تفاوت آهن ، فولاد و چدن ( بررسی جامع )

بررسی جامع تفاوت آهن، فولاد و چدن

فلزات آهنی فلزاتی هستند که از آهن (سنگ آهن) از جمله آهن، چدن و فولاد ساخته می شوند. سنگ آهن را در کوره های ذوب آهن ذوب می کنند تا آهن خام تولید کنند که برای تولید آهن معمولی از جمله تیرآهن ساده ، چدن و فولاد استفاده می شود. در واقع چدن و فولاد آلیاژهای آهن هستند.

آلیاژها (چند جوشی) ترکیبی از فلزات غیر مشابه هستند که در صورت لزوم افزودنی های غیر فلزی به آن اضافه می شود. فلزات آهنی بیش از سایر فلزات مورد استفاده قرار می گیرند و ۹۵ درصد از فلزات تولید شده در سطح جهان را تشکیل می دهند. این عنصر یکی از رایج ترین عناصر روی زمین است که حدود ۵ درصد از پوسته زمین را تشکیل می دهد.

این عنصر فلزی خاکستری سنگین و براق است که از سنگ آهن استخراج می شود و به ندرت به صورت آزاد (عنصر) در طبیعت یافت می شود. آهن بیش از همه فلزات مورد استفاده قرار می گیرد، چون چدن و فولاد نیز از آهن خام استفاده می شود. قیمت پایین و استحکام بالای ترکیبات آن استفاده از آن را در صنایع مختلف و همچنین در ساخت و ساز اجتناب ناپذیر می کند. در این نوشتار می خواهیم درباره تفاوت آهن ، فولاد و چدن با شما صحبت کنیم. در ادامه همراه ما باشید.

بررسی خصوصیات آهن ، فولاد و چدن

سنگ آهن

سنگ آهن استخراج شده از معدن در دستگاه سنگ شکن خرد شده و با عملیات ویژه برای ورود به کوره آماده می شود. برای تولید، سنگ آهن در کوره ذوب حرارت داده می شود تا مواد خام تولید شود. اکنون انواع مختلف آهن و آلیاژهای آن از مواد اولیه تولید می شود. در واقع سنگ آهن اکسید این عنصر است، نمک های معدنی، سنگ آهک، سیلیس، آلومین و … از چهار نوع سنگ در کوره ها می توان استفاده کرد.

اکسیدها: سنگ آهن مغناطیسی که مگنتیت ۶۸ درصد وزنی آهن و هماتیت یا سنگ آهن سرخ ۶۰ درصد وزن عنصر را تشکیل می دهند.
هیدروکسید: سنگ آهن لیمویی تا قهوه ای حاوی ۵۰ درصد وزنی این عنصر است.
کربنات
گوگرد

تولید آهن مذاب و محصولات خام

در ادامه تفاوت آهن ، فولاد و چدن، باید بگوییم که سنگ آهن در کوره با دمای بالا ذوب می شود. فلز مذاب حاصل حاوی ناخالصی های فلز آهن و سنگ آهن است، اما از آنجایی که وزن مخصوص این ناخالصی ها با فلز مذاب متفاوت است، ناخالصی ها از آهن مذاب جدا شده و روی سطح شناور می شوند. بنابراین به آنها سرباره کوره یا تفاله می گویند. سرباره توسط شیر تخلیه فوقانی از کوره خارج می شود و آهن مذاب توسط شیر تخلیه پایینی از کوره خارج می شود.

فلز حاصله چدن نام دارد. هنگامی که آهن خام تخلیه می شود، مقداری ناخالصی نیز تخلیه می شود، به طوری که آهن خام حاوی ۵-۱۰ درصد ناخالصی هایی مانند گوگرد، سیلیکون، فسفر، منگنز و کربن است. آهن خام بدون حالت خمیری از جامد به مایع تبدیل می شود. بنابراین انعطاف پذیر نیست و نمی توان آن را نورد کرد. برای ذوب سنگ آهن در دماهای پایین تر به آن گدازآور اضافه می شود.

