Metallurgie

Schmelzen, ein grundlegender Schritt zur Erlangung von nutzbaren Mengen der meisten Metalle.
Casting; geschmolzenes Gold in eine Form gießen.
Gold wurde in La Luz Gold Mine verarbeitet (Bild) nahe Siuna, Nicaraguabis 1968.

Metallurgie ist eine Domäne von Materialwissenschaft und Ingenieurwesen Das untersucht das physikalische und chemische Verhalten von metallisch Elemente, ihr Intermetallische Verbindungenund ihre Gemische, die als bekannt sind als Legierungen. Metallurgie umfasst beide Wissenschaft und die Technologie von Metallen; Das heißt, wie die Wissenschaft auf die Produktion von angewendet wird Metalleund die Technik von Metallkomponenten, die sowohl für Verbraucher als auch für Hersteller verwendet werden. Metallurgie unterscheidet sich von der Boot von Metallbearbeitung. Metallbearbeitung hängt auf ähnliche Weise auf Metallurgie ab, wie Medizin stützt sich auf medizinische Wissenschaft für technische Fortschritte. Ein Spezialist Praktiker von Metallurgie ist als Metallurger bekannt.

Die Wissenschaft der Metallurgie ist weiter in zwei breite Kategorien unterteilt: Chemische Metallurgie und Physikalische Metallurgie. Die chemische Metallurgie befasst sich hauptsächlich mit der Verringerung und Oxidation von Metallen und der chemischen Leistung von Metallen. Zu den Studienpersonen in chemischer Metallurgie gehören Mineralverarbeitung, das Extraktion von Metallen, Thermodynamik, Elektrochemie, und chemischer Abbau (Korrosion).[1] Im Gegensatz, Physikalische Metallurgie konzentriert sich auf die mechanischen Eigenschaften von Metallen, die physikalischen Eigenschaften von Metallen und die physikalische Leistung von Metallen. Zu den in der physikalischen Metallurgie untersuchten Themen gehören Kristallographie, materielle Charakterisierung, mechanische Metallurgie, Phasentransformationen, und Versagensmechanismen.[2]

Historisch gesehen hat sich die Metallurgie überwiegend auf die Produktion von Metallen konzentriert. Metallproduktion beginnt mit der Verarbeitung von Erze Um das Metall zu extrahieren und die Mischung von Metallen zu machen, die zu machen sind Legierungen. Metalllegierungen sind oft eine Mischung aus mindestens zwei verschiedenen metallischen Elementen. Legierungen werden jedoch häufig nicht metallische Elemente hinzugefügt, um Eigenschaften zu erreichen, die für eine Anwendung geeignet sind. Die Untersuchung der Metallproduktion ist unterteilt in Eisen Metallurgie (auch bekannt als Schwarze Metallurgie) und Nichteisen-Metallurgie (auch bekannt als farbige Metallurgie). Eisenmetallurgie beinhaltet Prozesse und Legierungen basierend auf EisenWährend Nichteisen-Metallurgie mit Prozessen und Legierungen basiert, die auf anderen Metallen basieren. Die Produktion von Eisenmetallen macht 95% der Weltmetallproduktion aus.[3]

Moderne Metallurger arbeiten sowohl in aufstrebenden als auch in traditionellen Bereichen als Teil eines interdisziplinären Teams zusammen mit Materialwissenschaftlern und anderen Ingenieuren. Einige traditionelle Bereiche umfassen Mineralverarbeitung, Metallproduktion, Wärmebehandlung, Fehleranalyseund die Verbindung von Metallen (einschließlich Schweißen, Löschen, und Löten). Aufstrebende Gebiete für Metallurgen umfassen Nanotechnologie, Superkonferenzen, Verbundwerkstoffe, Biomedizinische Materialien, elektronische Materialien (Halbleiter) und Oberflächenentwicklung. Viele Anwendungen, Praktiken und Geräte, die in der Metallurgie verbunden oder in Beteiligung beteiligt sind, wurden im alten China eingerichtet, wie die Innovation der Hochofen, Gusseisen, hydraulisch-Fotiert Ausflug Hämmerund Doppelpiston Balg.[4][5]

