Metallurgi

Metallurgi er teknikken for å oppnå og behandle metaller fra metalliske malmer . [ 1 ] Han studerer også produksjon av legeringer . Kvalitetskontrollen av prosessene. Metallurgi er bransjen som utnytter vitenskap, teknologi og kunsten å skaffe industrielle metaller og mineraler, med utgangspunkt i gruvene deres, på en effektiv, økonomisk og miljøvennlig måte, for å tilpasse nevnte ressurser til fordel for utvikling og velferd for menneskeheten.

Vitenskapen om metallurgi er delt inn i to brede kategorier: kjemisk metallurgi og fysisk metallurgi. Kjemisk metallurgi er først og fremst opptatt av reduksjon og oksidasjon av metaller, samt deres kjemiske ytelse. Studieemner for kjemisk metallurgi inkluderer mineralbehandling , metallutvinning , termodynamikk , elektrokjemi og kjemisk nedbrytning ( korrosjon ). [ 2 ] I stedet fokuserer fysisk metallurgi på de mekaniske egenskapene til metaller, de fysiske egenskapene til metaller og den fysiske ytelsen til metaller. Emner som studeres i fysisk metallurgi inkluderer krystallografi , [ 2 ] materialkarakterisering , mekanisk metallurgi, fasetransformasjoner og sviktmekanismer . [ 3 ]

Historisk har metallurgi hovedsakelig fokusert på produksjon av metaller. Metallproduksjon begynner med bearbeiding av malm for å utvinne metallet, og inkluderer blanding av metaller for å lage legeringer . Metalllegeringer er vanligvis en blanding av minst to forskjellige metalliske elementer. Imidlertid tilsettes ikke-metalliske elementer ofte til legeringer for å oppnå de riktige egenskapene for en applikasjon. Studiet av metallproduksjon er delt inn i jernmetallurgi (også kjent som svart metallurgi ) og ikke-jernholdig metallurgi (også kjent som fargemetallurgi ). Jernholdig metallurgi omfatter prosesser og legeringer basert på jern , mens ikke-jernholdig metallurgi omfatter prosesser og legeringer basert på andre metaller. Jernmetallproduksjon utgjør 95 % av verdens metallproduksjon. [ 4 ]

Moderne metallurger jobber i både nye og tradisjonelle felt som en del av et tverrfaglig team sammen med materialvitere og andre ingeniører. Noen tradisjonelle områder inkluderer mineralbehandling, metallproduksjon, varmebehandling, feilanalyse og metallsammenføyning (inkludert lodding , lodding og lodding ). Fremvoksende områder for metallurger inkluderer nanoteknologi , superledere , kompositter , biomedisinske materialer , elektroniske materialer (halvledere) og overflateteknikk .

Etymologi og uttale

Metallurgi stammer fra antikkens gresk μεταλλουργός , metallourgós , "metallarbeider", fra μέταλλον , métallon, "mine, metall" + ἔργον, ἔργον , érgon 7, i betydningen "Britann 7" i betydningen "it 7,.ændia". [ 5 ] På slutten av 1800  - tallet spredte det seg til den mer generelle vitenskapelige studien av metaller, legeringer og relaterte prosesser. På engelsk er uttalen / mɛˈtælərdʒi/ den vanligste i Storbritannia og Commonwealth. Uttalen /ˈmɛtəlɜːrdʒi/ er den vanligste i USA og er den første varianten som dukker opp i flere amerikanske ordbøker (f.eks. Merriam-Webster Collegiate, American Heritage).

Historikk

Kobber var et av de første mineralene som ble arbeidet av mennesket, siden det finnes i en nesten ren tilstand ( native kobber ) i naturen. Sammen med gull og sølv ble det brukt fra slutten av yngre steinalder , og traff det først, til det var flatt som et ark . Senere, som et resultat av forbedringen av keramiske teknikker, ble det lært å smelte det i ovnen og tømme det i former , noe som gjorde det mulig å produsere bedre verktøy og i større mengde. Dette oppsto menneskehetens kobberalder (også kjent som kalkolitisk).

