Металлургия - Metallurgy

Плавка, основной шаг в получении полезных количеств большинства металлов.
Кастинг; заливать расплавленное золото в слиток.
Золото был обработан в Золотой рудник Ла Луз (на фото) возле Сиуна, Никарагуа, до 1968 года.

Металлургия это область материаловедение и инженерия который изучает физическое и химическое поведение металлический элементы, их интерметаллические соединения, и их смеси, которые называются сплавы.Металлургия охватывает как наука и технологии 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 ремесло из металлообработка. Металлообработка опирается на металлургию так же, как лекарство полагается на медицинскую науку для технического прогресса. Специалист в области металлургии известен как металлург.

Наука металлургия 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 изучения химической металлургии включают: переработка полезных ископаемых, то добыча металлов, термодинамика, электрохимия, и химическая деградация (коррозия ).[1] В отличие, физическая металлургия фокусируется на механических свойствах металлов, физических свойствах металлов и физических характеристиках металлов. Темы, изучаемые в области металловедения, включают: кристаллография, характеристика материала, металлургия, фазовые превращения, и механизмы отказа.[2]

Исторически сложилось так, что металлургия была сосредоточена преимущественно на производстве металлов. Производство металла начинается с обработки руды для извлечения металла, и включает смесь металлов для получения сплавы. Металлические сплавы часто представляют собой смесь по крайней мере двух различных металлических элементов. Однако неметаллические элементы часто добавляют в сплавы для достижения свойств, подходящих для конкретного применения. Исследование производства металлов подразделяется на черная металлургия (также известен как черная металлургия) и цветная металлургия (также известен как цветная металлургияВ черной металлургии используются процессы и сплавы на основе утюг в то время как цветная металлургия включает процессы и сплавы на основе других металлов. На производство черных металлов приходится 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 (в том числе сварка, пайка, и пайка ). К новым направлениям для металлургов относятся: нанотехнологии, сверхпроводники, композиты, биомедицинские материалы, электронные материалы (полупроводники) и поверхностная инженерия.

Этимология и произношение

Металлургия происходит от Древнегреческий μεταλλουργός, Metallourgós, "рабочий по металлу", от μέταλλον, Металлон, "шахта, металл" + ἔργον, Эргон, "работай".

Слово изначально было алхимик срок добычи металлов из полезных ископаемых, окончание -хирургия обозначение процесса, особенно производства: в этом смысле он обсуждался в 1797 г. Британская энциклопедия.[4] В конце 19 века он был распространен на более общие научные исследования металлов, сплавов и связанных с ними процессов.

На английском языке /мɛˈтæлərdʒя/ произношение является более распространенным в Великобритании и Содружестве. В /ˈмɛтəlɜːrdʒя/ произношение является более распространенным в США и является первым вариантом в различных американских словарях (например, Merriam-Webster Collegiate, Американское наследие).

История

Смотрите 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 Добывающая металлургия цветных металлов
Золотая руда из Пограничная шахта Красная гора, Вашингтон, НАС

Самый ранний зарегистрированный металл, использованный людьми, кажется золото, который можно найти свободный или же "родные ". Небольшое количество природного золота было обнаружено в испанских пещерах, датируемых поздним Палеолит период, c. 40 000 лет до нашей эры.[5]Серебро, медь, банка и метеоритный утюг также можно найти в нативной форме, что позволяет ограниченное количество металлообработка в ранних культурах.[6] Египетское оружие, сделанное из метеоритное железо примерно в 3000 г. до н.э. высоко ценились как «кинжалы с неба».[7]

Некоторые металлы, особенно олово, вести, а при более высокой температуре медь может быть извлечена из руды путем простого нагрева породы в огне или доменной печи, процесс, известный как плавка. Первое свидетельство этой добывающей металлургии, датируемое V и VI тысячелетиями до нашей эры,[8] был найден на археологических раскопках в Майданпек, Ярмовац возле Прибой и Pločnik, в настоящее время Сербия. На сегодняшний день самые ранние свидетельства плавки меди обнаружены на стоянке Беловоде недалеко от Плочника.[9] На этом месте с 5500 г. до н.э. был изготовлен медный топор, принадлежавший Винча культура.[10]

