تفاوت آهن، چدن و فولاد چیست؟

آهن، فولاد و چدن شاید توی نگاه اول شبیه هم به نظر بیان و خیلی‌ها این سه تا رو با هم اشتباه بگیرن، ولی واقعیت اینه که هر کدوم دنیای خودشون رو دارن!

همه‌چیز از سنگ‌آهن شروع می‌شه که توی کوره‌های بزرگ ذوبش می‌کنن و آهن خام به دست میاد. از این آهن خام، با یه سری تغییرات و اضافه کردن مواد مثل کربن، چدن و فولاد درست می‌شن که در واقع آلیاژهایی بر پایه آهن هستن.

چیزی که این سه تا رو از هم جدا می‌کنه، مقدار کربن و روش تولیدشونه که باعث می‌شه خواصشون حسابی متفاوت باشه. آهن یه فلز سنگین و خاکستری‌رنگه که از دل سنگ معدن بیرون میاد، ولی به تنهایی کاربرد زیادی نداره و بیشتر پایه ساخت چدن و فولاده.

این فلزات آهنی، 95 درصد تولید فلزات دنیا رو تشکیل می‌دن و چون هم مقاومن هم قیمتشون مناسبه، توی همه‌چیز از ساخت خونه و ماشین گرفته تا بدنه کشتی‌های غول‌پیکر استفاده می‌شن. توی صنعت ساخت‌وساز هم به شکل میلگرد، تیرآهن، ورق گالوانیزه، نبشی و حتی پیچ و مهره می‌بینیمشون.

حالا چرا چدن داره کم‌کم از دور خارج می‌شه، ولی فولاد و آهن هنوز بازار رو قبضه کردن؟ جواب این سوال توی تفاوت‌هاشون نهفته‌ست. توی این مقاله قراره این خانواده آهنی رو حسابی بشکافیم و با زبون ساده، فرق بین آهن، فولاد و چدن رو برات توضیح بدیم. با ما همراه باش تا بیشتر با این سه تا آشنا بشیم!

آهن چیه؟

آهن یه عنصر خالصه که تو جدول تناوبی با نماد Fe شناخته می‌شه. این فلز از سنگ معدن استخراج می‌شه و خودش پایه‌ی اصلی ساخت فولاد و چدنه. آهن خالص خیلی نرم و انعطاف‌پذیره و معمولاً اون رو با ترکیب کردن با عناصر دیگه تقویت می‌کنن.

در طبیعت، آهن معمولاً به‌صورت ترکیب با اکسیژن و سایر مواد معدنی یافت می‌شه، به همین خاطر برای استفاده در صنایع، باید فرآیند خالص‌سازی روش انجام بشه.

آهن یکی از پرکاربردترین فلزات در دنیاست و از اون در صنعت ساخت و ساز، خودروسازی، کشتی‌سازی و حتی ساخت ابزارهای خانگی استفاده می‌شه. هرچند که آهن خالص زیاد کاربردی نیست، اما وقتی با سایر عناصر ترکیب بشه، خواص فوق‌العاده‌ای پیدا می‌کنه.

• عدد اتمی: 26
• نقطه ذوب: 1538 درجه سانتی‌گراد
• نقطه جوش: 2861 درجه سانتی‌گراد
• چگالی: 7.87 گرم بر سانتی‌متر مکعب
• جرم اتمی نسبی: 55.847
• فراوانی: بعد از آلومینیوم، اکسیژن و سیلیسیم، چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمینه.