Deretter ble det eksperimentert med forskjellige legeringer , for eksempel arsen , som produserte arsenisk kobber , eller tinn , som ga opphav til bronse og startet menneskehetens bronsealder . Bronse, hardere og skarpere enn kobber, dukket opp rundt 3000 f.Kr. c.

Små mengder naturlig gull er funnet i spanske huler som dateres til slutten av paleolitikum , 40 000 f.Kr. [ 7 ] Sølv , kobber , tinn og meteoritisk jern kan også finnes naturlig, noe som tillater en begrenset mengde metallbearbeiding i tidlige kulturer. [ 8 ] Egyptiske våpen laget av meteorisk jern rundt 3000 f.Kr. C. de ble høyt verdsatt som dolker fra himmelen . [ 9 ] Visse metaller, spesielt tinn, bly, og ved en høyere temperatur kan kobber utvinnes fra malmene ganske enkelt ved å varme opp steinene i en brann eller masovn, en prosess kjent som smelting . De tidligste bevisene for denne utvinningsmetallurgien, som dateres til det 5. og 6. årtusen før Kristus, [ 10 ] er funnet på arkeologiske steder i Majdanpek , Jarmovac nær Priboj og Pločnik, i dagens Serbia . Til dags dato er de tidligste bevisene for kobbersmelting funnet på Belovode-stedet nær Plocnik. [ 11 ] Dette stedet produserte en kobberøks fra 5500 f.Kr. C., som tilhører Vinča-kulturen . [ 12 ] Den tidligste bruken av bly er dokumentert ved den senneolittiske bosetningen Yarim Tepe i Irak :

De tidligste funnene av bly (Pb) i det gamle nære Østen er et armbånd fra 6. årtusen f.Kr. fra Yarim Tepe i Nord-Irak og et litt senere blykonisk stykke fra Halaf Arpachiyah-perioden, nær Mosul. [ 13 ] Siden naturlig bly er ekstremt sjelden, øker slike gjenstander muligheten for at blysmelting begynte allerede før kobbersmelting . [ 14 ]​ [ 15 ]

Kobbersmelting er også dokumentert på dette stedet fra omtrent samme tidsperiode (kort tid etter 6000 f.Kr.), selv om bruken av bly ser ut til å gå før kobbersmelting. Tidlig metallurgi er også dokumentert på det nærliggende Tell Maghzaliyah-stedet, som ser ut til å være datert enda tidligere, og som helt mangler slik keramikk. Balkan var stedet for store neolittiske kulturer, inkludert Butmir, Vinča , Varna, Karanovo og Hamangia.

Prosessen med å tilegne seg metallurgisk kunnskap var forskjellig i forskjellige deler av verden, med de eldste bevisene på bly- og kobbersmelting fra det 7. årtusen f.Kr. C., i Anatolia og i Kurdistan . [ 16 ] [ 17 ]​ I Amerika er det ingen bevis før det 1. årtusen f.Kr. C. [ 18 ] og i Afrika var det første metallet som ble smeltet jern , i løpet av II årtusen f.Kr. C. [ 19 ]

Jern, som innviet menneskehetens jernalder , begynte å bli bearbeidet i Anatolia rundt det tredje årtusen f.Kr. C. . Dette mineralet krever høye temperaturer for støping og støping, for å være så det er mer formbart , hardt og motstandsdyktig enn kobber. Noen teknikker som ble brukt i antikken var støping av tapt voks , sveising eller herding av stål . De tidligste kjente støperiene begynte i Kina i det 1. århundre f.Kr. C. , men de nådde ikke Europa før på 1200  -tallet , da de første masovnene dukket opp .

