Metalurji
Metalurji, metalik elementlerin, metaller arası bileşiklerin ve alaşım olarak bilinen karışımlarının fiziksel ve kimyasal davranışlarını inceleyen bir malzeme bilimi ve mühendisliği alanıdır. Metalurji, metallerin hem bilimini hem de teknolojisini kapsar; yani, bilimin metallerin üretimine uygulanma şekli ve hem tüketiciler hem de üreticiler için ürünlerde kullanılan metal bileşenlerin mühendisliği. Metalurji, metal işleme zanaatından farklıdır. Metal işleme, tıp biliminin teknik ilerleme için tıp bilimine dayanmasına benzer bir şekilde metalürjiye dayanır. Metalürjinin uzman uygulayıcısı metalürjist olarak bilinir. ⓘ
Metalurji bilimi ayrıca iki geniş kategoriye ayrılır: kimyasal metalurji ve fiziksel metalurji. Kimyasal metalurji esas olarak metallerin indirgenmesi ve oksidasyonu ve metallerin kimyasal performansı ile ilgilidir. Kimyasal metalurjinin çalışma konuları arasında mineral işleme, metallerin çıkarılması, termodinamik, elektrokimya ve kimyasal bozulma (korozyon) yer alır. Buna karşılık, fiziksel metalurji metallerin mekanik özelliklerine, metallerin fiziksel özelliklerine ve metallerin fiziksel performansına odaklanır. Fiziksel metalurjide incelenen konular arasında kristalografi, malzeme karakterizasyonu, mekanik metalurji, faz dönüşümleri ve arıza mekanizmaları yer alır. ⓘ
Tarihsel olarak, metalurji ağırlıklı olarak metallerin üretimine odaklanmıştır. Metal üretimi, metali çıkarmak için cevherlerin işlenmesiyle başlar ve alaşım yapmak için metallerin karışımını içerir. Metal alaşımları genellikle en az iki farklı metalik elementin bir karışımıdır. Bununla birlikte, bir uygulamaya uygun özellikler elde etmek için alaşımlara genellikle metalik olmayan elementler eklenir. Metal üretimi çalışmaları demir metalurjisi (siyah metalurji olarak da bilinir) ve demir dışı metalurji (renkli metalurji olarak da bilinir) olarak ikiye ayrılır. Demir metalurjisi demire dayalı süreçleri ve alaşımları içerirken, demir dışı metalurji diğer metallere dayalı süreçleri ve alaşımları içerir. Demir içeren metallerin üretimi dünya metal üretiminin %95'ini oluşturmaktadır. ⓘ
Modern metalürji uzmanları, malzeme bilimciler ve diğer mühendislerle birlikte disiplinler arası bir ekibin parçası olarak hem gelişmekte olan hem de geleneksel alanlarda çalışırlar. Bazı geleneksel alanlar arasında mineral işleme, metal üretimi, ısıl işlem, arıza analizi ve metallerin birleştirilmesi (kaynak, lehimleme ve lehimleme dahil) yer alır. Metalürji uzmanları için gelişmekte olan alanlar arasında nanoteknoloji, süper iletkenler, kompozitler, biyomedikal malzemeler, elektronik malzemeler (yarı iletkenler) ve yüzey mühendisliği yer almaktadır. Yüksek fırın, dökme demir, hidrolikle çalışan çekiçler ve çift etkili piston körükleri gibi metalürjiyle ilişkili veya metalürjiye dahil olan birçok uygulama, uygulama ve cihaz eski Çin'de kurulmuştur. ⓘ