خواص آهن

• فرومغناطیسیه (یعنی آهنربا جذبش می‌کنه)
• قابلیت شکل‌پذیری و انعطاف بالا
• رسانای خوب گرما و برق
• حل شدن در اسیدهای رقیق
• مقاومت کم در برابر زنگ‌زدگی توی محیط‌های مرطوب

سنگ آهن چیه و چطور فرآوری می‌شه؟

سنگ آهن، ماده اولیه اصلی برای تولید آهن، فولاد و چدنه. این سنگ ترکیبی از اکسیدهای آهن، نمک‌های معدنی و ناخالصی‌های دیگه مثل سنگ آهک، سیلیس و آلومینه. مراحل فرآوریش شامل:

• استخراج از معادن
• خرد کردن و دانه‌بندی
• آماده‌سازی برای کوره بلند
• ذوب در کوره و جداسازی ناخالصی‌ها

انواع سنگ آهن

چهار نوع اصلی سنگ آهن که توی صنعت استفاده می‌شن:

• اکسیدهای آهن (مثل مگنتیت که حدود 68٪ آهن داره)
• هیدروکسیدهای آهن (مثل هماتیت با 60٪ آهن)
• کربنات‌های آهن
• سولفور آهن

آهن‌گدازی و تولید آهن خام

این فرآیند شامل:

• ذوب سنگ آهن در دمای بالا
• تفکیک ناخالصی‌ها (سرباره)
• جمع‌آوری آهن مذاب در پایین کوره
• سرد کردن و قالب‌گیری آهن خام

انواع آهن خام بر اساس مقدار کربن

• آهن معمولی: حدود 2٪ کربن داره، برای ساخت ماشین‌آلات و سازه‌ها مناسبه.
• آهن نرم (خالص): فقط 0.02٪ کربن داره، انعطاف‌پذیره ولی قابلیت جوشکاری خوبی نداره.

انواع آهن خام از نظر ساختار کریستالی

1. آهن خام سفید
   • توی شرایط سرد شدن سریع تولید می‌شه.
   • دانه‌های ریز و سفیدی داره.
   • سخته و ترد، بیشتر برای فولادسازی استفاده می‌شه.
2. آهن خام خاکستری
   • توی شرایط سرد شدن آهسته تشکیل می‌شه.
   • دانه‌های درشت و خاکستری داره.
   • نرم‌تر از آهن سفید، بیشتر برای تولید چدن استفاده می‌شه.
3. آهن خام نیمه‌خاکستری
   • ترکیبی از آهن سفید و خاکستریه.
   • برای تولید فولاد و چدن سخت مناسبه.

کوره آهن‌گدازی یا همان کوره بلند و نقش اون توی تولید آهن

کوره آهن‌گدازی (کوره بلند)، مهم‌ترین وسیله برای تولید آهن خامه. ویژگی‌هاش

• ساختار استوانه‌ای با لایه‌های نسوز داخلی
• بخش‌های اصلی:
  • تنوره (ورود مواد اولیه)
  • آتش‌خانه (محل ذوب)
  • بوته (جمع‌آوری مواد مذاب)
• سوخت مصرفی: کک، آنتراسیت، گاهی زغال‌سنگ
• دمای عملیاتی: 1600 تا 1700 درجه سانتی‌گراد
• مدت کارکرد: تا 10 سال بدون توقف، تولید روزانه حدود 5000 تن آهن خام.

سرباره کوره آهن‌گدازی و کاربردهاش

سرباره، محصول جانبی این فرآینده و کاربردهای مختلفی داره:

• استفاده در راه‌سازی و جدول‌سازی
• تولید بتن سبک
• ساخت سیمان سرباره‌ای
• عایق‌های حرارتی و صوتی

روش‌های جدید تولید آهن خام

• استفاده از کوره‌های الکتریکی برای کاهش هزینه.
• تولید آهن اسفنجی با 93 تا 95٪ آهن خالص.
• احیای سنگ آهن با گازهای صنعتی مثل هیدروژن و مونوکسید کربن.

مقایسه انواع آهن خام

چدن چیه؟

چدن یه نوع آلیاژه که از آهن، کربن و سیلیسیم ساخته می‌شه. برای تولیدش، آهن خام رو توی کوره ذوب می‌کنن و کربن اضافی و ناخالصی‌ها مثل گوگرد و فسفر رو حذف می‌کنن. اینجوری یه فلز خیلی مقاوم به نام چدن به دست میاد.

