7 تفاوت فولاد و چدن؛ فرق بین فولاد و چدن چیست؟

انتخاب بین فولاد و چدن یکی از تصمیمات مهم مهندسی است که مستقیما بر کیفیت، دوام و هزینه تولید قطعات تاثیر می‌گذارد. پیش از آنکه به بررسی ۷ تفاوت فولاد و چدن بپردازیم، باید بدانیم که هر دوی این مواد از خانواده آلیاژهای آهنی هستند؛ یعنی ماده اصلی تشکیل‌دهنده فولاد و چدن، آهن است که با مقداری کربن ترکیب شده است. تفاوت درصد کربن در این آلیاژها، اساس همه تفاوت‌های بعدی آن‌ها را شکل می‌دهد. در این مقاله به این سوال پاسخ می‌دهیم که تفاوت فولاد و چدن چیست و نکات کاربردی برای انتخاب مناسب‌ترین فلز ارائه می‌دهیم. همان نکاتی که استیل فروشی شهر استیل در ارائه مشاوره به مشتریان خود همیشه مورد توجه قرار می‌دهد.

فولاد چیست؟

فولاد یک آلیاژ آهن-کربن است که معمولا حاوی کمتر از حدود ۲٫۱ درصد کربن است و مقادیر متفاوتی از عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل، منگنز، سیلیکون و … نیز دارد. ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی فولاد بسته‌به مقدار کربن و عملیات حرارتی قابل تغییر است.

فولاد به دلیل کربن پایین‌تر، خاصیت شکل‌پذیری و انعطاف‌پذیری بالایی دارد. به‌طور کلی فولاد سرسخت اما منعطف است؛ یعنی می‌توانید آن را خم کنید، بکشید یا نورد کنید بدون آنکه به راحتی بشکند.

چدن چیست؟

چدن نیز آلیاژی از آهن و کربن است؛ اما معمولا مقدار کربن در آن بیشتر از فولاد (حدود ۲٫۱ تا ۴ درصد یا بیشتر) است. کربن زیاد باعث می‌شود چدن بسیار سخت و ترد باشد. برخلاف فولاد، چدن خاصیت چکش‌خواری ندارد و در برابر ضربه شدید ممکن است ترک بخورد یا خرد شود.

7 تفاوت فولاد و چدن در یک نگاه

در نگاه اول شاید فولاد و چدن ظاهر مشابهی داشته باشند؛ اما این دو فلز تفاوت‌های مهمی با یکدیگر دارند. در جدول زیر نگاهی کوتاه به تفاوت ترکیبات فولاد و چدن و ویژگی‌های این دو فلز خواهیم داشت:

1. تفاوت فولاد و چدن در محتوای کربن

مهم‌ترین تفاوت فولاد با چدن مربوط به محتوای کربن آن می‌شود که مستقیما بر رفتار مکانیکی فلز اثر می‌گذارد. در فولاد میزان کربن معمولا کمتر از ۲ درصد است. این امر باعث می‌شود اتم‌های آهن فضایی برای حرکت و لغزش داشته باشند که نتیجه آن انعطاف‌پذیری و قابلیت چکش‌خواری بالاست.

اما در مقابل، چدن با داشتن کربن بیش از ۲ درصد که ممکن است تا حدود ۶.۶۷ درصد افزایش یابد، ساختار اشباع شده‌ای دارد. کربن اضافی در چدن به شکل لایه‌های گرافیت یا کاربید آهن ظاهر می‌شود؛ این ساختار باعث افزایش فوق‌العاده سختی، مقاومت به سایش و کاهش نقطه ذوب می‌شود؛ اما همزمان فلز را به شدت ترد و شکننده می‌کند. با‌توجه‌به این تفاوت کربن، در پاسخ به اینکه قابلمه استیل خوبه یا چدن، استیل انتخاب مناسب‌تری است.

2. تفاوت چدن با فولاد در نقطه ذوب

چدن به‌دلیل آلیاژ با کربن بالا و عناصر دیگر، نقطه ذوب بسیار پایین‌تری نسبت‌‌به فولاد دارد. معمولا چدن در محدوده دمای ۱۱۲۷ تا ۱۲۰۴  درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. این دمای پایین‌تر باعث کاهش مصرف انرژی در فرآیندهای ریخته‌گری و جریان راحت‌تر در قالب‌ها می‌شود.

