در پایان این درس، شما باید بتوانید:
فرآیند استخراج فلزات به شکل طبیعی آنها را متالورژی می گویند. ترکیبات فلزاتی که به صورت مخلوط با خاک، ماسه، سنگ آهک و سنگ یافت می شوند، کانی نامیده می شوند. استخراج فلزات از مواد معدنی برای مقاصد تجاری ارزان است و به حداقل تلاش نیاز دارد. به این مواد معدنی سنگ معدن می گویند. ماده ای به شارژ در کوره اضافه می شود تا ناخالصی ها را از بین ببرد. این ماده را فلاکس می نامند. متالورژی شامل فرآیند خالص سازی فلزات و همچنین تشکیل آلیاژها است.
متالورژی همچنین رفتار شیمیایی و فیزیکی عناصر فلزی، ترکیبات بین فلزی و همچنین مخلوط آنها به نام آلیاژ را مطالعه می کند. متالورژی با فلزکاری متفاوت است. فلزکاری متکی به متالورژی است. به فردی که متالورژی می پردازد متالورژیست می گویند.
متالورژی را می توان به طور گسترده به متالورژی فیزیکی و متالورژی شیمیایی تقسیم کرد. متالورژی فیزیکی به خواص فیزیکی، عملکرد فیزیکی و خواص مکانیکی فلزات مربوط می شود. متالورژی شیمیایی بر اکسیداسیون و احیای فلزات و عملکرد شیمیایی آنها تمرکز دارد.
از لحاظ تاریخی، متالورژی عمدتاً بر تولید فلز متمرکز بوده است. تولید فلزات با فرآوری سنگ معدن برای استخراج فلز آغاز می شود. این شامل اختلاط فلزات برای تولید آلیاژ است. آلیاژهای فلزی عمدتاً از ترکیب دو یا چند عنصر فلزی ساخته می شوند. مطالعه تولید فلزات به دو دسته متالورژی آهنی و متالورژی غیرآهنی طبقه بندی می شود.
متالورژی آهنی شامل آلیاژها و فرآیندهایی است که بر پایه آهن هستند. متالورژی غیرآهنی شامل آلیاژها و فرآیندهایی است که به غیر از آهن بر اساس فلزات دیگری هستند.
فرآیندهای متالورژی سنتی شامل تولید فلز، تجزیه و تحلیل شکست، عملیات حرارتی و اتصال فلزات مانند لحیم کاری، لحیم کاری و جوشکاری است. حوزه های نوظهور در زمینه متالورژی شامل فناوری نانو، مواد زیست پزشکی، مواد الکترونیکی مانند نیمه هادی ها و همچنین مهندسی سطح است.
فرآیند استخراج فلزات از سنگ معدن آنها و تصفیه آنها برای استفاده، متالورژی است. در زیر مراحل مختلف در فرآیندهای متالورژی یا استخراج فلز آورده شده است.
خرد کردن و آسیاب کردن . این اولین فرآیند در متالورژی است. این شامل خرد کردن سنگ معدن به یک پودر ریز در آسیاب نواری یا سنگ شکن است. به این فرآیند پودر شدن می گویند.
غلظت سنگ معدن . این فرآیند حذف ناخالصی ها از سنگ معدن است. به آن سنگ زنی نیز می گویند. در زیر روش های مختلف تغلیظ سنگ معدن آورده شده است.
در زیر تصویری از فرآیند استخراج مس ارائه شده است.
استخراج فلزات . متالورژی استخراجی شامل حذف فلزات با ارزش از سنگ معدن و سپس تصفیه آنها به شکل خالص تر است. برای اینکه بتوانید یک سولفید فلز یا اکسید فلز را به یک فلز خالص تبدیل کنید، باید سنگ معدن را به صورت شیمیایی، فیزیکی یا الکترولیتی کاهش دهید.
پالایش و خالص سازی فلزات ناخالص . فلزاتی مانند آلومینیوم، مس و آهن در طبیعت به صورت ترکیبی وجود دارند. آنها می توانند به شکل کربنات، سولفید یا اکسید باشند. فلزات استخراج شده از سنگ معدن آنها همیشه به شکل خالص خود نیستند. آنها حاوی ناخالصی هایی هستند که باید حذف شوند. هدف از این فرآیند این است که اطمینان حاصل شود که فلز تولید شده در خالص ترین شکل خود است. فرآیند خالص سازی فلزات استخراج شده را پالایش می نامند. روش های مختلفی برای تصفیه فلزات وجود دارد. روش مورد استفاده به ناخالصی های موجود و تفاوت آنها در خواص با فلز در حال تصفیه بستگی دارد.
سایر رشته های مرتبط با متالورژی عبارتند از:
فلزات رایج مورد استفاده در مهندسی عبارتند از آهن، مس، منیزیم، روی، نیکل، تیتانیوم، سیلیکون و آلومینیوم. این فلزات به استثنای سیلیکون عمدتاً به عنوان آلیاژ استفاده می شوند. سیستم آلیاژ آهن-کربن امروزه بسیار رایج است. شامل چدن و فولاد است. فولادهای کربنی ساده دارای کربن به عنوان تنها عنصر آلیاژی هستند. آنها در کاربردهای با استحکام بالا و کم هزینه استفاده می شوند که نه خوردگی و نه وزن یک نگرانی عمده نیست.
فولاد ضد زنگ مانند آلیاژهای نیکل، فولاد گالوانیزه، آلیاژهای تیتانیوم یا گاهی اوقات آلیاژهای مس در جایی که مقاومت در برابر خوردگی لازم است استفاده می شود.
آلیاژهای منیزیم و آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً در مواردی استفاده می‌شوند که قطعات قوی و سبک وزن مورد نیاز است مانند مهندسی هوافضا و خودرو.
آلیاژهای مس نیکل مانند مونل در محیط های بسیار خورنده و همچنین برای کاربردهای غیر مغناطیسی استفاده می شوند.
سوپر آلیاژهای مبتنی بر نیکل مانند Inconel در کاربردهای با دمای بالا مانند توربوشارژرها، مخازن تحت فشار، مبدل‌های حرارتی و توربین‌های گازی استفاده می‌شوند.
فلزات از طریق فرآیندهایی مانند:
فرآیندهای سرد کاری به تغییر شکل یک محصول توسط ساخت، نورد کردن یا سایر فرآیندها اشاره دارد، در حالی که محصول هنوز سرد است. این به افزایش استحکام آن کمک می کند، فرآیندی به نام سخت کاری .
فلزات را می توان به منظور تغییر خواص شکل پذیری، استحکام، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی و سختی عملیات حرارتی کرد. متداول ترین فرآیندهای عملیات حرارتی شامل تمپر کردن، کوئنچ و بازپخت می باشد.
ما یاد گرفتیم که؛