منگنز هم که توی چدن هست، کمک می‌کنه که چدن سخت‌تر بشه. معمولاً توی چدن 2 تا 3.5 درصد کربن هست و بسته به نوعش، ویژگی‌هاش متفاوت می‌شه.

چدن توی خیلی از صنایع استفاده می‌شه، مثلاً توی صنعت ساختمان برای لوله‌های آب، فاضلاب، نرده‌ها، کف‌پوش‌ها و خیلی چیزای دیگه. از این فلز هم به خاطر قیمت مناسب و ویژگی‌های خوبش زیاد استفاده می‌کنن.

انواع چدن

چدن‌ها رو نمی‌شه فقط بر اساس ترکیب شیمیایی تقسیم کرد چون ترکیب‌شون خیلی شبیه به هم هست. به همین دلیل از روش دیگه‌ای برای دسته‌بندی استفاده می‌کنن که به نوع تشکیل کربن آزاد و شکلش در ریزساختار چدن بستگی داره.

پس چدن‌ها رو می‌تونیم به این دسته‌ها تقسیم کنیم:

1. چدن سفید: این نوع چدن کربن اضافی رو به صورت کاربید آهن نشون می‌ده و هیچ گرافیتی نداره. به همین دلیل خیلی سخته ولی شکننده‌ست. معمولاً برای ساخت ابزارهای دقیق یا وسایل کوچیک استفاده می‌کنن.
2. چدن خاکستری: توی این نوع چدن، کربن اضافی به شکل گرافیت و به صورت ورقه‌ای رسوب می‌کنه. این ورقه‌ها رنگ خاکستری دارن به همین دلیل بهش می‌گن چدن خاکستری. این نوع چدن نرم‌تر از چدن سفید هست و معمولاً برای ساخت لوله‌ها، ناودانی‌ها، درپوش‌های چدنی و یراق‌آلات استفاده می‌شه.
3. چدن با گرافیت فشرده: در این نوع چدن، کربن اضافی به شکل گرافیت کرمی و ضخیم رسوب می‌کنه. این چدن حالتی میانه بین چدن خاکستری و داکتیل داره.
4. چدن چکش‌خوار (چدن مالیبل): این نوع چدن با اضافه کردن منیزیم و سیلیکات آهن به چدن معمولی درست می‌شه. با یه عملیات حرارتی خاص، کاربید آهن تجزیه می‌شه و کربن به صورت گرافیتی رسوب می‌کنه. این چدن قابلیت چکش‌خواری خیلی خوبی داره و کشسانی هم داره، به همین دلیل در ساخت قطعاتی که نیاز به انعطاف‌پذیری دارن، مثل بعضی از قطعات صنعتی، ازش استفاده می‌کنن.
5. چدن داکتیل (چدن نشکن): توی چدن داکتیل، کربن اضافی به شکل گرافیت کروی رسوب می‌کنه. این چدن رو با اضافه کردن منیزیم به چدن معمولی درست می‌کنن و باعث می‌شه که مقاومت و کشسانی بالاتری داشته باشه. برای ساخت قطعاتی که به مقاومت بالا و قابلیت چکش‌خواری نیاز دارن، مثل قطعات خودرو یا میل‌لنگ‌ها، خیلی استفاده می‌شه.

تولید چدن

چدن معمولاً توی کوره‌های مختلف مثل کوره شعله‌ای، کوره کوپل یا کوره برقی تولید می‌شه. هر کدوم از این کوره‌ها یه روش خاص برای ذوب آهن خام دارن. مثلاً توی کوره شعله‌ای آهن رو ذوب می‌کنن تا کربن اضافی بسوزه و چدن به دست بیاد. البته کوره‌های برقی برای تولید چدن‌های خاص و مقاوم‌تر استفاده می‌شه.

خواص چدن

چدن‌ها در برابر آتش خیلی مقاوم‌تر از فولاد هستن و دیرتر زنگ می‌زنن. اما چون چدن خیلی شکننده است، قابلیت چکش‌خواری خوبی نداره و نمی‌تونه مثل فولاد کشیده بشه. ولی توی فشار، چدن بهتر از فولاد عمل می‌کنه.

