Back to the topics list

metallurgi

Lärandemål

I slutet av den här lektionen bör du kunna:

• Definiera metallurgi.
• Förklara metallurgins processer.
• Förklara metaller och deras legeringar.
• Beskriv olika metallformningsprocesser.

Processen för utvinning av metaller i deras naturliga form kallas metallurgi. De föreningar av metaller som finns blandade med jord, sand, kalksten och stenar kallas mineraler. Utvinning av metaller från mineraler för kommersiella ändamål är billig och kräver minimal ansträngning. Dessa mineraler kallas malmer. Ett ämne tillsätts till laddningen i ugnen i syfte att avlägsna föroreningar. Detta ämne kallas flux. Metallurgi involverar processen för rening av metaller såväl som bildning av legeringar.

Metallurgi studerar också det kemiska och fysikaliska beteendet hos metalliska element, intermetalliska föreningar, såväl som deras blandningar som kallas legeringar . Metallurgi skiljer sig från metallbearbetning. Metallbearbetning är beroende av metallurgi. En person som utövar metallurgi kallas metallurg .

Metallurgi kan brett grupperas i fysikalisk metallurgi och kemisk metallurgi. Fysisk metallurgi handlar om metallers fysikaliska egenskaper, fysisk prestanda och mekaniska egenskaper. Kemisk metallurgi fokuserar på oxidation och reduktion av metaller och deras kemiska prestanda.

Historiskt har metallurgin främst fokuserat på metallproduktion. Framställningen av metaller börjar med malmbearbetning för att utvinna metallen. Detta inkluderar blandning av metaller för att producera legeringar. Metallegeringar består huvudsakligen av en blandning av två eller flera metalliska element. Studiet av produktion av metaller klassificeras i järnmetallurgi och icke-järnmetallurgi.

Järnmetallurgi innefattar legeringar och processer som är baserade på järn. Icke-järnmetallurgi innefattar legeringar och processer som är baserade på andra metaller förutom järn.

Traditionella metallurgiska processer inkluderar metallproduktion, felanalys, värmebehandling och sammanfogning av metaller som lödning, hårdlödning och svetsning. Framväxande områden inom metallurgi inkluderar nanoteknik, biomedicinska material, elektroniska material som halvledare samt ytteknik.

Steg i den metallurgiska processen

Processen att utvinna metaller från sina malmer och förädla dem för användning är metallurgi. Följande är de olika stegen i metallurgiska processer eller metallextraktion.

• Krossning och malning av malmen.
• Koncentrationen av malmen.
• Utvinning av metaller från den koncentrerade malmen.
• Raffinering och rening av orena metaller.     

Krossning och malning . Detta är den första processen inom metallurgi. Det handlar om att krossa malmer till ett fint pulver i en stångkvarn eller kross. Denna process kallas pulverisering.

Koncentrationen av malmer . Detta är processen för att ta bort föroreningar från en malm. Det kallas också malmdressing. Nedan finns olika metoder för koncentration av malmer.

• Hydrolytisk metod. Denna metod går ut på att hälla malmen över ett sluttande och vibrerande wellpapp med spår. En vattenstråle passerar över ytan. Tätare malmpartiklar samlas i spåren när föroreningar sköljs bort med vatten.

• Magnetisk separation. Detta innebär att den krossade malmen placeras i ett transportband. Bältet roterar runt två hjul med ett hjul som är magnetiskt. Magnetiska partiklar attraheras och separeras från icke-magnetiska partiklar.

• Skumflottning. Denna process innebär att malmen krossas i en stor tank som innehåller vatten och olja. Detta följs av att en ström av tryckluft passerar genom blandningen. Oljan väter malmen och separeras i form av skum från föroreningar. Eftersom malmen är lättare flyter den på ytan och föroreningarna lämnas under.
  
• Rostning och förbränning. Rostning hänvisar till processen att värma en koncentrerad malm med syre närvarande. Denna process tillämpas huvudsakligen i sulfidmalmer. För malmer som innehåller hydratiserade eller karbonatoxider sker uppvärmning utan luft för att smälta malmerna. Denna process kallas för kalcinering .

Nedan är en illustration av processen för utvinning av koppar.

Utvinning av metaller . Extraktiv metallurgi innebär att man tar bort värdefulla metaller från malmer och sedan förädlar dem till en renare form. För att du ska kunna omvandla en metallsulfid eller metalloxid till en ren metall måste du reducera malmen kemiskt, fysiskt eller elektrolytiskt.