Etymologie und Aussprache

Metallurgie leitet sich aus dem ab Altgriechisch μεταλλουργός, metallourgós, "Arbeiter in Metal", von μέταλλον, métallon, "Mine, Metal" + ἔργον, érgon, "Arbeit", das Wort war ursprünglich ein Alchimist's Term für die Extraktion von Metallen aus Mineralien, das Ende -urgie Einsatz eines Prozesses, insbesondere der Fertigung: Er wurde in diesem Sinne im Jahr 1797 diskutiert Encyclopædia Britannica.[6] Im späten 19. Jahrhundert wurde es auf die allgemeinere wissenschaftliche Untersuchung von Metallen, Legierungen und verwandten Prozessen ausgedehnt. Auf Englisch die /mɛˈtælərdʒi/ Die Aussprache ist die häufigere in Großbritannien und im Commonwealth. Das /ˈmɛtəlɜːrdʒi/ Die Aussprache ist die häufigere in den USA und die erste Variante in verschiedenen amerikanischen Wörterbüchern (z. B.,,, Merriam-Webster Collegiate, Amerikanisches Erbe).

Geschichte der Metallurgie

Siehe auch: Alchimie, Chalkolithikum, Bronzezeit, Geschichte der Eisen Metallurgie, Metallurgie im präkolumbianischen Amerika, Metallurgie in der präkolumbianischen Mesoamerika, Kupfermetallurgie in Afrika, Eisenmetallurgie in Afrika, Geschichte der Metallurgie auf dem indischen Subkontinent, und Nichteisen-Rohstoff-Metallurgie
Golderz von Grenze Red Mountain Mine, Washington, UNS
Artefakte aus dem Varna Necropolis, Bulgarien
Goldartefakte aus der Varna Necropolis, Varna -Kultur
Elite -Beerdigung am Varna Necropolis, Originalfind Foto (Detail)
Goldbullen, Varna -Kultur

Das früheste aufgenommene Metall, das von Menschen verwendet wird, scheint zu sein Gold, was gefunden werden kann frei oder "einheimisch". In spanischen Höhlen wurden kleine Mengen natürliches Gold gefunden Paläolithikum Periode, 40.000 v. Chr.[7] Silber, Kupfer, Zinn und meteorisch Eisen kann auch in nativer Form gefunden werden, was eine begrenzte Menge an ermöglicht Metallbearbeitung in frühen Kulturen.[8] Bestimmte Metalle, insbesondere Zinn, führenund bei einer höheren Temperatur kann Kupfer aus ihren Erzerzen gewonnen werden Schmelzen. Der erste Beweis für diese extraktive Metallurgie aus dem 5. und 6. Jahrtausenden v. Chr.,[9] wurde an archäologischen Stätten in gefunden Majdanpek, Jarmovac und Pločnikim heutigen Tag Serbien.[10] Bisher findet sich der früheste Beweis für Kupferschmelzen am Standort Belovode in der Nähe von Plocnik.[11] Diese Seite erzeugte eine Kupfer Axt von 5.500 v. Vinča -Kultur.[12]

Die früheste Verwendung von Blei wird in der späten Zeit dokumentiert neolithisch Siedlungen von Yarim Tepe und Arpachiyah im Irak. Die Artefakte schlagen vor, dass das Schmelzen vor dem Schmelzen von Kupfer führt.[13]

Kupferschmelz wird auch an dieser Stelle zum gleichen Zeitraum (kurz nach 6.000 v. Chr.) Dokumentiert, obwohl die Verwendung von Blei vor Kupferschmelzen zu sein scheint. Die frühe Metallurgie wird auch am nahe gelegenen Gelände von dokumentiert Sagen Sie Maghzaliyah, was noch früher datiert zu sein scheint und diese Töpferwaren völlig fehlen. Der Balkan war der Ort der wichtigsten neolithischen Kulturen, einschließlich Butmir, Vinča, Varna, Karanovo, und Hamangia.

