متالورژی ، فرآوری مواد معدنی از کانه های آنها (جداسازی از سنگ معدن)، ذوب، تصفیه و تولید شمش، بهبود خواص و تهیه آلیاژ ها و فن کار بر روی فلزات و شکل دادن آنها را در بر می گیرد. علم متالورژی به دو دسته متالورژی فیزیکی و متالورژی مکانیکی تقسیم بندی می شود. مهندسی متالورژی به دو دسته متالورژی آهنی یا سیاه و متالورژی غیرآهنی یا رنگی تقسیم بندی شده که بیش از ۹۵% تولید فلز جهان نتیجه متالورژی آهنی است.
متالورژی یا متالوژی؟!
متالورژی (metallurgy) از دو واژه یونانی metal به معنی “فاز” و ourgein به معنی “کار کردن” ترکیب شده است. در اینجا توجه به این نکته لازم است که حتی بسیاری از متخصصین نیز نام این رشته را “متالوژی” نوشته و تلفظ می کنند که با توجه به ریشه کلمه نادرست است. احتمالا منشأ این خطا، قیاس نادرستی است که بعضی ها در ذهن خود می سازند. چون بیولوژی فیزیولوژی، رادیولوژی و صدها رشته علمی دیگر به” لوژی” ختم می شوند، آنها تصور می کنند که این رشته علمی هم باید به همان قیاس متالوژی باشد.
تاریخچه علم متالورژی
گرچه متالورژی را به عنوان یک علم باید دانش نسبتا جدیدی به حساب بیاوریم چرا که هنوز صد سال نیست که فلزات به صورت کاربردی مطالعه می شوند؛ درحالی که پدران ما از قرن ها پیش متالورژی را به عنوان فنی برای تولید ابزارهای مورد نیازشان استفاده می کرده اند.
تاریخچه متالورژی نشان می دهد که علم متالورژی پیشینه ای به قدمت حدودا ۶۵۰۰ سال دارد. جایی که فلزاتی مانند طلا، نقره و مس به عنوان اولین فلزات کشف شدند.
استخراج (Extraction)
علم استخراج فلزات به جداسازی و به عبارتی استحصال فلزات ارزشمند از کانی‌ها، شورابه ها و ضایعات و تصفیه آن ها تا رسیدن به فلزات خالص می پردازد. فرآیندهای متالورژی استخراجی به سه صورت هیدرومتالورژی، پیرومتالورژی و الکترومتالورژی انجام می شود.
آلیاژسازی (Alloying)
امروزه معمولا فلزات به صورت آلیاژ تولید و مورد استفاده قرار می گیرند. آلیاژها از ترکیبی از دو یا چند ماده مهندسی به دست می آیند چرا که با آلیاژسازی می توانیم خواصی به دست آوریم که با استفاده از فلزات خالص امکان پذیر نیست. مثلا می توانیم استحکام ماده را تا چندین برابر افزایش دهیم یا مقاومت به خوردگی را در نواحی مورد نظر به میزان زیادی کاهش دهیم.
ساخت و تولید (Production)
ریخته گری (Casting)
ریخته گری را می توان فرایند تبدیل فلز به قطعه ای به شکل دلخواه تعریف کرد. این کار با ذوب فلز و ریختن در قالبی با شکل مورد نظر به دست می آید. با وجود این که ریخته گری قدیمی ترین روش برای شکل دهی فلزات است، اما در صنعت امروز یکی از اصلی ترین روش های تولید محسوب می شود، چرا که حدودا ۵۰ درصد وزن کل قطعات ماشین آلات به این روش تولید می شوند.
فرایندهای فلزکاری
فرایندهای شکل دهی فلزات دسته ای دیگر از روش های ساخت و تولید محسوب می شوند. شکل دادن فلزات یک روش فلزکاری برای ساخت اشیا و قطعات فلزی به وسیله تغییر شکل مکانیکی است. معمولا قطعه کار بدون حذف یا اضافه کردن ماده ای جدید تغییر شکل پیدا می کند و وزن آن ثابت می ماند.
امروزه صدها روش فلزکاری گسترش پیدا کرده اند که هر کدام از آن ها برای کاربردهای خاصی توسعه پیدا کرده اند. اما این روش ها را می توان در ۵ گروه اصلی دسته بندی کرد:
نورد
اکستروژن
کشش
فورج
شکل دهی ورق
در فرایندهای نورد، اکستروژن، کشش و فورج کرنش زیادی به قطعه کار وارد می شود. در این حالت اگر قطعه تحت حرارت قرار بگیرد و تا دمای بالا (تا زیر منقطه ذوب) گرم شود، دانه ها تحت تبلور مجدد قرار می گیرند و به دانه هایی بدون کرنش تبدیل می شوند. تحت چنین شرایطی می توانیم مجددا قطعه را تحت شکل دهی قرار دهیم که به این فرایند شکل دهی داغ (Hot Working) می گویند. اما اگر فرایند شکل دهی در دمای زیر دمای تبلور مجدد اتفاق بیفتد، به این فرایند شکل دهی سر (Cold Working) می گویند.
