موضوعات علمی ، فنی مهندسی و بازرسی و دانلود کتاب و جزوه

متالورژی چيست؟

حسين کهتری

علم شناخت و استخراج فلزات و هنر کار روی آنها را متالورژی نامند.

مقدمه

اين تعريف که «« متالورژي از قديمي‌ترين هنرها و يکي از جديدترين علوم است»» ، بخوبي تاريخچه طولاني وجالب رشته متالورژي را بيان مي‌کند. از زماني که بشر فلز را شناخت، متالورژي رابه‌عنوان يک هنر فرا گرفت. اين علم، فرآوري مواد معدني از کانه‌هاي آنها (جداسازياز سنگ معدن)، ذوب، تصفيه و توليد شمش، بهبود خواص و تهيه آلياژها و فن کار برروي فلزات و شکل دادن آنها را در بر مي‌گيرد. صنعت متالورژي در جهان از ديربازبه‌عنوان صنعت مادر شناخته شده، با پيشرفت هاي روز افزون تکنولوژي، نقش آن آشکارترمي‌گردد. شواهد باستان شناسي نشان مي‌دهد که ساکنين فلات ايران، جزو اولين اقوامي بوده‌اند که به کشف فلزات و استفاده از آن نائل گرديده‌اند. با در نظر گرفتن اين سابقه ديرينه، همچنين نقش روز افزون فلزات در زندگي بشر و وجود معادن غني متعدد درکشورمان لازم است که دست‌اندرکاران متالورژي در شناسايي هر چه بيشتر اين رشته کوشابوده، به طريقي سطح اطلاعات علمي و فني سايرين را در اين زمينه بالا ببرند.

تاريخچه متالورژي

دوره فلزات پس از عصر سنگ بوده، از حدود 6 تا 7 هزار سال پيش از هجرت آغاز شده است. به نظر مي‌رسد که مس اولين فلزي است که بطور خالص و طبيعي و جدا از مواد معدني مورد استفاده بشر قرار گرفته است. با نگاهي به انوع سنگهاي مس، مي‌بينيم که آنها کم و بيش از ظاهري فلزي با رنگ هاي الوان، نظير نيلي، لاجوردي، سبز، طلايي و رخ برخوردار مي‌باشند اين امر مي‌تواند يکي از علل عمده توجه بشر اوليه به ترکيبات حاوي مس باشد. از طرفي مس به‌صورت خالص در طبيعت يافت مي‌شود و قابليت شکل‌پذيري مناسبي دارد.

برخي از پژوهشگران نيز معتقدند که اولين بار ذرات براق طلا که در کف رودخانه هاپراکنده بوده است، توسط بشر شناسايي شدند. مصريان و شايد هنديان بيش از ساير ملل دراستخراج طلا از سنگ هاي آن توفيق داشته‌اند. در ايران نيز از دوره هخامنشي، آثارمتعددي از طلا و نقره خصوصاً در کنار رود جيحون و در شهر همدان کشف شده است.
با گذشت زمان،قلع،نقره ،سرب و آنيتموان(سنگ سرمه) نيز کشف شد. فلزکاران با استفاده از آتش، سرخ کردن و سپس ذوب فلزات، آميختن آنها را تجربه کرده، به شناخت تجربي آلياژها توفيق يافتند. از اختلاط قلع و مس،مفرغ پديد آمده،عصر مفرغ آغاز شد. مفرغ از هنر زيبايي بامس، طلا و نقره رقابت مي‌کرد و سختي و دوامش از آنها بيشتر بود و نيازهاي بشر رانيز براي ساخت ابزارهاي مختلف تامين مي‌کرد، لذا بشر تا مدتها به فکر ساختن آلياژيا کشف فلز جديدي نبود.

