آهن، فولاد و چدن سه ماده ای هستند که شاید بسیاری آن‌ها را با هم اشتباه بگیرند. اما این سه ماده به هیچ وجه با هم یکی نیستند. پس از استخراج سنگ آهن و گداختن آن در کوره، آهن خام تولید می‌شود. چدن و فولاد، آلیاژهایی بر پایه آهن هستند که برخی ویژگی‌های آهن را بهبود بخشیده‌اند و یا خواص دیگری نیز به آن اضافه کرده‌اند. مهم ترین عنصری که باعث تفاوت بین این سه ماده شده، کربن است.
در این مقاله هرسه ماده آهن، فولاد و چدن را به طور کامل توضیح می‌دهیم و تفاوت هرسه را بیان می‌کنیم. با آی فولاد همراه باشید.
آهن چیست؟
آهن یک عنصر فلزی به رنگ خاکستری، با عدد اتمی 26، نقطه‌ی ذوب °C1538، نقطه‌ی جوش °C2861، چگالیg/cm3 787، جرم اتمی نسبی 847/55 و در دمای °C20 به حالت جامد است. پنج درصد از پوسته‌ی زمین از آهن تشکیل شده است و چهارمین عنصر فراوان بعد از آلومینیوم، اکسیژن و سیلیسیم و دومین عنصر فلزی فراوان بعد از آلومینیوم (حدود 35 درصد) است.
خواص آهن
از خواص این فلز میتوان به قابلیت فرومغناطیسی، شکل‌پذیری و انعطاف پذیری، حل شدن در اسید رقیق، رسانایی و ارزان بودن نام برد. آهن در هوای مرطوب و در دمای بالا شروع به زنگ زدن می‌کند و از نظر شیمیایی فعال است.
فولاد و چدن، آلیاژهای آهن هستند
فولاد و چدن هردو از آلیاژهای آهن هستند که هرکدام ویژگی‌های مخصوص به خود را دارند. از آلیاژهای آهن میتوان به فولاد، فولاد زنگ نزن، فولاد کربنی، چدن، آهن و نیکل، آهن و منگنز، آهن و تنگستن نام برد. به طور کلی، کربن اصلی‌ترین عنصر آلیاژی است که به آهن اضافه می‌شود. اگر میزان کربن اضافه شده بین 0 تا 14.2 درصد باشد، به آن فولاد و اگر بین 14.2 تا 67.6 درصد باشد به آن چدن گفته می‌شود.
برای بیشتر دانستن درباره انواع آلیاژهای بر پایه آهن، میتوانید به مقاله انواع فولاد آلیاژی در یک نگاه مراجعه کنید.فولاد چیست؟
فولاد ، آلیاژی بر پایه آهن است که 0.002 تا 2.14 درصد کربن داشته باشد. رفتار فولاد بر اساس میزان کربن به کار رفته در آن متفاوت است. به طور کل میتوان گفت که هرچه درصد کربن بالاتر باشد، فولاد سخت‌تر ولی شکننده‌تر و هرچه درصد کربن کمتر باشد، فولاد شکل پذیرتر و با مقاومت کمتر خواهد بود.
همین مسئله باعث شده که برای ساخت مقاطع فولادی متفاوت از آلیاژ مناسب آن استفاده شود. برای مثال در ساخت ورقهای فولادی از فولاد با 0.2 درصد کربن و در ساخت مقاطع فولادی ساختمانی از فولاد با 0.2 تا 0.6 درصد کربن استفاده می شود.
روش های تولید فولاد
برای ساخت فولاد از دو روش بهره گرفته می‌شود. در روش اول از آهن خام استفاده شده و کربن آن را تا میزان استاندارد پایین می‌آورند و دیگر عناصر لازم را به آن اضافه می‌کنند تا آلیاژ مورد نظر به دست بیاید. در روش دوم از کوره‌های قوس الکتریکی استفاده شده و با ذوب آهن اسفنجی و اضافه کردن عناصر دیگر، آلیاژ مورد نظر را تولید می‌کنند.
