بررسی تفاوت های آهن و چدن از تولید تا کاربرد
دسترسی سریع به محتوای مقاله
خانواده آلیاژهای آهنی شامل دو عضو فولاد و چدن میشود که تنها نام خانوادگی یکسانی داشته اما در خواص و کاربرد بسیار متفاوت از هم هستند. این تفاوت‌ها از ترکیب شیمیایی و روشی که تولید می‌شوند ناشی شده و سبب جدایی این دو برادر آهنی از هم شده است. امروزه قطعات و ابزارهای محدودی را می‌توان یافت که ردپایی از آهن در آنها دیده نشود. اما استفاده از چدنها روزبه‌روز کاهش می‌یابد. علت این امر چیست؟ چرا چدنها تا این حد رو به افول بوده اما آهن یا فولاد اقتصاد جهانی و بازار فلزات را به تسخیر درآورده است؟ علت را باید در تفاوت آهن و چدن جست‌وجو کرد. در ادامه با بررسی تفاوت‌ها و مقایسه آهن و چدن با ما همراه باشید.
تفاوت آهن و چدن
قبل از اینکه به بیان تفاوت‌های آهن و چدن بپردازیم، لازم است یادآوری شود که منظور از آهن در اینجا همان فولاد است. در بازار ایران به محصولات فولادی در اصطلاح آهنآلات گفته میشود و باید بدانید که منظور این قشر از آهن، آهن خام که هنوز به فولاد تبدیل نشده است نیست. اما اینکه چرا به فولاد آهن می‌گویند الله اعلم! بنابراین در ادامه و در هر کجا از متن با واژه آهن مواجه شدید، تعجب نکنید چراکه قرار است با لحن بازاریان عزیز این محتوا را پیش ببریم. برای اینکه با تفاوت آهن و چدن بهتر آشنا شویم، لازم است بدانیم که این دو دقیقاً چه چیزی هستند و چگونه تولید می‌شوند.
چدن چیست؟
اینکه در ابتدا به سراغ چدن رفتیم دلیل خاصی دارد که در ادامه به آن اشاره میشود. برای تولید هر محصول آهنی، ابتدا باید سنگ‌آهن استخراج شود و با انجام فرآیندهایی مانند خردایش، تغلیظ، تشویه و غیره، در انتها به آهن اسفنجی و گندله آهن می‌رسیم. این محصولات به همراه سنگ‌آهن وارد کوره بلند شده و ذوب و احیا می‌شوند و یک آهن مذاب حاصل میشود. این آهن مذاب همان چدن است. اما از کجا می‌توان چنین ادعایی کرد؟
برای اینکه بین آهن (فولاد) و چدن تمایز ایجاد کنیم، مهم‌ترین مرجع استاندارد رجوع به ترکیب شیمیایی است. چدن به ترکیبی از آهن و کربن گفته میشود که در ترکیب شیمیایی آن 2 تا 4 درصد کربن و 1 تا 3 درصد سیلیسیم وجود دارد. آهن مذابی که از کوره بلند خارج میشود نیز مقدار کربن و سیلیسیم آن در همین محدوده است و بنابراین این محصول همان چدن است. البته عناصر همراه دیگری نیز مانند فسفر و گوگرد در ترکیب شیمیایی چدن وجود دارند اما چدن با دو عنصر شاخص کربن و سیلیسیم شناخته میشود. چدنها خود بر اساس اینکه ریزساختار آنها به چه شکل است به انواع چدن سفید، چدن خاکستری، چدن نشکن و چدن چکش خوار تقسیم می‌شوند.
آهن یا فولاد چیست؟
آهن مذابی که از کوره بلند به دست می‌آید مقدار کربن بسیار بالایی داشته و ترد و شکننده است. حتی اگر قرار باشد از این چدن به‌عنوان محصول نهایی استفاده شود، باید مقداری درصد کربنان کاهش یابد. بنابراین، آهن مذاب خروجی از کوره بلند ارزش اقتصادی نداشته و با انجام یک سری فرآیندها به فولاد تبدیل می‌کنند. این فرآیندها شامل کاهش میزان کربن تا زیر 2 درصد و کاهش مقدار فسفر و گوگرد تا زیر 0.005 درصد است. بنابراین، آهن یا فولاد به آلیاژی از آه خام و کربن گفته میشود که مقدار کربن در آن کمتر از 2 درصد است. البته فولادها نیز مانند چدن دارای انواع گوناگونی هستند. حتی می‌توان گفت تنوع آنها بسیار بیشتر از چدن است. انواع فولادهای کم آلیاژ، پر آلیاژ، میکرو آلیاژ، فولادهای ضد زنگ، فولادهای ابزار و غیره همگی در دسته فولادها قرار می‌گیرند که هر یک از آنها خود دارای زیرگروه‌های بیشتری هستند.