Das Varna Necropolis, Bulgarien, ist eine Grabstätte in der westlichen Industriezone von Varna (ca. 4 km vom Stadtzentrum entfernt) international als eine der wichtigsten archäologischen Stätten der Weltvorgeschichte. Der älteste Gold Der Schatz in der Welt, der von 4.600 v. Chr. Bis 4.200 v. Chr. Aus dem Standort entdeckt wurde.[14] Das Goldstück aus 4.500 v. Chr., Kürzlich gegründet in Durankulak, nahe Varna ist ein weiteres wichtiges Beispiel.[15][16] Weitere Anzeichen für frühe Metalle finden Sie im dritten Jahrtausendr. BC an Orten wie Palmela (Portugal), Los Millares (Spanien) und Stonehenge (Vereinigtes Königreich). Die ultimativen Anfänge können jedoch nicht klar ermittelt werden, und neue Entdeckungen sind sowohl kontinuierlich als auch fortlaufend.

Bergbaugebiete der Antike Naher Osten. Kistenfarben: Arsen ist in braun, Kupfer in rot, Zinn in Grau, Eisen in rotbraun, Gold in Gelb, Silber in Weiß und führen in Schwarz. Gelbe Fläche steht für Arsenbronze, während Grauzone für Zinn steht Bronze-.

In dem Naher Ostenca. 3.500 v. Chr. Es wurde festgestellt, dass durch Kombination von Kupfer und Zinn ein überlegenes Metall hergestellt werden konnte, eine Legierung genannt Bronze-. Dies war eine wichtige technologische Verschiebung, die als die bekannt ist Bronzezeit.

Die Extraktion von Eisen Von seinem Erz in ein funktionsfähiges Metall ist viel schwieriger als für Kupfer oder Zinn. Der Prozess scheint von der erfunden worden zu sein Hethiter In etwa 1200 v. Chr. Beginnen Sie die Eisenzeit. Das Geheimnis des Extrahierens und des Arbeitens war ein Schlüsselfaktor für den Erfolg der Philister.[17][18]

Historische Entwicklungen in der Eisen -Metallurgie finden Sie in einer Vielzahl früherer Kulturen und Zivilisationen. Dies schließt die alten und mittelalterlichen Königreiche und Reiche des Naher Osten und Naher Osten, alt Iran, alt Ägypten, alt Nubien, und Anatolien (Truthahn), Altes Nok, Karthago, das Griechen und Römer der alten Europa, mittelalterliches Europa, alt und mittelalterlich China, alt und mittelalterlich Indien, alt und mittelalterlich Japan, unter anderem. Viele Anwendungen, Praktiken und Geräte, die in der Metallurgie verbunden oder in Beteiligung beteiligt sind, wurden im alten China eingerichtet, wie die Innovation der Hochofen, Gusseisen, hydraulisch-Fotiert Ausflug Hämmerund Doppelpiston Balg.[19][5]

Ein Buch aus dem 16. Jahrhundert von Georg Agricola genannt De Re Metallica Beschreibt die hoch entwickelten und komplexen Prozesse von Mining -Metallentszen, Metallentzügung und Metallurgie der Zeit. Agricola wurde als "Vater der Metallurgie" beschrieben.[20]

Extraktion

Hauptartikel: Rohstoffmetallurgie
Ofenburge von betrieben von betrieben von Wasserräder, Yuan-Dynastie, China.
Aluminiumpflanze in Žiar Nad Hronom (Zentral Slowakei)

Rohstoffmetallurgie ist die Praxis, wertvolle Metalle aus einem zu entfernen Erz und die extrahierten Rohmetalle in eine reinere Form verfeinern. Um ein Metall umzuwandeln Oxid oder Sulfid Zu einem reineren Metall muss das Erz sein reduziert physisch, chemisch, oder electrolytically. Rohstoff Metallurgen sind an drei Primärströmen interessiert: Futter, Konzentrat (Metalloxid/Sulfid) und Tailings (Abfall).

Nach dem Bergbau werden große Teile des Erzfutters durch Zerkleinern oder Mahlen gebrochen, um Partikel zu erhalten, die klein genug sind, wobei jedes Partikel entweder größtenteils wertvoll ist oder meist Abfall. Die Konzentration der Wertteilchen in einer Form, die die Trennung stützt, ermöglicht es, dass das gewünschte Metall von Abfallprodukten entfernt wird.

