چدن ( Cast Iron ) یکی از قدیمی‌ترین و پرکاربردترین آلیاژهای فلزی در صنعت خودرو است که از ترکیب آهن ( Fe ) با مقدار قابل‌توجهی کربن ( بین ۲ تا ۴ درصد ) به دست می‌آید. این فلز معمولاً حاوی عناصر دیگری مانند سیلیسیم، منگنز، گوگرد و فسفر نیز هست.
در ادامه این مطلب از مجله اینترنتی خودروآموز، به بررسی تاریخچه و کاربرد فلز چدن در صنعت تولید خودرو می پردازیم.
تاریخچه چدن در صنعت خودرو
استفاده از چدن به قرن نوزدهم و آغاز ساخت موتورهای درون‌سوز باز می‌گردد. در اوایل قرن بیستم، خودروسازانی چون فورد و بیوک شروع به استفاده گسترده از چدن در ساخت بلوک سیلندر، سرسیلندر و منیفولد اگزوز کردند.
دلیل اصلی این انتخاب، مقاومت بالا در برابر حرارت، هزینه پایین و قابلیت ریخته‌گری پیچیده چدن بود.
کاربردهای اصلی چدن در خودرو
بلوک سیلندر موتور: به دلیل مقاومت عالی در برابر گرما و فشار بالا.
سرسیلندر: برخی موتورهای قدیمی یا موتورهای دیزلی هنوز از سرسیلندر چدنی استفاده می‌کنند.
منیفولد دود ( اگزوز ): به علت تحمل حرارت بالا و عدم تغییر شکل.
دیسک ترمز: چدن خاکستری ( Gray Cast Iron ) به دلیل اصطکاک مناسب و مقاومت حرارتی زیاد.
و همچنین در پوسته دیفرانسیل، دسته موتور، فلایویل و سایر قطعاتی که نیاز به استحکام بالا دارند.
علت کاربرد چدن در بلوک سیلندر و سرسیلندر
کاربرد چدن در بلوک سیلندر و گاهی در سرسیلندر خودرو به دلیل ترکیبی از ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و اقتصادی آن است. در ادامه، علت ها را دقیق و مهندسی شرح می دهیم:
۱. مقاومت بالا به سایش و اصطکاک: دیواره سیلندر در تماس دائمی با رینگ پیستون و روغن موتور است. چدن، مخصوصاً چدن خاکستری، دارای گرافیت های پولکی است که خاصیت روان‌کاری طبیعی دارد و باعث کاهش اصطکاک و سایش می‌شود.
۲. جذب ارتعاش عالی: چدن به خاطر ساختار گرافیتی اش، توانایی خوبی در جذب ارتعاشات و نویز دارد؛ این ویژگی برای قطعه‌ای مثل بلوک سیلندر که در معرض انفجارهای مکرر درون محفظه احتراق است، بسیار مهم است.
۳. پایداری ابعادی در برابر گرما: بلوک سیلندر دائم در معرض تغییرات دمایی شدید است. چدن در مقایسه با آلومینیوم، کمتر دچار تغییر شکل یا انبساط حرارتی شدید می‌شود. این یعنی بلوک مدت طولانی تری شکل و عملکرد خود را حفظ می‌کند.
۴. استحکام فشاری بالا: چدن نسبت به فولاد یا آلومینیوم، مقاومت بیشتری در برابر فشارهای داخلی ناشی از احتراق دارد.
۵. قیمت پایین تر: چدن ارزان تر و راحت تر در قالب‌گیری نسبت به آلیاژهای آلومینیوم یا فولاد است. این موضوع برای تولید انبوه خودرو اهمیت زیادی دارد.
۶. قابلیت ماشین‌کاری مناسب: چدن خاکستری به‌خاطر گرافیت های داخلش، راحت‌تر ماشین‌کاری می‌شود و به ابزار آسیب کمتری می‌زند، در حالی که چدن سفید این ویژگی را ندارد.