Bruken av metaller skyldtes i utgangspunktet behovet mennesket skapte for seg selv for å bruke gjenstander med prestisje og prangende (kobberpynt), for senere å erstatte stein-, bein- og treverktøyene sine med mye mer motstandsdyktig mot varme og kulde (laget av bronse og fremfor alt jern). Redskapene laget av metaller var svært varierte: våpen, verktøy, fartøyer, personlige, huslige og religiøse utsmykninger. Bruken av metaller hadde konsekvenser, fra generaliseringen av jern, på forskjellige måter i konformasjonen av menneskelig sivilisasjon:

I middelalderen var metallurgi nært knyttet til renseteknikker av edle metaller og preging av mynter.

Metallet og dets legeringer

De vanligste ingeniørmetallene er aluminium , krom , kobber , jern , magnesium , nikkel , titan , sink og silisium . Disse metallene brukes oftest som legeringer, med det bemerkelsesverdige unntaket av silisium.

Mye innsats har blitt lagt ned på å forstå jern-karbonlegeringssystemet, som inkluderer stål og støpejern . Karbonstål (de som i hovedsak bare inneholder karbon som et legeringselement) brukes i rimelige, høystyrkeapplikasjoner der verken vekt eller korrosjon er et stort problem. Støperier, inkludert duktilt jern , er også en del av jern-karbon-systemet. Jern-mangan-krom legeringer (Hadfield-type stål) brukes også i ikke-magnetiske applikasjoner som retningsboring.

Rustfritt stål , spesielt austenittisk rustfritt stål , galvanisert stål , nikkellegeringer , titanlegeringer eller noen ganger kobberlegeringer brukes når korrosjonsbestandighet er viktig.

Aluminiumslegeringer og magnesiumlegeringer brukes ofte der en sterk, lett del er nødvendig, for eksempel i bil- og romfartsapplikasjoner.

Kobber-nikkel-legeringer (som Monel ) brukes i svært korrosive miljøer og for ikke-magnetiske applikasjoner.

Nikkelbaserte superlegeringer , som Inconel , brukes i høytemperaturapplikasjoner som gassturbiner , turboladere , trykkbeholdere og varmevekslere .

Ved ekstremt høye temperaturer brukes enkeltkrystalllegeringer for å minimere forfall . I moderne elektronikk er monokrystallinsk silisium med høy renhet essensielt for metall-oksid-silisium transistorer og integrerte kretser .

Ekstraktiv metallurgi

Ekstraktiv metallurgi er området for metallurgi hvor operasjoner og prosesser studeres og brukes for behandling av mineraler eller materialer som inneholder en nyttig art ( gull , sølv , kobber , etc.), avhengig av produktet som skal oppnås. Ulike metoder behandling vil bli brukt.

Det er praksisen med å utvinne de verdifulle metallene fra en malm og raffinere de utvunnede råmetallene til en renere form. For å konvertere et metalloksid eller sulfid til et renere metall, må malmen reduseres fysisk, kjemisk eller elektrolytisk . Ekstraktive metallurger er interessert i tre primære strømmer: fôr, konsentrat (metalloksid/sulfid) og avgangsmasse . (Avfall).

Etter utvinning brytes de store bitene av malmforet opp ved å knuse eller male til tilstrekkelig små partikler, der hver partikkel stort sett er verdifull eller for det meste avfall. Konsentrasjon av verdipartiklene i en form som tillater separering gjør at det ønskede metallet kan trekkes ut av avfallet.

Utvinning er kanskje ikke nødvendig dersom reservoaret og det fysiske miljøet bidrar til utlekking . Gjennom utlekking løses mineralene i en forekomst opp, noe som gir opphav til en anriket løsning. Løsningen samles opp og behandles for å trekke ut de verdifulle metallene. Mineralforekomster inneholder ofte mer enn ett verdifullt metall.

Avgang fra en tidligere prosess kan brukes som fôr i en annen prosess for å trekke ut et sekundærprodukt fra den opprinnelige malmen. Et konsentrat kan også inneholde mer enn ett verdifullt metall. Dette konsentratet vil bli behandlet for å skille de verdifulle metallene i individuelle komponenter.