کاربردهای چدن

چدن توی صنایع زیادی مثل خودروسازی، ساختمان، ماشین‌آلات و حتی تولید قطعات صنعتی و لوازم خانگی استفاده می‌شه. برای مثال در ساخت لوله‌ها، قطعات ماشین‌آلات، شیرآلات و تجهیزات الکتریکی. توی تولید قطعاتی که تحت فشار و شوک هستن مثل میل لنگ‌ها یا دیسک ترمزها هم خیلی کاربرد داره.

چدن یه ماده مقرون به صرفه، مقاوم و خیلی پرکاربرده که توی صنایع مختلف حرف اول رو می‌زنه. از لوله‌ها گرفته تا تجهیزات پیچیده، چدن همیشه گزینه‌ای عالی به حساب میاد.

فولاد چیه؟

فولاد هم یه آلیاژ از آهنه، ولی مقدار کربنش کمتر از چدنه (حدود ۰.۰۲ تا ۲ درصد). این یعنی فولاد انعطاف‌پذیرتره و می‌شه راحت‌تر بهش شکل داد. برای همین از فولاد توی ساخت‌وساز، پل‌ها، خودروها و خیلی صنایع دیگه استفاده می‌شه.

انواع فولاد

فولاد هم انواع مختلفی داره که هر کدوم بسته به ترکیب شیمیایی‌شون ویژگی‌های متفاوتی دارن:

1. فولاد کربنی: این فولاد بیشتر از کربن تشکیل شده و در ساخت تیرآهن، میلگرد و سازه‌های فلزی استفاده می‌شه.
2. فولاد زنگ‌نزن (استنلس استیل): با داشتن کروم و نیکل در ترکیبش، زنگ نمی‌زنه و در ساخت سینک، قاشق و چنگال، تجهیزات پزشکی و صنایع غذایی کاربرد داره.
3. فولاد آلیاژی: ترکیبش شامل عناصر دیگه‌ای مثل مولیبدن، وانادیم و نیکل می‌شه که باعث افزایش مقاومت و استحکامش می‌شه.

خلاصه‌ی تفاوت‌ها

سوالات متداول

۱. آهن سخت‌تر است یا فولاد؟

فولاد معمولاً سخت‌تر و مقاوم‌تر از آهن خالص است چون مقدار کمی کربن و عناصر آلیاژی دیگه بهش اضافه شده.

۲. چرا چدن راحت‌تر از فولاد می‌شکنه؟

به دلیل مقدار زیاد کربن، چدن شکننده‌تره و در برابر ضربه مقاومت کمتری داره، در حالی که فولاد انعطاف‌پذیرتره.

۳. آیا فولاد زنگ می‌زنه؟

بستگی داره! فولادهای معمولی در مجاورت رطوبت زنگ می‌زنن ولی فولاد زنگ‌نزن به خاطر داشتن کروم، در برابر زنگ‌زدگی مقاومه.

۴. چدن بهتره یا فولاد؟

بستگی به کاربرد داره! اگه نیاز به مقاومت بالا در برابر حرارت و سایش داشته باشی، چدن گزینه بهتریه. ولی اگه استحکام و انعطاف‌پذیری مهم‌تر باشه، فولاد بهتره.

۵. آهن خالص چه کاربردی داره؟

آهن خالص به دلیل نرمی زیاد کمتر به‌صورت مستقیم استفاده می‌شه و بیشتر برای تولید آلیاژهایی مثل فولاد و چدن به‌کار می‌ره.

نتیجه‌گیری

پس اگه یه روز خواستی بدونی فلزی که دستته آهنه، فولاده یا چدن، کافیه به ویژگی‌هاش دقت کنی. اگه سنگین و شکننده بود، احتمالاً چدنه، اگه شکل‌پذیر و مقاوم بود، فولاده و اگه یه تیکه آهن بدون تغییر بود، همونه که باید تو فولاد و چدن تغییرش بدن!