Металлургия - Metallurgy

Плавка - основной шаг в получении полезных количеств большинства металлов.
Литье ; заливка расплавленного золота в форму.
Золото обрабатывалось на золотом руднике Ла Луз (на фото) недалеко от Сиуны, Никарагуа , до 1968 года.

Металлургия - это область материаловедения и инженерии , изучающая физическое и химическое поведение металлических элементов , их интерметаллических соединений и их смесей, которые называются сплавами . Металлургия охватывает как науку, так и технологию металлов; то есть способ, которым наука применяется к производству металлов, и разработка металлических компонентов, используемых в продуктах как для потребителей, так и для производителей. Металлургия отличается от промысла в металлообработке . Металлообработка опирается на металлургию так же, как и медицина.полагается на медицинскую науку для технического прогресса. Специалист в области металлургии известен как металлург .

Наука о металлургии подразделяется на две большие категории: химическая металлургия и физическая металлургия . Химическая металлургия в основном занимается восстановлением и окислением металлов, а также химическими свойствами металлов. Предметы исследования в химической металлургии включают переработку полезных ископаемых , извлечение металлов , термодинамику , электрохимию и химическую деградацию ( коррозию ). В отличие от этого, металлургия фокусируется на механических свойствах металлов, физических свойствах металлов и физических характеристиках металлов. Темы, изучаемые в области физического металловедения, включают кристаллографию , определение характеристик материалов , металлургию, фазовые превращения и механизмы разрушения .

Исторически сложилось так, что металлургия была сосредоточена преимущественно на производстве металлов. Производство металлов начинается с обработки руд для извлечения металла и включает смесь металлов для получения сплавов . Металлические сплавы часто представляют собой смесь по крайней мере двух различных металлических элементов. Однако неметаллические элементы часто добавляют в сплавы для достижения свойств, подходящих для конкретного применения. Изучение производства металлов подразделяется на черную металлургию (также известную как черная металлургия ) и цветная металлургия (также известная как цветная металлургия ). Черная металлургия включает процессы и сплавы на основе железа , а цветная металлургия включает процессы и сплавы на основе других металлов. Производство черных металлов составляет 95% мирового производства металлов.

Современные металлурги работают как в новых, так и в традиционных областях в составе междисциплинарной команды вместе с учеными-материаловедами и другими инженерами. Некоторые традиционные области включают переработку полезных ископаемых, производство металлов, термообработку, анализ отказов и соединение металлов (включая сварку , пайку и пайку ). Новые области для металлургов включают нанотехнологии , сверхпроводники , композиты , биомедицинские материалы , электронные материалы (полупроводники) и инженерию поверхностей .

Этимология и произношение

Металлургия происходит от древнегреческого μεταλλουργός , metallourgós , «работник в металле», из μέταλλον , Metallon «шахты, металл» + ἔργον , Эргон , «работа» Слово было первоначально алхимика термин «с для извлечения металлов из минерального сырья , окончание -ургия, обозначающее процесс, особенно производство: в этом смысле оно обсуждалось в Британской энциклопедии 1797 года . В конце 19 века он был распространен на более общие научные исследования металлов, сплавов и связанных с ними процессов. В английском языке / м ɛ т æ л ər я / произношение является более распространенным в Великобритании и Содружества. / М ɛ т əl ɜːr я / произношением является более распространенным в США и является первыми перечисленными вариантами в различных американских словарях (например, Merriam-Webster Collegiate , American Heritage ).

История

Золотая руда из рудника Boundary Red Mountain , Вашингтон , США
Золотые артефакты из Варненского некрополя, Варненская культура
Элитное захоронение Варненского некрополя , оригинальное фото находки (фрагмент)
Золотые быки, варненская культура

Самым ранним зарегистрированным металлом, используемым людьми, является золото , которое можно найти бесплатно или « самородно ». Небольшое количество природного золота было найдено в испанских пещерах, относящихся к периоду позднего палеолита , 40 000 лет до нашей эры. Серебро , медь , олово и метеоритное железо также можно найти в самородной форме, что позволяет обрабатывать металл в ограниченных количествах в ранних культурах. Египетское оружие, изготовленное из метеоритного железа примерно в 3000 г. до н.э., высоко ценилось как «кинжалы с неба». Некоторые металлы, особенно олово, свинец и, при более высокой температуре, медь, могут быть извлечены из их руд путем простого нагревания горных пород в огне или доменной печи, процесс, известный как плавка . Первые свидетельства этой добывающей металлургии, датируемые V и VI тысячелетиями до нашей эры, были найдены на археологических раскопках в Майданпеке , Ярмовце, недалеко от Прибоя и Плочника , на территории современной Сербии . На сегодняшний день самые ранние свидетельства выплавки меди обнаружены на стоянке Беловоде недалеко от Плочника. На этом месте с 5 500 г. до н.э. был изготовлен медный топор, принадлежащий культуре Винча .