بدرستي معلوم نيست که انسان نخستين بار چگونه و از کجاسنگ آهن را کشف و ذوب نمود و فلز آهن را بدست آورد، اما از شواهد امر پيداست که از5000سال پيش انسان هاي نخستين آهن را بکار مي‌گرفتند و تقريبا در نصف اين مدت، آهن بعنوان وسيله اي زينتي و فلزي افسانه‌اي از توجه خاصي برخوردار بوده است. مصريان قديم به آهن ،با- ان- پتنيا فلز بهشتي مي‌گفتند.

به نظر مي‌رسد که ابتدا شهاب‌هاي آسماني که حاوي آهن و نيکل (15-6 درصد نيکل) بوده‌اند،توسط انسانهاي نخستين بکار گرفته شده‌اند. اطلاق سنگ اسماني و فلزستارگان به آهن نيز مويد همين است. آشوري‌ها، بابلي‌ها، کلداني‌ها و عبري‌هابه‌علت گران بها بودن آهن از آن در ساختن زيور آلات استفاده مي‌کردند. در عهدحمورابي (2700 سال پيش از هجرت)، بهاي آهن هشت برابر نقره و معادل سه‌ربع بهاي طلا بوده است.

در ايران قديم نيز در دوره هخامنشي به مرور مصالح آهن بجاي مصالح مفرغي را گرفت، بطوري‌ که در اواخر اين دوره، اسلحه‌هاي آهني جايگزين اسلحه‌هاي مفرغي شدند. پيشينيان، سنگ معدن آهن را با زغال چوب مخلوط کرده، مشتعل مي‌نمودند. در دوران باستان، در ايران، بين النهرين، يونان و روم مجموعا هفت فلزشناخته و بکار برده شده‌اند که شامل مس، طلا (زر)، نقره (سيم)، آهن، سرب (آبار)، قلع (ارزيز) و جيوه (سيماب) و پلاتين مي‌باشند.

توليد فلزات در طول زمان

از دوران باستان تاکنون مجموعا 87 فلز کشف شدهاست که به جز 7 فلز مذکور، 2 فلز در قرون وسطي، 15 فلز در قرن دوازدهم هجري، 43 فلز در قرن سيزدهم هجري و 20 فلز در قرن چهاردهم هجري (قرن معاصر) کسف شده‌اند. البته بين تاريخ کشف و زماني که توليد فلزات از نظر اقتصادي مقرون به صرفه شده است،فاصله زماني طولاني وجود دارد. چون در بررسي مسائل متالورژي، نه‌تنها توليد فلزات امر مهمي مي‌باشد، بلکه موارد کاربرد آنها نيز بايد قابل توجيه باشد.

براي مثال اورانيوم در سال 1221هجري خورشيدي کشف شده است، اما توليد صنعتي آن تا سال 1320هجري خورشيدي(1841م.) طول کشيده است. به عبارت ديگر حدود يک قرن پس از کشف اورانيوم، يعني زماني که پديده شکافت اتمي فلزات هسته‌اي تحت استفاده مطلوب قرار گرفت، توليد آن در سطح صنعتي شروع گرديد.

شکل‌گيري علم متالورژي

با گذشت زمان، کشف روشهاي جديد استخراج و تصفيه فلزات، شناسايي مشخصات ساختاري و فيزيکي مواد و فنون جديد شکل دادن و کاربر روي فلزات، صنعت متالورژي به عنوان شاخه اي از علم، جايگاهي مستقل يافت. امروزه علم متاورژي را به دو بخش کلي شامل متالورژي استخراجي و متالورژي صنعتي تقسيم نموده‌اند که اين دو بخش، اخيرا در دانشگاه ها نيز به‌عنوان گرايش هاي رشته مهندسي متالورژي انتخاب شده‌اند.