Der Bergbau ist möglicherweise nicht notwendig, wenn der Erzkörper und die physische Umgebung förderlich sind Auslaugen. Das Auslaugen löst Mineralien in einem Erzkörper auf und führt zu einer angereicherten Lösung. Die Lösung wird gesammelt und verarbeitet, um wertvolle Metalle zu extrahieren. Erzkörper enthalten oft mehr als ein wertvolles Metall.

Tailings eines früheren Prozesses können als Futtermittel in einem anderen Prozess verwendet werden, um ein sekundäres Produkt aus dem ursprünglichen Erz zu extrahieren. Zusätzlich kann ein Konzentrat mehr als ein wertvolles Metall enthalten. Dieses Konzentrat würde dann verarbeitet, um die wertvollen Metalle in einzelne Bestandteile zu trennen.

Metall und seine Legierungen

Bronze werfen

Gemeinsame Ingenieurwesen Metalle enthalten Aluminium, Chrom, Kupfer, Eisen, Magnesium, Nickel, Titan, Zink, und Silizium. Diese Metalle werden am häufigsten als Legierungen mit Ausnahme von Silizium verwendet.

Es wurde viel Anstrengung zum Verständnis des Eisen -Carbon -Legierungs -Systems unternommen, einschließlich Stähle und Gusseisen. Einfache Kohlenstoffstähle (Diejenigen, die im Wesentlichen nur Kohlenstoff als Legierungselement enthalten) werden in kostengünstigen, hochfesten Anwendungen verwendet, bei denen weder Gewicht noch Korrosion sind ein großes Problem. Eisen besuchen, einschließlich duktiles Eisensind auch Teil des Eisen-Kohlenstoff-Systems. Iron-Manganese-Chrom-Legierungen (Stähle vom Hadfield-Typ) werden auch in nichtmagnetischen Anwendungen wie Richtungsbohrungen verwendet.

Rostfreier Stahl, im Speziellen Austenitische rostfreie Stähle, verzinkter Stahl, Nickellegierungen, Titanlegierungenoder gelegentlich Kupferlegierungen werden verwendet, wo Korrosionswiderstand wichtig ist.

Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen werden üblicherweise verwendet, wenn ein leichter starker Teil erforderlich ist, z.

Kupfer-Nickel-Legierungen (wie z. Monel) werden in stark korrosiven Umgebungen und für nichtmagnetische Anwendungen verwendet.

Nickelbasiert Superalloys wie Inconel werden in Hochtemperaturanwendungen verwendet, wie z. Gasturbinen, Turbolader, Druckbehälter, und Wärmetauscher.

Für extrem hohe Temperaturen, Einzelkristall Legierungen werden verwendet, um zu minimieren kriechen. In der modernen Elektronik ist ein Einkristall -Silizium mit hoher Reinheit von wesentlicher Bedeutung für Metalloxid-Silicon Transistoren (MOS) und integrierte Schaltkreise.

Produktion

Im Fertigungstechnik, Metallurgie befasst sich mit der Herstellung von metallischen Komponenten für den Einsatz im Verbraucher oder Ingenieurwesen Produkte. Dies beinhaltet die Produktion von Legierungen, Gestalten, Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung von Produkten.

Die Bestimmung der Härte des Metalls mithilfe der Härte von Rockwell, Vickers und Brinell ist eine häufig verwendete Praxis, die die Elastizität und Plastizität des Metalls für verschiedene Anwendungen und Produktionsprozesse besser versteht.[21]

Die Aufgabe des Metallurgisten besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen materiellen Eigenschaften wie Kosten zu erreichen, z. B. Kosten, Gewicht, Stärke, Zähigkeit, Härte, Korrosion, Ermüdung Widerstand und Leistung in Temperatur Extreme. Um dieses Ziel zu erreichen, muss die Betriebsumgebung sorgfältig berücksichtigt werden.

In einer Salzwasserumgebung korrodieren die meisten Eisenmetalle und einige Nichteisenlegierungen schnell. Metalle, die Kälte ausgesetzt sind oder kryogen Die Bedingungen können ein duktiles bis spröder Übergang unterziehen und ihre Zähigkeit verlieren, wodurch spröder und anfällig für Cracking ist. Metalle unter kontinuierlicher zyklischer Belastung können darunter leiden Metallmüdung. Metalle unter konstant betonen bei erhöhten Temperaturen können kriechen.