مواد گدازآور باید به گونه ای انتخاب شود که با آهن مخلوط نشود و واکنش نشان ندهد. از آنجایی که سنگ آهن حاوی ناخالصی های سیلیسی، آهکی یا رسی است، توده مذاب باید طوری انتخاب شود که تفاله آهن گدازی به سیلیکات کلسیم برای ساخت مواد مختلف تبدیل شود. در بررسی تفاوت آهن ، فولاد و چدن باید بدانید، اگر ناخالصی سنگ آهن آهکی باشد باید از گدازآور سیلیس یا خاک رس و اگر ناخالصی سیلیس باشد از گدازآور آهکی استفاده کرد.

اگر کوره گدازآور دارای مبدل آهن به چدن یا آهن به فولاد باشد، آهن خام مذاب مستقیماً به مبدل ارسال می شود. در غیر این صورت به شکل قرص خنک می شود. سرعت سرد شدن و محتوای ناخالصی در آهن خام می تواند بر مواد آن تأثیر بگذارد. سرباره آهن‌ سازی سیلیکات کلسیم و سیلیکات آلومینیوم است و در ساخت انواع مصالح ساختمانی استفاده می‌شود. از جمله کاربردهای آن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

مصارف سرباره کوره آهن گدازی

نقاله های آبکی به شکل سنگ پله و جدول یا برای سنگفرش جاده های شیب دار هستند.
پس از خرد کردن، به عنوان یک ماده سبک وزن در ساخت بتن سبک استفاده می شود.
اگر آب با فشار روی سرباره پاشیده شود به ماسه تبدیل می شود و برای آسفالت و روسازی آسفالت استفاده می شود.
از پودر سرباره در تولید سیمان (سیمان سرباره) استفاده می شود.
سرباره به صورت رشته و الیاف ساخته می شود که برای ایجاد عایق حرارتی و صوتی استفاده می شود.

تفاوت آهن ، فولاد و چدن؛ انواع آهن خام

خواص انواع آهن خام و آهن به ساختار کریستالی آنها بستگی دارد.
آهن خام سفید: وقتی چدن مذاب به سرعت سرد می شود، کربن آن گرافیت تشکیل نمی دهد. بنابراین رنگ آن روشن تر می شود (سفید نقره ای) و به آن آهن خام سفید می گویند که در فولادسازی از آن استفاده می شود. محتوای سیلیکون در آهن خام سفید کم است و مواد سخت و شکننده است. سطح شکسته آن دارای ذرات ریز و سبک است.

آهن خام خاکستری: وقتی آهن خام مذاب به آرامی سرد می شود، کربن آن به گرافیت تبدیل می شود. بنابراین رنگ آن تیره تر می شود و به آن آهن خام خاکستری می گویند که برای چدن استفاده می شود. آهن خام خاکستری دارای محتوای سیلیکون بالایی است، شکننده نیست و نرمتر از آهن خام سفید است. سطح شکسته دارای ذرات درشت خاکستری است.

آهن خام نیمه خاکستری: این نوع چدن حد واسط بین آهن خام سفید و خاکستری است و برای ساخت فولاد سخت و چدن استفاده می شود.

تفاوت آهن ، فولاد و چدن ؛ تفاوت آهن معمولی با آهن خالص

تفاوت در میزان کربن انواع مختلف آهن آن هاست. میزان کربن موجود در آهن، چدن و فولاد نیز شاخصی از مواد آنهاست. به دلیل محتوای کربن زیاد در آهن خام، شکننده است و نمی توان آن را چکش کرد و نورد داد زیرا در اثر ضربه خرد می شود. کربن همچنین نقطه ذوب فلزات را کاهش می دهد. بنابراین با کاهش کربن آهن می توان دو نوع آهن تولید کرد:

آهن معمولی (آهن): این آهن حدود ۲ درصد کربن دارد و از کربونیزاسیون آهن خام و مقداری آهن قراضه در کوره به دست می آید. نقطه ذوب پایین، حدود ۱۱۳۰ درجه سانتیگراد. آهن در هوای مرطوب زنگ می زند، بنابراین فولاد ضد زنگ و پوشش محافظ مورد نیاز است. این فلز کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف، ساخت ماشین آلات صنعتی و ساختمانی دارد.