متالورژي استخراجي و شيميايي شامل جداکردن فلزات از سنگ معدن و تصفيه آنها (توليد فلزات)، شناخت انواع کوره‌ها،سوخت‌ها و فعل و انفعالات شيميايي مي‌باشد. اين گرايش انواع متعددي از روش ها را در بر مي‌گيرد که از جمله مي‌توان به کانه آراي،پر عيار کردن مواد معدن،شستن،ذوب کردن،تصفيه فلز مذاب و توليد شمش اشاره نمود.
متالورژي صنعتي، شامل کاربر روي فلزات و مواد و تهيه محصول نهايي مي‌باشد. در اين گرايش همچنين خواص و مشخصات فيزيکي، ساختاري و مکانيکي مواد نيزبررسي مي‌شوند. منظور از کار کردن روي فلزات، روش هاي مختلف توليد مصنوعات فلزي استکه مهمترين شيوه‌هاي توليد عبارتند از:متالورژي پودر،شکل دادن،جوشکاري و ماشينکاري.
انتخاب نوع روش توليد عمدتاً به مسائل اقتصادي، خواص فلزات، زمان توليد، اندازه، شکل و تعداد قطعات مورد نياز بستگي دارد. به‌عنوان مثال، فلزاتي که خاصيت پلاستيک کمي دارند يا قطعاتي که داراي اشکال پيچيده هستند، به روش ريخته‌گري شکل داده مي‌شوند. به‌منظور آگاهي بيشتر از نحوه انتخاب روش توليد و شناخت مسائل فوق،روش هاي توليد مذکور به اختصار تشريح مي‌گردند.

ريخته‌گري

ريخته‌گري عبارت از شکل دادن فلزات و آلياژها از طريق ذوب،ريختن مذاب در محفظه اي به نام قالب و آنگاه سرد کردن و انجماد آن مطابق شکل محفظه قالب مي‌باشد. اين روش، قديمي‌ترين فرآيند شناخته شده براي بدست آوردن شکل مطلوب فلزات است. اولين کوره‌هاي ريخته‌گري خاک رس ساخته شده است که لايه‌هايي ازمس و چوب به تناوب در آن چيده مي‌شد و براي هوادادن ازدم(فوتک) بزرگي استفاده مي‌کردند. بسياري از قالب هاي اوليه نيز از خاک رس، خاک نسوز، ماسه و سنگ تهيه مي‌شد.

شواهدي در دست است که چيني‌ها در حدود 700 سال قبل از ميلاد به ريخته‌گري آهن مبادرت ورزيدند. ولي يافتن قطعات ريخته شده از خرابه‌هاي شهرحسن‌لو در آذربايجان شرقي نشان دهنده توسعه اين فن در سال 900 قبل ازميلاد در ايران بوده است.

ريخته‌گري هم علم است و هم فن، هم هنر است و هم صنعت. به ميزاني که ريخته‌گري از حيث علمي پيشرفت مي‌کند، ولي در عمل هنوز تجربه،سليقه و هنر قالب‌ساز و ريخته‌گر است که تضمين‌کننده تهيه قطعه اي سالم و بدون عيب مي‌باشد. اين فن از اساسي‌ترين روش هاي توليد است، زيرا حدود 50 درصد وزني کل قطعات ماشين‌آلات به اين طريقه ساخته مي‌شوند.

براي ريخته‌گري، از فولاد و چدن‌ها(فلزات آهني)، برنزها، برنج‌ها، آلياژهاي آلومينيم و منيزيم و آلياژهاي منيزيم وروي (فلزات غير آهني) به‌عنوان مهمترين فلزات ريخته‌گري استفاده مي‌شود. معمولاً روش هاي ريخته‌گري را به نام ماده سازنده قالب اسم‌گذاري مي‌کنند، مانند ريخته‌گري در ماسه که جنس قالب آن، ماسه است. مهمترين روش هاي ريخته‌گري عبارتنداز:

• ريخته‌گري در قالب‌هاي موقت شامل ريخته‌گري در ماسه و در قالب هاي پوسته‌اي
• ريخته گري در قالب هاي دائمي شامل ريخته‌گري در قالب هاي فلزي به روش گريز ازمرکز

