Кіріспе

Металлургия – металл элементтердің физикалық және химиялық қасиеттерін, олардың металл аралық қосылыстарын және олардан жасалатын қоспаларды зерттейтін материалтану және инженерия саласы. Металлургия металл ғылымын және технологиясын, металл өндірісін, сондай-ақ тұтынушылар мен өндірушілерге арналған өнімдерде қолданылатын металл бөлшектерін қамтиды. Металлургия металл өңдеу шеберлігінен өзгеше. Металл өңдеу, медицинаның техникалық жетістіктерге қол жеткізу үшін медицина ғылымына сүйенгені сияқты, металлургияға сүйенеді. Металлургия саласындағы маман – металлург. Металлургия ғылымы екі негізгі санатқа бөлінеді: химиялық металлургия және физикалық металлургия. Химиялық металлургия металдардың тотығу және қайта тотығу процестерімен, сондай-ақ олардың химиялық қасиеттерімен айналысады. Химиялық металлургияның зерттеу нысандарына минералдарды өңдеу, металдарды алу, термодинамика, электрохимия және химиялық бұзылу (коррозия) жатады. Ал физикалық металлургия металдардың механикалық және физикалық қасиеттерімен, олардың физикалық өнімділігімен айналысады. Физикалық металлургияда кристаллография, материалды сипаттау, механикалық металлургия, фазалық түрленулер және ақаулардың пайда болу механизмдері зерттеледі. Тарихи тұрғыдан алғанда, металлургия басты назарын металл өндіруге шоғырландырған. Металл өндіру металл алу үшін кенді өңдеуден басталады және қоспа жасау үшін металдарды араластыруды қамтиды. Металл қоспалары көбінесе кем дегенде екі түрлі металл элементінен тұрады. Дегенмен, қоспаға қажетті қасиеттерді беру үшін металл емес элементтер де жиі қосылады. Металл өндіруді зерттеу екіге бөлінеді: қара металлургия (немесе темір металлургиясы) және түсті металлургия (немесе темірсіз металлургия). Темір металлургиясы темірге негізделген процестер мен қоспаларды қамтиды, ал түсті металлургия басқа металдарға негізделген процестер мен қоспаларды қамтиды. Әлемдік металл өндірісінің 95% темір металдар өндірісіне тиесілі. Қазіргі заманғы металлургтер материалтанушылар және басқа инженерлермен бірлесіп, жаңа және дәстүрлі салалардағы салааралық команданың құрамында жұмыс істейді. Дәстүрлі салаларға минералдарды өңдеу, металл өндіру, жылумен өңдеу, ақауларды талдау және металдарды біріктіру (сойыстыру, мықтылау және дәнекерлеу сияқты) жатады. Металлургия үшін жаңа салаларға нанотехнологиялар, суперөткізгіштер, композиттер, биомедициналық материалдар, электрондық материалдар (жартылай өткізгіштер) және беттік инженерия жатады. Металлургиямен байланысты немесе оған қатысты көптеген қолданыстар, тәжірибелер және құрылғылар ежелгі Үндістан мен Қытайда пайда болған, мысалы, wootz болат, қола, доменді пеш, құйма темір, гидравликалық соққымен жұмыс істейтін балғалар және екі бағытта жұмыс істейтін поршеньді үрлегіштер.

Этимологиясы мен айтылуы

Металлургия көне грекше μεταλλουργός, "металмен жұмыс істейтін" сөзінен шыққан, бұл сөз μέταλλον, "кен, металл" және ἔργον, "жұмыс" сөздерінің қосындысы. Бастапқыда бұл сөз алхимиктердің минералдардан металлдарды алу процесін білдірген, "-ургия" жұмысты, әсіресе өндірісті көрсетеді: осы мағынада 1797 жылғы «Британ энциклопедиясында» талқыланған. 19 ғасырдың соңында металлургияның анықтамасы металдар, қорытпалар және олармен байланысты процестерді ғылыми тұрғыдан зерттеуге дейін кеңейтілді. Ағылшын тілінде /m//ɛ/'/t//æ//l//ər//dʒ//i/ айтылуы Ұлыбританияда жиі кездеседі. Ал /m//ɛ//t//əl//ɜːr//dʒ//i/ айтылуы АҚШ-та көбірек таралған және «Merriam Webster Collegiate» және «American Heritage» сияқты американдық сөздіктерде бірінші тізілген нұсқа болып саналады.

