آهن و چدن؛ تفاوت‌ها در ساختار و کاربری

تفاوت‌های کلیدی بین فولاد و چدن؛ بررسی خواص و کاربردها

برای درک بهتر تفاوت میان فولاد (که در بازار با نام آهن شناخته می‌شود) و چدن، لازم است نگاه دقیقی به خواص مکانیکی، ترکیب شیمیایی، روش تولید و کاربردهای آن‌ها داشته باشیم. با اینکه هر دو از سنگ‌آهن به‌دست می‌آیند، اما ویژگی‌های نهایی آن‌ها کاملاً متفاوت است و همین موضوع موجب شده در صنایع مختلف، کارکردهای متفاوتی داشته باشند.

تفاوت اصلی؛ میزان کربن در ترکیب

مهم‌ترین تفاوت چدن و فولاد در میزان کربن آن‌ها نهفته است. چدن حاوی ۲ تا ۴ درصد کربن است، در حالی که فولاد تنها ۰.۰۲۵ تا ۲ درصد کربن دارد. این تفاوت باعث شده چدن سخت‌تر اما شکننده‌تر و فولاد انعطاف‌پذیرتر و چقرمه‌تر باشد.

در واقع، بالا بودن مقدار کربن در چدن باعث افزایش سختی و کاهش شکل‌پذیری می‌شود و همین عامل باعث شده چدن به ماده‌ای ترد و آسیب‌پذیر تبدیل شود. در مقابل، فولاد به‌دلیل میزان کربن کمتر و وجود عناصر آلیاژی، ویژگی‌های مکانیکی بسیار مطلوب‌تری دارد.

مقایسه خواص مکانیکی

• استحکام کششی

فولاد دارای استحکام کششی بسیار بالاتری نسبت به چدن است. این ویژگی آن را برای استفاده در صنایع سنگین، سازه‌های مقاوم و ماشین‌آلات حساس مناسب می‌کند. ترکیب فولاد با عناصر آلیاژی مثل وانادیوم، تیتانیم و منگنز باعث افزایش بیشتر این استحکام می‌شود.

در مقابل، چدن به‌دلیل ساختار ترد و گرافیتی، نمی‌تواند نیروی کششی زیادی را تحمل کند و بیشتر در کاربردهای ایستا و بدون تغییر شکل استفاده می‌شود.

• استحکام فشاری

چدن در برابر فشار مقاومت بیشتری دارد. به همین دلیل در تولید قطعاتی که بیشتر تحت نیروی فشاری هستند – مانند بدنه پمپ، پایه ماشین‌آلات، دریچه‌ها و درپوش‌ها – چدن گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه و مناسب است.

• سختی و مقاومت به سایش

چدن در برابر سایش مکانیکی عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد، به‌ویژه به‌خاطر وجود گرافیت در ساختارش که نقش روان‌کننده طبیعی را ایفا می‌کند. در صنایعی مانند ریخته‌گری قطعات صنعتی که اصطکاک بالا وجود دارد، استفاده از چدن باعث کاهش نیاز به روان‌کاری خارجی می‌شود.

البته فولاد نیز می‌تواند با افزودن عناصر آلیاژی مانند بور، کروم و نیکل، به مقاومت سایش بالایی برسد و در موارد خاص جایگزین چدن شود.

• مقاومت به ضربه

فولاد به‌دلیل چقرمگی بالا، در برابر ضربات ناگهانی عملکرد بسیار خوبی دارد. این ویژگی باعث شده فولاد برای کاربردهایی که فشار ضربه‌ای وجود دارد (مثل ابزارآلات یا سازه‌های در معرض لرزش)، انتخاب اول مهندسان باشد.

چدن در برابر ضربه بسیار ضعیف است و معمولاً در برابر ضربه ترک می‌خورد یا می‌شکند، به همین دلیل در شرایطی که تنش ضربه‌ای وجود دارد، توصیه نمی‌شود.

انواع لوله‌ چدنی و کاربرد آن‌ها

۱. لوله چدنی فاضلابی (Cast Iron Pipe)

• استفاده در سیستم فاضلاب شهری و ساختمانی
• مقاوم در برابر مواد شیمیایی فاضلاب
• دارای عمر مفید طولانی (تا ۵۰ سال)
• دو نوع رایج آن: چدن خاکستری و چدن داکتیل

۲. لوله چدنی داکتیل (Ductile Iron Pipe)

• ساخته‌شده از چدن نشکن
• مناسب برای خطوط انتقال آب شهری و صنعتی (لوله آب)
• دارای مقاومت بالا در برابر فشار و ضربه
• در بسیاری از پروژه‌های آب‌رسانی جایگزین لوله فولادی شده است