برای اطلاعات بیشتر درباره آهن اسفنجی، آهن خام، ریخته‌گری و ... میتوانید به مقاله اصطلاحات رایج فولادی مراجعه کنید.
چدن چیست؟
آهن با درصد 2.14 تا 6.67 درصد کربن را چدن می‌گویند. با حذف فسفر و گوگرد از سنگ آهن، چدن به دست می‌آید. چدن به دلیل داشتن درصد کربن بالا بسیار محکم است و مقاومت فشاری بالایی دارد ولی بسیار ترد و شکننده است. قابلیت ریخته‌گری، ظرفیت ماشین کاری، نقطه ذوب پایین، مقاومت به سایش، مقاومت در برابر کرنش و .. از جمله ویژگی‌های چدن است که همواره آن را برای بسیاری از صنایع مناسب کرده است.
انواع چدن
به دلیل شباهت زیادی که ترکیب شیمیایی چدن‌های غیرآلیاژی با یکدیگر دارند، نمی‌توان آن‌ها را بر اساس ترکیب شیمیایی دسته بندی کرد. به همین دلیل از معیار دیگری برای دسته بندی چدن استفاده می‌شود. برای این کار، از نوع تشکیل کربن آزاد هنگام سرد شدن چدن و شکل آن در ریزساختار ماده استفاده می‌شود. طبق آن، میتوان چدن‌ها را به دسته‌های زیر تقسیم کرد:
- چدن سفید: کربن اضافی به صورت کاربید آهن ظاهر می‌شود. در این چدن گرافیت وجود ندارد و ماده به شدت سخت و شکننده است.
- چدن خاکستری: کربن اضافی به صورت گرافیت و به شکل ورقهای رسوب می‌کند. این ورقه‌های پولکی شکل رنگی خاکستری دارند به همین دلیل به آن چدن خاکستری می‌گویند.
- چدن داکتیل: کربن اضافی به صورت گرافیت و به شکل کروی رسوب می‌کند. این نوع چدن را با اضافه کردن عنصر منیزیوم به وجود می‌آورند.
- چدن با گرافیت فشرده: کربن اضافی در این نوع چدن به صورت کرمی شکل و با ضخامت زیاد رسوب می‌کند. این چدن حالتی میان چدن خاکستری و داکتیل است.
- چدن چکش خوار ( چدن مالیبل ) : با اضافه کردن منیزیوم و سیلیکات آهن به چدن معمولی به دست می‌آید. در این روش با یک عملیات حرارتی، به تجزیه کاربید آهن می‌پردازند. در نهایت کربن آزاد شده به صورت برفکی و به شکل گرافیتی رسوب می‌کند. این نوع چدن در مقایسه با دیگر انواع آن، چکش خواری بالایی دارد و خاصیت کشسانی نیز به آن اضافه شده است.
مقایسه خواص چدن و فولاد
چدن نسبت به فولاد ارزان‌تر، نقطه‌ی ذوب کمتر و قابلیت قالب گیری به هر شکلی را دارد (چون با سرد شدن جمع نمی‌شود).
-ریخته گری فولاد سخت‌تر و ویسکوزیته‌ی نسبی بالاتری دارد.
-چدن نسبت به فولاد سخت‌تر است و به راحتی می‌شکند. میرایی بیشتری دارد و صدا و لرزش را جذب می‌کند.
-چدن دارای مقاومت فشاری بیشتر و فولاد دارای مقاومت کششی بیشتر است.
کاربرد چدن و فولاد
از چدن و فولاد برای ساختن سازه‌های ساختمان استفاده می‌شود.
-فولاد در ساخت تیرها، درها، در صنعت اتومبیل برای ساخت قطعات و در صنایع دیگر برای ساخت ابزار، چاقو، قاب، میخ و ... کاربرد دارد.
-در گذشته از چدن برای ساخت خط لوله و ناودان استفاده می‌شد و هنوز هم برای ساختن درپوش چاه‌ها، بلوک‌های سیلندر در موتور اتومبیل و ظروف پخت و پز بسیار سنگین و گران استفاده می‌شود.