Тарих

Адамдар қолданған ең алғашқы металл – алтын, ол табиғатта бос немесе «туған күйде» кездеседі. Испаниядағы үңгірлерден б.з.д. 40 000 жылға дейінгі алтынның шағын мөлшері табылды. Күміс, мыс, қалайы және метеориттік темір де табиғи түрінде кездеседі, бұл ерте мәдениеттерде металл өңдеудің шектеулі мүмкіндіктерін қамтамасыз етеді. Анадолиядағы және Ирактағы Телл Маджалиядағы табиғи мысты пайдалануға қатысты ерте металлургиялық дәлелдер б.з.д. 7-6 мыңжылдықтарға жатады. Кейбір металдарды, мысалы, қалайы, қорғасын және мысты, кендерінен отта немесе доменді пеште қыздыру арқылы, яғни балқыту арқылы алуға болады. Мыс балқытудың ең алғашқы дәлелі қазіргі Сербиядағы Майданпек, Ярмовац және Плошниктегі археологиялық орындарда б.з.д. 6 мыңжылдықта табылды. Плошниктегі қазбалар Винча мәдениетіне жататын б.з.д. 5500 жылға дейінгі балқытылған мыстан жасалған балтаны тапты. Балқан және оған іргелес Карпат аймағы Винча, Варна, Караново, Гумельница және Хамангия сияқты ірі халколиттік мәдениеттердің орналасқан жері болды, олар көбінесе «Ескі Еуропа» деген атаумен біріктіріледі. Карпато-Балқан аймағы «Еуразиядағы ең ерте металлургиялық провинция» деп сипатталады, б.з.д. 6-5 мыңжылдықтардағы металл өндірісінің көлемі мен техникалық деңгейі замандас өндіріс орталықтарынан әлдеқайда жоғары болды. Қорғасынның (вероятно, табиғи немесе балқытылған) қолданылуының ең алғашқы дәлелі Ирактағы Ярим Тепе және Арпачияхтың соңғы неолиттік қоныстарында б.з.д. 6 мыңжылдыққа жатады. Табылған артефакттар қорғасынды балқыту мыс балқытудан бұрын пайда болған болуы мүмкін екенін көрсетеді. Мыс балқыту Анатолиядағы және Иранның оңтүстік-шығысындағы Тал-и-Иблис орнында б.з.д. 5000 жылдан бастап куәландырылған. Варна некрополі – Варна қаласының батыс индустриалдық аймағында, қала орталығынан шамамен 4 км қашықтықта орналасқан, әлемдік тарихқа дейінгі маңызды археологиялық орындардың бірі саналатын жерлеу орны. Бұл жерде б.з.д. 4600-4200 жылдар аралығындағы әлемдегі ең көне алтын қазынасы табылды. 2019 жылы Варнаның жанындағы Дуранулактан табылған б.з.д. 4500 жылға жататын алтын бұйым да маңызды мысал. Ерте металдардың басқа белгілері б.з.д. үшінші мыңжылдықта Португалияның Пальмела, Испанияның Лос-Милларес және Ұлыбританияның Стоунхендж қалаларында табылды. Дегенмен, оның нақты басталуы толық анықталмаған және жаңа жаңалықтар үздіксіз табылып жатыр. Шамамен б.з.д. 1900 жылы Тамил Надуда ежелгі темір балқыту орындары болған. Таяу Шығыста б.з.д. 3500 жыл шамасында мыс пен қалайыны қосып, жоғары сапалы металл – қола деп аталатын қорытпа жасалатыны анықталды. Бұл «Қола дәуірі» деп аталатын маңызды технологиялық өзгеріс болды. Темірді кенінен жұмыс істеуге жарамды металлға айналдыру мыс немесе қалайыдан әлдеқайда қиын. Бұл процесті б.з.д. 1200 жылы хеттер ойлап тапқан деп есептеледі, бұл Темір дәуірінің басталуы болды. Темірді өндіру және өңдеудің құпиясы палестиналықтардың табысына үлкен үлес қосты. Темір металлургиясының тарихи дамуы көптеген мәдениеттер мен өркениеттерде кездеседі. Бұл қазіргі Түркиядағы Таяу Шығыс және Таяу Шығыстың ежелгі және ортағасырлық патшалықтары мен империяларын, ежелгі Иранды, ежелгі Мысырды, ежелгі Нубияны және Анатолияны, ежелгі Нокты, Карфагенді, ежелгі Еуропаның гректері мен римдіктерін, ортағасырлық Еуропаны, ежелгі және ортағасырлық Қытайды, ежелгі және ортағасырлық Үндістанды, ежелгі және ортағасырлық Жапонияны және басқаларын қамтиды. Металлургиямен байланысты немесе оған қатысы бар көптеген қолданбалар, тәжірибелер және құрылғылар ежелгі Қытайда пайда болды, мысалы, доменді пеш, шойын, гидравликалық қуатпен жұмыс істейтін соққылы балғалар және екі бағытта жұмыс істейтін поршеньді үрлегіштер.