متالورژی پودر (Powder metallurgy)
متالورژی پودر یکی دیگر از روش های تولید قطعات است که علاوه بر فلزات، سایر مواد مهندسی نظیر سرامیک ها و پلیمرها را دربر می گیرد. در میان روش های شکل دهی، متالورژی پودر روش نسبتا جدیدتری محسوب می شود. در این روش ریختن پودر در قالب و ترکیب با یک چسب (بایندر)، قطعه ای به دست می آید که به قطعه خام معروف است. با قرار گرفتن این قطعه تحت دمایی بالا تا زیر نقطه ذوب، فرایندی اتفاق می افتد که به تف جوشی معروف است. در این فرایند، عامل اتصال تبخیر می شود و ذرات به هم می چسبند و قطعه نهایی شکل می گیرد.
بر حسب نوع فرایند و نوع ماده اولیه می توان روش های مختلفی برای متالورژی پودر در نظر گرفت. مهم ترین روش هایی که بر مبنای نوع ماده اولیه توسعه یافته اند، عبارتند از:
قالب گیری تزریق پودر (PIM)
قالب گیری تزریق فلز (MIM)
قالب گیری تزریق سرامیک (CIM)
جوشکاری (Welding)
جوشکاری عملیات اتصال قطعات فلزی به یکدیگر توسط گرم کردن محل تماس تا حالت ذوب با خمیری است. (گرچه امروزه با روش های جدید جوشکاری می توان سرامیک ها و پلیمرها را نیز جوش داد). در این حالت اتم های قطعات جوش داده شده در هم نفوذ کرده و اتصال محکمی را ایجاد می کنند.
امروزه روش های مختلفی برای جوشکاری توسعه داده شده اند که آن ها را می توانیم در ۴ دسته کلی تقسیم بندی کنیم:
جوشکاری فشاری
جوشکاری ذوبی
جوشکاری زرد
لحیم کاری
ماشین کاری (Machining)
ماشین کاری یک روش شکل دهی مواد توسط تراش و برش کاری است. این کار توسط ابزارها و ماشین های برش و تراش صورت می گیرد. در برش کاری، از قیچی با ابزار برش برای شکست فلز استفاده می شود. در تراش کاری، از ماشین های تراش، فرز، مته، صفحات تراش، سنگ زنی و سوراخ کاری برای رسیدن به محصول هایی استفاده می شود. معمولا این قطعات محصول فرایندهای ریخته گری، آهنگری یا نورد هستند.
ساخت افزایشی (َAdditive Manufacturing)
زینتر یا ذوب پودر آمورف فلزی در یک فضای سه بعدی که یک قطعه با شکل نهایی را بسازد. ( مطالعه بیشتر در مورد ساخت افزایشی )
عملیات پس از تولید (Post Processing)
پس از تولید قطعات، به منظور دستیابی به خواص مکانیکی، شیمیایی و یا ظاهر بهتر آن ها را تحت عملیاتی به نام پس پردازش قرار می دهیم. این عملیات به منظور کاهش تنش های داخلی قطعات، افزایش سختی و استحکام آن ها، کاهش زبری سطح و در مجموع شامل تمامی عملیاتی است که قطعه را به محصول هایی قابل استفاده تبدیل کند. در این بخش به تعدادی از مهم ترین این فرایندها اشاره می کنیم:
عملیات حرارتی (Heat Treatment)
عملیات حرارتی برای تغییر در خواص فلزات فیزیکی و مکانیکی فلزات انجام می شود. تغییر در خواصی نظیر استحکام، چگالی، سختی، چقرمگی و مقاومت دربرابر خوردگی. معروف ترین عملیات حرارتی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند، می توان به آنیل (Annealing)، رسوب سختی (Precipitation Hardening)، کوئنچ (Quenching) و تمپر (Tempering) اشاره کرد.
عملیات سطحی (Surface Treatment)
در بسیاری از روش های تولید، قطعه پس از تولید مستقیماً آماده مصرف نیست. عملیات مهندسی سطح به سه منظور انجام می شود.
زیباسازی (مانند عملیات شات بلاست یا رنگ کاری)
افزایش خواص مکانیکی سطحی ( مانند شات پینینگ یا سختکاری سطحی)
افزایش مقاومت به خوردگی ( مانند آندایزینگ ، رنگ کاری )
آنالیز و آزمون (Test & Analysis)
بخش مهمی از فعالیت های متالورژیست ها را حوزه آنالیز و تست محصولات فلزی تشکیل می دهد. روش های آنالیز فلزات را به سه دسته زیر می توان تقسیم بندی کرد:
آنالیز عنصری: با هدف تشخیص نوع و مقدار عناصر موجود در نمونه (مانند آنالیز کوانتومتری )
آنالیز فازی: با هدف تشخیص نوع و مقدار فازها در نمونه ( مانند XRD )
آنالیز ریزساختاری: با هدف بررسی ریزساختار میکروسکوپی نمونه ( مانند متالوگرافی )
به منظور اطمینان از حصول خواص موردنیاز، تولیدات فلزی پس از تولید تحت آزمون قرار می گیرند که به صورت زیر تقسیم بندی می شوند.
آزمون های مکانیکی ( سختی ، فشار ، کشش ، ضربه ، خستگی و …)
آزمون های شیمیایی- خوردگی ( پلاریزاسیون، امپدانس و … )