در مقابل فولاد نقطه ذوب بسیار بالاتری دارد و معمولا بین دمای ۱۳۷۰ تا ۱۵۴۰ درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شود. بسته‌به نوع فولاد و عناصر آلیاژی موجود در آن، نقطه ذوب ممکن است کمی بالاتر یا پایین‌تر باشد.

این اختلاف چند صد درجه‌ای در نقطه ذوب، یکی از دلایل اصلی تفاوت‌های فرآیندی و کاربردی این دو فلز در صنعت است‌.

3. فرق فولاد و چدن از نظر قدرت

در بررسی فرق فولاد با چدن از نظر قدرت مکانیکی، نحوه پاسخ این دو فلز به نیروها متفاوت است. فولاد استحکام کششی بیشتری دارد؛ یعنی در برابر نیروهایی که تمایل به کشیدن یا باز کردن قطعه دارند مقاومت بیشتری نشان می‌دهد و دیرتر می‌شکند. استحکام کششی فولاد معمولی از حدود ۴۰۰ تا بیش از ۱۰۰۰  مگاپاسکال است.

چدن در مقاومت فشاری برتری دارد و بهتر بارهای فشاری شدید را بدون تغییر شکل قابل‌توجه تحمل می‌کند. به همین دلیل در قطعاتی که تحت فشار سنگین و ثابت قرار می‌گیرند (پایه‌ها یا بدنه‌های سنگین ماشین‌آلات) کاربرد دارد.

4. قابلیت ریخته‌گری

فولاد و چدن در برابر حرارت جوش‌کاری رفتارهای کاملا متفاوتی نشان می‌دهند. اغلب گرید‌های فولاد به دلیل کربن پایین، قابلیت جوش‌کاری بسیار خوبی دارند.

در مقابل جوش‌کاری چدن به دلیل محتوای کربن بالا و ساختار ترد یک چالش جدی است. حرارت سریع جوش‌کاری باعث ایجاد ترک‌های مویی در اطراف محل جوش می‌شود. در نتیجه برای جوش‌کاری چدن معمولا نیاز به پیش‌گرم کردن قطعه و استفاده از الکترودهای خاص، مانند الکترود نیکل است.

5. مقاومت در برابر خوردگی

فولاد در انواع خاص مانند فولاد ضدزنگ مقاومت قابل‌توجه‌تری در برابر خوردگی دارد. در این نوع فولاد، عناصر آلیاژی مانند کروم یک لایه اکسیدی محافظ تشکیل می‌دهند که از اکسید شدن بیشتر سطح جلوگیری می‌کند.

در نتیجه در محیط‌های مرطوب و خورنده دوام بیشتری دارد. مقاومت چدن در برابر خوردگی معمولا کمتر است. در صورت قرار گرفتن طولانی در معرض رطوبت و عوامل خورنده به پوشش محافظ نیاز دارد یا باید رنگ‌کاری شود.

6. مقاومت در برابر ضربه

در برابر ضربه‌های ناگهانی و نیروهای شوک‌دهنده، فولاد به‌طور محسوس برتری دارد؛ زیرا ساختار انعطاف‌پذیرتری دارد و انرژی وارد شده را بهتر جذب می‌کند؛ اما چدن به‌دلیل تردی نسبی ساختارش، در صورت اعمال ضربه شدید، معمولا می‌شکند یا ترک می‌خورد. به همین دلیل در مواردی که احتمال ضربات شدید وجود دارد، فولاد انتخاب ایمن‌تری است.

7. تفاوت فولاد و چدن از نظر هزینه

قیمت چدن معمولا کمتر از فولاد است. این تفاوت قیمت ناشی از چند فاکتور اساسی در فرآیند تولید و استخراج است. چدن را می‌توان از ذوب مجدد آهن قراضه و شمش‌های آهن ارزان‌تر تولید کرد؛ اما فولاد برای رسیدن به خواص مطلوب، اغلب به تصفیه بیشتر، حذف ناخالصی‌ها و گاهی افزودن عناصر آلیاژی گران‌قیمت (مثل نیکل و کروم) نیاز دارد. هم‌چنین قیمت ورق فولاد ضد زنگ به دلیل ترکیبات شیمیایی و فرآیند تولید پیچیده بالاتر است.

