مقدمه:

فلزات از جمله عناصری هستند که نقش مهمی در زیر ساخت های زندگی جوامع بشری دارند. ویژگی مشترک اکثر فلزات رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا و تغییر شکل آنهاست. یکی دیگر از ویژگی هایی که باعث شده تا انواع فلزات در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرند، مقاومت آن ها در برابر سایش است. صنایع مختلفی که از فلزات استفاده می کنند عبارتند از: الکترونیک، ساختمان، خودروسازی، محصولات تزئینی و پزشکی. همچنین فلزات انواع مختلفی دارند از جمله آلومینیوم، چدن، روی، قلع، سرب، آهن، برنز، فولاد و …

چدن و ​​فولاد از آلیاژهای آهن هستند که مهمترین تفاوت آن ها میزان کربن مصرفی در ساختار آنهاست. در فولاد، مقدار کربن به طور کلی کمتر از ۲٪ است، در حالی که چدن بیش از ۲٪ کربن دارد. این مقدار تفاوت کربن باعث شده است که این دو آلیاژ از نظر خواص مکانیکی و فیزیکی تفاوت های زیادی با هم داشته باشند. چدن آلیاژی سخت اما شکننده است، به همین دلیل این آلیاژ برای اهداف ریخته گری بسیار مناسب است و به کمک آن می توان اشکال پیچیده را به کمک قالب تولید کرد. اما فولاد متالیک سخت و مستحکم است، بر اساس میزان کربن، عملیات حرارتی و همچنین وجود عناصر آلیاژی دیگر، می تواند طیف وسیعی از ویژگی ها را داشته باشد. البته لازم به ذکر است که فولاد و چدن دو نام کلی هستند و گروه بزرگی از فلزات آلیاژی به چدن و فولاد معروف هستند.

چدن چیست؟

چدن به گروه خاصی از فلزات اطلاق می شود. همان طور که گفته شد تفاوت اصلی فولاد و چدن که منشأ تفاوت های دیگر این دو آلیاژ است، میزان کربن در ساختار آنهاست. فولاد کمتر از دو درصد و معمولاً کمتر از یک درصد کربن دارد، در حالی که چدن بیش از دو درصد کربن دارد. همچنین چدن علاوه بر کربن دارای مقادیر قابل توجهی عنصر سیلیکون (بین ۱ تا ۳ درصد) است، بنابراین چدن را باید آلیاژی از آهن، کربن و سیلیسیم دانست. این مقدار سیلیکون و کربن در چدن، آن را به یک آلیاژ عالی برای اهداف ریخته گری تبدیل کرده است. تفاوت دیگر فولاد و چدن در دمای ذوب آنهاست. دمای ذوب چدن به دلیل وجود کربن، بسیار کمتر از دمای ذوب فولاد است. چدن سیال تر از فولاد است و کمتر با مواد قالب ریخته گری واکنش نشان می دهد. به دلیل تشکیل گرافیت در حین انجماد چدن مذاب، تغییر حجم فلز از حالت مذاب به حالت جامد کاهش می یابد و امکان تولید ریخته گری های پیچیده تری وجود دارد.

انواع چدن

به دلیل شباهت زیادی که ترکیب شیمیایی چدن های غیر آلیاژی با یکدیگر دارند، نمی توان آن ها را بر اساس ترکیب شیمیایی طبقه بندی کرد. به همین دلیل از معیار دیگری برای طبقه بندی چدن استفاده می شود. برای این منظور از نوع تشکیل کربن آزاد در هنگام سرد شدن چدن و ​​شکل آن در ریز ساختار ماده استفاده می شود. بر این اساس، چدن را می توان به دسته های زیر تقسیم کرد:

چدن سفید: کربن اضافی به صورت کاربید آهن ظاهر می شود. در این چدن گرافیت وجود ندارد و مواد فوق العاده سخت و شکننده است.