Öte yandan malzeme mühendisliği, metallerle birlikte seramikleri (porselen, fayans, tuğla, kiremit, cam, ateş tuğlası, refrakter malzemeler, özel sermetler vb. malzemeleri), organik yapı malzemelerini (bilhassa polimerler gibi plastikleri, kauçuk maddesini), çimento, ahşap, fiber ve kompozit malzemeleri, elektrik-elektronik ve manyetik malzemelerini, dişçilik ve tıpta kullanılan malzemeleri, yakıt malzemelerini ve bunların özelliklerinin geliştirilmesini ve üretimini inceleyen bilim dalıdır. ⓘ
Etimoloji ve telaffuz
Metalurji, Eski Yunanca μεταλλουργός, metallourgós, "metal işçisi", μέταλλον, métallon, "maden, metal" + ἔργον, érgon, "iş" sözcüklerinden türemiştir. Sözcük aslen bir simyacının minerallerden metallerin çıkarılması için kullandığı bir terimdi, -urgy eki bir süreci, özellikle de üretimi ifade ediyordu: Bu anlamda 1797 Encyclopædia Britannica'da ele alınmıştır. 19. yüzyılın sonlarında metaller, alaşımlar ve ilgili süreçlerin daha genel bilimsel çalışmasını kapsayacak şekilde genişletilmiştir. İngilizcede /mɛˈtælərdʒi/ telaffuzu Birleşik Krallık ve Commonwealth'te daha yaygın olanıdır. ABD'de /ˈmɛtəlɜːrdʒi/ telaffuzu daha yaygındır ve çeşitli Amerikan sözlüklerinde (örneğin, Merriam-Webster Collegiate, American Heritage) ilk listelenen varyanttır. ⓘ
Metalurji tarihi
İnsanlar tarafından kullanıldığı kaydedilen en eski metal, serbest veya "doğal" olarak bulunabilen altın gibi görünmektedir. İspanya'da geç Paleolitik döneme, MÖ 40.000 yılına tarihlenen mağaralarda az miktarda doğal altın bulunmuştur. Gümüş, bakır, kalay ve meteorik demir de doğal halde bulunabilmekte ve erken kültürlerde sınırlı miktarda metal işlemeye olanak sağlamaktadır. Başta kalay, kurşun ve daha yüksek sıcaklıkta bakır olmak üzere bazı metaller, eritme olarak bilinen bir işlemle, kayaların ateşte ya da yüksek fırında ısıtılmasıyla cevherlerinden elde edilebilmektedir. MÖ 5. ve 6. bin yıllara tarihlenen bu maden çıkarma metalürjisinin ilk kanıtları, günümüz Sırbistan'ında Majdanpek, Jarmovac ve Pločnik'teki arkeolojik alanlarda bulunmuştur. Bugüne kadar bakır eritme işlemine dair en eski kanıtlar Plocnik yakınlarındaki Belovode bölgesinde bulunmuştur. Bu alanda MÖ 5.500'lerden kalma Vinča kültürüne ait bir bakır balta bulunmuştur. ⓘ
Kurşunun en erken kullanımı, Irak'taki Yarim Tepe ve Arpachiyah'ın geç neolitik yerleşimlerinde belgelenmiştir. Eserler, kurşun eritmenin bakır eritmeden önce yapıldığını göstermektedir. ⓘ
Bakır eritme işlemi de bu yerleşimde yaklaşık aynı zaman diliminde (MÖ 6.000'den hemen sonra) belgelenmiştir, ancak kurşun kullanımı bakır eritme işleminden önce gelmiş gibi görünmektedir. Erken metalürji, daha da erken bir tarihe ait olduğu düşünülen ve bu çanak çömlekten tamamen yoksun olan yakındaki Tell Maghzaliyah'da da belgelenmiştir. Balkanlar, Butmir, Vinča, Varna, Karanovo ve Hamangia gibi önemli Neolitik kültürlere ev sahipliği yapmıştır. ⓘ