آهن خالص (آهن نرم – آهن ورزیده): این آهن تنها ۰۲/۰ درصد کربن دارد و به دلیل اختلاط با مقداری سرباره دارای حالت فیبری است. دمای ذوب بالایی دارد، حدود ۱۵۴۰ درجه سانتیگراد، بنابراین نمی توان از آن برای لحیم کاری استفاده کرد. آهن خالص انعطاف پذیر است، با استحکام کششی بالا و مقاومت در برابر خوردگی بالا. از آهن خالص در ساختمان سازی استفاده نمی شود، بلکه برای ساخت چدن و فولاد استفاده می شود.

تفاوت آهن ، فولاد و چدن؛ چدن چیست؟

چدن آلیاژی از آهن، کربن و سیلیکون است که از آهن خام خاکستری ساخته شده است. برای ساختن چدن، آهن خام را با مقداری آهن قراضه در کوره های مخصوص ذوب می کنند تا مقداری از کربن موجود در آن بسوزانند، در حالی که ناخالصی هایی مانند گوگرد و فسفر که تأثیر زیادی در خواص آن دارند به صورت سرباره حذف می کنند. فلز مذاب باقی مانده نیز حاوی مقداری منگنز است و چدن نامیده می شود.

منگنز چدن را سخت می کند در حالی که سیلیکون چدن را به گرافیت تبدیل می کند. محتوای کربن در چدن ۲٫۵-۲٪ وزنی است. جنس چدن بستگی به سرعت خنک شدن و همچنین مواد آهن خامی مورد استفاده در فرآیند تولید دارد. قیمت و خواص نسبتا پایین چدن باعث استفاده از آن در صنایع مختلف شده است. در صنعت ساختمان از چدن برای ساخت لوله کشی، نرده، کف، یراق آلات و غیره استفاده می شود.

کوره تولید چدن

در بررسی تفاوت آهن ، فولاد و چدن، هنگامی که چدن از آهن خام تهیه می شود، وزن چدن تولید شده از ضایعات آهن کمی کمتر می شود زیرا مقداری کربن آهن خام می سوزد و برخی از ناخالصی های موجود در آن نیز به صورت سرباره ظاهر می شود. برای تولید چدن از سه نوع کوره به شرح زیر استفاده می شود.

کوره شعله ای:

این کوره از یک ظرف بزرگ سرپوشیده تشکیل شده است که در آن آهن خام می ریزند و شعله ای روی آن قرار می دهند تا کربن و سایر عناصر آهن خام و چدن را با کاهش وزن ۱۰-۶ درصد بسوزانند. در این کوره گدازآور مصرف نمی شود و مصرف سوخت آن زیاد است.

کوره کوپل:

شکل و روند کار این کوره مشابه کوره بلند آهن گدازی است با این تفاوت که کوچکتر است. در کوره کوپل شده، آهن خام با کاهش وزن ۳-۶ درصد به چدن تبدیل می شود.
کوره برقی: گرمای این کوره از طریق برق تامین می شود و مزیت آن نسبت به دو کوره قبلی این است که می توان دمای آن را بالا برد و ثابت نگه داشت. از کوره های برقی برای تولید چدن های خاص با مقاومت بالا استفاده می شود.

تفاوت آهن ، فولاد و چدن؛ خواص چدن

چدن نیز مانند آهن خام بدون حالت خمیر از حالت جامد به مایع تبدیل می شود. بنابراین قابلیت چکش کاری خوبی ندارد. چدن سخت و شکننده است و نسبت به فولاد در برابر آتش مقاوم ‌تر است و دیرتر زنگ می‌زند. به ازای هر ۱ درجه افزایش دما، طول هر متر چدن ۰٫۰۱ میلی متر افزایش می یابد.