Самое раннее использование свинца задокументировано с конца неолит урегулирование 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 периода Халаф Арпахия, недалеко от Мосула.[11] Поскольку самородный свинец встречается крайне редко, 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 участке также зарегистрировано плавление меди, хотя использование свинца, по-видимому, предшествует плавке меди. Ранняя металлургия также задокументирована на соседнем участке Скажите Maghzaliyah, который, кажется, датирован еще более ранней датой и полностью лишен этой керамики.[нужна цитата ]

Балканы были местом основных культур неолита, в том числе Бутмир, Винча, Варна, Караново, и Хамангия.

Артефакты из Варненский некрополь, Болгария
Золотые артефакты из Варненского некрополя, Варненская культура
Золотые быки, варненская культура
Элитное захоронение в Варненский некрополь, оригинальное фото находки (деталь)

В Варненский Некрополь, Болгария, является могильником в западной промышленной зоне г. Варна (примерно в 4 км от центра города), который во всем мире считается одним из ключевых археологических памятников в мировой доисторической эпохе. Старейший золото На этом месте были обнаружены сокровища мира, датируемые периодом от 4600 до н.э. до 4200 до н.э.[14] Золотое изделие, датируемое 4500 годом до нашей эры, недавно основанное в Дуранкулак, возле Варна еще один важный пример.[15][16]

Другие признаки ранних металлов обнаруживаются в третьем тысячелетии до нашей эры в таких местах, как Палмела (Португалия), Los Millares (Испания) и Стоунхендж (Объединенное Королевство). Однако нельзя точно установить конечные начала, и новые открытия продолжаются и продолжаются.

Горнодобывающие районы древнего Средний Восток. Цвета коробок: мышьяк в коричневом цвете, медь в красном, банка серым, железом красновато-коричневым, золотым желтым, серебристым и белым. вести В черном. Желтая область обозначает мышьяковая бронза, а серая область означает олово бронза.

в Ближний Восток около 3500 г. до н.э. было обнаружено, что из меди и олова можно получить металл высшего качества, сплав называется бронза. Это представляло собой крупный технологический сдвиг, известный как Бронзовый век.

Добыча утюг превратить его в обрабатываемый металл намного труднее, чем из меди или олова. Этот процесс, кажется, был изобретен Хеттов примерно в 1200 г. до н.э., начиная с Железный век. Секрет извлечения и обработки железа был ключевым фактором успеха Филистимляне.[7][17]

Исторические достижения в черной металлургии можно найти в самых разных культурах и цивилизациях прошлого. Сюда входят древние и средневековые королевства и империи Средний Восток и Ближний Восток, древний Иран, древний Египет, древний Нубия, и Анатолия (индюк ), Древний Нок, Карфаген, то Греки и Римляне древних Европа, средневековая Европа, древняя и средневековая Китай, древние и средневековые Индия, древние и средневековые Япония, среди других. Многие приложения, методы и устройства, связанные с металлургией или связанные с ней, были созданы в древнем Китае, например, инновации доменная печь, чугун, гидравлический -приведенный молотки, и поршень двойного действия мехи.[18][19]

Книга 16-го века Георг Агрикола называется De re Metallica описывает высокоразвитые и сложные процессы добычи металлических руд, добычи металлов и металлургии того времени. Агриколу называют «отцом металлургии».[20]

Добыча

Основная статья: Добывающая металлургия
Сильфон печи приводится в действие водяные колеса, Династия Юань, Китай.
Алюминиевый завод в г. Iar nad Hronom (Центральная Словакия )

Добывающая металлургия это практика удаления ценных металлов из руда и переработка извлеченных сырых металлов в более чистую форму. Чтобы преобразовать металл окись или же сульфид к более чистому металлу руда должна быть уменьшенный физически, химически, или же электролитически.

Добыча металлурги заинтересованы в трех основных потоках: сырье, концентрат (оксид / сульфид ценного металла) и хвосты (напрасно тратить). После добычи крупные куски руды дробятся путем дробления или измельчения, чтобы получить достаточно мелкие частицы, каждая из которых является либо наиболее ценной, 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 выщелачивание. 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 быть использованы 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 компоненты.