Metallbearbeitungsprozesse

Hauptartikel: Metallbearbeitung

Metalle werden durch Prozesse wie z.

  1. Casting - geschmolzenes Metall wird in eine Form gegossen Schimmel.
  2. Schmieden -ein rothöater Billet ist in Form gehämmert.
  3. Rollen - Ein Billet wird nacheinander engeren Walzen geführt, um ein Blatt zu erstellen.
  4. Extrusion - Ein heißes und formbares Metall wird unter Druck durch a gezwungen sterben, was es formt, bevor es abkühlt.
  5. Bearbeitung – Drehmaschine, Fräsmaschinen und Übungen Schneiden Sie das kalte Metall in Form.
  6. Sintern - a pulverisiertes Metall ist in einer nicht oxidierenden Umgebung erhitzt, nachdem er in einen Würfel komprimiert wurde.
  7. Herstellung - Metallblätter werden mit geschnitten Guillotine oder Gasschneider und gebogen und in strukturelle Form verschweißt.
  8. Laserverkleidung -Metallic Pulver wird durch einen beweglichen Laserstrahl (z. B. auf einer NC 5-Achsen-Maschine montiert) geblasen. Das resultierende geschmolzene Metall erreicht ein Substrat, um einen Schmelzpool zu bilden. Durch das Bewegen des Laserkopfes ist es möglich, die Gleise zu stapeln und ein dreidimensionales Stück aufzubauen.
  9. 3d Drucken - Sintern oder Schmelzen amorphes Pulvermetall in einem 3D -Raum, um ein Objekt zur Form zu machen.

Kaltes Arbeiten Prozesse, bei denen die Form des Produkts durch Rollen, Herstellung oder andere Prozesse verändert wird, während das Produkt kalt ist, kann die Stärke des Produkts durch einen Prozess namens erhöhen Härtung arbeiten. Arbeitshärtung erzeugt Mikroskopische Defekte im Metall, was weiteren Formänderungen widerspricht.

In Industrie und Wissenschaft gibt es verschiedene Formen des Castings. Diese beinhalten Sandguss, Investitionskaste (auch als die genannt Verlorener Wachsprozess), sterbenund kontinuierliche Gussteile. Jede dieser Formen hat Vorteile für bestimmte Metalle und Anwendungen, die Faktoren wie Magnetismus und Korrosion berücksichtigen.[22]

Wärmebehandlung

Metalle können sein Hitzebehandelt Veränderung der Eigenschaften von Stärke, Duktilität, Zähigkeit, Härte und Widerstand gegen Korrosion. Häufige Wärmebehandlungsprozesse umfassen Glühen, Niederschlagsstärke, Quenching, und Temperieren.[23]

Glühen Verarbeiten Sie das Metall, indem Sie es erhitzen und es dann sehr langsam abkühlen lassen, was die Spannungen im Metall beseitigt und die Getreidestruktur groß und weich geschnitten macht, sodass das Metall getroffen oder gestresst wird, oder vielleicht Biegungen. eher als zu brechen; Es ist auch einfacher zu Sand, Mahlen oder Schneiden von Temaled Metall.

Quenching Ist das Kühlung von Metall sehr schnell nach dem Erhitzen und "Einfrieren" der Metallmoleküle in der sehr harten Martensitform, was das Metall schwieriger macht.

Temperieren Lindert Spannungen im Metall, die durch den Härtungsprozess verursacht wurden; Das Temperieren macht das Metall weniger schwierig und macht es besser in der Lage, Auswirkungen zu erhalten, ohne zu brechen.

Oft werden mechanische und thermische Behandlungen in sogenannten thermomechanischen Behandlungen für bessere Eigenschaften und effizientere Verarbeitung von Materialien kombiniert. Diese Prozesse sind bei hohen Alloy-Spezialstählen üblich, Superalloys und Titanlegierungen.