معرفی انواع چدن

برای درک بهتر تفاوت آهن ، فولاد و چدن به بررسی انواع مختلف چدن می پردازیم که چدن از این نظر شبیه آهن خام هستند.

چدن سفید:

اگر چدن مذاب به سرعت سرد شود، کربن آن گرافیت ایجاد نمی کند. محتوای کم سیلیکون در چدن سفید نیز باعث ایجاد مقادیر کمی کربن به شکل گرافیت می شود. سطح مقطع چدن سفید دارای دانه های ریز و مواد سخت است و نمی توان آن را تمیز کرد. از این چدن وسایل کوچک می سازند.

چدن خاکستری:

هنگامی که چدن مذاب به آرامی سرد می شود و همچنین مقداری سیلیکون در آن وجود دارد، کربن بیشتری در آن به گرافیت تبدیل می شود و چدن را تیره می کند. چدن خاکستری نرم‌تر، شکننده‌ تر، انعطاف ‌پذیرتر از چدن سفید است و سطح دانه ‌ای خشن دارد. از این چدن برای ساخت لوله های چدنی، ناودانی، پروفیل های پنجره، پوشش کف چدنی، توری های چدنی، یراق آلات و … استفاده می کنند.

چدن نیمه خاکستری:

جنس آن بین چدن سفید و چدن خاکستری است.

چدن سخت

برای ساخت چدن سخت، چدن را حرارت می دهند و سپس به سرعت سطح خارجی را سرد می کنند، اما داخل آن به آرامی سرد می شود. بنابراین، سطح چدن سفید و هسته داخلی چدن خاکستری است. این چدن دیرتر فرسوده می شود و لوله های زیر دال پل از آن ساخته می شود.

چدن نرم:

برای افزایش مقاومت در برابر ضربه چدن و امکان چکش زدن آن، چدن های سفید و نیمه خاکستری با مقداری گرد سنگ اکسید آهن حرارت داده می شود تا مقداری کربن بسوزد و شکنندگی آن کاهش یابد و نرم باشد. از این چدن برای ساخت وسایل کوچک مانند یراق آلات در و پنجره، کلید و قفل، شیرآلات و .. استفاده می شود.

تفاوت آهن ، فولاد و چدن؛ تعریف فولاد و تفاوت آن با آهن

فولاد یک عنصر نیست، بلکه معروف ترین آلیاژ است، با محتوای کربن بین ۱٫۵-۰٫۲٫ فولاد پرمصرف یک فلز آهنی است. این فلز از آهن خام سفید ساخته شده است. به این ترتیب آهن سفید را با مقداری آهن قراضه حرارت می دهند تا کربن آن بسوزد و مقداری ناخالصی آن به صورت سرباره خارج شود. در حال حاضر حدود ۵۰ درصد از تولید فولاد جهان قراضه است. عناصر موجود در فولاد به شرح زیر است.

کربن: تغییر محتوای کربن در فولاد باعث تغییر خواص فیزیکی آن می شود. کربن فولاد را شکننده می کند، استحکام کششی و سختی آن را افزایش می دهد و نقطه ذوب آن را کاهش می دهد. هرچه میزان کربن فولاد کمتر باشد، فولاد نرم تر و شکل پذیری بهتری دارد. اما با فولاد با میزان کربن کم، ابزار ساخته نمی شود.

سیلیسیم: این عنصر همچنین استحکام کششی و سختی فولاد را افزایش می دهد، اما فولاد را شکننده، تیره تر و شکل پذیری آن را کاهش می دهد. محتوای سیلیکون در فولاد نباید از ۰٫۳۵ درصد وزنی تجاوز کند.

مگنز: استحکام کششی و سختی فولاد را افزایش داده و شکل پذیری آن را کاهش می دهد. میزان منگنز در فولاد ۱-۰٫۵ درصد وزنی است. از فولاد منگنزی ساچمه های فولادی سخت می سازند.