گرافیت چیست؟
گرافیت در چدن، شکل کربن آزاد موجود در ساختار چدن است. وقتی چدن سرد می‌شود، بخشی از کربن موجود در آن نمی‌تواند در ساختار فلز حل شود و به صورت بلورهای کربن ( گرافیت ) جدا می‌شود.
نوع، شکل و پراکندگی گرافیت تأثیر زیادی بر خواص مکانیکی چدن دارد.
انواع گرافیت در چدن‌ها
گرافیت ورقه‌ای ( Flake Graphite ): در چدن خاکستری دیده می‌شود. به شکل رشته‌ها یا پولک‌های باریک است.
ویژگی: انتقال حرارت خوب، جذب لرزش، اما مقاومت پایین به کشش و ضربه.
گرافیت کروی ( Nodular or Spheroidal Graphite ): در چدن داکتیل دیده می‌شود. گرافیت به شکل کره‌ای است.
ویژگی: چقرمگی و استحکام بالا، مناسب برای قطعات تحت فشار و نیروهای دینامیکی.
گرافیت فشرده ( Compacted or Vermicular Graphite ): حالتی بین ورقه‌ای و کروی دارد.
ویژگی: خواصی بین چدن خاکستری و داکتیل، کاربرد در بلوک های سیلندر و سرسیلندر جدید.
چرا گرافیت مهم است؟
چدن به خاطر وجود گرافیت رفتار متفاوتی نسبت به فولاد دارد. زیرا گرافیت جذب‌کننده ارتعاشات است، ماشین‌کاری را آسان‌تر می‌کند، اما باعث شکنندگی بیشتر در صورت ورقه‌ای بودن می‌شود.
در نتیجه، کنترل نوع گرافیت در هنگام ریخته‌گری، کلید تنظیم خواص چدن است.
تفاوت چدن با آلومینیوم
در خودروهای امروزی، برخی بلوک‌های سیلندر و اکثر سرسیلندرها از آلومینیوم ساخته می‌شوند، چون سبک‌تر است و باعث کاهش مصرف سوخت می‌شود. اما هنوز هم در خودروهای دیزلی یا موتورهای پرقدرت از چدن برای بلوک سیلندر استفاده می‌شود چون:
- فشار احتراق بالاتری دارند
- گرمای بیشتری تولید می‌کنند
- نیاز به دوام طولانی‌تر دارند
در نتیجه چدن، به‌ویژه چدن خاکستری، به‌دلیل استحکام فشاری بالا، مقاومت عالی در برابر سایش و حرارت، جذب ارتعاش خوب و قیمت مناسب، همچنان یکی از انتخاب‌های اصلی برای ساخت بلوک سیلندر خودرو است. این فلز برای کارکرد طولانی مدت موتور و تحمل شرایط سخت احتراق بسیار مناسب است.
خواص فیزیکی و مکانیکی چدن
- مقاومت به حرارت بالا: تغییر شکل نمی‌دهد در دماهای بالا
- قابلیت ریخته‌گری خوب: می‌توان قطعات پیچیده با آن ریخت
- مقاومت فشاری بالا: مناسب برای قطعاتی با تنش‌های بالا
- رسانایی حرارتی خوب: انتقال مؤثر گرما
- قابلیت ماشین‌کاری متوسط تا خوب: بسته به نوع چدن
- ترد بودن ( شکنندگی ): مقاومت کششی و ضربه‌ای پایین‌تر نسبت به فولاد
انواع چدن مورد استفاده در خودرو
۱. چدن خاکستری
چدن خاکستری ( Gray Cast Iron ) رایج ترین نوع چدن است که به دلیل داشتن گرافیت پولکی شکل در ساختارش، سطح شکست آن به رنگ خاکستری دیده می‌شود و نام خود را از همین ویژگی گرفته است.