Самое раннее использование свинца задокументировано из позднего неолитического поселения Ярим Тепе в Ираке:

«Самые ранние свинцовые (Pb) находки на древнем Ближнем Востоке - это браслет 6-го тысячелетия до нашей эры из Ярим-Тепе на севере Ирака и немного более поздний конический свинцовый кусок из периода Халаф Арпахия , недалеко от Мосула. Поскольку самородный свинец чрезвычайно редок, такие артефакты поднимаются возможность того, что плавка свинца могла начаться еще до плавки меди ».

Примерно в тот же период времени (вскоре после 6000 г. до н.э.) на этом месте зарегистрировано также выплавление меди, хотя использование свинца, по-видимому, предшествует плавке меди. Ранняя металлургия также задокументирована на соседнем участке Телль-Магзалия , который, кажется, датируется еще раньше и полностью лишен этой глиняной посуды. Балканы были местом проживания основных культур эпохи неолита, включая Бутмир , Винчу , Варну , Караново и Хамангию .

Варна Некрополь , Болгария , является захоронением в западной промышленной зоне Варны (около 4 км от центра города), на международном уровне считается одним из основных мест археологических раскопок в мире предыстории. На этом месте было обнаружено самое старое золотое сокровище в мире, датируемое периодом от 4600 до 4200 до н.э. Другой важный пример - золотой кусок, датируемый 4500 годом до нашей эры, недавно основанный в Дуранкулаке , недалеко от Варны . Другие признаки ранних металлов обнаружены в третьем тысячелетии до нашей эры в таких местах, как Палмела (Португалия), Лос-Милларес (Испания) и Стоунхендж (Великобритания). Однако нельзя точно установить конечные начала, и новые открытия продолжаются и продолжаются.

Горнодобывающие районы древнего Ближнего Востока . Цвета коробок: мышьяк - коричневый, медь - красный, олово - серый, железо - красновато-коричневый, золото - желтый, серебро - белый и свинец - черный. Желтая область обозначает мышьяковую бронзу , а серая область обозначает оловянную бронзу .

На Ближнем Востоке , около 3500 г. до н.э., было обнаружено, что из меди и олова можно получить лучший металл - сплав, называемый бронзой . Это представляло собой крупный технологический сдвиг, известный как бронзовый век .

Извлечение железа из руды в обрабатываемый металл намного сложнее, чем из меди или олова. Этот процесс, по-видимому, был изобретен хеттами примерно в 1200 году до нашей эры, в начале железного века . Секрет добычи и обработки железа был ключевым фактором успеха филистимлян .

Исторические достижения в черной металлургии можно найти в самых разных культурах и цивилизациях прошлого. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Ближнего Востока и Ближнего Востока , древний Иран , древний Египет , древняя Нубия и Анатолия ( Турция ), Древний Нок , Карфаген , греки и римляне древней Европы , средневековая Европа, древняя и средневековый Китай , древняя и средневековая Индия , древняя и средневековая Япония , среди прочего. Многие приложения, методы и устройства , связанные или участвующие в металлургии были созданы в древнем Китае, например, инновации в доменной печи , чугуна , гидравлических Приведено молотков командировочных и двойного действия поршневых мехов .

Книга XVI века Георга Агриколы под названием De re Metallica описывает высокоразвитые и сложные процессы добычи металлических руд, добычи металлов и металлургии того времени. Агриколу называют «отцом металлургии».

Добыча

Сильфоны печи, работающие на водяных колесах , династия Юань , Китай.
Алюминиевый завод в Жиар-над-Гроном (Центральная Словакия )

Добывающая металлургия - это практика удаления ценных металлов из руды и переработки извлеченных необработанных металлов в более чистую форму. Чтобы превратить оксид или сульфид металла в более чистый металл, руда должна быть восстановлена физически, химически или электролитически . Металлургов- добытчиков интересуют три основных потока: сырье, концентрат (оксид / сульфид металла) и хвосты (отходы).

После добычи большие куски руды дробятся путем дробления или измельчения, чтобы получить достаточно мелкие частицы, каждая из которых является либо наиболее ценной, либо в основном отходами. Концентрация ценных частиц в форме, поддерживающей разделение, позволяет удалить желаемый металл из отходов.

