Введение

Металлургия – это область материаловедения и инженерии, изучающая физическое и химическое поведение металлических элементов, их интерметаллических соединений и их смесей, известных как сплавы. Металлургия охватывает как науку, так и технологию металлов, включая производство металлов и разработку металлических компонентов, используемых в продукции как для потребителей, так и для производителей. Металлургия отличается от ремесла обработки металлов. Обработка металлов опирается на металлургию подобно тому, как медицина опирается на медицинскую науку для технического прогресса. Специалист, занимающийся металлургией, называется металлургом. Наука о металлургии подразделяется на две основные категории: химическая металлургия и физическая металлургия. Химическая металлургия в основном посвящена восстановлению и окислению металлов, а также химической стойкости металлов. Предметами изучения в химической металлургии являются обогащение полезных ископаемых, извлечение металлов, термодинамика, электрохимия и химическое разрушение (коррозия). В отличие от этого, физическая металлургия фокусируется на механических и физических свойствах металлов, а также на их эксплуатационных характеристиках. Темы, изучаемые в физической металлургии, включают кристаллографию, материаловедческую характеристику, механическую металлургию, фазовые превращения и механизмы разрушения. Исторически металлургия была сосредоточена преимущественно на производстве металлов. Производство металлов начинается с переработки руд для извлечения металла и включает смешивание металлов для получения сплавов. Металлические сплавы часто представляют собой смесь как минимум двух различных металлических элементов. Однако неметаллические элементы часто добавляются в сплавы для достижения свойств, подходящих для конкретного применения. Изучение производства металлов подразделяется на черную металлургию (также известную как сталелитейное производство) и цветную металлургию. Черная металлургия включает процессы и сплавы на основе железа, в то время как цветная металлургия включает процессы и сплавы на основе других металлов. Производство черных металлов составляет 95% мирового производства металлов. Современные металлурги работают как в новых, так и в традиционных областях в составе междисциплинарной команды вместе с материаловедами и другими инженерами. Некоторые традиционные области включают обогащение полезных ископаемых, производство металла, термообработку, анализ отказов и соединение металлов (включая сварку, пайку и лужение). Новые области для металлургов включают нанотехнологии, сверхпроводники, композиционные материалы, биомедицинские материалы, электронные материалы (полупроводники) и поверхностную инженерию. Многие применения, практики и устройства, связанные с металлургией, были разработаны в древней Индии и Китае, такие как изобретение стали вутц, бронзы, доменной печи, чугуна, гидравлических молотов и мехов с двойным действием.

Этимология и произношение

Металлургия происходит от древнегреческого μεταλλουργός, «работник по металлу», образованного от μέταλλον, «рудник, металл» + ἔργον, «работа». Изначально это слово использовалось алхимиками для обозначения извлечения металлов из минералов, при этом окончание -ургия указывало на процесс, особенно производственный: в этом смысле оно упоминалось в «Энциклопедии Британника» 1797 года. В конце XIX века определение металлургии было расширено и стало включать в себя более общее научное изучение металлов, сплавов и связанных с ними процессов. В английском языке произношение /mɛˈtælərdʒi/ более распространено в Соединенном Королевстве. Произношение /mɛtəlɜːrdʒi/ более распространено в Соединенных Штатах и является первым вариантом, указанным в различных американских словарях, включая Merriam Webster Collegiate и American Heritage.