Экстракциялау

Экстракциялық металлургия – кеннен құнды металдарды алу және алынған шикі металдарды тазалау практикасы. Металл оксидін немесе сульфидін таза металлға айналдыру үшін кен физикалық, химиялық немесе электролиттік жолмен тотықтырылуы керек. Экстракциялық металлургтерді үш негізгі ағын қызықтырады: шикізат, концентрат (металл оксиді/сульфиді) және қалдықтар (қоқыс). Кен қазудан кейін кеннің ірі бөліктері ұнтақтау немесе тарту арқылы майдаланып, әрбір бөлшегі құнды немесе қоқыс болуы үшін жеткілікті кішкентай бөлшектерге бөлінеді. Құнды бөлшектерді бөлуге қолайлы формада шоғырландыру, қажетті металлдарды қоқыс өнімдерден бөліп алуға мүмкіндік береді. Кен қоры мен физикалық орта сіңіруге жағдай жасаса, кен өндіру қажет болмауы мүмкін. Сіңіру кендегі минералдарды ерітіп, байытылған ерітіндіге айналдырады. Бұл ерітінді жиналып, құнды металдарды алу үшін өңделеді. Кен денелері көбінесе бірнеше құнды металдарды қамтиды. Алдыңғы процестің қалдықтары бастапқы кеннен қосымша өнім алу үшін басқа процесте шикізат ретінде қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, концентрат бірнеше құнды металдарды қамтуы мүмкін. Осы концентрат өңделіп, құнды металдар жеке құрамдас бөліктерге бөлінеді.

Металл және оның қорытпалары

Темір-көміртек қорытпаларын, соның ішінде болат пен құйма темірді түсінуге көп күш-жігер жұмсалды. Қарапайым көміртекті болаттар (қоспа элементі ретінде негізінен көміртекті ғана қамтитын) төмен құнмен, жоғары беріктікке ие қолдануларда пайдаланылады, онда салмақ пен коррозия маңызды мәселе емес. Құйма темір, соның ішінде иілгіш темір де темір-көміртек жүйесінің бөлігі болып табылады. Темір-манганий-хром қорытпалары (Хадфилд типті болаттар) сондай-ақ магниттік емес қолдануларда, мысалы, бағытталған бұрғылауда қолданылады. Басқа инженерлік металдарға алюминий, хром, мыс, магний, никель, титан, мырыш және кремний жатады. Бұл металдар көбінесе қорытпа ретінде қолданылады, кремний металл емес болғандықтан одан басқа жағдайларда қолданылмайды. Басқа түрлері: тот баспайтын болат, әсіресе аустениттік тот баспайтын болат, мырышталған болат, никель қорытпалары, титан қорытпалары немесе кейде мыс қорытпалары қолданылады, онда коррозияға төзімділік маңызды. Алюминий қорытпалары мен магний қорытпалары, әдетте, жеңіл, берік бөлшектер қажет болған кезде, мысалы, автомобиль және ғарыш өнеркәсібінде қолданылады. Мыс-никель қорытпалары (мысалы, Монель) өте коррозиялық ортада және магниттік емес қолдануларда қолданылады. Инконел сияқты никельді суперқорытпалар газ турбиналары, турбокомпрессорлар, қысымды ыдыстар және жылу алмастырғыштар сияқты жоғары температуралы қолдануларда қолданылады. Өте жоғары температурада иілуді азайту үшін бір кристалл қорытпалар қолданылады. Қазіргі заманғы электроникада металл оксиді кремний транзисторлары (МОС) мен интегралдық схемалар үшін жоғары тазалықтағы бір кристалл кремний өте маңызды.