Добыча может не потребоваться, если рудное тело и физическая среда способствуют выщелачиванию . Выщелачивание растворяет минералы в рудном теле и приводит к обогащению раствора. Раствор собирается и обрабатывается для извлечения ценных металлов. Рудные тела часто содержат более одного ценного металла.

Хвосты предыдущего процесса могут использоваться в качестве сырья в другом процессе для извлечения вторичного продукта из исходной руды. Кроме того, концентрат может содержать более одного ценного металла. Затем этот концентрат будет переработан для разделения ценных металлов на отдельные составляющие.

Металл и его сплавы

Литая бронза

Общие технические металлы включают алюминий , хром , медь , железо , магний , никель , титан , цинк и кремний . Эти металлы чаще всего используются в виде сплавов, за исключением кремния.

Много усилий было приложено для понимания системы железо-углеродный сплав, в которую входят стали и чугуны . Обычные углеродистые стали (те, которые содержат в основном только углерод в качестве легирующего элемента) используются в недорогих высокопрочных изделиях, где ни вес, ни коррозия не являются серьезной проблемой. Чугуны, в том числе высокопрочный чугун , также являются частью системы железо-углерод. Сплавы железо-марганец-хром (стали типа Гадфилда) также используются в немагнитных приложениях, таких как направленное бурение.

Нержавеющая сталь , особенно аустенитная нержавеющая сталь , оцинкованная сталь , никелевые сплавы , титановые сплавы или иногда медные сплавы , используются там, где важна устойчивость к коррозии.

Алюминиевые сплавы и магниевые сплавы обычно используются, когда требуется легкая прочная деталь, например, в автомобильной и авиакосмической промышленности.

Медно-никелевые сплавы (например, монель ) используются в высококоррозионных средах и для немагнитных применений.

Суперсплавы на основе никеля, такие как Inconel , используются в высокотемпературных приложениях, таких как газовые турбины , турбокомпрессоры , сосуды высокого давления и теплообменники .

Для чрезвычайно высоких температур используются монокристаллические сплавы, чтобы минимизировать ползучесть . В современной электронике монокристаллический кремний высокой чистоты необходим для металл-оксидно-кремниевых транзисторов (МОП) и интегральных схем .

Производство

В производственном машиностроении металлургия занимается производством металлических компонентов для использования в потребительских или машиностроительных продуктах. Это производство сплавов, формовка, термообработка и обработка поверхности продукта.

Определение твердости металла с использованием шкал твердости по Роквеллу, Виккерсу и Бринеллю является широко распространенной практикой, которая помогает лучше понять эластичность и пластичность металла для различных применений и производственных процессов.

Задача металлурга - достичь баланса между свойствами материала, такими как стоимость, вес , прочность , ударная вязкость , твердость , коррозия , сопротивление усталости и характеристики при экстремальных температурах . Для достижения этой цели необходимо тщательно продумать операционную среду.

В морской среде большинство черных металлов и некоторые цветные сплавы быстро подвергаются коррозии. Металлы, подвергающиеся воздействию холода или криогенных условий, могут переходить из пластичного в хрупкое состояние и терять свою вязкость, становясь более хрупкими и склонными к растрескиванию. Металлы при постоянной циклической нагрузке могут страдать от усталости металла . Металлы, находящиеся под постоянным напряжением при повышенных температурах, могут ползти .

Процессы металлообработки

Металлы формируются с помощью таких процессов, как

  1. Литье - расплавленный металл разливают в формованную форму .
  2. Ковка - раскаленная заготовка забивается в форму.
  3. Прокатка - заготовка пропускается через последовательно более узкие валки для создания листа.
  4. Экструзия - горячий и ковкий металл пропускается под давлением через фильеру , которая формирует его до того, как он остынет.
  5. Обработка - токарные станки , фрезерные станки и дрели резать холодный металл к форме.
  6. Спекание - металлический порошок нагревается в неокисляющей среде после прессования в матрицу.
  7. Изготовление - листы металла разрезаются гильотинами или газовыми резаками, сгибаются и свариваются в конструктивную форму.
  8. Лазерная наплавка - металлический порошок продувается подвижным лазерным лучом (например, установленным на 5-осевом станке с ЧПУ). Полученный расплавленный металл достигает субстрата, образуя ванну расплава. Перемещая лазерную головку, можно складывать дорожки в стопку и создавать трехмерную деталь.
  9. 3D-печать - спекание или плавление аморфного металлического порошка в 3D-пространстве для придания формы любому объекту.

Процессы холодной обработки, при которых форма продукта изменяется в результате прокатки, изготовления или других процессов, когда продукт остается холодным, могут повысить прочность продукта с помощью процесса, называемого деформационным упрочнением . Деформационное упрочнение создает в металле микроскопические дефекты , препятствующие дальнейшему изменению формы.

