Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Литье ; заливка расплавленного золота в слиток .
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 инженерии металлических компонентов, используемых в продукции 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 химическое разложение ( коррозию ). [1] Напротив, металлургия фокусируется на механических свойствах металлов, физических свойствах металлов и физических характеристиках металлов. Темы, изучаемые в области металловедения, включают:кристаллография , характеристика материалов , металлургия, фазовые превращения и механизмы разрушения . [2]

Исторически сложилось так, что металлургия в основном ориентировалась на производство металлов. Производство металлов начинается с обработки руд для извлечения металла и включает смесь металлов для получения сплавов . Металлические сплавы часто представляют собой смесь как минимум 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 - это процессы и сплавы на основе железа., а цветная металлургия - это процессы и сплавы на основе других металлов. Производство черных металлов составляет 95% мирового производства металлов. [3]

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, термическую обработку, 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 [ править ]

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 -urgy, обозначающее процесс, особенно производство: в этом смысле оно обсуждалось в Encyclopdia Britannica 1797 года . [4] В конце 19 века он был расширен до более общих научных исследований металлов, сплавов и связанных с ними процессов. В английском языке / m ɛТ æ л ər dʒ я /произношение является более распространенным в Великобритании и Содружества. / М ɛ т əl ɜːr dʒ я /произношением является более распространенным в США и является первыми перечисленными вариантами в различных американских словарях (например,Merriam-Webster Collegiate,American Heritage).

История [ править ]

См. Также: Алхимия , Энеолит , Бронзовый век , История черной металлургии , Металлургия в доколумбовой Америке , Металлургия в доколумбовой Мезоамерике , Медная металлургия в Африке , Металлургия железа в Африке , История металлургии на Индийском субконтиненте и Не- черная металлургия
Золотая руда из рудника Boundary Red Mountain , Вашингтон , США

Самым ранним зарегистрированным металлом, использованным людьми, является золото , которое можно найти в свободном или « родном » виде. Небольшое количество природного золота было найдено в испанских пещерах, относящихся к периоду позднего палеолита , 40 000 лет до нашей эры. [5] Серебро , медь , олово и метеоритное железо также можно найти в самородной форме, что позволяет обрабатывать металл в ограниченных количествах в ранних культурах. [6] Египетское оружие, сделанное из метеоритного железа примерно в 3000 г. до н.э., высоко ценилось как «кинжалы с неба». [7] Некоторые металлы, особенно олово, свинец, а при более высокой температуре медь может быть извлечена из руды путем простого нагревания породы в огне или доменной печи, процесс, известный как плавка . Первые свидетельства этой добывающей металлургии, датируемые V и VI тысячелетиями до нашей эры [8] , были обнаружены на археологических раскопках в Майданпеке , Ярмоваце около Прибоя и Плочника на территории современной Сербии . На сегодняшний день самые ранние свидетельства выплавки меди обнаружены на стоянке Беловоде около Плочника. [9] На этом месте с 5 500 г. до н.э. производился медный топор, принадлежащий культуре Винча . [10]

Самое раннее использование свинца зарегистрировано в поселении позднего неолита 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. [11] Поскольку самородный свинец чрезвычайно редок, такие артефакты повышают вероятность того, что плавка свинца могла начаться еще до плавки меди ». [12] [13]

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 более ранним временем и полностью лишен этой керамики. [ необходима цитата ] Балканы были местом основных культур неолита, включая Бутмир , Винчу , Варну , Караново и Хамангию .