История

Самым ранним металлом, который использовали люди, по-видимому, было золото, которое можно найти в самородном виде или в чистом состоянии. Небольшое количество природного золота обнаружено в испанских пещерах, датируемых поздним палеолитом, 40 000 лет до н.э. Серебро, медь, олово и метеоритное железо также встречаются в самородном виде, что позволяло осуществлять ограниченную металлообработку в ранних культурах. Ранняя металлургия с использованием самородной меди зафиксирована на поселениях в Анатолии и на участке Tell Maghzaliyah в Ираке, датируемых 7-м/6-м тысячелетиями до н.э. Некоторые металлы, такие как олово, свинец и медь, можно извлекать из руд простым нагревом камней в огне или доменной печи в процессе, известном как плавка. Первые свидетельства плавки меди, датируемые 6-м тысячелетием до н.э., найдены на археологических стоянках в Майданпеке, Ярмоваце и Плочнике, в современной Сербии. На участке Плочник обнаружен выплавленный медный топор, датируемый 5500 годом до н.э., принадлежащий винчанской культуре. Балканы и прилегающий Карпатский регион были местом расположения крупных халколитических культур, включая Винчу, Варну, Караново, Гумельницу и Хамангию, которые часто объединяют под названием «Старая Европа». Карпато-Балканский регион описывается как «самая ранняя металлургическая провинция в Евразии», с масштабом и техническим качеством производства металла в 6-м и 5-м тысячелетиях до н.э., которое значительно превосходит показатели любого другого современного производственного центра. Самое раннее задокументированное использование свинца (возможно, самородного или выплавленного), датируемое 6-м тысячелетием до н.э., происходит из поздненеолитических поселений Ярим-Тепе и Арпачиях в Ираке. Артефакты позволяют предположить, что плавка свинца могла предшествовать плавке меди. Плавка меди зафиксирована на поселениях в Анатолии и на участке Таль-и-Иблис в юго-восточном Иране примерно с 5000 г. до н.э. Варненский некрополь в Болгарии – это погребальный комплекс, расположенный в западной промышленной зоне Варны, примерно в 4 км от центра города, который на международном уровне считается одним из ключевых археологических памятников в мировой предыстории. На этом месте было обнаружено самое старое золотое сокровище в мире, датируемое 4600–4200 годами до н.э. Еще одним важным примером является золотой предмет, найденный в 2019 году в Дуранукулаке, недалеко от Варны, датируемый 4500 годом до н.э. Другие признаки ранних металлов найдены в третьем тысячелетии до н.э. в Пальмеле (Португалия), Лос-Мильярес (Испания) и Стоунхендже (Великобритания). Однако точное начало этого процесса до сих пор не установлено, и новые открытия продолжаются. Около 1900 года до н.э. существовали древние места выплавки железа в Тамилнаду. На Ближнем Востоке, примерно в 3500 году до н.э., было обнаружено, что путем сочетания меди и олова можно получить превосходный металл – сплав, называемый бронзой. Это стало крупным технологическим сдвигом, известным как бронзовый век. Извлечение железа из руды в пригодный для обработки металл гораздо сложнее, чем для меди или олова. Считается, что этот процесс был изобретен хеттами около 1200 года до н.э., что положило начало железному веку. Секрет добычи и обработки железа был ключевым фактором успеха филистимлян. Исторические достижения в области черной металлургии можно найти в широком спектре прошлых культур и цивилизаций, включая древние и средневековые королевства и империи Ближнего Востока и Передней Азии, древний Иран, древний Египет, древнюю Нубию и Анатолию в современной Турции, древний Нок, Карфаген, греков и римлян древней Европы, средневековую Европу, древний и средневековый Китай, древнюю и средневековую Индию, древнюю и средневековую Японию и другие. Многие приложения, методы и устройства, связанные с металлургией, были разработаны в Древнем Китае, такие как инновации в области доменной печи, чугуна, гидравлических молотов и двухсторонних мехов.

Экстракция

Экстрактивная металлургия – это практика извлечения ценных металлов из руды и очистки извлеченных металлов до более высокой чистоты. Для преобразования оксида или сульфида металла в более чистый металл руду необходимо восстановить физическим, химическим или электролитическим способом. Специалисты в области экстрактивной металлургии рассматривают три основных потока: исходное сырье, концентрат (оксид/сульфид металла) и хвосты (отходы). После добычи крупные куски руды измельчаются дроблением или помолом для получения частиц достаточно малого размера, где каждая частица состоит преимущественно из ценного материала или отходов. Обогащение ценных частиц до формы, способствующей разделению, позволяет отделить целевой металл от отходов. Добыча может быть не нужна, если рудное тело и природные условия благоприятствуют выщелачиванию. Выщелачивание растворяет минералы в рудном теле, образуя обогащенный раствор. Этот раствор собирается и перерабатывается для извлечения ценных металлов. Рудные тела часто содержат более одного ценного металла. Хвосты предыдущего процесса могут использоваться в качестве сырья для другого процесса с целью извлечения вторичного продукта из исходной руды. Кроме того, концентрат может содержать более одного ценного металла, который затем разделяется на отдельные компоненты.