Mål for utvinningsmetallurgi

Stadier av utvinningsmetallurgi

  1. Transport og lagring.
  2. sønderdeling.
  3. Klassifisering.
  4. Separasjon av metall fra gang .
  5. Rensing og raffinering. [ 1 ]

Pulvermetallurgi

Det er definert som teknikken for å produsere metallpulver for å bruke dem i utarbeidelsen av nyttige gjenstander. De første som brukte denne teknikken var egypterne fra år 3000 f.Kr. C. i produksjon av jernredskaper.

Begrepet pulvermetallurgi er mye brukt i teknisk litteratur og praksis, men det er ikke en frittstående metallurgi , men snarere en svært eksplosiv teknikk for å forstøve smeltede metaller og legeringer fra flytende tilstand til pulver eller fra fast tilstand til pulver fine granuler. I pulvermøller kan de fleste nyttige metaller – fra aluminium til sink – males til pulver med kornstørrelser fra 0,1 til 500  µm . På grunn av eksplosjonsfaren som alle metallpulvere presenterer, med forskjellig risikopotensial, når de kommer i kontakt med atmosfærisk oksygen, utføres inertisering eller flegmatisering . Stabilisatorer, alt fra voks til ftalsyreester|ftalater]], reduserer eksplosjonsfølsomheten. Magnesiumpulver er et spesielt tilfelle på grunn av dets svært pyroforiske oppførsel . Det kan ikke oppnås ved sliping, men bare ved å "gnide" fra støpemetallet.

Metalliske pulvere, i dette tilfellet korrekt kalt "uorganiske pigmenter", er viktige som en del av metalliske lakker i biler. Et helt annet bruksområde er pressing i stålformer ved svært høyt trykk (2000  bar og mer). Fra rene metallpulver presset på denne måten, oftest legeringslignende blandinger, kan det produseres støpte metalldeler (MIM-prosess, SLM-prosess). Ved varm isostatisk pressing, som innledes med oppvarming av pulverene til mykningspunktet, oppnås egenskapene til støpegodsene.

Å produsere deler som er vanskelige å støpe eller dyre å produsere fra et solid tar en annen tilnærming ved å bruke 3D-utskriftsprosessen . Denne teknologien, kjent i seg selv i årevis, har utviklet seg til det punktet hvor serielle metalldeler for teknisk krevende bruk bygges (injiseres) lag for lag, ned til formen spesifisert av datamaskinen i 3D-printere. [ 20 ]

Ved fremstilling av former og modeller brukes pulversprøyting med flamme. I denne prosessen blir metallpulveret myknet av en flamme eller ved plasmaplasmaspray . Fordelen ligger i mulig kortsiktig produksjon av verktøy - støpeformer - for pilotprosjekter innen maskin- og verktøykonstruksjon ( bilindustri ).

Pulvermetallurgiske prosesser

Hovedprosessene er komprimering og sintring. Komprimering består i passende fremstilling av blandinger av pulver, ved romtemperatur eller ved forhøyet temperatur og ved betydelig høyt trykk. En manipulerbar, men relativt skjør tablett oppnås, som vil bli kalt grønt agglomerat. [ 21 ] Sintring er operasjonen der det grønne agglomeratet utsettes for en varmekilde under metallets smeltepunkt i inerte atmosfærer. Denne prosessen gir den nødvendige mekaniske motstanden.

Pulvermetallurgiapplikasjoner

De kan brukes i utarbeidelsen av sammensatte metaller, kombinasjoner av metaller-ikke-metaller, ildfaste metaller. For eksempel: magneter, metallfiltre, motorbørster.

Produksjon

I produksjonsteknikk omhandler metallurgi produksjon av metallkomponenter for bruk i forbruker- eller konstruerte produkter. Dette innebærer produksjon av legeringer, støping, varmebehandling og overflatebehandling av produktet.