کروم: حداقل ۱۲% کروم در فولاد استحکام کششی آن را افزایش داده و از زنگ زدگی آن جلوگیری می کند. قاشق، چنگال، چاقو و ظروف همگی از فولاد کروم دار ساخته شده اند.

مس: برای جلوگیری از زنگ زدگی، فولادی که در مناطق مرطوب استفاده می شود.

گوگرد و فسفر: این دو عنصر مانند آنچه در مورد چدن گفته می شود باید در فولاد به حداقل برسد.

در تولید فولاد دو هدف دنبال می شود:
۱- سوزاندن مقداری کربن و همچنین سوزاندن ناخالصی های آهن خام سفید و یا باقی ماندن آن به صورت سرباره
۲- مقدار معینی از مواد آلیاژی (عناصر مورد نیاز فولاد) را به آهن خام سفید اضافه کنید.

تفاوت آهن ، فولاد و چدن؛ خواص فولاد

فولاد به دلیل شکل پذیری و استحکام بالا یکی از مهمترین مصالح ساختمانی است. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی که تحت آن قرار گرفته و فلزات آلیاژی در آن بستگی دارد.
انبساط حرارتی: با افزایش دما تا ۱۰۰ درجه، فولاد ۲% منبسط می شود.

شکل پذیری: فولاد را می توان به هر شکلی درآورد.

قابلیت اتصال: با اتصالات خشک (پیچ و مهره یا تا شده) و اتصالات مرطوب (جوشی) می توان قطعات فولادی مختلف را به یکدیگر متصل کرد.

اکسیداسیون: فولاد می تواند به سرعت در اثر رطوبت و نمک (اکسیداسیون) یا در اثر پوسیدگی زنگ بزند. همانطور که قبلا در بررسی تفاوت آهن ، فولاد و چدن ذکر شد، عناصری مانند کرم، مس، وانادیوم و نیکل را می توان برای مبارزه با زنگ زدگی فولاد به آلیاژ اضافه کرد. هنگام استفاده از فولاد باید به گونه ای قرار گیرند که آب باران بر روی سایر مصالح به خصوص بتن و شیشه نریزد زیرا باعث ایجاد لکه بر روی آنها می شود. علاوه بر این، برای جلوگیری از زنگ زدگی فولاد، می توان سطح آن را قلع اندود (حلبی)، روی اندود(آهن سفید) و یا با مواد آلی و پلاستیکی پوشاند.

استحکام مکانیکی: فولادهای مختلف استحکام کششی متفاوتی دارند. امروزه مقاطع مختلف فولاد با توجه به مقاومت کششی آنها ST33، ST37، ST45، ST50 و ST52 نامگذاری می شوند. مقاومت فشاری، برشی، خمشی و ضربه ای فولادهای مختلف بر اساس آلیاژ متفاوت است. خواص مکانیکی فولاد را می توان با عملیات حرارتی مختلف و به دنبال آن خنک سازی در شرایط مختلف تغییر داد. خنک سازی فولاد را می توان به سرعت در آب یا روغن (آب دیده کردن) یا به آرامی با استفاده از دستگاه خنک کننده یا در هوا انجام داد. هر یک از این روش ها بر فولاد تأثیر متفاوتی می گذارد.

در این صفحه، ما تفاوت آهن ، فولاد و چدن را مورد بحث قرار دادیم. در این فلزات، آهن به طور گسترده ای مورد استفاده قرار نمی گیرد، زیرا عملکرد مورد نظر را ارائه نمی دهد. بیشترین استفاده از آلیاژ آهنی، فولاد است که برای تولید بسیاری از مصالح ساختمانی و تجهیزات صنعتی است. اما در بسیاری از موارد، کلمه آهن را می توان به جای فولاد استفاده کرد. به عنوان مثال، ورق ST37 در بازار آهن ورق آهنی نامیده می شود. بررسی تفاوت کاربرد آهن و فولاد و چدن، به شما در مورد محصولات آهن در بازار آهن بیشتر کمک می‌کند.

اینستاگرام آهنات را دنبال کنید.