Металлы и их сплавы

Много усилий было уделено пониманию системы железо-углеродных сплавов, которая включает стали и чугуны. Углеродистые стали (содержащие преимущественно только углерод в качестве легирующего элемента) используются в недорогих, высокопрочных конструкциях, где вес и коррозия не являются критичными факторами. Чугуны, включая ковкий чугун, также входят в систему железо-углерод. Сплавы железа, марганца и хрома (стали типа Хэдфилда) также применяются в немагнитных областях, таких как направленное бурение. Другие конструкционные металлы включают алюминий, хром, медь, магний, никель, титан, цинк и кремний. Эти металлы чаще всего используются в виде сплавов, за исключением кремния, который не является металлом. Другие формы включают:

Нержавеющую сталь, особенно аустенитные нержавеющие стали, оцинкованную сталь, никелевые сплавы, титановые сплавы или, реже, медные сплавы, применяются там, где важна коррозионная стойкость. Алюминиевые сплавы и магниевые сплавы обычно используются, когда требуется легкая и прочная деталь, например, в автомобильной и аэрокосмической отраслях. Медно-никелевые сплавы (такие как Монель) используются в сильно коррозионных средах и для немагнитных применений. Никелевые суперсплавы, такие как Inconel, применяются в высокотемпературных приложениях, таких как газовые турбины, турбокомпрессоры, сосуды под давлением и теплообменники. Для экстремально высоких температур используются монокристаллические сплавы для минимизации ползучести. В современной электронике монокристаллический кремний высокой чистоты необходим для металл-оксид-полупроводниковых транзисторов (MOS) и интегральных схем.

Производство

В производственной технике металлургия занимается производством металлических компонентов для использования в потребительских или инженерных изделиях. Это включает в себя производство сплавов, формовку, термообработку и поверхностную обработку изделий. Задача металлурга состоит в достижении баланса между свойствами материала, такими как стоимость, вес, прочность, вязкость, твердость, коррозионная стойкость, усталостная прочность и эксплуатационные характеристики при экстремальных температурах. Для достижения этой цели необходимо тщательно учитывать условия эксплуатации. Определение твердости металла по шкалам Роквелла, Виккерса и Бринелля – распространенная практика, позволяющая лучше понять упругость и пластичность металла для различных применений и производственных процессов. В морской воде большинство черных металлов и некоторые цветные сплавы быстро подвергаются коррозии. Металлы, подвергающиеся воздействию холода или криогенных условий, могут испытывать переход от пластичного к хрупкому разрушению и терять вязкость, становясь более хрупкими и склонными к растрескиванию. Металлы, подвергающиеся непрерывной циклической нагрузке, могут испытывать усталость металла. Металлы, находящиеся под постоянным напряжением при повышенных температурах, могут подвергаться ползучести.

Металлообрабатывающие процессы

Литье – расплавленный металл заливают в формованную форму. Варианты литья включают литье в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям, также известное как процесс потерянного воска, литье под давлением и непрерывное литье. Каждая из этих форм имеет преимущества для определенных металлов и применений, учитывая такие факторы, как магнетизм и коррозия. Ковка – раскаленный докрасна слиток обрабатывается ударами молота для придания формы. Прокат – слиток пропускается через последовательно сужающиеся валки для получения листа. Экструзия – горячий и пластичный металл продавливается под давлением через фильеру, которая формирует его до охлаждения. Механическая обработка – токарные, фрезерные станки и сверла режут холодный металл, придавая ему нужную форму. Спекание – порошковый металл нагревается в не окислительной среде после прессования в форме. Изготовление – листы металла разрезаются гильотинами или газовыми резаками, затем сгибаются и свариваются для создания конструктивной формы. Лазерная наплавка – металлический порошок подается в поток подвижного лазерного луча (например, установленного на 5-осевой станке с ЧПУ). Расплавленный металл достигает основы, образуя ванну расплава. Перемещая лазерную головку, можно наносить дорожки одна на другую и создавать трехмерную деталь. 3D-печать – спекание или плавление аморфного порошкового металла в трехмерном пространстве для создания объекта любой формы. Процессы холодной обработки, при которых форма изделия изменяется посредством прокатки, изготовления или других операций в холодном состоянии, могут повысить прочность изделия за счет процесса, называемого упрочнением при деформации. Упрочнение при деформации создает микроскопические дефекты в металле, которые препятствуют дальнейшим изменениям формы.