مقایسه آهن و چدن
برای درک بیشتر تفاوت آهن و چدن، در این قسمت مقایسه‌ای بین خواص، کاربرد، مزایا و معایب و قیمت این دو آلیاژ انجام می‌دهیم. روش تولید همیشه اصلی‌ترین عامل در تعیین خواص یک ماده است. اما آهن و چدن روش تولید تقریباً مشابهی دارند پس چرا تا این حد در خواص و کاربرد متفاوت‌اند؟ در ادامه به‌طور مفصل از جنبه‌های گوناگون به بررسی منشأ این تفاوت‌ها پرداخته میشود.
تفاوت در مقدار کربن ؛ اصلی ترین تفاوت آهن و چدن
همان‌طور که در بالا به آن اشاره شد، آهن و چدن از نظر ترکیب شیمیایی متفاوت از یکدیگرند. این تفاوت بیشتر از همه به مقدار کربن مربوط میشود. به‌طورکلی، هرچه مقدار کربن بیشتر باشد، استحکام و سختی افزایش یافته و شکل‌پذیری کاهش می‌یابد. اما این افزایش خواص مکانیکی با میزان کربن دارای حد بهینه است. به همین دلیل چدنها با اینکه کربن بالایی دارند اما خواص مکانیکی ضعیفی دارند. به عبارتی، قطعه‌ای که کربن بالایی دارد تردتر است و با ضربه و اعمال تنش برشی به‌راحتی می‌شکند. فولاد حاوی 0.025 تا 2 درصد کربن بوده اما چدن بین 2 تا 4 درصد کربن دارد و همین امر آغاز راه جدایی این دو برادر آهنی است.
تفاوت در خواص مکانیکی
استحکام کششی
استحکام کششی فولاد بسیار بیشتر از چدن است. فولادها به دلیل مقدار کربن کمتر و وجود عناصر آلیاژی همچون تیتانیم، وانادیوم، بور، منگنز و غیره در ترکیب شیمیایی آنها، استحکام بسیار بالایی داشته که فقط گروهی از آلیاژهای پایه تیتانیم، نیکل و سوپر آلیاژها می‌توانند چنین استحکامی را ارائه کنند. ازآنجایی‌که استحکام کششی در اکثر کاربردهای مهندسی نسبت به استحکام فشاری اولویت دارد، فولادها دامنه کاربردی بسیار گسترده‌تری نسبت به چدن دارند که دلیل آن استحکام کششی بالاتر آن‌هاست.
استحکام فشاری
استحکام فشاری توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر نیروهایی است که اندازه جسم را کاهش می‌دهند. این نوع استحکام برخلاف استحکام کششی است که افزایش طول را برای قطعه به دنبال دارد. استحکام فشاری در کاربردهای مکانیکی که فشار و مهار قطعات جزو فاکتورهای کلیدی هستند، مفید است. به‌طورمعمول، چدن مقاومت فشاری بسیار بهتری نسبت به فولاد دارد.
سختی و مقاومت به سایش
چدن معمولاً مقاومت بهتری در برابر سایش مکانیکی نسبت به فولاد دارد، به‌ویژه در شرایطی که اصطکاک وجود داشته باشد. مقدار معینی از محتوای گرافیت در ساختار چدن یک روان کننده خشک گرافیتی ایجاد می‌کند که به سطوح جامد اجازه می‌دهد بدون افت کیفیت سطح روی یکدیگر بلغزند و سایش آن را دشوارتر می‌کند. فولاد راحت‌تر از آهن دچار سایش میشود، اما ممکن است همچنان در برابر انواع خاصی از سایش مقاوم باشد. برخی از عناصر آلیاژی مانند تنگستن، بور و وانادیوم می‌توانند کیفیت سایش فولاد را بهبود بخشند.