Bestemmelse av metallhardhet ved hjelp av hardhetsskalaene Rockwell, Vickers og Brinell er en vanlig praksis som bidrar til å bedre forstå elastisiteten og plastisiteten til metall for ulike bruksområder og produksjonsprosesser. [ 22 ]

Metallurgens oppgave er å finne en balanse mellom materialegenskaper som kostnad , vekt , styrke , seighet, hardhet , korrosjon , utmattelsesbestandighet og ytelse ved ekstreme temperaturer. For å nå dette målet må driftsmiljøet vurderes nøye.

I et saltvannsmiljø korroderer de fleste jernholdige metaller og noen ikke-jernholdige legeringer raskt. Metaller utsatt for kulde eller kryogene forhold kan gjennomgå en overgang fra duktil til sprø og miste sin seighet, bli mer sprø og utsatt for sprekker. Metaller som utsettes for kontinuerlig syklisk belastning kan lide av metalltretthet . Metaller under konstant stress ved høye temperaturer kan krype .

Karakterisering

Metallurger studerer den mikroskopiske og makroskopiske strukturen til metaller ved hjelp av metallografi , en teknikk oppfunnet av Henry Clifton Sorby .

I metallografi er en legering av interesse slipt flat og polert til en speilfinish. Prøven kan deretter etses for å avsløre mikrostrukturen og makrostrukturen til metallet. Prøven undersøkes deretter i et lys- eller elektronmikroskop , og kontrasten i bildet gir detaljer om sammensetningen, mekaniske egenskaper og prosesseringshistorie.

Krystallografi , ofte ved bruk av røntgen- eller elektrondiffraksjon , er et annet verdifullt verktøy tilgjengelig for den moderne metallurgen. Krystallografi gjør det mulig å identifisere ukjente materialer og avslører krystallstrukturen til prøven. Kvantitativ krystallografi kan brukes til å beregne antall faser som er tilstede, samt graden av deformasjon som en prøve har blitt utsatt for.

Metallurgiske prosesser

De metallurgiske prosessene omfatter følgende faser:

Grunnleggende operasjoner for å oppnå metaller:

Avhengig av hvilket produkt som skal oppnås, vil ulike behandlingsmetoder bli utført. En av de vanligste behandlingene er malm, den består av separering av avfallsstoffer. Normalt er metallet blandet med andre materialer som leire og silikater, dette kalles ofte gang .

En av de vanligste metodene er flotasjon, som består i å male malmen og blande den med vann, olje og vaskemiddel. Ved å piske denne flytende blandingen produseres et skum som ved hjelp av den ulike tettheten oljen gir, vil trekke mineralpartiklene til overflaten og etterlate gangen i bunnen.

En annen form for flotasjon kan brukes ved separering av ferromagnetiske mineraler, ved å bruke magneter som tiltrekker seg malmpartikler og lar gangen være intakt.

Et annet malmutvinningssystem er amalgamet som dannes ved å legere kvikksølv med et annet metall eller andre metaller. Sølvet eller gullet i malmen løses opp for å danne et flytende amalgam, som lett skilles fra resten. Gull- og sølvmetallet blir deretter renset ved å fjerne kvikksølvet gjennom destillasjon . [ 23 ]