Bulgaristan'daki Varna Nekropolü, Varna'nın batı sanayi bölgesinde (şehir merkezine yaklaşık 4 km uzaklıkta) bulunan ve uluslararası alanda dünya tarih öncesinin en önemli arkeolojik alanlarından biri olarak kabul edilen bir mezarlık alanıdır. MÖ 4.600 ile MÖ 4.200 yılları arasına tarihlenen dünyanın en eski altın hazinesi bu alanda keşfedilmiştir. Yakın zamanda Varna yakınlarındaki Durankulak'ta bulunan MÖ 4.500'den kalma altın parça da bir diğer önemli örnektir. Palmela (Portekiz), Los Millares (İspanya) ve Stonehenge (Birleşik Krallık) gibi yerlerde M.Ö. üçüncü binyıldan kalma başka erken metal izlerine rastlanmıştır. Bununla birlikte, nihai başlangıçlar net olarak tespit edilememektedir ve yeni keşifler hem sürekli hem de devam etmektedir. ⓘ
Yakın Doğu'da, M.Ö. 3.500 yıllarında, bakır ve kalayın bir araya getirilmesiyle bronz adı verilen üstün bir metal alaşımının yapılabileceği keşfedilmiştir. Bu, Bronz Çağı olarak bilinen büyük bir teknolojik değişimi temsil ediyordu. ⓘ
Demirin cevherinden işlenebilir bir metal haline getirilmesi bakır ya da kalaya kıyasla çok daha zordur. Süreç, Demir Çağı'nın başlangıcı olan MÖ 1200 yıllarında Hititler tarafından icat edilmiş gibi görünmektedir. Demiri çıkarmanın ve işlemenin sırrı Filistlilerin başarısında önemli bir faktördü. ⓘ
Demir metalürjisindeki tarihsel gelişmeler çok çeşitli geçmiş kültür ve uygarlıklarda bulunabilir. Bunlar arasında Orta Doğu ve Yakın Doğu'nun antik ve ortaçağ krallıkları ve imparatorlukları, antik İran, antik Mısır, antik Nubia ve Anadolu (Türkiye), antik Nok, Kartaca, antik Avrupa'nın Yunanlıları ve Romalıları, ortaçağ Avrupası, antik ve ortaçağ Çin'i, antik ve ortaçağ Hindistan'ı, antik ve ortaçağ Japonya'sı ve diğerleri yer almaktadır. Yüksek fırın, dökme demir, hidrolikle çalışan çekiçler ve çift etkili pistonlu körüklerin icadı gibi metalürjiyle ilişkili veya metalürjiye dahil olan birçok uygulama, uygulama ve cihaz antik Çin'de kurulmuştur. ⓘ
16. yüzyılda Georg Agricola tarafından yazılan De re metallica adlı kitapta, dönemin metal cevheri çıkarma, metal çıkarma ve metalürji gibi son derece gelişmiş ve karmaşık süreçleri anlatılmaktadır. Agricola "metalürjinin babası" olarak tanımlanmıştır. ⓘ
Ekstraksiyon
Ekstraktif metalurji, bir cevherden değerli metallerin çıkarılması ve çıkarılan ham metallerin daha saf bir forma rafine edilmesi uygulamasıdır. Bir metal oksit veya sülfürü daha saf bir metale dönüştürmek için cevherin fiziksel, kimyasal veya elektrolitik olarak indirgenmesi gerekir. Ekstraktif metalürji uzmanları üç ana akışla ilgilenir: besleme, konsantre (metal oksit/sülfür) ve atık (atık). ⓘ
Madencilikten sonra, cevher beslemesinin büyük parçaları, her bir parçacığın çoğunlukla değerli veya çoğunlukla atık olduğu yeterince küçük parçacıklar elde etmek için kırma veya öğütme yoluyla kırılır. Değerli parçacıkların ayrıştırmayı destekleyen bir biçimde yoğunlaştırılması, istenen metalin atık ürünlerden çıkarılmasını sağlar. ⓘ
Cevher kütlesi ve fiziksel çevre liç işlemine elverişli ise madencilik gerekli olmayabilir. Liç işlemi bir cevher kütlesindeki mineralleri çözer ve zenginleştirilmiş bir çözelti ortaya çıkarır. Çözelti toplanır ve değerli metalleri çıkarmak için işlenir. Cevher kütleleri genellikle birden fazla değerli metal içerir. ⓘ
