آلیاژهای فلزی
Alloy، ماده فلزی متشکل از دو یا چند عنصر، به صورت ترکیب یا محلول. اجزای آلیاژها معمولاً خود فلز هستند، اگرچه کربن که یک نافلز است، جزء ضروری فولاد است.
آلیاژها معمولاً از ذوب مخلوط مواد تشکیل می شوند. ارزش آلیاژها در زمان های بسیار قدیم کشف شد. برنج (مس و روی) و برنز (مس و قلع) اهمیت ویژه ای داشتند. امروزه مهمترین آنها فولادهای آلیاژی هستند که به طور کلی به عنوان فولادهایی که حاوی مقادیر قابل توجهی عناصر غیر از آهن و کربن هستند تعریف می شوند. عناصر آلیاژی اصلی فولاد عبارتند از کروم، نیکل، منگنز، مولیبدن، سیلیسیم، تنگستن، وانادیم و بور. فولادهای آلیاژی دارای طیف گسترده ای از خواص ویژه مانند سختی، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی، مغناطیس پذیری و شکل پذیری هستند. آلیاژهای غیر آهنی، عمدتاً آلیاژهای مس نیکل، برنز و آلومینیوم، در ضرب سکه بسیار مورد استفاده قرار می گیرند.
تمایز بین فلز آلیاژی و ناخالصی گاهی ظریف است. به عنوان مثال، در آلومینیوم، سیلیکون بسته به کاربرد ممکن است یک ناخالصی یا یک جزء ارزشمند در نظر گرفته شود، زیرا سیلیکون به استحکام می افزاید، اگرچه مقاومت به خوردگی را کاهش می دهد.
اصطلاح فلزات همجوشی یا آلیاژهای همجوشی به گروهی از آلیاژها اشاره می کند که دارای نقطه ذوب کمتر از قلع (۲۳۲ درجه سانتیگراد، ۴۴۹ درجه فارنهایت) هستند. بیشتر این مواد مخلوطی از فلزاتی هستند که به خودی خود دارای نقطه ذوب پایینی هستند مانند قلع، بیسموت و سرب. آلیاژهای قابل ذوب به عنوان لحیم کاری، در اسپرینکلرهای ایمنی که به طور خودکار آب را هنگامی که گرمای آتش آلیاژ را ذوب می کند، پاشش می کنند، و در فیوزهایی برای قطع یک مدار الکتریکی زمانی که جریان بیش از حد می شود، استفاده می شود.
بسیاری از آلیاژهای همجوشی برای ذوب شدن در دمای ۹۰-۱۰۰ درجه سانتیگراد (۱۹۴-۲۱۲ درجه فارنهایت) فرموله شده اند. به عنوان مثال، آلیاژ دارست (۵۰ قسمت بیسموت، ۲۵ قسمت سرب، ۲۵ قلع) در دمای ۹۸ درجه سانتیگراد ذوب می شود. با جایگزینی نیمی از قلع آلیاژ دارست با کادمیوم، فلز چوب آلیاژی به دست می آید که در دمای ۷۰ درجه سانتیگراد ذوب می شود. همچنین رجوع کنید به آمالگام; فروآلیاژ؛ ترکیب بین فلزی
متالورژی، هنر و علم استخراج فلزات از سنگ معدن آنها و اصلاح فلزات برای استفاده. متالورژی معمولاً به روش تجاری اشاره می کند و برخلاف روش های آزمایشگاهی. همچنین به خواص و ساختارهای شیمیایی، فیزیکی و اتمی فلزات و اصولی که به موجب آن فلزات برای تشکیل آلیاژها ترکیب میشوند، مربوط میشود.
تاریخچه متالورژی
استفاده امروزی از فلزات نقطه اوج یک مسیر طولانی توسعه است که در حدود ۶۵۰۰ سال گسترش یافته است. به طور کلی پذیرفته شده است که اولین فلزات شناخته شده طلا، نقره و مس بودند که در حالت بومی یا فلزی اتفاق افتادند، که اولین آنها به احتمال زیاد قطعات طلا در ماسه ها و شن های بستر رودخانه ها یافت می شد. چنین فلزات بومی در اواخر عصر حجر به دلیل ارزشهای زینتی و مفیدشان شناخته شدند و مورد قدردانی قرار گرفتند.
اولین توسعه
طلا را می توان با چکش سرد به قطعات بزرگتر تبدیل کرد، اما مس بومی نمی تواند، و یک گام اساسی به سوی عصر فلز کشف این بود که فلزاتی مانند مس را می توان با ذوب و ریخته گری در قالب به شکل هایی درآورد. از اولین محصولات شناخته شده از این نوع، تبرهای مسی است که در بالکان در هزاره چهارم قبل از میلاد ریخته شده است. گام دیگر کشف این بود که فلزات را می توان از مواد معدنی حاوی فلز بازیابی کرد. اینها جمعآوری شده بودند و میتوانستند بر اساس رنگ، بافت، وزن و رنگ و بوی شعله هنگام گرم شدن تشخیص داده شوند.
بازده قابل توجه بیشتر حاصل از حرارت دادن مس بومی با مواد معدنی اکسیدی مرتبط ممکن است منجر به فرآیند ذوب شود، زیرا این اکسیدها به راحتی در بستر زغال سنگ در دمای بیش از ۷۰۰ درجه سانتیگراد (۱۳۰۰ درجه فارنهایت) به عنوان احیاکننده به فلز تبدیل می شوند. ، مونوکسید کربن، به طور فزاینده ای پایدار می شود. به منظور ایجاد تجمع و جداسازی مس ذوب شده یا ذوب شده از مواد معدنی مرتبط با آن، لازم بود اکسید آهن به عنوان یک شار معرفی شود. این گام بیشتر رو به جلو را می توان به حضور کانی های گوسان اکسید آهن در نواحی فوقانی هوازده ذخایر سولفید مس نسبت داد.
برنز
در بسیاری از مناطق، آلیاژهای مس-آرسنیک با خواص برتر نسبت به مس به صورت ریختهگری و فرفورژه در دوره بعدی تولید شد. این ممکن است در ابتدا تصادفی باشد، به دلیل شباهت رنگ و رنگ شعله بین مالاکیت معدنی کربنات مس سبز روشن و محصولات هوازدگی شده از مواد معدنی سولفید مس- آرسنیک مانند انارژیت، و ممکن است بعداً با انتخاب هدفمند دنبال شود ترکیبات آرسنیک بر اساس بوی سیر آنها در هنگام گرم شدن.
محتوای آرسنیک از ۱ تا ۷ درصد و تا ۳ درصد قلع متغیر بود. اساساً آلیاژهای مس بدون آرسنیک با محتوای قلع بالاتر – به عبارت دیگر، برنز واقعی – بین ۳۰۰۰ تا ۲۵۰۰ قبل از میلاد به نظر می رسد که از دلتای دجله-فرات شروع شده است. کشف ارزش قلع ممکن است از طریق استفاده از استنیت، سولفید مخلوط مس، آهن و قلع رخ داده باشد، اگرچه این ماده معدنی به اندازه کانی اصلی قلع، کاسیتریت، که باید منبع نهایی باشد، در دسترس نیست.
از فلز کاسیتریت به طرز چشمگیری متراکم است و به صورت سنگریزه در رسوبات آبرفتی همراه با آرسنوپیریت و طلا دیده می شود. همچنین تا حدی در گوسان های اکسید آهن که در بالا ذکر شد، رخ می دهد.