چدن خاکستری: کربن اضافی به صورت گرافیت و به صورت ورق رسوب می کند. این ورق های پولکی شکل دارای رنگ خاکستری هستند به همین دلیل به آن چدن خاکستری می گویند.

چدن داکتیل: کربن اضافی به صورت گرافیت و به شکل کروی رسوب می کند. این نوع چدن با افزودن منیزیم تولید می شود.

چدن با گرافیت فشرده: کربن اضافی در این نوع چدن با ضخامت زیاد رسوب می کند. این چدن حالتی بین چدن خاکستری و داکتیل است.

چدن چکش خوار: از افزودن منیزیم و سیلیکات آهن به آهن معمولی به دست می آید. در این روش کاربید آهن را با عملیات حرارتی تجزیه می کنند. در نهایت کربن آزاد شده به شکل گرافیت رسوب می کند. این نوع چدن در مقایسه با انواع دیگر، چکش خواری بالایی دارد و خاصیت ارتجاعی به آن اضافه شده است.

فولاد چیست و چه کاربردی دارد؟

واژه فولاد برای آلیاژهای آهنی که دارای وزنی بین ۰.۰۰۲ تا ۲.۱ درصد کربن هستند استفاده می شود. سایر فلزات اغلب در ترکیب فولادهای آلیاژی یافت می شوند. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن و عملیات حرارتی و فلزات آلیاژی در ترکیب آن بستگی دارد.  تولید فولاد امروزه نزدیک به ۱۳۰۰ میلیون تن در سال است. فولاد فراگیرترین آلیاژ صنعتی است زیرا عناصر آلیاژی که توسط آهن به دست می آیند از جمله پرفروش ترین مواد در بازار است. از کاربردهای فولاد می توان از آلیاژهای بسیار نرم گرفته تا فولادهای ابزار بسیار سخت و الماس اشاره کرد. بنابراین در فولادها تجزیه و تحلیل و بررسی دقیق مقادیر عناصر آلیاژی بسیار مهم است. کربن مهمترین و مؤثرترین عنصر آلیاژی در فولادها است و بیشترین تأثیر را بر ساختار آن دارد. علاوه بر عنصر کربن، هر فولاد آلیاژی حاوی عناصر آلیاژی دیگری مانند سیلیکون، منگنز، فسفر و گوگرد خواهد بود تا این عناصر در طول فرآیند تولید به شکل ناخواسته در فولاد باقی بمانند. از مهم ترین عناصر آلیاژی دیگری که به فولادها اضافه می شود می توان به کلسیم، سدیم، کروم، نیکل، کبالت، مس، منیزیم، آلومینیوم، مولیبدن، آرسنیک و غیره اشاره کرد.

کلی ترین طبقه بندی فولاد بر اساس میزان کربن عبارتند از:

فولاد نرم: مقدار کربن در فولاد نرم حدود ۰.۲ درصد است. معمولاً از فولاد نرم برای ساخت پیچ و مهره، سیم خاردار، لوله، ورق فولادی و حتی تیرهای فولادی استفاده می شود.

فولاد متوسط: درصد کربن در فولاد متوسط ​​بین ۰.۶-۰.۲ درصد است. فولاد متوسط ​​معمولاً برای ساخت ریل، دیگ بخار و حتی ماشین آلات استفاده می شود.

فولاد سخت: درصد کربن در فولاد سخت بیشتر از فولاد نرم و متوسط ​​است. میزان کربن در این نوع فولاد حدود ۱.۵-۰.۶ درصد است. از فولاد سخت برای ساخت ابزار، مته، فنر، چاقو و چنگال و غیره استفاده می شود.

روش های تولید فولاد

برای ساخت فولاد از دو روش استفاده می شود. در روش اول از آهن خام استفاده می شود و کربن آن تا حد استاندارد کاهش می یابد و سایر عناصر لازم برای بدست آوردن آلیاژ مورد نظر اضافه می شود. در روش دوم از کوره های قوس الکتریکی استفاده می شود و با ذوب آهن اسفنجی و افزودن عناصر دیگر آلیاژ مورد نظر را تولید می کنند.