انواع لوله‌ آهنی و کاربرد آن‌ها

۱. لوله گالوانیزه

• پوشش روی (زینک) جهت جلوگیری از زنگ‌زدگی
• مورد استفاده در آبرسانی ساختمان‌ها، سیستم گرمایشی و سرمایشی
• دوام مناسب در برابر خوردگی

۲. لوله سیاه آهنی (بدون پوشش)

• مناسب برای انتقال گاز، سیستم‌های تهویه و پروژه‌های صنعتی
• قابل جوشکاری، برش‌کاری و خم‌کاری
• در ضخامت‌های مختلف تولید می‌شود: سبک، متوسط، سنگین

۳. لوله درزدار و بدون درز (Seamless & Welded)

• لوله بدون درز: مقاومت بالاتر، برای فشار بالا، مانند لوله‌های هیدرولیک
• لوله درزدار: مقرون‌به‌صرفه، برای انتقال آب، گاز و هوا

مقایسه فولاد و چدن از نظر ویژگی‌های فنی و اقتصادی

شناخت تفاوت‌های میان چدن و فولاد از لحاظ خواص فنی و قابلیت‌های ساخت، به انتخاب درست در طراحی و تولید قطعات صنعتی کمک زیادی می‌کند. در این بخش، مهم‌ترین تفاوت‌های این دو آلیاژ پرکاربرد را از نظر خوردگی، شکل‌پذیری، جوش‌کاری، ماشین‌کاری و قیمت بررسی می‌کنیم.

مقاومت در برابر خوردگی

مقاومت به خوردگی یکی از چالش‌برانگیزترین موارد در مقایسه چدن و فولاد است. چدن‌ها نسبت به فولاد ساده کربنی عملکرد بهتری دارند، اما در برابر فولادهای آلیاژی و مخصوصاً فولادهای ضد زنگ، مقاومت آن‌ها کمتر است. دلیل اصلی مقاومت بالای فولاد ضد زنگ به خوردگی، وجود کروم بالای آن است که با ایجاد یک لایه اکسید محافظ، مانع از زنگ‌زدگی می‌شود.

شکل‌پذیری و ریخته‌گری

چدن از نظر ریخته‌گری برتری محسوسی نسبت به فولاد دارد. وجود سیلیسیم بالا در ترکیب چدن، سیالیت آن را افزایش داده و باعث می‌شود شکل‌پذیری بهتری هنگام ذوب و قالب‌گیری داشته باشد. به همین دلیل، بسیاری از قطعات ریختگی مانند سیلندر موتور خودرو از چدن ساخته می‌شوند. همچنین، چدن قابلیت جذب ارتعاش خوبی دارد که موجب کاهش صدا و لرزش در ماشین‌آلات می‌شود.

جوش‌پذیری

فولادها به‌مراتب جوش‌پذیرتر از چدن هستند. علت جوشکاری سخت‌تر چدن، کربن بالا و شکنندگی ساختار آن است. در زمان جوشکاری، تنش‌های حرارتی زیادی به قطعه وارد می‌شود که در چدن ممکن است به ترک‌خوردگی یا شکست منجر شود. در مقابل، فولاد به‌راحتی قابلیت اتصال با انواع روش‌های جوشکاری را دارد.

ماشین‌کاری

ماشین‌کاری چدن معمولاً آسان‌تر از فولاد است. گرافیت موجود در ساختار چدن، عملیات براده‌برداری را روان‌تر می‌کند. البته نوع چدن نیز اهمیت دارد؛ چدن خاکستری به‌خاطر ساختار یکنواخت، ماشین‌کاری بهتری دارد، در حالی که چدن سفید به دلیل سختی بالا و شکنندگی، به‌سختی قابل ماشین‌کاری است.

در مقابل، فولادهای آلیاژی با ترکیب‌های خاص ممکن است مقاومت بیشتری در برابر ماشین‌کاری داشته باشند و ابزار برشی را سریع‌تر مستهلک کنند.

تفاوت قیمت چدن و فولاد

چدن معمولاً ارزان‌تر از فولاد است. علت این موضوع، هزینه کمتر تولید، مصرف انرژی پایین‌تر و ساده‌تر بودن فرآیند ریخته‌گری است. از سوی دیگر، فولاد به‌ویژه در حالت خام، هزینه تولید و فرآوری بالاتری دارد، اما به دلیل دوام و قابلیت‌های مهندسی بالاتر، در بسیاری از صنایع ترجیح داده می‌شود.

همچنین فولاد در شکل‌های مختلفی مانند ورق، میلگرد، پروفیل و تیرآهن به‌صورت آماده در بازار موجود است که این موضوع باعث کاهش هزینه‌های نهایی در تولید می‌شود.