Se også

Referanser

  1. ↑ a b Mario, GRAU RIOS; Eugenio, MUÑOZ CAMACHO (18. april 2013). Kjemisk ingeniørfag . Redaksjonell UNED. ISBN  9788436266429 . Hentet 24. oktober 2019 . 
  2. ^ a b Moore, John Jeremy; Boyce, EA (1990). Kjemisk metallurgi . ISBN  9780408053693 . doi : 10.1016/c2013-0-00969-3 . 
  3. ↑ RAGHAVAN, V (2015). FYSISK METALLURGI: PRINSIPPER OG PRAKSIS, tredje utgave . PHILearning. ISBN  978-8120351707 . 
  4. ↑ "Metallurgi" . i The Great Soviet Encyclopedia . 1979.
  5. ^ "metallurgi" . Oxford Learner's Dictionary ( Oxford University Press ) . Hentet 2011-01-29 . 
  6. ^ Margueron, Jean-Claude (2002). «Metallene som brukes og deres geografiske opprinnelse». Mesopotamierne . Madrid: Stol. 84-376-1477-5 . 
  7. ^ "Gullets historie" . GoldDigest . Hentet 4. februar 2007 . 
  8. ↑ E. Photos, E. (2010). "Spørsmålet om meteoritisk versus smeltet nikkelrikt jern: arkeologiske bevis og eksperimentelle resultater" . Verdensarkeologi 20 (3): 403-421. JSTOR  124562 . doi : 10.1080/00438243.1989.9980081 . 
  9. ↑ W. Keller (1963) Bibelen som historie . s. 156. ISBN  0-340-00312-X
  10. ↑ HI Haiko, VS Biletskyi. Første metalloppdagelse og utvikling av sakrale komponentfenomenet. // Theoretical and Practical Solutions of Mineral Resources Mining // A Balkema Book, London, 2015, р. 227-233. .
  11. ↑ Radivojević, Miljana; Rehren, Thilo; Pernicka, Ernst; Šljivar, Dušan; Brauns, Michael; Borić, Dušan (2010). "Om opprinnelsen til utvinningsmetallurgi: Nye bevis fra Europa". Journal of Archaeological Science 37 (11): 2775. doi : 10.1016/j.jas.2010.06.012 . 
  12. ^ Neolittisk Vinca var en metallurgisk kultur Arkivert 2017-09-19 på Wayback Machine Steinsider fra nyhetskilder november 2007
  13. ^ Moorey 1994: 294
  14. ^ Craddock 1995: 125
  15. ↑ Potts, Daniel T., red. (15. august 2012). "Nordlige Mesopotamia" . En følgesvenn til arkeologien i det gamle nære østen 1 . John Wiley & Sons, 2012. s. 302. ISBN  978-1-4443-6077-6 . 
  16. ↑ Delibes, tysk; Fernandez-Miranda, Manuel (1993). "Sivilisasjonens opprinnelse. Kalkolittikken i den gamle verden". Madrid (første utgave) (redaksjonell syntese). s. 7-15. ISBN  84-7738-181-X . 
  17. ↑ Heskel, Dennis L. (1983). "En modell for adopsjon av metallurgi i det gamle Midtøsten" . Current Anthropology 24 (3): 362-366. doi : 10.1086/203007 . 
  18. ↑ Eiroa, Jorge Juan (1996). "Forhistorien. Metallenes tidsalder". Madrid (første utgave) (Akal Editions). s. 12. ISBN  84-7600-981-X . 
  19. ↑ Iniesta, Ferran (1998). Kuma. Det svarte Afrikas historie.». Barcelona (første utgave) (Edicions Bellaterra 2000). s. 74-78. ISBN  84-7290-101-7 . 
  20. ↑ dpa-rapport i FAZ av 14. august 2015: Airbus setzt auf 3D-Druck - Flugzeugteile aus dem Drucker
  21. ^ Kalpakjian, Serope; Schmid, Steven R. (2002). Produksjon, engineering og teknologi . PearsonEducation. ISBN  9789702601371 . Hentet 24. oktober 2019 . 
  22. ^ "Tester for metallhardhet: forskjellen mellom Rockwell, Brinell og Vickers" . ESI Engineering Specialties Inc. (på amerikansk engelsk) . 14. juni 2017 . Hentet 13. desember 2017 . 
  23. ^ Chang, Raymond (2007). Kjemi (9. utgave). McGraw-Hill Interamericana. s. 868. ISBN  9788420507828 . 
  24. ↑ a b Institutt for ingeniørvitenskap i Spania. «Ordliste over faguttrykk studert av Terminologikomiteen» . http://www.iies.es . Arkivert fra originalen 20. januar 2011 . Hentet 14. januar 2016 . 
  25. ↑ Institutt for ingeniørvitenskap i Spania. «Ordliste over faguttrykk studert av Terminologikomiteen» . http://www.iies.es . Arkivert fra originalen 20. januar 2011 . Hentet 14. januar 2016 . 

Eksterne lenker