فولاد و چدن آلیاژهای آهن هستند

فولاد و چدن هر دو آلیاژ آهن هستند که هر کدام ویژگی های خاص خود را دارند. آلیاژهای آهن عبارتند از فولاد، فولاد ضد زنگ، فولاد کربن، چدن، آهن و نیکل، آهن و منگنز، آهن و تنگستن. به طور کلی کربن عنصر آلیاژی اصلی اضافه شده به آهن است. اگر مقدار کربن اضافه شده بین ۰ تا ۲/۱۴ درصد باشد فولاد و اگر بین ۲/۱۴ تا ۶/۶۷ درصد باشد چدن نامیده می شود.

تفاوت فولاد و چدن

تفاوت اصلی فولاد و چدن در انعطاف پذیری و چکش خواری است که در فولاد وجود دارد اما چدن این قابلیت را ندارد و سخت است. مقاومت چدن بسیار بالا است و مقاومت بالایی در برابر سایش نشان می دهد. تفاوت دیگر این است که کربن در فولاد به صورت کاربید آهن است اما در چدن می تواند علاوه بر کاربید آهن به صورت گرافیت نیز باشد. سیالیت چدن بسیار خوب است، در حالی که در فولاد اینطور نیست. این تفاوت ها باعث می شود تا با توجه به نوع کاربرد و ویژگی هایی که این دو فلز دارند در پروژه های مختلف در قسمت های متفاوت مورد استفاده قرار گیرند.

• چکش خواری

ریخته گری چدن نسبتاً آسان است و مانند فولاد منقبض نمی شود. ریخته گری ساده در چدن آن را در معماری برای سازه های آهنی یا سازه های زینتی مانند نرده ها بسیار مناسب می کند. خاصیت چدن باعث می شود از آن در تجهیزات خیابانی استفاده شود.

• مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی

یکی از تفاوت های فولاد و چدن مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی است. چدن مقاومت بهتری در برابر فولاد نشان می دهد، اگرچه این بدان معنا نیست که چدن به خوردگی حساس نیست. اگر این دو به خوبی محافظت نشوند و رطوبت به آن ها برسد، اکسید شده و سپس تجزیه می شوند. بهتر است برای هر دو فلز از یک لایه رنگ استفاده شود تا دچار این مشکل نشوند و تجزیه نشوند.

• تفاوت قیمت فولاد و چدن

تفاوت دیگر چدن و ​​فولاد در قیمت آنهاست. برای تولید فولاد از فناوری سخت و گران قیمت استفاده می شود که فرآیند بسیار پیچیده ای است ، این امر باعث می شود هزینه تولید فولاد بیشتر از چدن باشد. به این ترتیب ریخته گری آهنی که انعطاف پذیر است، معایب زیادی خواهد داشت. چدن داکتیل در کشاورزی، خودروسازی، ساخت و ساز و راه سازی، لوله ها و اتصالات تحت فشار و کاربردهای مهندسی عمومی مورد استفاده قرار میگیرد. بنابراین، یک تفاوت بین فولاد و چدن این است که فولاد گرانتر از چدن معمولی است. علیرغم تغییر پذیری کمتر فولاد و مقاومت کمتر آن در برابر سایش، همچنان دارای مزایایی است که باعث می شود در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

• درصد کربن

درصد کربن موجود در فولاد و چدن یکی از تفاوت های اصلی این دو آلیاژ است. فولاد کمتر از دو درصد و چدن حدود ۴ درصد کربن دارد. عنصر دیگر در ترکیب چدن که یکی از عناصر اصلی آن محسوب می شود، سیلیکون است. این تفاوت در ترکیب شیمیایی خواص بسیار متفاوتی را برای این فلزات ایجاد کرده است.

• شکل پذیری چدن و ​​فولاد

به طور کلی شکنندگی چدن بیشتر از شکنندگی فولاد است و به همین دلیل شکستگی  به راحتی در چدن اتفاق می افتد. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که چدن داکتیل شکل پذیری خوبی دارد.