متالورژي پودر

با آنکه از نظر تاريخي، متالورژي پودر از قديمي‌ترين روش هاي شکل دادن فلزات مي‌باشد، اما توليد در مقياس تجارتي با اين روش، از جديدترين راه هاي توليد قطعات فلزي است. در دوران باستان، از روش هاي متالورژي پودر براي شکلدادن فلزاتي با نقطه ذوب بالاتر از آنچه در آن زمان مي‌توانستند بوجود آورند،استفاده مي‌کردند. اولين بار در اوايل قرن نوزدهم بود که پودر فلزات با روشي مشابه آنچه امروزه بکار مي‌رود، با متراکم نمودن به‌صورت يکپارچه در آورده شد.

متالورژي پودر (متالورژي گرد)، فرآيند قالب‌گيري قطعات فلزي از پودر درفلز (يا مخلوط پودر فلزات) توسط اعمال فشارهاي بالا مي‌باشد. پس از عمل فشردن وتراکم پودرهاي فلزي، عمل تف جوشي (زينتر کردن) در دماي بالا در يک اتمسفر کنترلشده ( گازهيدروژن،ازت،هليم) انجام مي‌گيردکه در آن، فلز متراکم، جوش خورده، به‌صورت ساختمان همگن محکمي پيوندمي‌خورد.

از جمله قطعاتي که بوسيله متالورژي پودر توليد مي‌شوند، مي‌توان به ابزار برش، قطعات اتومبيل و قطعاتي در وسايل خانگي نظير ماشين لباسشويي، کمپرسور يخچال و کولر، تلويزيون، ضبط وصوت و غيره اشاره نمود. امروزه موارد استمعال اصلي متالورژي پودر را به پنج قسمت تقسيم مي‌کنند:

• آلياژ کردن فلزهاي غير قابل آلياژ، مثلا ساخت نقاط اتصال و جاروبک‌هاي موتوراز پودرهاي مس و گرافيت در صنعت برق.
• ترکيب کردن فلزها و غير فلزها، نظير مواد اصطکاکي ساخته شده از مس، آهن وآزبست.
• ترکيب کردن فلزهاي داراي نقطه ذوب بالا با يکديگر براي ريخته گري، نظير تنگستن، تانتاليم و موليبدن
• ساخت قطعات فلزي با خواص عالي، نظير ياتاقان هاي خود روانکار که به‌علت وجودشبکه اي از خلل و فرج پيوسته (توسط روغن پر شده در آنها) به خودي خود روغنکاري مي‌شوند.
• توليد قطعات ظريف و دقيق، نظير بوش‌ها، بادامک‌ها و چرخ دنده ها.

شکل دادن

در فرآيند شکل دادن، روش هاي مختلفي براي تهيه محصول به‌صورت شکل نهايي بکار برده مي‌شوند. اين روش ها شامل نورد، آهنگري، اکستروژن، کشيدن،پرس‌کاري، چرخشي، چرخشي برشي، انفجاري، الکترومغناطيسي، الکتروهيدروليکي وغيره مي‌باشند که برخي از مهمترين اين روش ها در زير بررسي مي‌گردند.

نورد کاري (غلتک کاري)

قسمت اعظم فولادي که در کارخانه‌هاي فولادسازي به‌صورت شمش تهيه مي‌گردد، توسط دستگاه هاي نورد به ورق، تيرآهن، تسمه‌هاي فولادي، ريل، انواع پروفيل، لوله و سيم تبديل مي‌شود. دستگاه نورد بطور ساده و ابتدايي از دو غلتک استوانه‌اي که روي هم قرار گرفته‌اند، تشکيل شده است. استوانه‌هاي مذکوربوسيله موتورها در جهت عکس يکديگر حرکت دوراني نموده، بدين ترتيب اگر شمش بين آنهاهدايت گردد، استوانه‌ها آن را گرفته و از شکاف بين خود عبور مي‌دهند.