Өндіріс

Өндірістік инженерияда металлургия тұтынушылық немесе инженерлік өнімдерде қолданылатын металл компоненттерін өндірумен айналысады. Бұл құймаларды өндіру, пішіндеу, жылулық өңдеу және өнім бетін өңдеуді қамтиды. Металлургтің міндеті – материалдың қасиеттері, мысалы, құны, салмағы, күші, жіңішкелігі, қаттылығы, коррозияға төзімділігі, шаршау кезіндегі төзімділігі және температураның шектен тыс өзгеруі кезіндегі жұмыс істеу сияқты факторлар арасындағы тепе-теңдікті қамтамасыз ету болып табылады. Бұл мақсатқа жету үшін жұмыс ортасы мұқият қарастырылуы керек. Металдың қаттылығын анықтау, Роквелл, Виккерс және Бринелл қаттылық шкалаларын пайдалану арқылы жүзеге асырылады, бұл металдың серпімділігі мен пластикалық қасиеттерін әртүрлі қолданулар мен өндіріс процестері үшін жақсырақ түсінуге көмектесетін кең таралған тәжірибе. Тұзды су ортасында көптеген темірлі металдар мен кейбір темір емес қорытпалар тез коррозияға ұшырайды. Суық немесе криогендік жағдайларға ұшыраған металдар өтімділіктен сынғыштыққа өтуі мүмкін, соның салдарынан жіңішкелігін жоғалтып, сынығыш және жарылуға бейім болады. Ұдайы циклдық жүктемеге ұшыраған металдар металдық шаршаудан зардап шегеді. Жоғары температурада тұрақты кернеуге ұшыраған металдар өшіп, деформациялануы мүмкін.

Металл өңдеу процестері

Құю – балқытылған металл қалыпқа құйылады. Құюдың түрлеріне құм құю, инвестициялық құю, сонымен қатар жоғалған балауыз процесі, пресс-формамен құю және үздіксіз құю жатады. Бұл формалардың әрқайсысының белгілі бір металдар мен қолданулар үшін артықшылықтары бар, магнетизм және коррозия сияқты факторларды ескере отырып. Алқаптап пішімдеу – қызыл ыстық металл бөлшектері соғылып пішінге келтіріледі. Прокаттау – металл бөлшегі бір-бірінен тар болатын роликтер арқылы өткізіліп, жамылғы жасалады. Экструзия – ыстық және жұмсақ металл қысыммен қалып арқылы итеріледі, салқындағанға дейін пішінге түседі. Механикалық өңдеу – токарлық, фрезерлеу және бұрғылау станоктары суық металды пішінге кесіп өңдейді. Синтерлеу – ұнтақталған металл қысымға түсіріліп, тотықсыздандырылған ортада қыздырылады. Жабыстыру – металл жамылғылары гильотин немесе газ кескішпен кесіліп, иіліп, дәнекерленіп құрылымдық пішінге келтіріледі. Лазерлік қаптау – металл ұнтағы жылжымалы лазерлік сәуле арқылы (мысалы, NC 5 осьті станокқа орнатылған) ұшырылады. Нәтижесінде балқыған металл негізге жетеді және балқыма шоғырды құрайды. Лазерлік баспен жылжыту арқылы іздер жиналып, үш өлшемді бұйым жасауға болады. 3D-басып шығару – кез келген нысанды жасау үшін үш өлшемді кеңістікте аморфты металл ұнтағын ыстату немесе балқыту. Суық өңдеу процестері, яғни роликтеу, жабыстыру сияқты процестер арқылы өнімнің пішіні өзгертілсе, өнімнің беріктігі артады, бұл процеске жұмысқа қатайту деп аталады. Жұмысқа қатайту металда микроскопиялық ақауларды тудырады, олар пішіннің одан әрі өзгеруіне қарсы тұрады.

Жылумен өңдеу

Металдардың күші, созылғыштығы, беріктігі, қаттылығы және коррозияға төзімділігі сияқты қасиеттерін өзгерту үшін оларды жылумен өңдеуге болады. Көбінесе қолданылатын жылумен өңдеу процестеріне оттеу, тұнбалау арқылы күшейту, сөндіру және қайтару кіреді. Оттеу процесі металды қыздыру арқылы жұмсартады, содан кейін оны өте баяу салқындатуға рұқсат береді, бұл металдағы кернеулерді жояды және дән құрылымын ірі, жұмсақ жиекті етеді, сондықтан металға соққанда немесе қысым түсіргенде, ол сынудың орнына деформацияланады немесе бүгіледі; оттеу металды тегістеу, ұсақтау немесе кесуді де жеңілдетеді. Сөндіру – металды қыздырғаннан кейін өте жылдам салқындату процесі, бұл металл молекулаларын өте қатты мартенсит түрінде «қатыруға» мүмкіндік береді, соның салдарынан металл қатаяды. Қайтару металдың қатаю процесінен туындаған кернеулерді азайтады; қайтару металды кеміту арқылы сынбай, соққыларға төтеп беру қабілетін арттырады. Жақсы қасиеттер мен материалдарды тиімді өңдеу үшін механикалық және жылулық өңдеулер термомеханикалық өңдеу деп аталатын бір процесте жиі біріктіріледі. Бұл процестер жоғары қорытпалы арнайы болаттарда, суперқорытпаларда және титан қорытпаларында кеңінен қолданылады.