• سختی

سختی به مقاومت یک ماده در برابر خراش می گویند. سختی چدن بیشتر از فولاد است. سختی زیاد چدن آن را شکننده می کند بنابراین برای سوراخ کاری مناسب نیست. یکی از راه های تشخیص چدن از فولاد، خراشیدن آن است. با خراشیدن چدن پودر به دست می آید در حالی که خراش دادن فولاد باعث تولید تراشه می شود. این به دلیل نرمی فولاد در مقایسه با چدن است.

• استحکام فولاد و چدن

مقدار نیروی مورد نیاز برای خم شدن یک ماده، استحکام آن را تعیین می کند. فولاد و چدن هر دو استحکام بالایی دارند. اما اینکه کدام یک قوی تر است قابل بحث است. برخی معتقدند استحکام فولاد بیشتر است و برخی دیگر مقاومت فولاد و چدن را یکسان می دانند. اما باید گفت چدن مقاومت فشاری بالاتری و فولاد مقاومت کششی بالاتری دارد. به عبارت دیگر در مواردی که نیاز به نیروهای کششی باشد از فولاد استفاده می شود. در مواردی که نیاز به مقاومت در برابر نیروهای فشاری دارند نیز از چدن استفاده می شود.

تفاوت چدن و ​​فولاد در کاربرد

خواص متفاوت فولاد و چدن باعث تفاوت در استفاده از این فلزات شده است. با توجه به خواص آهن و فولاد، کاربردهای خاصی برای هر یک از آن ها تعریف شده است. چدن اغلب در تولید لوله، قطعات مورد نیاز در صنعت خودروسازی مانند سرسیلندر، بلوک سیلندر و دنده استفاده می شود. اما برای فولاد می توان کاربردهای گسترده تری را در بسیاری از صنایع مانند خودروسازی، صنایع غذایی، ساختمان سازی و … در نظر گرفت. یکی از مهمترین کاربردهای فولاد در تولید انواع مقاطع فولادی مانند قوطی، میلگرد، تیرآهن، نبشی و ناودانی، ورق و … می باشد.

مقایسه خواص چدن و ​​فولاد

چدن ارزان‌تر از فولاد است، نقطه ذوب پایین‌تری دارد و می‌توان آن را به هر شکلی قالب‌گیری کرد (زیرا در هنگام سرد شدن منقبض نمی‌شود). ریخته گری فولاد سخت تر است و قالب گیری نسبی بالاتری دارد. چدن سخت تر از فولاد است و به راحتی می شکند. میرایی بیشتری دارد و صدا و لرزش را جذب می کند. چدن مقاومت فشاری بیشتری دارد و فولاد مقاومت کششی بیشتری دارد.

جمع بندی

هر دوی این فلزات به طور گسترده در دنیای امروز مورد استفاده قرار می گیرند و تقاضای زیادی دارند. فولاد در مقایسه با چدن گرانتراست و امروزه در بازار ارزش زیادی دارد. هر دوی این فلزات کاربردهای متفاوتی دارند زیرا هر کدام دارای خواص خاصی هستند. چدن عمدتاً برای ساخت لوله ها، ناودان ها و روکش های منهول استفاده می شود در حالی که از فولاد برای ساخت ابزارهایی مانند چاقو، قاشق، قیچی و سایر مواد استفاده می شود. فولاد تقاضای زیادی در صنعت خودرو دارد زیرا از فولاد برای ساخت مصالح ساختمانی یا قطعات خودرو استفاده می شود. با همه ی تفاسیری که بیان شد فولاد و چدن جزو مهم ترین عناصر مورد استفاده  در ساخت و ساز ادوات و اجزای مهم ساختمانی  و زیرساخت های شهری می باشند و هرکدام از این دو عنصر با توجه به خاصیت های خاص خود دارای بازار خوبی می باشند و بسته به عرضه و تقاضا قیمت هایشان متفاوت است.