Артефакты из Варненского некрополя , Болгария
Золотые артефакты из Варненского некрополя, Варненская культура
Золотые быки, варненская культура
Элитное захоронение Варненского некрополя , оригинальное фото находки (фрагмент)

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 древнее золотое сокровище в мире, датируемое периодом от 4600 до н.э. до 4200 до н.э. [14] Золотой кусок, датируемый 4500 годом до нашей эры, недавно основанный в Дуранкулаке , недалеко от Варны, является еще одним важным примером. [15] [16] Другие признаки ранних металлов обнаружены в третьем тысячелетии до нашей эры в таких местах, как Палмела (Португалия), Лос-Мильярес (Испания) иСтоунхендж (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 труднее, 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 . [7] [17]

Исторические достижения в черной металлургии можно найти в самых разных культурах и цивилизациях прошлого. Сюда входят древние и средневековые царства 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 других. 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 . [18] [19]

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». [20]

Извлечение [ править ]

Основная статья: Добывающая металлургия
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 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 крупные куски руды дробятся путем дробления или измельчения, чтобы получить достаточно мелкие частицы, каждая из которых является либо в основном ценными, 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 . В результате выщелачивания минералы растворяются в рудном теле и получают обогащенный раствор. 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 [ править ]

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.

Было приложено много усилий для понимания системы железо-углеродный сплав, в которую входят стали и чугуны . Простые 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 (такие как 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 [ править ]

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 используемой практикой, которая помогает лучше понять эластичность и пластичность металла для различных применений и производственных процессов. [21]

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 [ править ]

Основная статья: Металлообработка

Металлы формируются с помощью таких процессов, как: [ править ]

  1. Литье - расплавленный металл заливают 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 матрицу , 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 конструкционную форму.
  8. Лазерная наплавка - металлический порошок продувается подвижным лазерным лучом (например, установленным на 5-осевом станке с ЧПУ). Полученный расплавленный металл достигает подложки, 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. [22]

Термическая обработка [ править ]

Металлы можно подвергать термообработке для изменения свойств прочности, пластичности, ударной вязкости, твердости и устойчивости к коррозии. Обычные процессы термообработки включают отжиг , дисперсионное упрочнение , закалку и отпуск . [23]

В процессе отжига металл размягчается, 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.

Отпуск снимает напряжения в металле, вызванные процессом закалки; закалка делает металл менее твердым, а также позволяет 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 [ править ]

Основная статья: Покрытие

Гальваника - это метод химической обработки поверхности. Он включает в себя соединение тонкого слоя другого металла, такого как золото , серебро , хром или цинк.на поверхность продукта. 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). [24]

Дробеструйная обработка [ править ]

Основная статья: 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 ямки, как это делает ударный молоток, что вызывает напряжение сжатия под ямочкой. Поскольку 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. [25]

Термическое напыление [ править ]

Основная статья: 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, [26] - это промышленный процесс нанесения покрытия, который состоит из источника тепла (пламени или другого) и материал покрытия, который может быть в форме порошка или проволоки, который плавится, а затем распыляется на поверхность обрабатываемого материала с высокой скоростью. Процесс распылительной обработки известен под множеством различных названий, таких как HVOF (высокоскоростное кислородное топливо), плазменное распыление, пламенное распыление, дуговое распыление и металлизация.

Металлография позволяет металлургу изучать микроструктуру металлов.

Характеристика [ править ]

Основная статья: 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.

См. Также [ править ]

  • Археометаллургия
  • КАЛЬФАД
  • Карбонильная металлургия
  • Купелирование
  • Экспериментальная археометаллургия
  • Золотой
  • Золотой фосфиновый комплекс
  • Анализ металлургических отказов
  • Минеральная промышленность
  • Пирометаллургия