Überzug

Hauptartikel: Überzug

Elektroplierend ist eine chemische Oberflächenbehandlungstechnik. Es beinhaltet die Bindung einer dünnen Schicht eines anderen Metalls wie z. Gold, Silber-, Chrom oder Zink auf die Oberfläche des Produkts. Dies geschieht durch Auswahl der Beschichtungsmaterialelektrolytlösung, das Material, das das Werkstück (Gold, Silber, Zink) beschichten wird. Es muss zwei Elektroden verschiedener Materialien geben: eines gleiches Material wie das Beschichtungsmaterial und eines, das das Beschichtungsmaterial erhält. Zwei Elektroden sind elektrisch aufgeladen und das Beschichtungsmaterial haftet am Werkstück. Es wird verwendet, um Korrosion zu reduzieren und das ästhetische Erscheinungsbild des Produkts zu verbessern. Es wird auch verwendet, um kostengünstige Metalle wie die teureren (Gold, Silber) aussehen zu lassen.[24]

Kugelstrahlen

Hauptartikel: Kugelstrahlen

Das Schusswannen ist ein kaltes Arbeitsprozess, mit dem Metallteile fertiggestellt werden. Beim Schussspannen wird ein kleiner runder Schuss gegen die Oberfläche des zu beendenden Teils gesprengt. Dieser Prozess wird verwendet, um die Produktlebensdauer des Teils zu verlängern, Stresskorrosionsfehler zu verhindern und Müdigkeit zu verhindern. Der Schuss verlässt kleine Grübchen wie ein Peenhammer auf der Oberfläche, was die Druckspannung unter dem Grübchen verursacht. Während die Schussmedien das Material immer wieder treffen, bildet es viele überlappende Grübchen im gesamten zu behandelnden Stück. Die Druckspannung in der Oberfläche des Materials verstärkt das Teil und macht es widerstandsfähiger gegen Ermüdungsversagen, Spannungsfehler, Korrosionsfehler und Risse.[25]

Wärmesprühen

Hauptartikel: Wärmesprühen

Wärmesprühtechniken sind eine weitere beliebte Finish -Option und haben häufig bessere hohe Temperatureigenschaften als elektroplierte Beschichtungen. Wärmesprühung, auch als Sprühschweißprozess bekannt,[26] ist ein industrieller Beschichtungsprozess, der aus einer Wärmequelle (Flamme oder anderer) und einem Beschichtungsmaterial besteht, das sich in einer Pulver- oder Drahtform befinden kann, die dann geschmolzen ist und dann auf die Oberfläche des Materials besprüht wird, das in einer hohen Geschwindigkeit behandelt wird. Das Sprühbehandlungsprozess ist durch viele verschiedene Namen wie HVOF (Sauerstoffbrennstoff mit hoher Geschwindigkeit), Plasmaspray, Flammenspray, Lichtbogenspray und Metalling bekannt.

Die Metallographie ermöglicht es dem Metallurger, die Mikrostruktur von Metallen zu untersuchen.

Charakterisierung

Hauptartikel: Charakterisierung

Metallurgen Untersuchen Sie die mikroskopische und makroskopische Struktur von Metallen unter Verwendung Metallographie, eine Technik erfunden von Henry Clifton Sorby.

In der Metallographie ist eine Interessenslegierung flach und zu einem Spiegelfinish poliert. Die Probe kann dann geätzt werden, um die Mikrostruktur und Makrostruktur des Metalls zu erkennen. Die Probe wird dann in einem optischen oder untersucht Elektronenmikroskopund der Bildkontrast enthält Details zu Zusammensetzung, mechanischen Eigenschaften und Verarbeitungshistorie.

Kristallographieoft verwenden Beugung von Röntgenaufnahmen oder Elektronen, ist ein weiteres wertvolles Werkzeug, das dem modernen Metallurger zur Verfügung steht. Die Kristallographie ermöglicht die Identifizierung von unbekannten Materialien und zeigt die Kristallstruktur der Probe. Quantitative Kristallographie kann verwendet werden, um die Menge der vorhandenen Phasen sowie den Dehnungsgrad zu berechnen, dem eine Probe unterzogen wurde.

Siehe auch

Verweise

  1. ^ Moore, John Jeremy; Boyce, E. A. (1990). Chemische Metallurgie. doi:10.1016/c2013-0-00969-3. ISBN 9780408053693.
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  3. ^ "Металnehmisches". in Das Große sowjetische Enzyklopädie. 1979.
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Externe Links