ترکیب و ساختار
- عنصر اصلی: آهن ( Fe )
- کربن: حدود ۳ تا ۳.۵ درصد، عمدتاً به صورت گرافیت پولکی
- سیلیسیم: حدود ۱.۵ تا ۲.۵ درصد، کمک می‌کند کربن به صورت گرافیت جدا شود.
- سایر عناصر: منگنز، فسفر، گوگرد ( در مقادیر کم )
ویژگی‌های مهم چدن خاکستری
- رسانایی حرارتی بالا: انتقال مؤثر گرما، برای قطعاتی که با گرما سر و کار دارند مانند دیسک ترمز یا بلوک سیلندر
- قابلیت ماشین کاری خوب: گرافیت باعث شکست آسان براده ها می‌شود
- استحکام فشاری بالا: مناسب برای قطعاتی که تحت فشار زیاد قرار دارند
- جذب ارتعاش بسیار خوب: برای جلوگیری از لرزش موتور یا سیستم ترمز
- شکننده بودن: چون گرافیت ها مانند ترک عمل می کنند، مقاومت کششی و ضربه ای پایینی دارد
کاربردهای چدن خاکستری در خودرو
دیسک ترمز: به‌دلیل مقاومت در برابر سایش، انتقال حرارت بالا و جذب ارتعاش
بلوک سیلندر و سرسیلندر: به‌ویژه در موتورهای قدیمی‌تر یا سنگین‌تر
منیفولد دود: در برابر گرمای بالا مقاوم است
پوسته دیفرانسیل و قطعات سنگین: که نیاز به استحکام بالا دارند
مزایا
- قیمت پایین
- فراوانی و تولید آسان
- عملکرد خوب در دماهای بالا
- تحمل سایش بالا
معایب
- ترد و شکننده: در برابر ضربه مقاومت ندارد
- سنگین: چگالی بالا نسبت به آلومینیوم یا چدن داکتیل
۲. چدن داکتیل
چدن داکتیل ( Ductile Cast Iron ) که با نام های دیگر مانند چدن نشکن یا چدن گره‌ای ( Nodular Cast Iron ) نیز شناخته می‌شود، نوعی چدن اصلاح شده است که برخلاف چدن خاکستری، گرافیت آن به شکل کروی در می‌آید. همین شکل کروی باعث افزایش چقرمگی، کشش پذیری و مقاومت به ضربه می‌شود.
ترکیب و ساختار
- عنصر پایه: آهن
- کربن: ۳ تا ۴ درصد ( مانند چدن خاکستری )
- سیلیسیم: ۱.۸ تا ۲.۸ درصد
عنصر کلیدی: منیزیم ( Mg ) یا سریم ( Ce ) که در حین ریخته‌گری اضافه می‌شود تا گرافیت‌ها به‌جای پولک، به شکل کُره‌ای رشد کنند.
ویژگی‌های مهم چدن داکتیل
چقرمگی و استحکام کششی بالا: برخلاف چدن خاکستری، در برابر ضربه و کشش مقاوم است.
قابلیت شکل‌پذیری: می‌تواند تحت فشار یا کشش بدون شکست تغییر شکل دهد.
مقاومت به سایش و خوردگی خوب: به‌ویژه در ترکیبات خاص
ماشین‌کاری نسبتاً خوب: نه به خوبی چدن خاکستری، ولی قابل قبول
مقاومت حرارتی مناسب: در دماهای بالا خواص مکانیکی را حفظ می‌کند
کاربردهای چدن داکتیل در خودرو
- میل‌لنگ: نیاز به تحمل فشار بالا و ضربه‌های رفت و برگشتی موتور
- قطعات تعلیق و فرمان ( مثل اکسل، بازوها ): تحمل وزن و تنش بالا در حرکت
- پوسته‌های جعبه‌دنده ( گیربکس ) و دیفرانسیل: مقاومت خوب به تنش و سایش
- سیلندرهای ترمز و سیستم‌های هیدرولیک: مقاومت مکانیکی + شکل‌پذیری بالا
مزایا
- استحکام بسیار بیشتر از چدن خاکستری
- خاصیت جذب انرژی در تصادف یا ضربه ( ایمنی )
- مقاومت بالا به شکست ناگهانی
- طول عمر بالا
معایب
- هزینه تولید بالاتر نسبت به چدن خاکستری
- کنترل دقیق‌تری در فرآیند ریخته‌گری نیاز دارد
- کمی سخت تر برای ماشین‌کاری
بنابراین چدن داکتیل ترکیب مقاومت مکانیکی بالا با خواص جذب ضربه و شکل‌پذیری است. به همین دلیل، در بخش‌هایی از خودرو که تنش‌های زیاد یا ضربه‌های ناگهانی وجود دارد، بسیار مناسب‌تر از چدن خاکستری است.