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мур, Джон Джереми; Бойс, EA (1990). Химическая металлургия . DOI : 10.1016 / c2013-0-00969-3 . ISBN 9780408053693.
  2. ^ Raghavan V (2015). ФИЗИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ: ПРИНЦИПЫ И ПРАКТИКА, Третье издание . PHI Learning. ISBN 978-8120351707.
  3. ^ "Металлургия" . в The Большой советской энциклопедии . 1979 г.
  4. ^ «Металлургия» . Оксфордский учебный словарь . Издательство Оксфордского университета . Проверено 29 января 2011 года .
  5. ^ «История золота» . Золотой дайджест . Проверено 4 февраля 2007 года .
  6. ↑ E. Photos, E. (2010). «Вопрос о метеоритном и плавленом железе с высоким содержанием никеля: археологические свидетельства и экспериментальные результаты» (PDF) . Мировая археология . 20 (3): 403–421. DOI : 10.1080 / 00438243.1989.9980081 . JSTOR 124562 .  
  7. ^ a b В. Келлер (1963) Библия как история . п. 156. ISBN 0-340-00312-X 
  8. ↑ HI Haiko, VS Biletskyi. Первое открытие металлов и развитие феномена сакрального компонента. // Теоретические и практические решения по добыче полезных ископаемых // Книга Балкема, Лондон, 2015, с. 227-233. .
  9. ^ Радивоевич, Миляна; Ререн, Тило; Перницка, Эрнст; Шливар, Душан; Браунс, Майкл; Борич, Душан (2010). «О истоках добывающей металлургии: новые свидетельства из Европы». Журнал археологической науки . 37 (11): 2775. DOI : 10.1016 / j.jas.2010.06.012 .
  10. ^ Неолит Винка был металлургической культурой. Архивировано 19 сентября 2017 года в Wayback Machine Stonepages из источников новостей, ноябрь 2007 года.
  11. ^ Мури 1994: 294
  12. ↑ Craddock 1995: 125
  13. ^ Поттс, Дэниел Т., изд. (15 августа 2012 г.). «Северная Месопотамия» . Товарищ по археологии древнего Ближнего Востока . 1 . John Wiley & Sons, 2012. стр. 302. ISBN. 978-1-4443-6077-6.
  14. ^ [1] Драгоценные камни и драгоценные камни: неподвластная времени естественная красота минерального мира, Лэнс Гранде.
  15. ^ https://europost.eu/en/a/view/world-s-oldest-gold-24581
  16. ^ https://www.smithsonianmag.com/smart-news/oldest-gold-object-unearthed-bulgaria-180960093/
  17. ↑ BW Anderson (1975) Живой мир Ветхого Завета , стр. 154, ISBN 0-582-48598-3 
  18. ^ RF Tylecote (1992) История металлургии ISBN 0-901462-88-8 
  19. ^ Роберт KG Темпл (2007). Гений Китая: 3000 лет науки, открытий и изобретений (3-е издание). Лондон: Андре Дойч . С. 44–56. ISBN 978-0-233-00202-6 . 
  20. ↑ Карл Альфред фон Циттель (1901). История геологии и палеонтологии . п. 15. DOI : 10.5962 / bhl.title.33301 . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 1 января 2015 года .
  21. ^ «Испытания на твердость металлов: разница между Роквеллом, Бринеллем и Виккерсом» . ESI Engineering Специальности Inc . 14 июня 2017 . Проверено 13 декабря 2017 года .
  22. ^ «Процесс литья, типы процесса литья, советы по процессу литья, выбор процесса литья, процесс литья помогает» . www.themetalcasting.com . Проверено 13 декабря 2017 года .
  23. ^ Артур Рирдон (2011), Металлургия для неметаллургов (2-е издание), ASM International, ISBN 978-1-61503-821-3 
  24. ^ Вудфорд, Крис (2017). «Как работает гальваника» . Объясни это . Дата обращения 20 мая 2019 .
  25. ^ «Что такое дробеструйная обработка - как работает дробеструйная обработка» . www.engineeredabrasives.com .
  26. ^ «Термическое напыление, плазменное напыление, HVOF, пламенное напыление, металлизация и нанесение покрытий термическим напылением» . www.precisioncoatings.com . Сент-Пол, Миннесота . Проверено 13 декабря 2017 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с металлургией, на Викискладе?
  • Учебные материалы по теме: Металлургическая инженерия в Викиверситете