در اثراين عمل، جسم پهن و طويل مي‌شود. با انجام اين عمل به دفعات و نزديکتر کردن استوانه‌ها به يکديگر، سيم پهن تر، نازکتر و طويل‌تر خواهد شد. محصولات نورد شامل ميل گرد، ميل چهار و گوش، تسمه باريک، تيرآهن، ناوداني، ريل، ورق و صفحه‌هاي فولادي با ضخامت‌هاي متفاوت، لوله‌هاي بدون درز و با درز و با مقاطع دايره‌اي،بيضي و چندضلعي مي‌باشند.

آهنگري (پتک‌کاري)

عمليات آهنگري توسط ضربه چکش يا دستگاه پرس انجام مي‌پذيرد. اين روش، شامل کار بر روي فلز توسط چکش‌کاري يا پرس‌کاري تا حصول شکل نهايي با قالب يا بدون قالب است. چکش‌کاري به دو روش دستي و ماشيني قابل انجام است که امروزه اکثراً چکش‌هاي ماشيني بکار گرفته مي‌شوند. اين چکش‌ها با بخار يا هواي فشرده کار مي‌کنند و با اعمال ضربه‌هاي سنگين، چکش‌کاري قطعات را انجام مي‌دهند.

براي ساخت قطعاتي چون محور کشتي‌ها، ميل‌لنگ‌ها، لوله‌هاي توپ،ديگ‌هاي بخار و غيره توسط پرس‌کاري تهيه مي‌گردند. امروزه براي خم کردن وشکل دادن ورق در صنايع کشتي‌سازي و ماشين‌سازي نيز از پرس استفاده مي‌شود.

اکستروژن (حديده کاري)

اکستروژن، فرآيندي است که بوسيله آن مي‌توان قطعات و اشکالي را توليد نمود که تقريبا با هر روش ساخت ديگري غير ممکن مي‌باشد. در اين روش، فلز را تحت تاثير نيروي زياد وارد قالبي نموده، به شکل مورد نظر (نظير لوله، سيم و مقاطع مخصوص) بيرون مي‌آورند. آلومينيوم،سرب،روي،قلع و برخي ازفولادها از جمله موادي هستند که تحت فرآيند اکستروژن قرار مي‌گيرند.

کشيدن

کشيدن، عبارت است از امتداد دادن و کشيدن ورق براي توليد اشکال باسطوح مختلف. در اين روش، ورق فلزي حداقل در يک جهت فشرده مي‌شود. اين فرآيندمي‌تواند به‌صورت کشيدن قطعه از درون قالب (بر خلاف روش اکستروژن) انجام پذيرد و قطعاتي نظير لوله‌هاي بدون درز، قطعات سقف اتومبيل، پوکه‌هاي فشنگ، ظروف حلبي و ماهي‌تابه‌ها به اين روش تهيه مي‌شوند.

جوشکاري

بطور کلي، جوشکاري عمل اتصالات دادن قطعات فلزي به يکديگر توسط گرم کردن محل‌هاي تماس تا حالت ذوب يا خميري است که اتم‌هاي هر دو قطعه فلز درمنطقه جوش در هم نفوذ کرده، پس از سرد شدن اتصال محکم ايجاد مي‌نمايند.

براي ايجاد حالت ذوب يا خميري، انرژي‌هاي الکتريکي و شيميايي به‌عنوان منابع حرارت بکاربرده مي‌شوند.

براي تامين اين انرژي‌ها از ژنراتور يا اشتعال مخلوطي ازگازهاي سوختني نظير استيلن، هيدروژن، گازهاي طبيعي، بخار بنزين، بنزول و اکسيژن استفاده مي‌گردد. بسته به نوع جوشکاري، به ابزار ديگري نظير الکترود، انبرجوشکاري، ماسک، مشعل، کپسول گاز، ميز کار، پرده‌هاي حفاظتي و غيره نيازمي‌باشد. الکترود، مفتول فلزي مي‌باشد که جنس آن به نوع فلز جوش‌دادني بستگي دارد.