Различные формы литья существуют в промышленности и в академических кругах. Они включают в себя отливку песка , литье по выплавляемым моделям (также называется потерянный процесс воска ), литье под давление , и непрерывное литье. Каждая из этих форм имеет преимущества для определенных металлов и применений, учитывая такие факторы, как магнетизм и коррозия.

Термическая обработка

Металлы могут подвергаться термообработке для изменения свойств прочности, пластичности, ударной вязкости, твердости и устойчивости к коррозии. Обычные процессы термообработки включают отжиг , дисперсионное упрочнение , закалку и отпуск .

Процесс отжига смягчает металл, нагревая его, а затем позволяя ему очень медленно остыть, что избавляет от напряжений в металле и делает зернистую структуру большой и мягкой, так что при ударе или напряжении металл вмятины или, возможно, изгибается. , а не сломать; также легче шлифовать, шлифовать или резать отожженный металл.

Закалка - это процесс очень быстрого охлаждения металла после нагрева, в результате чего молекулы металла «замораживаются» в очень твердой мартенситной форме, что делает металл более твердым.

Закалка снимает напряжения в металле, вызванные процессом закалки; закалка делает металл менее твердым, в то же время позволяя ему лучше выдерживать удары без разрушения.

Часто механическую и термическую обработку комбинируют в так называемую термомеханическую обработку для улучшения свойств и более эффективной обработки материалов. Эти процессы характерны для высоколегированных специальных сталей, суперсплавов и титановых сплавов.

Покрытие

Гальваника - это метод химической обработки поверхности. Он включает в себя приклеивание тонкого слоя другого металла, такого как золото , серебро , хром или цинк, к поверхности изделия. Это делается путем выбора раствора электролита для материала покрытия, который является материалом для покрытия заготовки (золото, серебро, цинк). Должно быть два электрода из разных материалов: один из того же материала, что и материал покрытия, и один, на который наносится материал покрытия. Два электрода электрически заряжены, и материал покрытия прилипает к заготовке. Он используется для уменьшения коррозии, а также для улучшения эстетического вида продукта. Он также используется для того, чтобы недорогие металлы выглядели как более дорогие (золото, серебро).

Дробеструйная обработка

Дробеструйная обработка - это процесс холодной обработки металлических деталей. В процессе дробеструйной обработки мелкая круглая дробь наносится на поверхность обрабатываемой детали. Этот процесс используется для продления срока службы детали, предотвращения повреждений из-за коррозии под напряжением, а также предотвращения усталости. Выстрел оставляет на поверхности небольшие ямочки, как это делает ударный молоток, что вызывает напряжение сжатия под ямочкой. По мере того как дробленая среда снова и снова ударяет по материалу, она образует множество перекрывающихся ямок по всей обрабатываемой детали. Напряжение сжатия на поверхности материала усиливает деталь и делает ее более устойчивой к усталостному разрушению, отказу под напряжением, коррозионному разрушению и растрескиванию.

Термическое напыление

Еще одним популярным вариантом отделки являются методы термического напыления, которые часто обладают лучшими высокотемпературными свойствами, чем гальванические покрытия. Термическое напыление, также известное как процесс сварки распылением, представляет собой промышленный процесс нанесения покрытия, который состоит из источника тепла (пламени или другого) и материала покрытия, который может быть в форме порошка или проволоки, который расплавляется, а затем распыляется на поверхность обрабатываемый материал с высокой скоростью. Процесс обработки распылением известен под разными названиями, такими как HVOF (высокоскоростное кислородное топливо), плазменное напыление, пламенное напыление, дуговое напыление и металлизация.

Металлография позволяет металлургу изучать микроструктуру металлов.

Характеристика

Металлурги изучают микроскопическую и макроскопическую структуру металлов с помощью металлографии - метода, изобретенного Генри Клифтоном Сорби .

В металлографии интересующий сплав шлифуют и полируют до зеркального блеска. Затем образец можно протравить, чтобы выявить микроструктуру и макроструктуру металла. Затем образец исследуют в оптическом или электронном микроскопе , и контраст изображения дает подробную информацию о составе, механических свойствах и истории обработки.

Кристаллография , часто с использованием дифракции в рентгеновских лучей или электронов , является еще одним ценным инструментом для современного металлург. Кристаллография позволяет идентифицировать неизвестные материалы и выявлять кристаллическую структуру образца. Количественная кристаллография может использоваться для расчета количества присутствующих фаз, а также степени деформации, которой был подвергнут образец.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки