار میكروسكوپی چدن خاكستری

به همان ترتیب كه در استاندارد BS1452:1977 نشان داده شده است, با افزایش ضخامت قطعه در چدن خاكستری, استحكام افت می كند و به همین دلیل معمولاً یك نمونه میله ای با قطر ۳۰ میلی متر به عنوان  مرجع برای استحكام و ساختار مورد استفاده قرار می گیرد.

تلقیح مواد گرافیت زا در چدن خاكستری

تلقیح یك ماده جوانه زا در چدن خاكستری عبارت است از اضافه كردن مقدار كمی از آن ماده به منظور آزاد شدن گرافیت ها از حالت تركیبی سمنتیت كه در این حال سل های یوتكتیكی در ساختار چدن افزایش پیدا كرده و هم چنین فوق تبرید در حین انجماد نیزكاهش می یابد.

در حقیقت تلقیح و اضافه كردن مواد گرافیت زا به عنوان كاتالیزور باعث سریع تر جدا شدن گرافیت ها از حالت تركیبی گردیده و اغلب در چدن های با استحكام بیشتر و كربن كمتر مورد استفاده قرار می گیرد و در نتیجه گرافیت های آزاد به ویژه در مقاطع نازك تر قطعه به سهولت ایجاد می شود ولی در صورت عدم استفاده از چنین موادی كاربیدها و به ویژه سمنتیت در جداره خارجی و قسمت های نازك تر قطعه به وجود می‌آید.

به طور كلی مواد جوانه زا اغلب به صورت تركیبات آلیاژی شامل عنصر جوانه زاست كه به طور مثال مواد جوانه زایی كه در چدن ها مورد استفاده قرار می گیرد, معمولاً فرو سیلیسیم و كلسیم سیلیسید است كه از عنصر سیلیسیم غنی است, هم چنین در مورد چدن ها از SMZ نیز استفاده می شود.

یك ماده جوانه زای مناسب عبارت از ماده ای است كه افزودن مقادیر كمی از آن بدون آن كه تغییر قابل ملاحظه ای در تركیب شیمیایی آلیاژ كند اثر مناسب و كافی بر روی ساختار داخلی ایجاد كند.

استحكام چدنی كه قبل از تلقیح یك ماده جوانه زا دارای ساختاری گرافیتی است, معمولاً پس از تلقیح به دلایل زیر افزایش می یابد:

الف) افزایش در تعداد سل های یوتكتیكی

ب) گرافیت های فوق تبرید اغلب همراه با فریت هستند و در صورت ایجاد گرافیت های بدون جهت در این حالت, اغلب زمینه به صورت كاملاً پرلیتی می گردد كه در نتیجه استحكام را افزایش می دهد.

ج) مواد جوانه زای سیلیسیم دار مهمولاً حاوی آلومینیم هستند و وجود آلومینیم در چدن های پرلیتی باعث ازدیاد در استحكام آنها می گردد.

چدن سفید

تمام كربن یوتكتیكی در چدن های غیر آلیاژی قطعاتی كه در حین انجماد در قالب های ماسه ای دارای ضخامت های نازك و متوسطی بوده و حاوی مقدار سیلیسیم كمتری باشند, بدون استفاده از تلقیح مواد جوانه زا به كاربید آهن تبدیل می گردند. چنین چدن هایی دارای مقاطع شكست سفید بوده و به چدن های سفید موسوم هستند.

این نوع چدن ها به صورت غیر آلیاژی و نیز همراه با مقادیر قابل توجهی از عناصر كاربیدزا مانند كرم یا وانادیم مورد استفاده قرار می گیرند. مقاومت در مقابل ساییدگی و سایش چدن های سفید دلیل اصلی استفاده از این نوع چدن ها در صنعت محسوب می گردد.

چدن مختلط

در صورتی كه تركیب شیمیایی چدنی كه در یك قالب ماسه ای ریخته گری می گردد در حد وسط یك چدن خاكستری و چدن سفید قرار گیرد، دارای ساختاری مخلوط از گرافیت و كاربید آهن (یوتكتیكی) خواهد بود كه به چدن مخلوط مشهور است. این نوع چدن دارای سطح مقطع شكست مخلوط از سفید و خاكستری بوده و در بسیاری موارد به عنوان یك چدن مقاوم در مقابل سایش نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

به همین ترتیب, در یك حالت دیگر و در شرایطی كه سرعت سرد شدن قسمت های مختلف یك قطعه به دلیل اختلاف ضخامت متفاوت باشد در این صورت مقطع نازك تر دارای ساختار چدن سفید و مقطع ضخیم تر به صورت ساختار یك چدن خاكستری منجمد می گردد و در نتیجه حد وسط دو مقطع مورد نظر ساختار مخلوط از دو نوع ساختار را خواهد داشت.

موارد استفاده

برای ساخت پل، لوله‌ها، درپوش چاه‌های خیابان، ماشین آلات و بسیاری چیزهای دیگر تا زمان جایگزین شدن استیل استفاده می‌شد. شكل توسعه یافته اش به عنوان خرپای سقف، شاقول كردن، خطوط گازی و هم چنین پنجره‌های دكوراتیو استفاده می‌شده است.

معایب و مزایا

چدن دارای مزیت‌ها و معایبی در معماری است. در فشرده سازی قوی و در كشش و خمش ضعیف است. مقاومت و سختی آن مخصوصاً در حرارت بالا (هنگام آتش‌سوزی) بسیار پایین می‌آید.