از آنجایی که چدن در دمای پایین‌تری ذوب می‌شود، کوره‌های چدن‌ریزی انرژی کمتری مصرف می‌کنند و هزینه سوخت و برق در فرآیند تولید آن به مراتب کمتر از فولاد است. هم‌چنین چدن از طریق ریخته‌گری شکل می‌گیرد که برای تولید انبوه قطعات پیچیده، روش بسیار ارزان و سریعی است. در مقابل، فولاد اغلب به روش‌های پر‌هزینه‌تری مثل نورد گرم یا سرد، فورج (آهنگری) و ماشین‌کاری‌های پیچیده نیاز دارد تا به محصول نهایی تبدیل شود.

فولاد بهتر است یا چدن؟

به این سوال که فولاد بهتر است یا چدن نمی‌توان یک پاسخ واحد و قطعی داد. پاسخ این سوال ارتباط مستقیم با نیازها، نوع کاربرد و شرایط عملیاتی در صنعت دارد. هر‌یک از این دو فلز مزایا و محدودیت‌هایی دارند که باید در تصمیم‌گیری نهایی و هنگام خرید از یک وارد کننده ورق استیل و فولاد به آن‌‌ها توجه کرد.

از نظر خواص مکانیکی و عملکرد کلی، فولاد در بسیاری از کاربردهای صنعتی به‌دلیل استحکام کششی بالا، مقاومت ضربه‌ای خوب و شکل‌پذیری مناسب، ارجحیت دارد. این خصوصیات باعث می‌شود فولاد برای سازه‌های باربر، قطعات خودرو، پل‌ها، تجهیزات متحرک و شرایطی که تنش‌ها و ضربات ناگهانی وجود دارد، گزینه مطمئن‌تری باشد. هم‌چنین فولاد مقاومت خوردگی بسیار بهتری نسبت‌به چدن برای استفاده در محیط‌های مرطوب یا خورنده دارد. 

در مقابل چدن در کاربردهایی که نیاز به تحمل بارهای سنگین فشاری، پایداری ابعادی و قابلیت ریخته‌گری پیچیده است، بهتر عمل می‌کند. مقاومت فشاری بالا، سهولت ریخته‌گری قطعات پیچیده و هزینه کمتر تولید از مزایای اصلی چدن هستند. 

تشخیص فولاد از چدن در عمل چگونه است؟

برای تشخیص فولاد از چدن در کارگاه، خط تولید یا حتی هنگام بررسی قطعات دست‌دوم، می‌توان از چند آزمون ساده و قابل اجرا با ابزارهای روزمره استفاده کرد که مهندسان و تکنسین‌ها معمولا به‌کار می‌برند:

• آزمایش صدای ضربه: چدن وقتی با چکش ضربه می‌خورند صدایی کُند، بم و بدون اوج واضح تولید می‌کنند؛ زیرا چدن ترد و شکننده است. در مقابل فولاد صدای زنگ‌دارتر و روشن‌تر ایجاد می‌کند.
• تست جرقه: اگر لبه قطعه را زیر سنگ‌فرز یا آسیاب قرار دهید تا جرقه تولید شود، چدن جرقه‌های کوتاه، پفکی و با رنگ‌های قرمز–نارنجی خواهد داشت؛ در مقابل فولاد جرقه‌های بلندتر، باریک‌تر و سفیدتر تولید می‌کند. 
• آزمون ابزار: با سوهان یا فایل روی سطح فلز خط بیندازید. فولاد به‌راحتی سوهان می‌پذیرد؛ ولی چدن سخت‌تر است و در برابر سوهان مقاومت بیشتری نشان می‌دهد یا تکه‌های ریز از سطح جدا می‌شوند. 
• رنگ و بافت ظاهری: قطعات چدن اغلب رنگ خاکستری تیره و سطح کمی زبرتر دارند. فولاد ممکن است روشن‌تر، نقره‌ای–خاکستری و با سطح هموارتر باشد. 

این روش‌ها سریع، ارزان و بدون نیاز به تجهیزات تخصصی و بسیار مفید هستند.

مزایا و معایب فولاد و چدن

در مقایسه فولاد و چدن از منظر مزایا و معایب براساس کاربردهای صنعتی، هر‌یک از این دو ماده ویژگی‌های خاص خود را دارند که باید در انتخاب نهایی مدنظر قرار گیرند.

در نهایت انتخاب میان این دو ماده معمولا بر‌اساس نیاز عملیاتی، نوع بارگذاری و هزینه نهایی صورت می‌گیرد؛ زیرا هیچ‌یک از این فلزات به‌طور مطلق در همه شرایط برتر نیستند.