Тепловая обработка

Металлы могут подвергаться термической обработке для изменения свойств прочности, пластичности, вязкости, твердости и коррозионной стойкости. Распространенные процессы термической обработки включают отжиг, упрочнение осадками, закалку и отпуск:
Отжиг смягчает металл путем нагрева с последующим очень медленным охлаждением, что снимает внутренние напряжения и формирует крупнозернистую структуру с мягкими границами, благодаря чему при ударе или нагрузке металл деформируется, а не разрушается; отжиженный металл также легче шлифовать, фрезеровать или резать. Закалка – это процесс быстрого охлаждения металла после нагрева, который "замораживает" его молекулы в очень твердой мартенситной форме, повышая твердость металла. Отпуск снижает напряжения, возникшие в металле в процессе закалки; отпуск уменьшает твердость металла, одновременно повышая его способность выдерживать ударные нагрузки без разрушения. Часто механическая и термическая обработка комбинируются в так называемые термомеханические методы для улучшения свойств и повышения эффективности обработки материалов. Эти методы широко используются для высоколегированных специальных сталей, суперсплавов и титановых сплавов.

Покрытие

Электропластика – это метод химической обработки поверхности. Он заключается в нанесении тонкого слоя другого металла, такого как золото, серебро, хром или цинк, на поверхность изделия. Это достигается путем выбора электролитного раствора, содержащего материал покрытия (золото, серебро, цинк). Необходимы два электрода из разных материалов: один из материала, идентичного покрытию, и другой – принимающий покрытие. Электроды подключаются к источнику электрического тока, и материал покрытия осаждается на изделии. Электропластика используется для защиты от коррозии, а также для улучшения внешнего вида изделия. Она также позволяет придать недорогим металлам вид более ценных (золота, серебра).

Стрелять в глаза

Дробеметная обработка — это процесс холодной обработки, используемый для финишной обработки металлических деталей. В процессе дробеметной обработки мелкая сферическая дробь направляется на поверхность обрабатываемой детали. Этот процесс применяется для увеличения срока службы детали, предотвращения коррозионного растрескивания и повышения усталостной прочности. Дробь оставляет на поверхности небольшие углубления, подобные тем, что остаются от бойка, создавая под ними сжимающие напряжения. Повторяющиеся удары дроби по материалу формируют множество перекрывающихся углублений по всей поверхности обрабатываемой детали. Сжимающие напряжения на поверхности материала повышают прочность детали и ее устойчивость к усталостному разрушению, разрушению под напряжением, коррозионному разрушению и образованию трещин.

Термическое распыление

Техника термического напыления является еще одним популярным вариантом финишной обработки и часто обладает лучшими высокотемпературными свойствами, чем гальванические покрытия. Термическое напыление, также известное как процесс наплавки распылением, – это промышленный процесс нанесения покрытий, состоящий из источника тепла (пламя или другого типа) и материала покрытия, который может быть в виде порошка или проволоки. Этот материал расплавляется и затем с высокой скоростью напыляется на поверхность обрабатываемой детали. Процесс нанесения покрытий распылением известен под различными названиями, такими как HVOF (High Velocity Oxygen Fuel), плазменное напыление, газопламенное напыление, дуговое напыление и металлизация.

Электрологическое осаждение

Бесэлектролитическое осаждение (БЭО) или бесэлектролитическое нанесение покрытий определяется как автокаталитический процесс, в ходе которого металлы и металлические сплавы осаждаются на непроводящие поверхности. Эти непроводящие поверхности включают пластмассы, керамику и стекло и т.д., которые затем могут приобретать декоративные, антикоррозионные и проводящие свойства в зависимости от их назначения. Бесэлектролитическое осаждение – это химический процесс создания металлических покрытий на различных материалах путем автокаталитического химического восстановления металлических катионов в жидкой ванне.

Характеристика

Металлурги изучают микроскопическую и макроскопическую структуру металлов с помощью металлографии – метода, изобретенного Генри Клифтоном Сорби. В металлографии образец сплава шлифуется до плоской поверхности и полируется до зеркального блеска. Затем образец может быть травлен для выявления микроструктуры и макроструктуры металла. После этого образец исследуется в оптическом или электронном микроскопе, а контраст изображения предоставляет информацию о составе, механических свойствах и истории обработки. Кристаллография, часто использующая дифракцию рентгеновских лучей или электронов, является еще одним важным инструментом в распоряжении современного металлурга. Кристаллография позволяет идентифицировать неизвестные материалы и определить кристаллическую структуру образца. Количественная кристаллография может быть использована для расчета количества присутствующих фаз, а также степени деформации, которой подвергся образец.