در حالی که ممکن است توسعه مستقلی از برنز در مناطق مختلف وجود داشته باشد، به احتمال زیاد فرهنگ برنز از طریق تجارت و مهاجرت مردمان از خاورمیانه به مصر، اروپا و احتمالاً چین گسترش یافته است. در بسیاری از تمدن ها تولید مس، مس آرسنیک و برنز قلع مدتی با هم ادامه یافت. توضیح ناپدید شدن نهایی آلیاژهای مس-آرسنیک دشوار است.
تولید ممکن است بر اساس مواد معدنی باشد که به طور گسترده در دسترس نبودند و کمیاب شدند، اما کمبود نسبی مواد معدنی قلع مانع از تجارت قابل توجه آن فلز در فواصل قابل توجهی نشد. ممکن است که برنزهای قلع در نهایت به دلیل احتمال مسمومیت با آرسنیک از بخارهای تولید شده توسط اکسیداسیون مواد معدنی حاوی آرسنیک ترجیح داده شوند.
همانطور که سنگهای مس فرسوده در مناطق مشخص کار میکردند، سنگهای سولفید سختتر زیر استخراج و ذوب شدند. مواد معدنی درگیر، مانند کالکوپیریت، یک سولفید مس-آهن، برای حذف گوگرد به عنوان دی اکسید گوگرد و تولید اکسید مس، نیاز به برشته اکسید کننده داشتند. این نه تنها به مهارت متالورژی بیشتری نیاز داشت، بلکه آهن مرتبط نزدیک را نیز اکسید کرد، که همراه با استفاده از شار اکسید آهن و شرایط کاهش قویتر تولید شده توسط کورههای ذوب بهبودیافته، منجر به محتوای آهن بالاتر در برنز شد.
محتوای گازهای کوره
قدمت یک قطعه آهن اولیه از مسیری در استان درنته هلند به سال ۱۳۵۰ قبل از میلاد می رسد، تاریخی که معمولاً به عنوان عصر برنز میانی برای این منطقه در نظر گرفته می شود. از سوی دیگر، در آناتولی، آهن در اوایل سال ۲۰۰۰ قبل از میلاد مورد استفاده قرار می گرفت. در دورههای پیشین نیز گاه به گاه اشارهای به آهن وجود دارد، اما این ماده منشأ شهابساختی داشت.
هنگامی که رابطه ای بین فلز جدید یافت شده در ذوب مس و سنگ معدنی که به صورت شار اضافه می شود برقرار شد، به طور طبیعی عملیات کوره های تولید آهن به تنهایی دنبال شد. مسلماً تا سال ۱۴۰۰ قبل از میلاد در آناتولی، آهن اهمیت قابل توجهی پیدا کرد و در سال های ۱۲۰۰ تا ۱۰۰۰ قبل از میلاد در مقیاس بزرگی به سلاح ها، در ابتدا تیغه های خنجر، تبدیل شد. به همین دلیل سال ۱۲۰۰ قبل از میلاد را آغاز عصر آهن دانسته اند.
شواهد حفاریها نشان میدهد که هنر آهنسازی در کشور کوهستانی در جنوب دریای سیاه، منطقهای که هیتیها بر آن تسلط داشتند، سرچشمه گرفته است. بعدها ظاهراً این هنر به فلسطینیان گسترش یافت، زیرا کورههای خام مربوط به ۱۲۰۰ قبل از میلاد در جرار به همراه تعدادی اشیاء آهنی کشف شد.
ذوب اکسید آهن با زغال چوب نیاز به دمای بالایی داشت و از آنجایی که دمای ذوب آهن در ۱۵۴۰ درجه سانتیگراد (۲۸۰۰ درجه فارنهایت) در آن زمان قابل دستیابی نبود، محصول صرفاً یک توده اسفنجی از گلوله های خمیری فلز بود که با یک سرباره نیمه مایع مخلوط شده بود. . این محصول که بعدها به نام شکوفه شناخته شد، به سختی قابل استفاده بود، اما گرم کردن مجدد و چکش کاری داغ باعث از بین رفتن بیشتر سرباره شد و آهن فرفورژه را ایجاد کرد که محصول بسیار بهتری بود.
خواص آهن بسیار تحت تأثیر وجود مقادیر کم کربن است، با افزایش زیاد استحکام مرتبط با محتویات کمتر از ۰.۵ درصد. در دمایی که در آن زمان قابل دستیابی بود – حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد (۲۲۰۰ درجه فارنهایت) – کاهش توسط زغال سنگ آهن تقریباً خالصی تولید کرد که نرم بود و برای سلاح و ابزار استفاده محدودی داشت، اما زمانی که نسبت سوخت به سنگ معدن افزایش یافت و پیش نویس کوره افزایش یافت.
با اختراع دمهای بهتر، کربن بیشتری توسط آهن جذب شد. این منجر به شکوفه ها و محصولات آهن با طیف وسیعی از محتویات کربن شد و تعیین دوره ای را که در آن آهن ممکن است عمداً توسط کربوره کردن یا گرم کردن مجدد فلز در تماس با زغال اضافی تقویت شده باشد، دشوار می کند.
آهن حاوی کربن مزیت بزرگ دیگری نیز داشت که بر خلاف برنز و آهن بدون کربن، میتوان آن را با خاموش کردن سختتر کرد – یعنی سرد شدن سریع با غوطهور شدن در آب. هیچ مدرکی دال بر استفاده از این فرآیند سخت شدن در اوایل عصر آهن وجود ندارد، به طوری که باید در آن زمان یا ناشناخته بوده باشد یا مفید تلقی نشده باشد، زیرا خاموش کردن آهن را بسیار شکننده می کند و باید با تلطیف یا گرم کردن مجدد در دمای پایین تر، برای بازگرداندن چقرمگی.
چیزی که به نظر می رسد در اوایل ثابت شده است، تمرین مکرر آهنگری سرد و بازپخت در دمای ۶۰۰-۷۰۰ درجه سانتیگراد (۱۱۰۰-۱۳۰۰ درجه فارنهایت) بود، دمایی که به طور طبیعی در یک آتش سوزی ساده به دست می آید. این عمل حتی امروزه در بخش هایی از آفریقا رایج است.
در سال ۱۰۰۰ قبل از میلاد آهن در اروپای مرکزی شناخته شد. استفاده از آن به آرامی به سمت غرب گسترش یافت. در زمان تهاجم رومیان در سال ۵۵ قبل از میلاد، آهنسازی در بریتانیای کبیر رواج داشت. در آسیا، آهن نیز در دوران باستان، در چین حدود ۷۰۰ سال قبل از میلاد مسیح شناخته می شد.
برنج
در حالی که مقداری روی در برنزهای مربوط به عصر مفرغ ظاهر میشود، این تقریباً به طور قطع تصادفی بوده است، اگرچه ممکن است آلیاژهای سه تایی پیچیده اوایل عصر آهن را پیشبینی کند، که در آن مقادیر قابل توجهی روی و همچنین قلع ممکن است یافت شود.
برنج، به عنوان آلیاژ مس و روی بدون قلع، تا حدود ۳۰ سال قبل از میلاد در مصر ظاهر نشد، اما پس از آن به سرعت در سراسر جهان روم، به عنوان مثال، برای ارز مورد استفاده قرار گرفت.