۳. چدن سفید
چدن سفید ( White Cast Iron ) یکی از انواع اصلی چدن است که به دلیل نبود گرافیت آزاد، سطح شکست آن به رنگ روشن یا نقره‌ای دیده می‌شود و به همین دلیل « چدن سفید » نامیده شده است.
ویژگی‌های ساختاری و شیمیایی چدن سفید
ترکیب شیمیایی: 2 تا ۴ درصد کربن، ۰.۵ تا ۲ درصد سیلیسیم، همراه با آهن و عناصر جزئی دیگر
ساختار گرافیتی: برخلاف چدن خاکستری و داکتیل، گرافیت در این نوع وجود ندارد و به‌جای آن، ترکیبات سخت سمنتیت ( Fe₃C ) شکل می‌گیرد.
سختی بالا: بسیار سخت و شکننده به دلیل حضور بالای سمنتیت ( آهن-کاربید )
خواص چدن سفید
- سختی: بسیار بالا
- استحکام کششی: نسبتاً پایین
- شکنندگی: بسیار زیاد؛ شکست ناگهانی دارد
- مقاومت به سایش: عالی
- قابلیت ماشین‌کاری: بسیار ضعیف ( نیاز به ابزار خاص دارد )
- رنگ سطح شکست: نقره‌ای یا سفید ( برخلاف خاکستری )
چگونه تولید می‌شود؟
برای تولید چدن سفید، محتوای سیلیسیم را پایین نگه می‌دارند ( زیرا سیلیسیم به تشکیل گرافیت کمک می‌کند ). در عوض، با سرد کردن سریع مذاب، فرصت تبدیل کربن به گرافیت گرفته می‌شود و کربن به صورت سمنتیت سخت باقی می‌ماند.
کاربرد چدن سفید در خودرو
- پوشش داخلی سیلندر موتور (در برخی موارد): مقاومت بالا به سایش
- لنت‌های ترمز ( نوع خاصی از چدن سفید آلیاژی ): سختی و اصطکاک بالا
- آستری پمپ ها یا قطعات سایشی: عملکرد در محیط های پر اصطکاک و ساینده
- پایه‌ریزی تولید چدن مالیبل: با حرارت دهی چدن سفید، می‌توان چدن مالیبل ساخت که خواص مکانیکی بهتری دارد
مزایا
- مقاومت فوق‌العاده در برابر سایش
- مناسب برای محیط‌های ساینده و پر اصطکاک
- پایه تولید چدن‌های اصلاح‌شده (مثل چدن مالیبل)
معایب
- شکننده و بدون چقرمگی
- ماشین‌کاری سخت و پرهزینه
- کاربرد محدود در قطعات ساختاری یا دینامیکی
در نتیجه چدن سفید به دلیل سختی بسیار بالا و مقاومت عالی در برابر سایش، برای قطعات غیرسازه‌ای و سایشی در خودرو مناسب است. اما به‌دلیل شکنندگی زیاد، در بخش‌هایی که فشار، ضربه یا تغییر شکل وجود دارد استفاده نمی‌شود.