اطراف اين مفتول، ازترکيبات شيميايي مختلف پوشيده شده است تا ازنفوذ اکسيژن، ازت، هيدروژن به منطقه ذوب يا خميري جلوگيري کنند. فلزات مصرفي درالکترودها عموما انواع فولادها، چدن‌ها و فلزات غير آهني مانندمس،برنج،برنز و آلومينيم مي‌باشند. جوشکاري و لحيم‌کاري ازهنرهاي قديمي محسوب مي‌شوند و در زمان هاي گذشته توسط روميان براي اتصال ذرات طلا درزيور آلات بکار گرفته مي‌شدند.

امروزه روش هاي جوشکاري متعددي در صنعت بکاربرده مي‌شود که به چهار گروه جوشکاري فشاري، جوشکاري ذوبي، جوشکاري زرد و لحيم‌کاري تقسيم مي‌شوند. برخي از مهمترين اين روش ها عبارتند از: جوش با قوس الکتريکي، جوش گاز، جوش آهنگري، جوش القايي، جوش مقاومتي، جوش سيلاني و لحيم سخت و نرم.

ماشين‌کاري

فرآيند ماشين‌کاري عبارت از شکل دادن مواد توسط تراوش و برش مي‌باشد. اين عمل بوسيله ابزارها و ماشين‌هاي تراوش و برش انجام مي‌گيرد. مقدارقشري که از قطعه اوليه برداشته مي‌شود تا قطعه صيقلي و نهايي ايجاد گردد، اصطلاحا تراوش خورمي‌نامند. به‌منظور رعايت مسائل اقتصادي، مقدار تراوش خور بايدحداقل باشد تا مصرف فلز و هزينه‌هاي تراشکاري کاهش يابد.

در برش‌کاري(قيچي‌کاري) نيز براي برش و جدا کردن فلز از دو نيروي متقابل استفاده مي‌شود. اين نيروها، توسط دو تيغه (با فاصله از يکديگر) اعمال مي‌شوند که با نيروي کافي موجباز هم‌گسيختگي و شکسته شدن فلز مي‌گردند. در ماشين‌کاري قطعات، بر حسب نوع کار ازماشين‌هاي تراوش، فرز، مته صفحه تراش، کله‌زني، سنگ زني، تيز کاري و سوراخ‌کناستفاده مي‌شود که معمولا اين قطعات، خود محصول فرآيندهاي ريخته‌گري ، آهنگري ،نورد و غيره مي‌باشند.

ماشين‌کاري فلز با وسايل تخليه الکتريکي پر فرکانس نيز فرآِيند نسبتاً جديد است که به ميزان وسيعي بکار گرفته مي‌شود. اين روش، براي ماشين‌کاري اشکال پيچيده و بريدن مقاطع نازک از نيمه‌هادي‌ها و آلياژهاي وسايل فضايي بکار مي‌رود.

جمع بندي

با جمع بندي مطالب ذکر شده مي‌توان چنين نتيجه گرفت که تقريباً غيرممکن است تصور کنيم هر شيئي که در زندگي روزمره بکار مي‌بريم، حاوي فلز نبوده، يانيازي به فلز براي ساخت و توليد آن نباشد. کليه اشکال حمل و نقل، شامل اتومبيل،کشتي، هواپيما و قطار براي حرکت فلزات يا اجزا فلزي نيازمند مي‌باشند و تقريبا همه چيز از آسمان‌خراش‌ها، ابزارها، ماشين‌آلات و غيره تا توزيع الکتريسيته به فلزات وابسته است. به‌عبارت ديگر، امروزه متالورژي در کليه صنايع نقش ايفا مي‌کند. لذابراي پيشرفت در تمامي صنايع، کسب دانش وسيع و عميقي از مواد، فرآيندها و ابزارهاي لازم براي تبديل مواد به محصولات تمام شده، ضروري است.