این ماده با فرآیند کالامین ساخته میشد که در آن کربنات روی یا اکسید روی به مس اضافه میشد و در زیر پوشش زغالی ذوب میشد تا شرایط کاهشی ایجاد شود. تأسیس کلی صنعت برنج یکی از کمک های مهم متالورژی رومی ها بود.
فلزات گرانبها
پس برنز، آهن و برنج مواد فلزی بودند که مردمان متوالی تمدن های خود را بر روی آنها ساختند و از آنها وسایل جنگ و صلح را ساختند. علاوه بر این، تا سال ۵۰۰ قبل از میلاد، معادن غنی نقره حاوی سرب در یونان افتتاح شد. این مینها با رسیدن به عمق چند صد متری، با آبکشیهای ایجاد شده توسط آتشهای روشن در پایین چاهها تخلیه میشوند.
سنگ معدن ها به صورت دستی طبقه بندی، خرد شده و با جریان های آب شسته می شدند تا مواد معدنی با ارزش را از مواد بی حاصل و سبک تر جدا کنند. از آنجایی که این کانی ها عمدتاً سولفید بودند، آنها را برشته کردند تا اکسید تشکیل دهند و سپس برای بازیابی آلیاژ سرب-نقره ذوب شدند.
سرب از نقره با جامهگذاری جدا میشد، فرآیندی با قدمت بسیار بالا که در آن آلیاژ در یک ظرف سفالی متخلخل کم عمق یا خاکستر استخوانی به نام کپل ذوب میشد. جریان هوا روی توده مذاب ترجیحاً سرب را اکسید می کرد. اکسید آن تا حدی با لایه برداری از سطح مذاب حذف شد. باقی مانده به داخل جام متخلخل جذب شد. فلز نقره و هر طلایی روی جام باقی مانده بود. سرب حاصل از اسکیمینگ ها و پیاله های دور ریخته شده پس از حرارت دادن با زغال چوب به صورت فلز بازیابی شد.
خود طلای بومی اغلب حاوی مقادیر قابل توجهی نقره بود. این آلیاژهای نقره-طلا، که به عنوان الکتروم شناخته میشوند، ممکن است به روشهای مختلفی جدا شوند، اما احتمالاً اولین آنها با حرارت دادن در یک بوته با نمک معمولی بوده است. با گذشت زمان و با درمانهای مکرر، نقره به کلرید نقره تبدیل شد که به سرباره مذاب منتقل میشد و طلای خالص باقی میماند. همچنین از کاپولاسیون برای حذف آلودگی هایی مانند مس، قلع و سرب از طلا استفاده شد. از طلا، نقره و سرب برای مقاصد هنری و مذهبی، زینت شخصی، ظروف منزل و وسایل تعقیب و گریز استفاده می شد.
تاریخچه از ۵۰۰ قبل از میلاد تا ۱۵۰۰ م
در هزار سال بین ۵۰۰ قبل از میلاد و ۵۰۰ میلاد مسیح، تعداد زیادی اکتشافات مهم برای رشد متالورژی انجام شد. برای مثال، ارشمیدس، ریاضیدان و مخترع یونانی، نشان داد که خلوص طلا را می توان با تعیین وزن آن و مقدار آب جابجا شده در هنگام غوطه وری اندازه گیری کرد – یعنی با تعیین چگالی آن. در دوره پیش از مسیحیت، اولین تولید مهم فولاد در هند با استفاده از فرآیندی که قبلاً برای مصریان باستان شناخته شده بود آغاز شد. فولاد Wootz، همانطور که نام داشت، به عنوان آهن اسفنجی (متخلخل) در واحدی که بی شباهت به بلومری نبود، تهیه شد.
این محصول را در حالی که داغ بود چکش میکردند تا سرباره خارج شود، شکسته میشد، سپس با تراشههای چوب در ظروف سفالی مهر و موم میشد و تا زمانی که قطعات آهن کربن را جذب میکرد و ذوب میشد حرارت میداد و به فولادی با ترکیب همگن حاوی ۱ تا ۱.۶ درصد کربن تبدیل میشد. سپس قطعات فولادی را میتوان حرارت داد و در میلهها جعل کرد تا بعداً در ساخت کالاها مانند شمشیرهای معروف دمشقی ساخته شده توسط زرهپوشان عرب قرون وسطی استفاده شود.
آرسنیک، روی، آنتیموان و نیکل ممکن است از قدیم الایام اما فقط در حالت آلیاژ شناخته شده باشند. تا سال ۱۰۰ قبل از میلاد جیوه شناخته شده بود و با گرم کردن ماده معدنی سولفید سینابار و متراکم کردن بخارات تولید می شد. از خاصیت آمیختگی (اختلاط یا آلیاژ) آن با فلزات مختلف برای بازیافت و پالایش آنها استفاده شد. سرب به ورق ها و لوله ها کوبیده شد، لوله ها در سیستم های آب اولیه استفاده می شدند.
قلع فلزی در دسترس بود و رومی ها یاد گرفته بودند که از آن برای ردیف کردن ظروف غذا استفاده کنند. اگرچه رومیها هیچ اکتشاف متالورژیکی خارقالعادهای انجام ندادند، اما علاوه بر تأسیس صنعت برنج، به بهبود سازماندهی و مدیریت کارآمد در معدن کمک کردند.
با شروع حدود قرن ششم، و تا هزار سال بعد، مهمترین پیشرفتها در متالورژی بر روی ساخت آهن متمرکز شد. بریتانیای کبیر، جایی که سنگ آهن فراوان بود، منطقه مهم آهنسازی بود. سلاح های آهنی، ادوات کشاورزی، اشیاء خانگی و حتی زینت های شخصی ساخته می شد. کارد و چنگال با کیفیت خوب در نزدیکی شفیلد ساخته شد. صومعه ها اغلب مراکز یادگیری هنرهای فلزکاری بودند.
راهبان به دلیل آهنسازی و زنگولهسازیشان معروف شدند، محصولات ساخته شده یا در صومعهها مورد استفاده قرار میگرفتند، یا در محلی دور ریخته میشدند، یا برای ارسال به بازارهای دورتر به بازرگانان فروخته میشدند. در سال ۱۴۰۸ اسقف دورهام اولین گلخانه ای را که با نیروی آب کار می کرد در بریتانیا تأسیس کرد، که ظاهراً قدرت آن دم را کار می کرد. هنگامی که نیرویی از این نوع در دسترس قرار گرفت، می توان آن را در طیف وسیعی از عملیات اعمال کرد و امکان چکش کاری شکوفه های بزرگتر را فراهم کرد.
آتشدان یا فورج کاتالان تا زمان های نسبتاً اخیر برای ذوب سنگ آهن مورد استفاده قرار می گرفت. روش شارژ سوخت و سنگ معدن و موقعیت تقریبی نازل تامین شده با هوا توسط یک دم نشان داده شده است.
در اسپانیا، یکی دیگر از مناطق آهنسازی، آهنگری کاتالان اختراع شد و بعداً استفاده از آن به مناطق دیگر گسترش یافت. کوره ای از نوع کوره ای بود که از سنگ ساخته شده بود و با سنگ آهن، شار و زغال سنگ شارژ می شد. زغال چوب با هوای دمیده شده مشتعل نگه داشته می شد
فلزات گرانبها
پس برنز، آهن و برنج مواد فلزی بودند که مردمان متوالی تمدن های خود را بر روی آنها ساختند و از آنها وسایل جنگ و صلح را ساختند. علاوه بر این، تا سال ۵۰۰ قبل از میلاد، معادن غنی نقره حاوی سرب در یونان افتتاح شد. این مینها با رسیدن به عمق چند صد متری، با آبکشیهای ایجاد شده توسط آتشهای روشن در پایین چاهها تخلیه میشوند.