Сплавы

Литая бронза

Общая инженерия металлы включают алюминий, хром, медь, утюг, магний, никель, титан, цинк, и кремний. Эти металлы чаще всего используются в виде сплавов, за исключением кремния. Много усилий было приложено для понимания системы сплава железо-углерод, которая включает стали и чугуны. Обычные углеродистые стали (те, которые содержат в основном только углерод в качестве легирующего элемента), используются в недорогих, высокопрочных приложениях, где нет ни веса, ни коррозия являются серьезной проблемой. Чугуны, в том числе ковкий чугун, также являются частью системы железо-углерод.

Нержавеющая сталь, особенно Аустенитные нержавеющие стали, 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 (например, Монель ) используются в высококоррозионных средах и для немагнитных применений. Сплавы железо-марганец-хром (стали типа Гадфилда) также используются в немагнитных приложениях, таких как направленное бурение. На никелевой основе суперсплавы подобно Инконель используются в высокотемпературных приложениях, таких как газовые турбины, турбокомпрессоры, сосуды под давлением, и теплообменники. Для очень высоких температур, монокристалл сплавы используются для минимизации слизняк. В современной электронике монокристаллический кремний высокой чистоты необходим для металл-оксид-кремний транзисторы (МОП) и интегральные схемы.

Производство

В технология производства, металлургия занимается производством металлических компонентов для использования в потребительских или инженерное дело товары. Это включает в себя производство сплавов, формовку, термообработку и поверхностную обработку 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 - добиться баланса между такими свойствами материала, как стоимость, масса, сила, стойкость, твердость, коррозия, усталость сопротивление и производительность в температура крайности. Для достижения этой цели необходимо тщательно продумать операционную среду. В морской среде большинство черных металлов и некоторые цветные сплавы быстро подвергаются коррозии. Металлы, подвергшиеся воздействию холода или криогенный Условия могут переходить из пластичного в хрупкое состояние и терять свою вязкость, становясь более хрупкими и склонными к растрескиванию. Металлы при постоянной циклической нагрузке могут пострадать от усталость металла. Металлы при постоянном стресс при повышенных температурах может слизняк.

Процессы металлообработки

Основная статья: Металлообработка

Металлы формируются с помощью таких процессов, как:

  1. Кастинг - расплавленный металл разливается в формованный плесень.
  2. Ковка - раскаленный заготовка забивается в форму.
  3. Прокатка - заготовка пропускается через последовательно более узкие валки для создания листа.
  4. 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.
  5. Экструзия - горячий и ковкий металл продавливается под давлением через умереть, который формирует его до того, как остынет.
  6. Спекание - а порошковый металл нагревается в неокисляющей среде после прессования в матрицу.
  7. Обработка – токарные станки, фрезерные станки и сверла нарежьте холодный металл по форме.
  8. Изготовление - листы металла нарезаются гильотины или же газовые резаки и согнуты и сварены в конструкционную форму.
  9. 3D печать - Спекание или плавление аморфного порошкового металла в трехмерном пространстве для придания формы любому объекту.

Холодная обработка процессы, в которых форма продукта изменяется в результате прокатки, изготовления или других процессов, пока продукт остыл, могут повысить прочность продукта с помощью процесса, называемого упрочнение. Упрочнение создает микроскопические дефекты в металле, которые сопротивляются дальнейшим изменениям формы.