مزایای استفاده از چدن در خودرو
- قیمت پایین نسبت به فولاد
- قابلیت شکل‌دهی و ریخته‌گری آسان
- مقاومت مناسب در برابر خوردگی ( بویژه در چدن خاکستری )
- عمر طولانی قطعات
معایب
- وزن بالا ( چگالی بیشتر از آلومینیوم )
- شکنندگی در برابر ضربه
- دشواری در جوشکاری
- نحوه استخراج چدن
چدن در طبیعت به‌صورت مستقیم وجود ندارد، بلکه از سنگ آهن ( ماده خام طبیعی ) استخراج و تولید می‌شود. در ادامه، مراحل کامل استخراج و تولید چدن از معدن تا خروجی کوره بلند را بررسی می نماییم.
مراحل استخراج چدن
۱. استخراج سنگ‌آهن از معدن: سنگ آهن ( مانند هماتیت یا مگنتیت ) از معادن رو باز یا زیرزمینی استخراج می‌شود.
سنگ‌آهن دارای مقدار زیادی اکسید آهن است که برای تبدیل به چدن باید اکسیژن آن جدا شود.
۲. آماده‌سازی و تغلیظ سنگ‌آهن: سنگ‌آهن خرد و دانه‌بندی شده و ناخالصی‌هایی مثل خاک و سیلیس جدا می‌شود.
گاهی آن را به‌صورت گندله ( Pellet ) درمی‌آورند تا سوخت رسانی در کوره بهتر انجام شود.
۳. ذوب در کوره بلند: سنگ‌آهن به همراه کک ( کربن فشرده حاصل از زغال‌سنگ ) و سنگ آهک ( برای جذب ناخالصی‌ها ) وارد کوره بلند می‌شود.
در کوره بلند که ارتفاعی حدود ۳۰ متر دارد، فعل و انفعالات زیر رخ می‌دهد:
- واکنش‌های اصلی: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
- کربن حاصل از سوختن کک، اکسیژن سنگ‌آهن را می‌گیرد و فلز آهن آزاد می‌شود.
۴. تولید چدن مذاب: آهن حاصل هنوز حاوی ۳ تا ۴ درصد کربن است، به‌همراه مقداری سیلیس، منگنز و فسفر. این ترکیب پرکربن همان چدن خام یا چدن مذاب است.
چدن مذاب در ته کوره جمع می‌شود و از شیار خروجی بیرون ریخته می‌شود.
۵. جداسازی سرباره: سنگ آهک ناخالصی‌ها را جذب کرده و تبدیل به سرباره می‌شود که روی سطح چدن مذاب شناور است. سرباره جداگانه تخلیه و در صنعت سیمان یا راه‌سازی استفاده می‌شود.
۶. ریخته‌گری یا تبدیل چدن به فولاد یا آلیاژ: چدن مذاب مستقیماً در قالب‌ها ریخته می‌شود تا قطعات تولید شود ( مثلاً بلوک سیلندر ). یا وارد کنورتور اکسیژن شده و با کاهش میزان کربن، به فولاد تبدیل می‌شود.
بنابراین چدن از سنگ‌آهن طی فرآیندی در کوره بلند تولید می‌شود که در آن سنگ‌آهن ذوب شده و اکسیژن آن گرفته می‌شود، و با جذب مقداری کربن به چدن تبدیل می‌شود.
این چدن پایه ساخت بسیاری از قطعات خودرو مثل بلوک سیلندر، دیسک ترمز، منیفولد، چرخ دنده ها و… است.
جمع بندی
چدن به‌دلیل خواصی مانند مقاومت بالا در برابر سایش، ریخته‌گری آسان، جذب ارتعاش و قیمت مناسب، یکی از مهم‌ترین فلزات در ساخت قطعات خودرو به شمار می‌رود. از جمله کاربردهای اصلی آن می‌توان به ساخت بلوک سیلندر، سرسیلندر، دیسک ترمز، منیفولد دود، چرخ‌دنده‌ها و پوسته گیربکس اشاره کرد.