سنگ معدن ها به صورت دستی طبقه بندی، خرد شده و با جریان های آب شسته می شدند تا مواد معدنی با ارزش را از مواد بی حاصل و سبک تر جدا کنند. از آنجایی که این کانی ها عمدتاً سولفید بودند، آنها را برشته کردند تا اکسید تشکیل دهند و سپس برای بازیابی آلیاژ سرب-نقره ذوب شدند.
سرب از نقره با جامهگذاری جدا میشد، فرآیندی با قدمت بسیار بالا که در آن آلیاژ در یک ظرف سفالی متخلخل کم عمق یا خاکستر استخوانی به نام کپل ذوب میشد. جریان هوا روی توده مذاب ترجیحاً سرب را اکسید می کرد. اکسید آن تا حدی با لایه برداری از سطح مذاب حذف شد. باقی مانده به داخل جام متخلخل جذب شد. فلز نقره و هر طلایی روی جام باقی مانده بود. سرب حاصل از اسکیمینگ ها و پیاله های دور ریخته شده پس از حرارت دادن با زغال چوب به صورت فلز بازیابی شد.
خود طلای بومی اغلب حاوی مقادیر قابل توجهی نقره بود. این آلیاژهای نقره-طلا، که به عنوان الکتروم شناخته میشوند، ممکن است به روشهای مختلفی جدا شوند، اما احتمالاً اولین آنها با حرارت دادن در یک بوته با نمک معمولی بوده است. با گذشت زمان و با درمانهای مکرر، نقره به کلرید نقره تبدیل شد که به سرباره مذاب منتقل میشد و طلای خالص باقی میماند. همچنین از کاپولاسیون برای حذف آلودگی هایی مانند مس، قلع و سرب از طلا استفاده شد. از طلا، نقره و سرب برای مقاصد هنری و مذهبی، زینت شخصی، ظروف منزل و وسایل تعقیب و گریز استفاده می شد.
تاریخچه از ۵۰۰ قبل از میلاد تا ۱۵۰۰ م
در هزار سال بین ۵۰۰ قبل از میلاد و ۵۰۰ میلاد مسیح، تعداد زیادی اکتشافات مهم برای رشد متالورژی انجام شد. برای مثال، ارشمیدس، ریاضیدان و مخترع یونانی، نشان داد که خلوص طلا را می توان با تعیین وزن آن و مقدار آب جابجا شده در هنگام غوطه وری اندازه گیری کرد – یعنی با تعیین چگالی آن. در دوره پیش از مسیحیت، اولین تولید مهم فولاد در هند با استفاده از فرآیندی که قبلاً برای مصریان باستان شناخته شده بود آغاز شد. فولاد Wootz، همانطور که نام داشت، به عنوان آهن اسفنجی (متخلخل) در واحدی که بی شباهت به بلومری نبود، تهیه شد.
این محصول را در حالی که داغ بود چکش میکردند تا سرباره خارج شود، شکسته میشد، سپس با تراشههای چوب در ظروف سفالی مهر و موم میشد و تا زمانی که قطعات آهن کربن را جذب میکرد و ذوب میشد حرارت میداد و به فولادی با ترکیب همگن حاوی ۱ تا ۱.۶ درصد کربن تبدیل میشد. سپس قطعات فولادی را میتوان حرارت داد و در میلهها جعل کرد تا بعداً در ساخت کالاها مانند شمشیرهای معروف دمشقی ساخته شده توسط زرهپوشان عرب قرون وسطی استفاده شود.
آرسنیک، روی، آنتیموان و نیکل ممکن است از قدیم الایام اما فقط در حالت آلیاژ شناخته شده باشند. تا سال ۱۰۰ قبل از میلاد جیوه شناخته شده بود و با گرم کردن ماده معدنی سولفید سینابار و متراکم کردن بخارات تولید می شد. از خاصیت آمیختگی (اختلاط یا آلیاژ) آن با فلزات مختلف برای بازیافت و پالایش آنها استفاده شد. سرب به ورق ها و لوله ها کوبیده شد، لوله ها در سیستم های آب اولیه استفاده می شدند.
قلع فلزی در دسترس بود و رومی ها یاد گرفته بودند که از آن برای ردیف کردن ظروف غذا استفاده کنند. اگرچه رومیها هیچ اکتشاف متالورژیکی خارقالعادهای انجام ندادند، اما علاوه بر تأسیس صنعت برنج، به بهبود سازماندهی و مدیریت کارآمد در معدن کمک کردند.
با شروع حدود قرن ششم، و تا هزار سال بعد، مهمترین پیشرفتها در متالورژی بر روی ساخت آهن متمرکز شد. بریتانیای کبیر، جایی که سنگ آهن فراوان بود، منطقه مهم آهنسازی بود. سلاح های آهنی، ادوات کشاورزی، اشیاء خانگی و حتی زینت های شخصی ساخته می شد. کارد و چنگال با کیفیت خوب در نزدیکی شفیلد ساخته شد. صومعه ها اغلب مراکز یادگیری هنرهای فلزکاری بودند.
راهبان به دلیل آهنسازی و زنگولهسازیشان معروف شدند، محصولات ساخته شده یا در صومعهها مورد استفاده قرار میگرفتند، یا در محلی دور ریخته میشدند، یا برای ارسال به بازارهای دورتر به بازرگانان فروخته میشدند. در سال ۱۴۰۸ اسقف دورهام اولین گلخانه ای را که با نیروی آب کار می کرد در بریتانیا تأسیس کرد، که ظاهراً قدرت آن دم را کار می کرد. هنگامی که نیرویی از این نوع در دسترس قرار گرفت، می توان آن را در طیف وسیعی از عملیات اعمال کرد و امکان چکش کاری شکوفه های بزرگتر را فراهم کرد.
آتشدان یا فورج کاتالان تا زمان های نسبتاً اخیر برای ذوب سنگ آهن مورد استفاده قرار می گرفت. روش شارژ سوخت و سنگ معدن و موقعیت تقریبی نازل تامین شده با هوا توسط یک دم نشان داده شده است. در اسپانیا، یکی دیگر از مناطق آهنسازی، آهنگری کاتالان اختراع شد و بعداً استفاده از آن به مناطق دیگر گسترش یافت. کوره ای از نوع کوره ای بود که از سنگ ساخته شده بود و با سنگ آهن، شار و زغال سنگ شارژ می شد. زغال چوب با هوای دمیده شده مشتعل نگه داشته می شد
اگر نسبت سوخت به سنگ معدن در چنین کورهای بالا نگه داشته میشد، و اگر کوره به دمای کافی برای جذب کربن در آهن برسد، نقطه ذوب فلز کاهش مییابد و شکوفه میدهد. ذوب شود. این امر کربن بیشتری را حل می کند و چدن مایع تا ۴ درصد کربن و با دمای ذوب نسبتاً پایین ۱۱۵۰ درجه سانتی گراد (۲۱۰۰ درجه فارنهایت) تولید می کند. چدن در پایه کوره جمع میشود، که از نظر فنی یک کوره بلند خواهد بود تا شکوفهدار، زیرا آهن بهجای توده جامد به صورت مایع خارج میشود.