Различные формы литья существуют в промышленности и в академических кругах. К ним относятся литье в песок, литье по выплавляемым моделям (также называемый процесс потери 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.[22]

Термическая обработка

Металлы могут быть термически обработанный для изменения свойств прочности, пластичности, ударной вязкости, твердости и устойчивости к коррозии. Общие процессы термообработки включают: отжиг, усиление осадков, закалка, и закалка.[23] В отжиг процесс смягчает металл, нагревая его, а затем позволяя ему очень медленно остыть, что избавляет от напряжений в металле и делает структуру зерна большой и мягкой, так что при ударе или напряжении металл вмятины или, возможно, изгибается, скорее чем ломать; также легче шлифовать, шлифовать или резать отожженный металл. Закалка это процесс очень быстрого охлаждения высокоуглеродистой стали после нагрева, таким образом «замораживая» молекулы стали в очень твердой мартенситной форме, что делает металл более твердым. В любой стали существует баланс между твердостью и вязкостью; Чем тверже сталь, тем она менее жесткая или ударопрочная, и чем она более ударопрочная, тем менее твердая. Темперирование снимает напряжения в металле, возникшие в процессе закалки; закалка делает металл менее твердым, в то же время позволяя ему 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, суперсплавы и титановые сплавы.

Покрытие

Основная статья: Покрытие

Гальваника химическая обработка поверхности. Он включает в себя приклеивание тонкого слоя другого металла, такого как золото, серебро, хром или же 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

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

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] представляет собой промышленный процесс нанесения покрытия, который состоит из источника тепла (пламени или другого) и материала 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

Металлурги изучать микроскопическую и макроскопическую структуру металлов с помощью металлография, техника, изобретенная Генри Клифтон 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 электронный микроскоп, а контраст изображения предоставляет подробную информацию о составе, механических свойствах и истории обработки.

Кристаллография, часто используя дифракция из рентгеновские лучи или же электроны, - еще один ценный инструмент, доступный современному металлургу. 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мур, Джон Джереми; Бойс, Э.А. (1990). Химическая металлургия. Дои:10.1016 / c2013-0-00969-3. ISBN  9780408053693.
  2. ^ РАГАВАН, V (2015). ФИЗИЧЕСКАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ: ПРИНЦИПЫ И ПРАКТИКА, Третье издание. PHI Learning. ISBN  978-8120351707.
  3. ^ «Металлургия». в В Большая Советская Энциклопедия. 1979.
  4. ^ "металлургия". Oxford Learner's Dictionary. Oxford University Press. Получено 29 января 2011.
  5. ^ «История золота». Золотой дайджест. Получено 4 февраля 2007.
  6. ^ Е. Фотографии, Е. (2010). "Вопрос о метеоритном и плавленом железе с высоким содержанием никеля: археологические свидетельства и экспериментальные результаты" (PDF). Мировая археология. 20 (3): 403–421. Дои:10.1080/00438243.1989.9980081. JSTOR  124562.
  7. ^ а б В. Келлер (1963) Библия как история. п. 156. ISBN  0-340-00312-X
  8. ^ ЗДРАВСТВУЙ. Хайко, В. Билецкий. 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. Дои:10.1016 / j.jas.2010.06.012.
  10. ^ Неолит барвинка был металлургической культурой В архиве 19 сентября 2017 в Wayback Machine Stonepages из новостных источников, ноябрь 2007 г.
  11. ^ Мур 1994: 294
  12. ^ Крэддок 1995: 125
  13. ^ Поттс, Дэниел Т., изд. (15 августа 2012 г.). «Северная Месопотамия». Компаньон археологии древнего Ближнего Востока. 1. John Wiley & Sons, 2012. стр. 302. ISBN  978-1-4443-6077-6.CS1 maint: ref = harv (связь)
  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. ^ Б. В. Андерсон (1975) Живой мир Ветхого Завета, п. 154, г. ISBN  0-582-48598-3
  18. ^ Р. Ф. Тайлекот (1992) История металлургии ISBN  0-901462-88-8
  19. ^ Роберт К.Г. Храм (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. Дои:10.5962 / bhl.title.33301. Архивировано из оригинал 4 марта 2016 г.. Получено 1 января 2015.
  21. ^ «Испытания на твердость металлов: разница между методами Роквелла, Бринелля и Виккерса». ESI Engineering Specialties Inc. 14 июня 2017 г.. Получено 13 декабря 2017.
  22. ^ «Процесс литья, типы процесса литья, советы по процессу литья, выбор процесса литья, процесс литья помогает». www.themetalcasting.com. Получено 13 декабря 2017.
  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. Получено 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. Получено 13 декабря 2017.

внешняя ссылка