Қаптау

Электрожақтау – химиялық беттік өңдеу әдісі. Ол өнімнің бетіне алтын, күміс, хром немесе мырыш сияқты басқа металдың жұқа қабатын жабыстыруды қамтиды. Бұл, жұмыс дайындамасын (алтын, күміс, мырыш) жабатын материалды, яғни электролит ерітіндісін таңдау арқылы жасалады. Екі түрлі материалдан жасалған электродтар қажет: біреуі жабын материалмен бірдей материалдан, екіншісі жабын материалды қабылдайтын. Екі электродқа электр тогы беріледі және жабын материалы жұмыс дайындамасына жабысады. Ол коррозияны азайтуға, сондай-ақ өнімнің сыртқы түрін жақсартуға қолданылады. Сондай-ақ, арзан металдарды қымбат металдарға (алтын, күміс) ұқсату үшін де қолданылады.

Атыспен көз салу

Шатпен қағып өңдеу – металл бөлшектерді аяқтауға қолданылатын суық механикалық өңдеу процесі. Шатпен қағу процесінде, аяқталуға тиіс бөлшектің бетіне кішкентай, дөңгелек шаттармен соққы жасалады. Бұл процесс бөлшектің қызмет ету мерзімін ұзарту, кернеулі коррозиядан зақымданудың алдын алу және шаршауды болдырмау үшін қолданылады. Шаттардың соққысынан бетте кішкентай ойықтар пайда болады, олар қақпақтай, және осы ойықтардың астындағы материалда қысылу кернеуі туындайды. Өңделетін бөлшекке шаттар қайта-қайта соққы бергенде, оның бетінде көптеген бір-біріне үстіне жатқан ойықтар қалыптасады. Материалдың бетіндегі қысылу кернеуі бөлшектің беріктігін арттырады және оны шаршаудан, кернеуден, коррозиядан жарылудан қорғайды.

Термиялық бүрку

Термиялық бүрку әдістері – тағы бір танымал аяқтау опциясы, және көбінесе электрожұптама жабындарға қарағанда жоғары температурада жақсы қасиеттерге ие. Термиялық бүрку, сондай-ақ бүрку арқылы дәнекерлеу процесі ретінде де белгілі, бұл жылу көзінен (жалын немесе басқа) және ұнтақ немесе сым түрінде болатын жабын материалынан тұратын өнеркәсіптік жабын процесі. Материал жоғары жылдамдықпен балқытылып, өңделетін бетіне бүркіледі. Бұл процеске HVOF (Жоғары Жылдамдықты Отылғыш Газ), плазмалық бүрку, жалындық бүрку, доғалық бүрку және металдау сияқты көптеген атаулар қолданылады.

Электросыз жинақтау

Электросыз жағу (ЭЖ) немесе электросыз қаптау – металдар мен металл қорытпаларының өткізгіш емес беттерге түсірілуі арқылы жүзеге асатын автокатализдік процесс ретінде анықталады. Бұл өткізгіш емес беттерге пластик, керамика және шыны сияқты материалдар жатады, олар түпкілікті мақсатына қарай сәндік, коррозияға қарсы немесе өткізгіш болуы мүмкін. Электросыз жағу – сұйық ваннадағы металл катиондарының автокатализдік химиялық тотығу арқылы әртүрлі материалдарға металл жабын жасайтын химиялық процесс.

Қасиеттері

Металлургтер металлдардың микроскопиялық және макроскопиялық құрылымын металлография әдісімен зерттейді, бұл әдіс Генри Клифтон Сорбимен ойлап табылды. Металлографияда зерттелетін қорытпа тегіс кесіліп, айнадай жылтыратылады. Содан кейін металдың микроқұрылымы мен макроқұрылымын ашып көрсету үшін үлгіге әрлендіру (түсіру) жасалады. Үлгі содан кейін оптикалық немесе электронды микроскопта қарастырылады, ал кескіннің контрасты құрамы, механикалық қасиеттері және өңдеу тарихы туралы мәліметтер береді. Рентген сәулелерінің немесе электрондардың дифракциясын қолданатын кристаллография – қазіргі металлургтерге қолжетімді тағы бір құнды құрал. Кристаллография белгісіз материалдарды анықтауға және үлгінің кристалл құрылымын анықтауға мүмкіндік береді. Салықтық кристаллографияны қолдана отырып, үлгідегі фазалардың мөлшерін және үлгіге түскен деформацияның дәрежесін есептеуге болады.