Raffinering och rening av orena metaller . Metaller som aluminium, koppar och järn förekommer i naturen i kombinerade tillstånd. De kan vara i form av karbonater, sulfider eller oxider. Metaller som utvinns ur deras malmer är inte alltid i sin rena form. De innehåller föroreningar som måste avlägsnas. Syftet med denna process är att säkerställa att den producerade metallen är i sin renaste form. Processen att rena extraherade metaller kallas raffinering. Det finns olika metoder för att raffinera metaller. Metoden som används beror på de föroreningar som finns och deras skillnad i egenskaper med den metall som raffineras.

Andra områden relaterade till metallurgi inkluderar:

Metall och dess legeringar

Vanliga metaller som används inom teknik inkluderar järn, koppar, magnesium, zink, nickel, titan, kisel och aluminium. Dessa metaller används huvudsakligen som legeringar med undantag för kisel. Järn-kollegeringssystemet är mycket vanligt idag. Den innehåller gjutjärn och stål. Vanligt kolstål har kol som det enda legeringselementet. De används i höghållfasta, lågkostnadsapplikationer där varken korrosion eller vikt är ett större problem.

Rostfritt stål som nickellegeringar, galvaniserat stål, titanlegeringar eller ibland kopparlegeringar appliceras där motstånd mot korrosion krävs.

Magnesiumlegeringar och aluminiumlegeringar används främst där starka och lätta delar krävs som inom flyg- och fordonsteknik.

Koppar-nickellegeringar som Monel används i mycket korrosiva miljöer såväl som för icke-magnetiska applikationer.

Nickelbaserade superlegeringar som Inconel används i högtemperaturapplikationer som turboladdare, tryckkärl, värmeväxlare och gasturbiner.

Metallbearbetningsprocesser

Metaller formas genom processer som:

• Gjutning. Detta innebär att hälla smält metall i en formad form.
• Smide. Detta innebär att hamra en glödhet ämne i form.
• Rullande. Detta innebär att ett ämne passerar genom successivt smala rullar för att skapa ett ark.
• Extrudering. Det innebär att man tvingar en het och formbar metall under tryck genom en form. Metallen formas sedan innan den svalnar.
• Maskinbearbetning. Det innebär skärning för att forma den kalla metallen med hjälp av borrar, svarvar och fräsmaskiner.
• Sintring. Det involverar uppvärmning av en pulverformig metall i en icke-oxiderande miljö efter att ha komprimerat den till en form.
• Tillverkning. Det handlar om att skära plåtar av metall med gasskärare eller giljotiner och böja och svetsa dem till strukturella former.
• Laserbeklädnad. Detta innebär att man blåser metallpulver i en rörlig laserstråle. Den smälta metallen som produceras når ett substrat och bildar en smältbassäng. Det är möjligt att bygga upp en tredimensionell bit genom att flytta laserhuvudet.
• 3d-utskrivning. Denna process involverar smältning eller sintring av amorf pulvermetall i tredimensionellt utrymme för att göra ett föremål i vilken form som helst.

Kallbearbetningsprocesser avser att ändra formen på en produkt genom tillverkning, valsning eller andra processer, med produkten fortfarande kall. Detta bidrar till att öka dess styrka, en process som kallas arbetshärdning .

Värmebehandling av metaller

Metaller kan värmebehandlas för att ändra egenskaperna för duktilitet, hållfasthet, seghet, motståndskraft mot korrosion och hårdhet. De vanligaste processerna för värmebehandling inkluderar härdning, härdning och glödgning.

• Härdning. Denna process lindrar stress i metaller orsakade av härdningsprocesser. Denna process gör metallen mindre hård och förbättrar dess förmåga att upprätthålla tryck utan att gå sönder.
• Släckning. Detta är processen att kyla metaller snabbt efter uppvärmning. Detta fryser metallernas molekyler till en hård form. Detta syftar till att göra metallerna hårdare.
• Glödgning. Denna process mjukar upp metaller genom uppvärmning och låter dem sedan svalna långsamt. Detta gör det lätt för metaller att böjas utan att gå sönder.

Sammanfattning

Vi har lärt oss att;

• Metallurgi är processen för utvinning av metaller i deras naturliga form.
• En person som utövar metallurgi kallas metallurg.
• Metallurgi kan brett grupperas i fysikalisk metallurgi och kemisk metallurgi.
• Blandningar av metaller bildar legeringar.