در حالی که مردم عصر آهن آناتولی و اروپا ممکن است به طور تصادفی چدن ساخته باشند که از نظر شیمیایی همان آهن کوره بلند است، چینی ها اولین کسانی بودند که به مزایای آن پی بردند. اگرچه شکننده و فاقد استحکام، چقرمگی و کارایی فولاد بود، اما برای ساخت کاسه های ریخته گری و سایر ظروف مفید بود. در واقع، چینیها که عصر آهن آنها حدود ۵۰۰ سال قبل از میلاد آغاز شد، به نظر میرسد که آموختهاند کربن را از چدن به منظور تولید فولاد یا آهن فرفورژه بهطور غیرمستقیم، و نه از طریق روش مستقیم شروع از آهن کم کربن، اکسید کنند.
تاریخچه بعد از ۱۵۰۰
در طول قرن شانزدهم، دانش متالورژی ثبت و در دسترس قرار گرفت. دو کتاب بسیار تأثیرگذار بودند. یکی، توسط Vannoccio Biringuccio ایتالیایی، De la pirotechnia نام داشت (Eng. trans., The Pirotechnia of Vannoccio Biringuccio, 1943). دیگری، توسط جورجیوس آگریکولا آلمانی، De re metallica نام داشت. بیرینگوچیو اساساً یک فلزکار بود و کتاب او به روشهای ذوب، پالایش و سنجش (روشهایی برای تعیین محتوای فلزات سنگ معدن) میپردازد و شامل ریختهگری، قالبگیری، هستهسازی و تولید کالاهایی مانند توپ و چدن میشود. گلوله های توپ او اولین توصیف روشمند از عمل ریخته گری بود.
از سوی دیگر، آگریکولا یک معدنچی و متالورژیست استخراجی بود. کتاب او علاوه بر روشهای ذوب، پالایش و سنجش، اکتشاف و نقشهبرداری را نیز مد نظر داشت. وی همچنین فرآیندهای مورد استفاده برای خرد کردن و تغلیظ سنگ معدن و سپس روشهای سنجش برای تعیین اینکه آیا کانهها ارزش استخراج و استخراج دارند یا خیر را شرح داد. برخی از شیوه های متالورژیکی که او توضیح داد، امروزه در اصل حفظ شده است.
فلزات آهنی
از سال ۱۵۰۰ تا قرن ۲۰، توسعه متالورژی همچنان عمدتاً به بهبود فناوری در ساخت آهن و فولاد توجه داشت. در انگلستان، فرسودگی تدریجی الوار ابتدا منجر به ممنوعیت برش چوب برای زغال چوب و در نهایت به معرفی کک مشتق شده از زغال سنگ به عنوان سوخت کارآمدتر شد. پس از آن، صنعت آهن به سرعت در بریتانیای کبیر گسترش یافت، که به بزرگترین تولیدکننده آهن در جهان تبدیل شد. فرآیند بوته برای ساخت فولاد، که در سال ۱۷۴۰ در انگلستان معرفی شد، که توسط آن آهن میله و مواد افزوده شده در بوته های رسی گرم شده توسط آتش کک قرار داده می شد، منجر به اولین فولاد قابل اعتماد ساخته شده با فرآیند ذوب شد.
یکی از دشواریهای فرآیند شکوفایی برای تولید آهن میلهای نرم این بود که، مگر اینکه دما پایین نگه داشته شود (و خروجی آن کم باشد)، پایین نگه داشتن محتوای کربن به اندازهای که فلز انعطافپذیر بماند، دشوار بود. این مشکل با ذوب آهن خام با کربن بالا از کوره بلند در فرآیند پودینگ، که در سال ۱۷۸۴ در بریتانیای کبیر اختراع شد، برطرف شد. در این فرآیند، ذوب با کشیدن گازهای داغ بر روی باری از آهن خام و سنگ آهن که در کوره نگهداری می شد، انجام شد.
کوره در طول تولید، این محصول با خرچنگ های آهنی (کلاچه ها) هم زده می شد و چون با از دست دادن کربن خمیری می شد، به شکل گلوله هایی در می آمدند که متعاقباً آهنگری شده یا به شکل مفیدی در می آمدند. این محصول که به عنوان آهن فرفورژه شناخته شد، دارای عناصری کم بود که به شکنندگی چدن کمک میکردند و حاوی ذرات سرباره درهم بود که در اثر آهنگری فلز به الیاف دراز تبدیل میشدند. بعدها استفاده از آسیاب نورد مجهز به رول های شیاردار برای ساخت میله های فرفورژه مطرح شد.
مهمترین پیشرفت قرن نوزدهم تولید فولاد ارزان در مقیاس بزرگ بود. تا قبل از حدود سال ۱۸۵۰، تولید آهن فرفورژه توسط پودینگ و فولاد با ذوب بوته در واحدهای مقیاس کوچک بدون مکانیزاسیون قابل توجه انجام می شد. اولین تغییر، توسعه کوره اجاق باز توسط ویلیام و فردریش زیمنس در بریتانیا و توسط پیر و امیل مارتین در فرانسه بود. با استفاده از اصل احیا کننده، که در آن از گازهای احتراق خروجی برای گرم کردن چرخه بعدی گاز سوخت و هوا استفاده میشود، این امر باعث میشود تا دمای بالا و در عین حال صرفهجویی در مصرف سوخت حاصل شود. سپس آهن خام را می توان به آهن مذاب یا آهن های کم کربن برد
فلز بدون انجماد، ضایعات را میتوان اضافه کرد و ذوب کرد، و سنگ آهن را میتوان در سرباره بالای فلز ذوب کرد تا اکسیداسیون نسبتاً سریع کربن و سیلیکون را در مقیاس بزرگتر ایجاد کند. یکی دیگر از پیشرفتهای مهم فرآیند هنری بسمر بود که در سال ۱۸۵۵ ثبت اختراع شد و برای اولین بار در سال ۱۸۵۶ به بهره برداری رسید، که در آن هوا از طریق آهن مذاب از لولههایی که در ته ظرف گلابی شکلی به نام مبدل قرار میگرفت، دمیده میشد.
گرمای آزاد شده توسط اکسیداسیون سیلیکون محلول، منگنز و کربن برای بالا بردن دما به بالاتر از نقطه ذوب فلز تصفیه شده (که با کاهش محتوای کربن افزایش مییابد) کافی بود و در نتیجه آن را در حالت مایع نگه میداشت. خیلی زود بسمر مبدل های کج کننده ای داشت که ۵ تن در گرمای یک ساعته تولید می کردند، در مقایسه با ۴ تا ۶ ساعت برای ۵۰ کیلوگرم فولاد بوته ای و دو ساعت برای ۲۵۰ کیلوگرم آهن پوکه.
نه کوره اجاق باز و نه مبدل بسمر نمی توانستند فسفر را از فلز جدا کنند، بنابراین باید از مواد خام کم فسفر استفاده می شد. این امر استفاده از آن ها را در مناطقی که سنگ معدن های فسفریک، مانند آن هایی که در محدوده Minette در لورن، منبع اصلی آهن اروپایی بودند، محدود کرد.
این مشکل توسط سیدنی گیلکریست توماس حل شد، که در سال ۱۸۷۶ نشان داد که پوشش پایه کوره متشکل از دولومیت کلسینه شده، به جای پوشش اسیدی از مواد سیلیسی، امکان استفاده از یک سرباره با آهک بالا را برای حل کردن فسفات های تشکیل شده در اثر اکسیداسیون فراهم می کند. فسفر موجود در چدن این اصل در نهایت برای کوره های باز و مبدل های Bessemer اعمال شد.