Önceki bir işlemin atıkları, orijinal cevherden ikincil bir ürün elde etmek için başka bir işlemde besleme olarak kullanılabilir. Ayrıca, bir konsantre birden fazla değerli metal içerebilir. Bu konsantre daha sonra değerli metalleri ayrı bileşenlere ayırmak için işlenecektir. ⓘ
Metal ve alaşımları
Yaygın mühendislik metalleri arasında alüminyum, krom, bakır, demir, magnezyum, nikel, titanyum, çinko ve silikon bulunur. Bu metaller, silisyum haricinde çoğunlukla alaşım olarak kullanılır. ⓘ
Çelikleri ve dökme demirleri içeren demir - karbon alaşım sistemini anlamak için çok çaba sarf edilmiştir. Sade karbon çelikleri (alaşım elementi olarak esasen sadece karbon içerenler), ne ağırlığın ne de korozyonun önemli bir endişe kaynağı olmadığı düşük maliyetli, yüksek mukavemetli uygulamalarda kullanılır. Sfero döküm de dahil olmak üzere dökme demirler de demir-karbon sisteminin bir parçasıdır. Demir-Manganez-Krom alaşımları (Hadfield tipi çelikler) da yönlü sondaj gibi manyetik olmayan uygulamalarda kullanılır. ⓘ
Paslanmaz çelik, özellikle östenitik paslanmaz çelikler, galvanizli çelik, nikel alaşımları, titanyum alaşımları veya bazen bakır alaşımları, korozyona karşı direncin önemli olduğu yerlerde kullanılır. ⓘ
Alüminyum alaşımları ve magnezyum alaşımları, otomotiv ve havacılık uygulamalarında olduğu gibi hafif ve güçlü bir parça gerektiğinde yaygın olarak kullanılır. ⓘ
Bakır-nikel alaşımları (Monel gibi) yüksek korozif ortamlarda ve manyetik olmayan uygulamalar için kullanılır. ⓘ
Inconel gibi nikel bazlı süper alaşımlar gaz türbinleri, turboşarjlar, basınçlı kaplar ve ısı eşanjörleri gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. ⓘ
Aşırı yüksek sıcaklıklarda, sürünmeyi en aza indirmek için tek kristal alaşımlar kullanılır. Modern elektronikte, metal-oksit-silikon transistörler (MOS) ve entegre devreler için yüksek saflıkta tek kristal silikon gereklidir. ⓘ
Üretim
Üretim mühendisliğinde metalurji, tüketici veya mühendislik ürünlerinde kullanılmak üzere metalik bileşenlerin üretimi ile ilgilidir. Bu, alaşımların üretimini, şekillendirmeyi, ısıl işlemi ve ürünün yüzey işlemini içerir. ⓘ
Rockwell, Vickers ve Brinell sertlik ölçeklerini kullanarak metalin sertliğini belirlemek, farklı uygulamalar ve üretim süreçleri için metalin esnekliğini ve plastisitesini daha iyi anlamaya yardımcı olan yaygın olarak kullanılan bir uygulamadır. ⓘ
Metalürji uzmanının görevi maliyet, ağırlık, mukavemet, tokluk, sertlik, korozyon, yorulma direnci ve aşırı sıcaklıklarda performans gibi malzeme özellikleri arasında denge sağlamaktır. Bu hedefe ulaşmak için çalışma ortamı dikkatle değerlendirilmelidir. ⓘ
Tuzlu su ortamında, demir içeren metallerin çoğu ve demir içermeyen bazı alaşımlar hızla korozyona uğrar. Soğuk veya kriyojenik koşullara maruz kalan metaller süneklikten kırılganlığa geçiş yapabilir ve tokluklarını kaybederek daha kırılgan ve çatlamaya eğilimli hale gelebilir. Sürekli döngüsel yükleme altındaki metaller metal yorgunluğundan muzdarip olabilir. Yüksek sıcaklıklarda sürekli gerilim altındaki metaller sünebilir. ⓘ
Metal işleme süreçleri
Metaller aşağıdaki gibi süreçlerle şekillenir
- Döküm - erimiş metal şekillendirilmiş bir kalıba dökülür.