مقاومت به ضربه
مقاومت فولاد در برابر ضربه‌های ناگهانی بدون خم شدن، تغییر شکل یا شکستن بسیار عالی است. این امر به دلیل چقرمگی آن است که به‌صورت توانایی ماده در برابر تغییر شکل پلاستیک تعریف میشود. برخورداری از استحکام بدون شکل‌پذیری منجر به ایجاد ماده‌ای شکننده میشود که به‌شدت مستعد ترک‌خوردگی و شکستگی است. چدن نیز چنین ماده‌ای است و به همین دلیل دامنه کاربرد محدودی دارد.
تفاوت آهن و چدن در خواص شیمیایی
برای بررسی تفاوت آهن و چدن از نظر مقاومت به خوردگی با چالش بیشتری مواجه هستیم. به‌طورکلی می‌توان گفت که چدنها مقاومت به خوردگی بهتری نسبت به فولادهای ساده کربنی دارند. اما وقتی پای فولادهای آلیاژی و مخصوصاً فولادهای ضد زنگ به میان می‌آید، چدنها ناچار به تسلیم هستند. فولادهای ضد زنگ بهترین مواد به‌منظور مقاومت در برابر خوردگی هستند که دلیل این امر از وجود مقادیر بالای کروم در ساختار آنها ناشی میشود.
تفاوت در شکل دهی و ریخته گری
قابلیت ریخته گری فولاد ضعیف تر از چدن است. این امر به دلیل برخورداری چدن از مقدار قابل‌توجهی سیلیسیم است. این عنصر سیالیت را افزایش داده و سبب میشود چدن بهترین ماده به‌منظور ریخته‌گری باشد. به همین دلیل اکثر قطعات ریختگی خودرو مانند سیلندرها از چدن ساخته می‌شوند. ضمن اینکه، چدن قابلیت جذب انرژی لرزه‌ای بسیار خوبی دارد. این امر سبب شده تا در صورت استفاده از قطعات چدنی در کاربردهای مختلف، سروصدای ناشی از لرزش موتور و سایز اجزا به حداقل مقدار ممکن برسد.
تفاوت در قابلیت جوشکاری
فولادها در مقایسه با چدن از قابلیت جوشکاری بسیار بهتری برخوردارند. دلیل جوشپذیری ضعیف چدنها به مقدار کربن بالا در ساختار آنها مربوط میشود که تردی و شکنندگی را برای این دسته از مواد به دنبال دارد. در هنگام جوشکاری، تنش‌هایی به قطعه وارد میشود و به دلیل ترد بودن چدنها، این تنش‌های درونی در قطعه افزایش یافته و سبب ترک خوردن چدن میشود.
تفاوت در ماشین کاری
بسته به کاربرد نهایی، ممکن است قطعات ریخته‌گری برای دستیابی به تلرانس‌های خاص یا ایجاد یک پرداخت مطلوب نیاز به ماشینکاری داشته باشند. قابلیت ماشینکاری معیاری است که نشان می‌دهد برش یا سنگ‌زنی یک ماده خاص چقدر آسان یا سخت است. به‌عنوان یک قاعده کلی، افزوده شدن عناصر آلیاژی به فلزات منجر به کاهش قابلیت ماشینکاری آنها میشود. ماشینکاری چدن معمولاً بسیار ساده‌تر از فولاد است که دلیل آن ساختار گرافیت در چدن است که راحت‌تر و به شکلی یکنواخت‌تر از بین می‌رود. چدن‌های سخت‌تر، مانند چدن سفید به دلیل شکنندگی، قابلیت ماشینکاری ضعیف‌تری دارند.
تفاوت آهن و چدن در قیمت
چدن اغلب ارزان‌تر از فولاد است زیرا هزینه مواد، انرژی و نیروی کار برای تولید محصول نهایی از آن کمتر است. فولاد خام گرانتر است و برای ریخته‌گری به زمان و دقت بیشتری نیاز دارد. بااین‌حال، هنگام طراحی محصولات ریخته‌گری، ارزش استفاده طولانی‌مدت و هزینه‌های جایگزینی را نیز باید در نظر گرفت. قطعاتی که تولیدشان گرانتر است ممکن است در بلندمدت هزینه کمتری داشته باشند. به همین دلیل علی رقم قیمت گرانتر فولاد نسبت به چدن، از این ماده بیشتر در صنایع مختلف استفاده میشود.