از آنجایی که فولاد اکنون با کسری از هزینه قبلی خود در دسترس بود، استفاده از آن برای مهندسی و ساخت و ساز بسیار افزایش یافت. بلافاصله پس از پایان قرن، تقریباً در هر زمینه ای جایگزین آهن فرفورژه شد. سپس با در دسترس بودن توان الکتریکی، کوره های قوس الکتریکی برای ساخت فولادهای خاص و پر آلیاژ معرفی شدند. مرحله مهم بعدی، معرفی اکسیژن ارزان بود که با اختراع چرخه Linde-Frankel برای مایع سازی و تقطیر کسری هوا ممکن شد.
فرآیند Linz-Donawitz که اندکی پس از جنگ جهانی دوم در اتریش اختراع شد، از اکسیژنی که به عنوان گاز از یک کارخانه اکسیژن تولید میشد، استفاده میکرد و آن را با سرعت مافوق صوت به بالای آهن مذاب در یک مخزن تبدیل میکرد. به عنوان توسعه نهایی فرآیند بسمر/توماس، دمش اکسیژن به طور جهانی در تولید فولاد فله مورد استفاده قرار گرفت.
فلزات سبک
یکی دیگر از پیشرفت های مهم اواخر قرن نوزدهم، جداسازی آلومینیوم و منیزیم از سنگ معدن آنها در مقیاس قابل توجهی بود. در اوایل قرن، چندین دانشمند مقادیر کمی از این فلزات سبک ساخته بودند، اما موفق ترین آن هانری-اتین سنت کلر دویل بود که تا سال ۱۸۵۵ روشی را ابداع کرد که توسط آن کرایولیت، فلوراید مضاعف آلومینیوم و سدیم. ، توسط فلز سدیم به آلومینیوم و سدیم فلوراید احیا شد. این فرآیند بسیار گران بود، اما زمانی که شیمیدان آمریکایی، همیلتون یانگ کاستنر، یک سلول الکترولیتی برای تولید سدیم ارزانتر در سال ۱۸۸۶ ساخت.
در همان زمان، چارلز ام. هال در ایالات متحده و پل لوئیس-توسن، هزینه آن بسیار کاهش یافت. Héroult در فرانسه فرآیندهای اساساً یکسان خود را برای استخراج آلومینیوم اعلام کرد که همچنین بر اساس الکترولیز بود. استفاده از فرآیند هال-هروولت در مقیاس صنعتی به جایگزینی باتری های ذخیره سازی توسط ژنراتورهای قدرت دوار بستگی دارد. اساساً تا به امروز بدون تغییر باقی مانده است.
جوشکاری
یکی از مهمترین تغییرات در تکنولوژی ساخت فلزات، معرفی جوشکاری ذوبی در قرن بیستم بوده است. قبل از این، فرآیندهای اصلی اتصال پرچین و جوشکاری فورج بود. هر دو محدودیتهایی در مقیاس داشتند، اگرچه میتوان از آنها برای برپایی سازههای اساسی استفاده کرد. در سال ۱۸۹۵ Henry-Louis Le Chatelier اظهار داشت که دمای شعله اکسی استیلن ۳۵۰۰ درجه سانتیگراد (۶۳۰۰ درجه فارنهایت) است که حدود ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد بالاتر از شعله اکسیژن هیدروژن است که در مقیاس کوچک برای لحیم کاری و جوشکاری استفاده می شد.
اولین مشعل عملی اکسی استیلن، استخراج استیلن از سیلندرهای حاوی استیلن محلول در استون، در سال ۱۹۰۱ تولید شد. با در دسترس بودن اکسیژن با هزینه کمتر، برش اکسیژن و جوشکاری با اکسی استیلن روشهایی برای ساخت قطعات فولادی ساختاری شد.
فلز در یک اتصال همچنین می تواند توسط یک قوس الکتریکی ذوب شود، و فرآیندی با استفاده از کربن به عنوان الکترود منفی و قطعه کار به عنوان مثبت اولین بار در سال ۱۹۰۲ مورد توجه تجاری قرار گرفت. برخورد قوس از یک الکترود فلزی پوشش داده شده، که به ذوب می شود. اتصال، در سال ۱۹۱۰ معرفی شد. اگرچه تا حدود ۲۰ سال بعد به طور گسترده مورد استفاده قرار نگرفت، در اشکال مختلف آن اکنون مسئول بخش عمده ای از همجوشی است. جوش می دهد.
متالوگرافی
در قرن بیستم متالورژی به تدریج تغییر کرده است، از یک هنر یا صنعت به یک رشته علمی و سپس به بخشی از رشته گسترده تر علم مواد. در فلز استخراجی به همین دلیل، استفاده از ترمودینامیک شیمیایی، سینتیک، و مهندسی شیمی وجود داشته است که درک، کنترل و بهبود فرآیندهای موجود و تولید فرآیندهای جدید را امکان پذیر کرده است. در متالورژی فیزیکی، مطالعه روابط بین درشت ساختار، ریزساختار و ساختار اتمی از یک سو و خواص فیزیکی و مکانیکی از سوی دیگر از فلزات به مواد دیگری مانند سرامیک، پلیمرها و کامپوزیت ها گسترش یافته است.
این درک علمی بیشتر عمدتاً از پیشرفت مستمر در تکنیکهای میکروسکوپی برای متالوگرافی، بررسی ساختار فلزی به دست آمده است. اولین متالوگراف واقعی هنری کلیفتون سوربی از شفیلد انگلستان بود که در دهه ۱۸۶۰ میکروسکوپ نوری را روی سطوح صیقلی موادی مانند سنگ ها و شهاب سنگ ها اعمال کرد. سوربی در نهایت موفق به ایجاد رکوردهای فوتومیکرووگرافی شد و تا سال ۱۸۸۵ ارزش متالوگرافی در سراسر اروپا با توجه ویژه به ساختار فولاد مورد توجه قرار گرفت. برای مثال، در نهایت، بر اساس شواهد میکروگرافیک و با معرفی پراش اشعه ایکس توسط ویلیام هنری و ویلیام لارنس براگ در سال ۱۹۱۳، پذیرش آلوتروپی آهن و رابطه آن با سخت شدن فولاد صورت گرفت.
در طول سالهای بعد، پیشرفتهایی در نظریه اتمی جامدات وجود داشت. این منجر به این مفهوم شد که در مواد غیر پلاستیکی مانند شیشه، شکستگی با انتشار عیوب ترک مانند از قبل وجود دارد و در فلزات، تغییر شکل با حرکت نابجایی ها، یا نقص در آرایش اتمی، از طریق ماتریس کریستالی صورت می گیرد. . اثبات این مفاهیم با اختراع و توسعه میکروسکوپ الکترونی به دست آمد. حتی میکروسکوپهای یونی میدانی قویتر و میکروسکوپهای الکترونی با وضوح بالا اکنون تشخیص موقعیت اتمهای جداگانه را ممکن میسازند.
