تفاوت آهن و فولاد و چدن چیست؟(انواع و کاربرد هر کدام)
از زمان‌های گذشته، استفاده از مواد اولیه‌ای که مقاومت و سختی بالایی داشتند، برای ساخت محصولات مختلف، رواج زیادی داشته است. پس از آزمون و خطاهای بسیار، آهن، به ماده‌ی اصلی صنعتی در اکثر دوران تمدن انسان تبدیل شد. کشف استفاده از آهن به حدی در تاریخ بشر تاثیرگذار بود که یکی از دوره‌های تاریخی زندگی بشر، به نام این فلز نامگذاری شده است. با پیشرفت علم و کشف ویژگی‌های جدید مواد، انسان دست به ترکیب عناصر مختلف زد. حاصل این ترکیب‌ها، تولید آلیاژهای جدیدی بود که دارای ویژگی‌های تقویت‌شده نسبت به عنصرهای اولیه بودند. این موضوع درباره‌ی آهن هم صدق کرده است.
در این مقاله، آهن، و دو آلیاژ پر استفاده از این فلز، یعنی فولاد و چدن را با هم مقایسه می‌کنیم.
آشنایی با سنگ آهن
ماده‌ی معدنی آهن، به صورت سنگ قابل استخراج است. سنگ آهن، در عملیات‌های شیمیایی مختلف، پایه‌ی ساخت ورق آهنی، فولاد و چدن قرار می‌گیرد. سنگ آهن، دارای چهار نوع مختلف است:
- هیدروکسید
- اکسید
- کربنات
- سولفور
تفاوت انواع مختلف سنگ آهن، در میزان آهنی است که در هر یک کیلوگرم دیده می‌شود. برای مثال، سنگ آهن سرخ که با نام هماتیت هم شناخته می‌شود، ۶۰ درصد وزنش را عنصر آهن تشکیل می‌دهد. بقیه‌ی وزن سنگ آهن را مواد دیگری مانند آهک، نمک معدنی و … تشکیل می‌دهد. سنگ آهن، پس از استخراج، خرد می‌شود و با انجام عملیاتی خاص، برای ورود به کوره آماده می‌گردد.
انواع فلزات آهنی بر اساس میزان کربن
کربن، عنصری است که رد پای آن را در ورق‌هایی که از آهن خام هم تولید شده است، مشاهده می‌کنید. در واقع تفاوت اصلی آهن، فولاد و چدن، در عناصر تشکیل‌دهنده، میزان کربنی است که در آن‌ها به کار رفته است. در آهن خام، میزان کربن نسبتا زیادی مشاهده می‌شود. همین موضوع باعث می‌شود تا آهن خام ترد بوده و قابلیت چکش‌پذیری نداشته باشد (در صورت وارد شدن ضربه، می‌شکند). دمای ذوب آهن خام هم نسبت به فولاد و چدن پایین‌تر است.
آهن معمولی
آهن معمولی، دارای ۲ درصد کربن است. دمای ذوبی نزدیک به ۱۱۳۰ درجه سانتی‌گراد دارد و در برابر رطوبت، مقاومت خوبی ندارد و زود زنگ می‌زند. برای همین باید برای استفاده از آن، روکشی ضد زنگ هم روی آن کشیده شود. استفاده از آهن معمولی، در صنایع ساختمانی و ساخت ماشین‌آلات صنعتی، رواج زیادی دارد.
آهن نرم
در فرآیند تولید این آن، میزان کربن موجود در آن کاهش یافته و به ۰.۰۲ درصد می‌رسد. برای همین انعطاف‌پذیری و قابلیت کششی آن هم افزایش می‌یابد. با توجه به دمای ذوب نزدیک به ۱۵۴۰ درجه‌ای این آهن، امکان عملیات جوشکاری روی آن وجود ندارد. مقاومت این آهن در برابر خوردگی هم بالا است و با توجه به قیمت بالاتر نسبت به آهن معمولی، در صنایع ساختمانی از آن استفاده نمی‌شود. کاربرد اصلی آهن نرم، تولید فولاد و چدن است.