انواع مختلف چدن مانند چدن خاکستری و داکتیل، بسته به نیاز به استحکام، مقاومت حرارتی یا شکل‌پذیری، در بخش‌های گوناگون خودرو استفاده می‌شوند. بهره‌گیری از چدن باعث افزایش دوام قطعات و کاهش هزینه‌های تولید می‌شود.
شش سوال رایج از کاربرد فلز چدن در تولید خودرو
۱. چدن چگونه از طبیعت به دست می‌آید و مراحل اصلی تولید آن چیست؟
پاسخ: چدن از طریق ذوب سنگ‌آهن در کوره بلند تولید می‌شود. در این فرآیند، سنگ‌آهن همراه با کک ( کربن ) و سنگ آهک وارد کوره می‌شود. کک باعث احیای آهن و تبدیل آن به فلز مذاب می‌شود. سنگ آهک نیز ناخالصی ها را جذب کرده و به صورت سرباره از کوره خارج می‌گردد. در نهایت، آهن مذاب با درصد بالای کربن به نام چدن شناخته می‌شود.
۲. چرا چدن به عنوان ماده‌ای مناسب برای تولید بلوک سیلندر و سرسیلندر استفاده می‌شود؟
پاسخ: چدن به دلیل مقاومت حرارتی بالا، قابلیت ریخته‌گری عالی، جذب ارتعاش و هزینه پایین تولید، گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت بلوک سیلندر و سرسیلندر است. این خواص باعث می‌شود قطعات موتوری تحت فشار و دمای بالا عملکردی پایدار و عمر طولانی داشته باشند.
۳. چدن خاکستری چیست و چه ویژگی‌هایی دارد که آن را برای صنعت خودرو مناسب کرده است؟
پاسخ: چدن خاکستری نوعی از چدن است که کربن آن به شکل گرافیت ورقه‌ای در ساختار وجود دارد. این ساختار باعث انتقال حرارت بالا، جذب لرزش و سهولت در ماشین‌کاری می‌شود. به همین دلیل برای قطعاتی مانند بلوک سیلندر، دیسک ترمز و قطعات سنگین که نیاز به تحمل فشار و حرارت دارند، بسیار مناسب است.
۴. چدن داکتیل چه تفاوتی با چدن خاکستری دارد و در چه بخش‌هایی از خودرو کاربرد دارد؟
پاسخ: چدن داکتیل یا نشکن، برخلاف چدن خاکستری، دارای گرافیت کروی است که باعث افزایش چقرمگی، استحکام کششی و انعطاف‌پذیری آن می‌شود. از این نوع چدن در ساخت قطعاتی مانند میل‌لنگ، بازوهای تعلیق، دنده‌ها و اجزای فرمان استفاده می‌شود؛ زیرا علاوه بر استحکام، باید در برابر ضربه نیز مقاوم باشند.
۵. چدن سفید چیست و چرا کاربرد کمتری در خودروسازی دارد؟
پاسخ: چدن سفید نوعی از چدن است که کربن آن به صورت کاربید آهن ( سخت و شکننده ) وجود دارد و سطح شکست آن براق و سفیدرنگ است. اگرچه این نوع چدن بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش است، اما شکنندگی بالا و ماشین‌کاری سخت، کاربرد آن را محدود کرده است. گاهی برای ساخت آستری‌ها یا قطعات مقاوم به سایش استفاده می‌شود.
۶. چه عواملی باعث شده‌اند چدن با وجود جایگزین‌هایی مانند آلومینیوم، همچنان در خودروسازی استفاده شود؟
پاسخ: چدن همچنان به دلیل ارزان بودن، قابلیت ریخته‌گری بالا، مقاومت مکانیکی خوب و جذب ارتعاش در بخش‌هایی از خودروسازی استفاده می‌شود. در حالی که آلومینیوم در بسیاری از قطعات جدید جایگزین چدن شده، اما برای قطعاتی که به استحکام بالا و قیمت پایین نیاز دارند، چدن همچنان انتخاب اول است.