فولاد همچنین در بسیاری از مقاطع پیش‌ساخته مانند ورق، میلگرد، تیرآهن و غیره موجود است که اغلب می‌توانند ماشینکاری یا مونتاژ شوند تا متناسب با یک کاربرد خاص باشند. بسته به محصول و مقدار موردنیاز، ساخت محصولات فولادی موجود ممکن است یک گزینه مقرون‌به‌صرفه تر نسبت به چدن باشد.
آهن بهتر است یا چدن؟
در پاسخ به این سؤال که آهن بهتر است یا چدن، باید گفت که چنین سوالی اصلاً درست نیست! مثل‌اینکه بپرسید اتوبوس بهتر است یا خودرو سواری! درست است که هر دو برای حمل‌ونقل استفاده می‌شوند اما برحسب مسافت و پارامترهایی دیگر، اقدام به انتخاب بین آنها می‌کنیم و هیچ‌یک بر دیگری برتری ندارد. انتخاب بین آهن و چدن نیز به همین صورت است. برای اینکه ببینید کدام برای شما مناسب‌تر است باید به کاربرد موردنظر و خواصی که انتظار دارید توجه کنید. توجه به تفاوت آهن و چدن و مقایسه خواص آنها می‌تواند دید روشنی به شما برای انتخاب بهتر دهد.
مثلاً برای ساخت سیلندر خودرو، انتخاب چدن منطقی‌تر است. چراکه هم قابلیت ریخته‌گری بسیار خوبی دارد و هم مقاومت به سایش و قابلیت جذب ارتعاش آن بالاست. اما برای ساخت بدنه خودرو، اگر از چدن استفاده کنید خود را به‌سوی ملکوت اعلی فراخوانده‌اید! چدنها استحکام ضربه‌ای و قابلیت تغییر شکل بسیار کمتری نسبت به فولاد دارند و در صورت استفاده در بدنه اتومبیل به‌راحتی در اثر ضربه می‌شکنند.
سخن پایانی
می‌دانیم که در اکثر کاربردهای مهندسی، استحکام کششی اولویت دارد. از طرفی، قابلیت افزودن عناصر آلیاژی مختلف به فولاد و ساختن آلیاژهایی بسیار مقاوم در برابر سایش، خوردگی، دمای بالا و غیره سبب شده است تا استفاده از فولاد علی رقم قیمت بالای آن روزبه‌روز افزایش یابد. بااین‌حال، چدن نیز هنوز کاربردهای محدود اما مهمی دارد ولی دیر یا زود باید منتظر افول بیشتر این عضو مظلوم خانواده آلیاژهای آهنی و محو شدن آنها از صحنه صنعت باشیم. تفاوت آهن و چدن به‌خوبی گویای این امر است مگر اینکه پیشرفت‌هایی در زمینه توسعه چدنها صورت پذیرد و راهی برای نجات این دسته از مواد پیدا شود.
سؤالات متداول
1- تفاوت آهن و چدن در چیست؟
این دو ماده از نظر ترکیب شیمیایی (مقدار کربن و سایر عناصر)، استحکام کششی و فشاری، شکل‌پذیری، جوشپذیری، مقاومت به سایش، قابلیت ریخته‌گری و ماشینکاری متفاوت از یکدیگرند.
2- آهن گرانتر است یا چدن؟
انواع فولادها که در اصطلاح به آنها آهنآلات گفته میشود به دلیل مجموعه خواص برتر مانند استحکام کششی بیشتر، جوشپذیری بهتر، مقاومت به خوردگی بهتر و غیره گرانتر از چدنها هستند.
3- آهن (فولاد) بهتر است یا چدن؟
فولاد و چدن هر یک در برخی از خواص نسبت به دیگری برتری داشته و انتخاب از بین این دو باید بر اساس کاربرد و خاص موردنیاز انجام شود.