چدن چیست؟
چدن یکی از پراستفاده‌ترین آلیاژهای آهن است. در تولید این فلز، آهن خام خاکستری، همراه با کمی قراضه آهن در کوره قرار می‌گیرد تا ذوب شود. طی این فرآیند کمی از کربن آهن می‌سوزد و ناخالصی‌های دیگری مانند گوگرد و فسفر، به صورت سرباره از ترکیب خارج می‌شوند. ماده مذاب باقی‌مانده، علاوه بر آهن، حاوی کمی منگنز است که چدن نام دارد.
خود چدن دارای آلیاژهای دیگری است که با افزودن کربن، منگنز یا سیلیسیم به دست می‌آید. منگنز سبب افزایش سختی چدن می‌شود و سیلیسیم، کربن چدن را به گرافیت تبدیل می‌کند. میزان کربن موجود در ترکیب چدن، چیزی بین ۲ تا ۳.۵ درصد است. جنس آهن خامی که در تولید چدن مورد استفاده قرار می‌گیرد، روی کیفیت چدن تاثیر بسیار زیادی دارد.
از ویژگی‌های اصلی چدن، سخت و شکننده بودن آن است. با توجه به قیمت نسبتا پایین این فلز، استفاده از چدن در کاربردهایی مانند صنایع ساختمان‌سازی، رواج زیادی دارد. لوله‌های آب و فاضلاب، نرده، کف‌پوش و یراق‌آلات از معروفترین محصولاتی هستند که با استفاده از چدن ساخته می‌شوند.
چدن، بدون این که به حالت خمیری درآید، با افزایش دما بلافاصله از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود. برای همین امکان چکش‌خواری ندارد. مقاومت این فلز در برابر آتش، از فولاد بیشتر است و خیلی دیر زنگ می‌زند.
فولاد چیست؟
فولاد با توجه به خواصی مانند شکل‌پذیری و مقاومت بسیار بالا، یکی از اصلی‌ترین موادی است که در صنعت استفاده می‌شود. در ترکیب فولاد، معمولا بین ۰.۲ تا ۱.۵ درصد کربن دیده می‌شود. فولاد، خود آلیاژهای گوناگونی مانند فولاد VCN دارد. در این آلیاژها، رد پای عناصر مختلفی دیده می‌شود. اما اصلی‌ترین عناصری که در ساخت فولاد خام مورد استفاده قرار می‌گیرد، عبارتند از:
- کربن: تغییر میزان این عنصر در ساخت فولاد، خواص و رفتار آن را هم تغییر می‌دهد. با کاهش میزان کربن، قابلیت چکش‌پذیری فولاد افزایش و نقطه ذوب آن کاهش می‌یابد. فولادهای پرکربن، ترد بوده و شکنندگی بالاتری دارند.
- سیلیسیم: استفاده از این عنصر در ترکیب فولاد سبب افزایش خاصیت کششی و سختی آن می‌شود. در مقابل رنگ فولاد را تیره و آن را ترد می‌کند. حداکثر میزان سیلیسیم موجود در فولاد، ۰.۳۵ درصد است.
- منگنز: باعث افزایش مقاومت کششی و سختی، و کاهش چکش‌خواری می‌شود. میزان منگنز موجود در فولاد، بین ۰.۵ تا یک درصد است.
- کروم: کروم یکی از عناصر پراستفاده در فولاد است. استفاده‌ی ۱۲ درصدی از این عنصر در ترکیب فولاد، باعث افزایش مقاومت فولاد در برابر زنگ‌زدگی می‌شود.
- مس: استفاده از این عنصر، برای جلوگیری از زنگ زدن فولاد در مناطق مرطوب رواج دارد.