- Dövme - kızgın bir kütük dövülerek şekillendirilir.
- Haddeleme - bir kütük, bir tabaka oluşturmak için birbirini izleyen daha dar silindirlerden geçirilir.
- Ekstrüzyon - sıcak ve şekillendirilebilir bir metal, soğumadan önce şekillendiren bir kalıptan basınç altında geçirilir.
- İşleme - tornalar, freze makineleri ve matkaplar soğuk metali keserek şekillendirir.
- Sinterleme - toz halindeki metal bir kalıba sıkıştırıldıktan sonra oksitleyici olmayan bir ortamda ısıtılır.
- İmalat - metal levhalar giyotinler veya gazlı kesicilerle kesilir ve bükülerek yapısal şekle kaynaklanır.
- Lazer kaplama - metal tozu hareketli bir lazer ışını (örneğin NC 5 eksenli bir makineye monte edilmiş) aracılığıyla üflenir. Ortaya çıkan erimiş metal, bir eriyik havuzu oluşturmak için bir alt tabakaya ulaşır. Lazer kafasını hareket ettirerek parçaları istiflemek ve üç boyutlu bir parça oluşturmak mümkündür.
- 3D baskı - Herhangi bir nesneyi şekillendirmek için amorf toz metalin 3D bir alanda sinterlenmesi veya eritilmesi. ⓘ
Ürünün şeklinin haddeleme, fabrikasyon veya diğer işlemlerle değiştirildiği soğuk işleme süreçleri, ürün soğukken, iş sertleştirme adı verilen bir işlemle ürünün mukavemetini artırabilir. İş sertleşmesi, metalde daha fazla şekil değişikliğine direnç gösteren mikroskobik kusurlar yaratır. ⓘ
Endüstride ve akademide çeşitli döküm biçimleri mevcuttur. Bunlar arasında kum döküm, hassas döküm (kayıp mum işlemi olarak da adlandırılır), basınçlı döküm ve sürekli dökümler yer alır. Bu formların her biri, manyetizma ve korozyon gibi faktörler göz önüne alındığında belirli metaller ve uygulamalar için avantajlara sahiptir. ⓘ
Isıl işlem
Metaller, mukavemet, süneklik, tokluk, sertlik ve korozyona karşı direnç özelliklerini değiştirmek için ısıl işleme tabi tutulabilir. Yaygın ısıl işlem süreçleri arasında tavlama, çökelme ile güçlendirme, su verme ve temperleme yer alır. ⓘ
Tavlama işlemi metali ısıtarak yumuşatır ve ardından çok yavaş soğumasına izin verir, bu da metaldeki gerilimlerden kurtulur ve tane yapısını büyük ve yumuşak kenarlı hale getirir, böylece metal vurulduğunda veya gerildiğinde kırılmak yerine ezilir veya belki de bükülür; ayrıca tavlanmış metali zımparalamak, taşlamak veya kesmek daha kolaydır. ⓘ
Su verme, metalin ısıtıldıktan sonra çok hızlı bir şekilde soğutulması ve böylece metal moleküllerinin çok sert martensit formunda "dondurulması" işlemidir, bu da metali daha sert hale getirir. ⓘ
Temperleme, metalde sertleştirme işleminin neden olduğu gerilimleri azaltır; temperleme metali daha az sert hale getirirken kırılmadan darbelere daha iyi dayanmasını sağlar. ⓘ
Genellikle mekanik ve ısıl işlemler, daha iyi özellikler ve malzemelerin daha verimli işlenmesi için termo-mekanik işlemler olarak bilinen işlemlerde birleştirilir. Bu işlemler yüksek alaşımlı özel çelikler, süper alaşımlar ve titanyum alaşımları için yaygındır. ⓘ
Kaplama