ایستگاه فضایی بین المللی
تاریخچه فناوری: متالورژی و معدن
نمونه دیگری از توسعه متالورژی فیزیکی، کشفی است که انقلابی در استفاده از آلومینیوم در قرن بیستم ایجاد کرد. در ابتدا، بیشتر آلومینیوم در آلیاژهای ریختهگری استفاده میشد، اما کشف سخت شدن سن توسط آلفرد ویلم در برلین در حدود سال ۱۹۰۶، مادهای را به دست آورد که دوبرابر استحکام داشت و تنها با یک تغییر کوچک وزن داشت.
در فرآیند ویلم، املاحی مانند منیزیم یا مس در محلول جامد فوق اشباع، بدون اینکه اجازه رسوب داده شود، با خاموش کردن آلومینیوم از دمای بالاتر به جای خنک کردن آهسته آن، به دام میافتد. آلیاژ آلومینیوم نسبتاً نرمی که به دست می آید می تواند به صورت مکانیکی تشکیل شود، اما وقتی در دمای اتاق قرار می گیرد یا در دمای پایین گرم می شود، سخت می شود و تقویت می شود. با مس به عنوان املاح، این نوع ماده با نام تجاری Duralumin شناخته شد.
پیشرفتهای متالوگرافی که در بالا توضیح داده شد، در نهایت این درک را فراهم کرد که سخت شدن سن ناشی از پراکندگی رسوبات بسیار ریز از محلول جامد فوق اشباع است. این حرکت نابجایی هایی را که برای تغییر شکل کریستال ضروری هستند محدود می کند و در نتیجه استحکام فلز را افزایش می دهد. اصول سخت شدن بارندگی برای تقویت تعداد زیادی از آلیاژها اعمال شده است.
متالورژی استخراجی
پس از جداسازی و تغلیظ توسط فرآوری مواد معدنی، کانیهای فلزی تحت متالورژی استخراجی قرار میگیرند که در آن عناصر فلزی آنها از فرم ترکیبات شیمیایی استخراج و از ناخالصیها تصفیه میشوند.
ترکیبات فلزی معمولاً مخلوطهای نسبتاً پیچیدهای هستند (آنهایی که به صورت تجاری درمان میشوند اکثراً سولفیدها، اکسیدها، کربناتها، آرسنیدها یا سیلیکاتها هستند) و اغلب از انواعی نیستند که امکان استخراج فلز را با فرآیندهای ساده و اقتصادی فراهم کنند. در نتیجه، قبل از اینکه متالورژی استخراجی بتواند جداسازی عناصر فلزی از سایر اجزای یک ترکیب را تحت تأثیر قرار دهد، اغلب باید ترکیب را به نوعی تبدیل کند که بتوان آسانتر درمان کرد.
روش معمول تبدیل سولفیدهای فلزی به اکسید، سولفات یا کلرید است. اکسیدها به سولفات ها یا کلریدها؛ و کربنات ها به اکسیدها تبدیل می شوند. فرآیندهایی که همه اینها را انجام می دهند را می توان به عنوان پیرومتالورژی یا هیدرومتالورژی طبقه بندی کرد. پیرومتالورژی شامل عملیات گرمایشی مانند برشته کردن است که در آن ترکیبات در دمای پایین تر از نقطه ذوب خود تبدیل می شوند و ذوب که در آن تمام اجزای یک سنگ معدن یا کنسانتره به طور کامل ذوب شده و به دو لایه مایع جدا می شوند که یکی حاوی فلزات ارزشمند و دیگری سنگ باطله.
هیدرومتالورژی شامل عملیات هایی مانند لیچینگ است که در آن ترکیبات فلزی به طور انتخابی از یک سنگ معدن توسط یک حلال آبی حل می شوند و الکترووینینگ که در آن یون های فلزی توسط جریان الکتریکی عبور داده شده از محلول بر روی الکترود رسوب می کنند.
استخراج اغلب با پالایش دنبال می شود، که در آن سطح ناخالصی ها پایین می آید یا توسط پیرومتا کنترل می شود.
به همین دلیل، استفاده از ترمودینامیک شیمیایی، سینتیک، و مهندسی شیمی وجود داشته است که درک، کنترل و بهبود فرآیندهای موجود و تولید فرآیندهای جدید را امکان پذیر کرده است. در متالورژی فیزیکی، مطالعه روابط بین درشت ساختار، ریزساختار و ساختار اتمی از یک سو و خواص فیزیکی و مکانیکی از سوی دیگر از فلزات به مواد دیگری مانند سرامیک، پلیمرها و کامپوزیت ها گسترش یافته است.
این درک علمی بیشتر عمدتاً از پیشرفت مستمر در تکنیکهای میکروسکوپی برای متالوگرافی، بررسی ساختار فلزی به دست آمده است. اولین متالوگراف واقعی هنری کلیفتون سوربی از شفیلد انگلستان بود که در دهه ۱۸۶۰ میکروسکوپ نوری را روی سطوح صیقلی موادی مانند سنگ ها و شهاب سنگ ها اعمال کرد. سوربی در نهایت موفق به ایجاد رکوردهای فوتومیکرووگرافی شد و تا سال ۱۸۸۵ ارزش متالوگرافی در سراسر اروپا با توجه ویژه به ساختار فولاد مورد توجه قرار گرفت.
برای مثال، در نهایت، بر اساس شواهد میکروگرافیک و با معرفی پراش اشعه ایکس توسط ویلیام هنری و ویلیام لارنس براگ در سال ۱۹۱۳، پذیرش آلوتروپی آهن و رابطه آن با سخت شدن فولاد صورت گرفت. در طول سالهای بعد، پیشرفتهایی در نظریه اتمی جامدات وجود داشت. این منجر به این مفهوم شد که در مواد غیر پلاستیکی مانند شیشه، شکستگی با انتشار عیوب ترک مانند از قبل وجود دارد و در فلزات، تغییر شکل با حرکت نابجایی ها، یا نقص در آرایش اتمی، از طریق ماتریس کریستالی صورت می گیرد.
اثبات این مفاهیم با اختراع و توسعه میکروسکوپ الکترونی به دست آمد. حتی میکروسکوپهای یونی میدانی قویتر و میکروسکوپهای الکترونی با وضوح بالا اکنون تشخیص موقعیت اتمهای جداگانه را ممکن میسازند.
ایستگاه فضایی بین المللی
تاریخچه فناوری: متالورژی و معدن
نمونه دیگری از توسعه متالورژی فیزیکی، کشفی است که انقلابی در استفاده از آلومینیوم در قرن بیستم ایجاد کرد. در ابتدا، بیشتر آلومینیوم در آلیاژهای ریختهگری استفاده میشد، اما کشف سخت شدن سن توسط آلفرد ویلم در برلین در حدود سال ۱۹۰۶، مادهای را به دست آورد که دوبرابر استحکام داشت و تنها با یک تغییر کوچک وزن داشت.
در فرآیند ویلم، املاحی مانند منیزیم یا مس در محلول جامد فوق اشباع، بدون اینکه اجازه رسوب داده شود، با خاموش کردن آلومینیوم از دمای بالاتر به جای خنک کردن آهسته آن، به دام میافتد. آلیاژ آلومینیوم نسبتاً نرمی که به دست می آید می تواند به صورت مکانیکی تشکیل شود، اما وقتی در دمای اتاق قرار می گیرد یا در دمای پایین گرم می شود، سخت می شود و تقویت می شود.
با مس به عنوان املاح، این نوع ماده با نام تجاری Duralumin شناخته شد. پیشرفتهای متالوگرافی که در بالا توضیح داده شد، در نهایت این درک را فراهم کرد که سخت شدن سن ناشی از پراکندگی رسوبات بسیار ریز از محلول جامد فوق اشباع است. این حرکت نابجایی هایی را که برای تغییر شکل کریستال ضروری هستند محدود می کند و در نتیجه استحکام فلز را افزایش می دهد. اصول سخت شدن بارندگی برای تقویت تعداد زیادی از آلیاژها اعمال شده است.
متالورژی استخراجی
پس از جداسازی و تغلیظ توسط فرآوری مواد معدنی، کانیهای فلزی تحت متالورژی استخراجی قرار میگیرند که در آن عناصر فلزی آنها از فرم ترکیبات شیمیایی استخراج و از ناخالصیها تصفیه میشوند.
ترکیبات فلزی معمولاً مخلوطهای نسبتاً پیچیدهای هستند (آنهایی که به صورت تجاری درمان میشوند اکثراً سولفیدها، اکسیدها، کربناتها، آرسنیدها یا سیلیکاتها هستند) و اغلب از انواعی نیستند که امکان استخراج فلز را با فرآیندهای ساده و اقتصادی فراهم کنند. در نتیجه، قبل از اینکه متالورژی استخراجی بتواند جداسازی عناصر فلزی از سایر اجزای یک ترکیب را تحت تأثیر قرار دهد، اغلب باید ترکیب را به نوعی تبدیل کند که بتوان آسانتر درمان کرد. روش معمول تبدیل سولفیدهای فلزی به اکسید، سولفات یا کلرید است. اکسیدها به سولفات ها یا کلریدها؛ و کربنات ها به اکسیدها تبدیل می شوند. فرآیندهایی که همه اینها را انجام می دهند را می توان به عنوان پیرومتالورژی یا هیدرومتالورژی طبقه بندی کرد.
پیرومتالورژی شامل عملیات گرمایشی مانند برشته کردن است که در آن ترکیبات در دمای پایین تر از نقطه ذوب خود تبدیل می شوند و ذوب که در آن تمام اجزای یک سنگ معدن یا کنسانتره به طور کامل ذوب شده و به دو لایه مایع جدا می شوند که یکی حاوی فلزات ارزشمند و دیگری سنگ باطله. هیدرومتالورژی شامل عملیات هایی مانند لیچینگ است که در آن ترکیبات فلزی به طور انتخابی از یک سنگ معدن توسط یک حلال آبی حل می شوند و الکترووینینگ که در آن یون های فلزی توسط جریان الکتریکی عبور داده شده از محلول بر روی الکترود رسوب می کنند.
استخراج اغلب با پالایش دنبال می شود، که در آن سطح ناخالصی ها پایین می آید یا توسط پیرومتا کنترل می شود.
نزدیک به کف کوره در واکنش احتراق متعاقب آن، اکسیژن موجود در هوا با کربن موجود در کک ترکیب می شود و حرارت کافی برای ذوب بار کوره ایجاد می کند و مونوکسید کربن را تشکیل می دهد که به نوبه خود اکسید آهن را به آهن فلزی کاهش می دهد. کوره برای جلوگیری از خروج گاز مونوکسید کربن که به عنوان سوخت برای گرم کردن هوای لوله سوزانده می شود، آب بندی می شود. در اجاق در پایین کوره، سرباره مذاب و آهن در دو لایه جمع می شوند، سرباره سبک تر در بالا. هر دو به صورت دوره ای خارج می شوند و سرباره دور ریخته می شود و آهن در ادامه به فولاد تبدیل می شود.
کوره بلند
کوره بلند کوره بلند سرب روی و کندانسور پاشش سرب.
کوره بلند روی نیز یک کوره مهر و موم شده است، با شارژ اکسید روی متخلخل و کک از پیش گرم شده از طریق یک زنگ شارژ مهر و موم شده اضافه می شود. این کوره مستطیل شکل است و شفت کوتاهتری نسبت به کوره بلند آهنی دارد. یک انفجار هوای گرم از طریق لولهها، اکسیژن را برای سوزاندن کک برای گرما و تامین گاز کاهنده مونوکسید کربن فراهم میکند.
روی احیا شده به صورت بخار از کوره خارج می شود و به حمام اسپری سرب مذاب کشیده می شود و به فلز روی مایع متراکم می شود. سرباره و هر سرب موجود در شارژ به عنوان مایع از کوره استخراج می شود. (برای تصویر کوره بلند سرب روی، شکل را ببینید).
کوره بلند سربی از نظر اندازه و شکل شبیه به کوره بلند روی است، اما کوره سرب دار نیست و از هوای پیش گرم شده لوله ای استفاده نمی کند. باری از زینتر اکسید سرب، کک، و شار به بالای باز کوره ریخته می شود و جو احیا کننده قوی در شفت کوره اکسید را به فلز کاهش می دهد. سرب مایع و سرباره در دو لایه در کوره جمع می شوند که سرب در لایه زیرین و سرباره در بالا قرار دارد.
دو فرآیند جدیدتر برای احیای مستقیم کنسانتره سولفید سرب بو داده نشده، QSL (Queneau-Schuhmann-Lurgi) و KIVCET (مخفف روسی برای “ذوب فلش-سیکلون-اکسیژن-الکتریک”) هستند. در راکتور QSL یک تزریق غوطهور از اکسیژن محافظتشده، سولفید سرب را به فلز سرب اکسید میکند، در حالی که KIVCET نوعی کوره ذوب سریع است که در آن کنسانتره سولفید سرب ریز و خشک شده با اکسیژن در یک محور ترکیب میشود و فلز سرب میدهد.
منابع
مقالات مرتبط
نقش هوش مصنوعی بر خواص کششی و شکل پذیری کششی ورق های آلیاژی
نقش هوش مصنوعی بر خواص کششی و شکل پذیری کششی ورق های آلیاژی Mg-Al-Mn تولید…
ویژگی ها و عوامل تأثیرگذار بر انتخاب گریدهای فولادی
استحکام و دوام مهمترین فاکتورها هنگام انتخاب نوع گریدهای فولادی برای منطقه پروژه شما هستند….
استفاده از ورق های آلیاژی در ماشین آلات راه سازی
مقدمه: استفاده از ورق های آلیاژی در ماشین آلات راه سازی استفاده از ورق های…
نوارهای فولادی
مزایای نوارهای فولادی مزایای استفاده از میلگردهای مسطح فولادی چیست؟ آنها از نظر طول و…
alloy energy H-Beam hardox L-profile Rebar Steel sheet آرماتور آلیاژ اخبار بین الملل استیل انرژی ایران تحلیل بازار تغییرات نرخ جهانی فولاد و سنگ آهن تولید کننده تیرآهن تیرآهن هاش خرید ورق آلیاژی ریل جرثقیل ریل راهآهن ریل فولادی ضد زنگ فولاد فولاد آلیاژی فولاد سازه فولاد سخت فولاد ضد زنگ فولاد کربنی قوطی مربع قوطی مستطیل لوله فولادی مقاطع فولادی نبشی نوارهای فولادی هاردوکس ورق آلیاژی ورق فولادی ورقهای آلیاژی ورق های آلیاژی ورق های فولادی ضد زنگ پروفیل آبرو پروفیل زد Z پروفیل سپری پروفیل فرانسوی پروفیل ناودانی پروفیل نبشی پروفیل کلافی کارخانه فولاد گزارش آماری
دیدگاهتان را بنویسید
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.