Elektrokaplama kimyasal bir yüzey işleme tekniğidir. Altın, gümüş, krom veya çinko gibi başka bir metalin ince bir tabakasının ürünün yüzeyine yapıştırılmasını içerir. Bu, iş parçasını kaplayacak malzeme olan kaplama malzemesi elektrolit çözeltisi (altın, gümüş, çinko) seçilerek yapılır. Farklı malzemelerden iki elektrot olması gerekir: biri kaplama malzemesi ile aynı malzeme ve diğeri kaplama malzemesini alan malzeme. İki elektrot elektriksel olarak yüklenir ve kaplama malzemesi iş parçasına yapıştırılır. Korozyonu azaltmanın yanı sıra ürünün estetik görünümünü iyileştirmek için kullanılır. Ayrıca ucuz metallerin daha pahalı metaller (altın, gümüş) gibi görünmesini sağlamak için de kullanılır. ⓘ
Shot peening
Shot peening, metal parçaları bitirmek için kullanılan bir soğuk işleme prosesidir. Shot peening işleminde, bitirilecek parçanın yüzeyine küçük yuvarlak bilyeler püskürtülür. Bu işlem, parçanın ürün ömrünü uzatmak, gerilme korozyonu arızalarını önlemek ve ayrıca yorulmayı önlemek için kullanılır. Bilya, yüzeyde çekiç gibi küçük çukurlar bırakır ve bu da çukurun altında sıkıştırma gerilimine neden olur. Bilya malzemesi malzemeye tekrar tekrar çarptıkça, işlenen parça boyunca üst üste binen birçok çukur oluşturur. Malzemenin yüzeyindeki sıkıştırma gerilimi parçayı güçlendirir ve yorulma arızasına, gerilme arızalarına, korozyon arızasına ve çatlamaya karşı daha dirençli hale getirir. ⓘ
Termal püskürtme
Termal püskürtme teknikleri bir diğer popüler sonlandırma seçeneğidir ve genellikle elektroliz kaplamalara göre daha iyi yüksek sıcaklık özelliklerine sahiptir. Sprey kaynak işlemi olarak da bilinen termal püskürtme, bir ısı kaynağı (alev veya başka) ve toz veya tel formunda olabilen bir kaplama malzemesinden oluşan, eritildikten sonra yüksek bir hızda işlem gören malzemenin yüzeyine püskürtülen endüstriyel bir kaplama işlemidir. Püskürtme işlemi HVOF (Yüksek Hızlı Oksijen Yakıtı), plazma spreyi, alev spreyi, ark spreyi ve metalize etme gibi birçok farklı isimle bilinir. ⓘ
Karakterizasyon
Metalurji uzmanları, Henry Clifton Sorby tarafından icat edilen bir teknik olan metalografiyi kullanarak metallerin mikroskobik ve makroskobik yapısını inceler. ⓘ
Metalografide, ilgilenilen bir alaşım düz bir şekilde taşlanır ve ayna yüzeyine kadar parlatılır. Numune daha sonra metalin mikro yapısını ve makro yapısını ortaya çıkarmak için kazınabilir. Numune daha sonra bir optik veya elektron mikroskobunda incelenir ve görüntü kontrastı bileşim, mekanik özellikler ve işleme geçmişi hakkında ayrıntılar sağlar. ⓘ
Genellikle x-ışınlarının veya elektronların kırınımını kullanan kristalografi, modern metalürjist için mevcut olan bir başka değerli araçtır. Kristalografi bilinmeyen malzemelerin tanımlanmasını sağlar ve numunenin kristal yapısını ortaya çıkarır. Kantitatif kristalografi, mevcut fazların miktarının yanı sıra bir numunenin maruz kaldığı gerinim derecesini hesaplamak için kullanılabilir. ⓘ
Metalurji dalları
- Demir metalurjisi
- Demir dışı metalurji
- Fiziksel metalurji
- Biyohidrometalurji
- Karbonil metalurjisi
- Kimyasal metalurji
- Deneysel arkeometalurji
- Ekstraktif metalurji
- Jeometalurji
- Arkeometalurji
- Hidrometalurji
- İyonometalurji
- Metalografi
- Nanoteknolojik metalurji
- Demir dışı ekstraktif metalurji
- Pirometalurji
- Uranyum metalurjisi
- Vakum metalurjisi ⓘ