Metalurgija

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Mikrostruktura bronze koja pokazuje dendritička (u obliku jelke) kristalna zrna.
Zlatna traka oko glave iz antičke Tebe (Grčka), 750—700. p. n. e.
Fridrih Erdman von Menzel: Livnica (oko 1875. g.) ulje na platnu
Bronzano oružje i oruđe pronađeno u Rumuniji.
Tutankamonova zlatna posmrtna maska
Čelični liv nakon 12 sati toplotne obrade na temperaturi od 1 200 °C (Goodwin Steel Castings Ltd. - Ujedinjeno kraljevstvo).
Različito otvrdnjavanje japanskog samurajskog mača katane. Svetle talasaste linije (nioi) odvajaju martenzitne krajeve od perlitne osnove.
Kovač.
Metalografija omogućuje proučavanje mikrostrukture metala i kristalnih zrna.
Mikroskop.

Metalurgija je nauka o metalima i postupcima za dobijanje i preradu metala i njihovih jedinjenja iz ruda, soli, i otpadnih materijala, a isto tako i grana industrije. Metalurgija obuhvata rafinaciju, proizvodnju legura, uobličavanje, oplemenivanje, kao i proučavanje strukture, sastava i osobina metala. Po vrsti metala koji se proizvode deli se na crnu (dobijanje željeza i čelika) i metalurgiju obojenih metala (dobijanje svih ostalih metala).[1] Razlikuje se ekstraktivna i prerađivačka metalurgija.

Iako u Zemljinoj kori postoji obilna količina metala, velika većina njih se ne nalazi u obliku pogodnom za ljudsku upotrebu. Oni se, naime, nalaze kombinovani s atomima nemetala u različitim jedinjenjima, kao što su sulfidi, oksidi, karbonati itd. Prvi korak u dobijanju metala u upotrebljivom obliku je oslobađanje metala iz njegovih jedinjenja. Tim područjem bavi se ekstraktivna metalurgija. Ali čak i nakon topljenja, rafinacije i legiranja, metal je samo delomično podesan za konačnu upotrebu.

Metali, koji se svakodnevno koriste, kao npr. grlo sijalice, opruga, svrdlo itd, imaju poseban oblik. Tim područjem – oblikovanjem metala – bavi se mehanička metalurgija. Pritom, za njihovo oblikovanje ona koristi brojne postupke kao što su valjanje, presovanje, kovanje, izvlačenje itd. Ponekad ogromne mašine, teške i više tona, daju metalnim predmetima, kao npr. željezničkim šinama, cevima i limovima konačan oblik.

Fizička metalurgija se bavi kontrolom procesa uz pomoć različitih metoda i testova. Ona istražuje važne teorijske i praktične principe ponašanja metala kod različitih uslova upotrebom metoda fizike, hemije, termodinamike itd. Time se ujedno postižu i optimalni proizvodni parametri za željeni kvalitet i oblik. Fizička metalurgija ispituje takođe unutarnju strukturu čvrstih metala, koja umnogome određuje mehanička i druga svojstva, te otvara mogućnost njihovog predviđanja i planiranja. Istražuje i objašnjava ravnotežne i neravnotežne dijagrame stanja metala, te principe legiranja koji uz teorijsko značenje nalaze i direktnu primenu u praksi.

Podela metalurgije[uredi]

Metalurgija se može podeliti na više načina u zavisnoti od procesa:

  • prema tehnološkom procesu:
    • pirometalurgija (topljenje pri visokim temperaturama)
    • hidrometalurgija (izvlačenje metala iz sirovina pomoću vodenih rastvora)
    • elektromelaturgija (elektrometalurška prerada rude)
      • elektrotermička (crni metali)
      • elektrohemijska (obojeni metali)

Najpoznatija i najčešća podela metalurgije je na:

Istorija[uredi]

Istorija ljudskog roda najuže je povezana s razvojem materijala.[2][3] Upravo su različiti materijali, koji su pretežno bili upotrebljavani u pojedinim epohama, obilježili čitave civilizacije. Po njima su i velika istorijska razdoblja dobila svoje ime: kameno doba, bakarno doba, bronzano doba, gvozdeno doba. S vremenom su se materijali za izradu alata i oružja, a potom i raznovrsnih naprava, te konačno i mašina, sve više usavršavali. Ljudi su naučili da menjaju njihova svojstva prilagođavajući ih sve složenijim zahtevima, ali i obrnuto: poboljšanje, a ponekad i skokovita promena, svojstava materijala omogućavali su realizaciju sasvim novih tehničkih rešenja i proizvoda. Među raznovrsnim svojstvima materijala naročito mesto zauzimaju mehanička svojstva. Ona uslovljavaju čvrstoću, krutost, integritet, a uveliko i trajnost predmeta.

Sve donedavno znanje o materijalima – njihovoj proizvodnji, obradi, svojstvima, ali i primeni – sticalo se uglavnom iskustveno. Često se radilo i o svojevrsnoj alhemiji, a slučaj je igrao važnu ulogu u otkrivanju novih materijala i njihovom unapređenju.[4] Tek od 19. veka na ovamo, sustavna istraživanja na području fizike i hemije, dovela su do utemeljenja interdisciplinarne nauke o materijalima, koja se tom problematikom bavi na naučnoj osnovi.[5]

Bakarno doba[uredi]

Čovek je nesumljivo počeo da upotrebljava samorodne metale bakar, srebro i zlato,[6] te meteorsko (telurno) “željezo” najkasnije oko 5500. p. n. e.[7] U to vreme Egipćani su izrađivali i upotrebljavali ukrasne bakrene kuglice, a njihovi vladari kupali su se u vodi, koja se dovodila bakrenim cevima iz reke Nila do privatnih bazena. Radi poređenja treba napomenuti, da je čovek počeo da obrađuje polja oko 6000. p. n. e., u području gorja Elbrus i Persijskog zaliva, a u srednjoj Evropi negde oko 4000. p. n. e.

Zlato je sigurno prvi samorodni metal koji se upotrebljavao zbog svoje lepote i postojanosti. Grumenčići zlata sakupljeni na obalama reka, prerađivali su se i oblikovali najčešće u ukrasne predmete. Već vrlo rano, oko 5000. p. n. e, znalo se da bakar kovanjem očvršćava, a zagrevanjem omekšava. Za razliku od bakra, zlato kovanjem slabo očvršćava, pa je bilo nepodesno za izradu alata. Nije stoga začuđujuće, da su u starom Egiptu neko vreme bakar i srebro bili skuplji od zlata. Srebro se takođe upotrebljavalo za izradu nakita, ali u mnogo manjim količinama od zlata. Smatra se, da su kovači zlata bili prvi „metalurzi“, kao što pokazuju najstariji arheološki nalazi iz Egipta, Iraka i s ostrva Krita, a da se najraniji začeci metalurgije mogu naći na području slivova tri reke: Nila, Tigrisa i Inda.

Prvo dobijanje metala iz ruda vezano je najverojatnije uz dobijanje bakra. Naime, jedan od njegovih lepih minerala, zelenkasti malahit, mogao se redukovati u bakar na temperaturi od oko 700 - 800 ºC , koja se postizala u primitivnim lončastim pećima. Temperatura logorske vatre od oko 600 - 650 ºC za tu svrhu nije bila dovoljna. Ova pretpostavka je potvrđena s odgovarajućim nalazima na području gorja Elbrus u Armeniji, datiranim negde oko 4300. p. n. e. Oko 4000. p. n. e. bakar se dobijao iz svojih ruda u celoj zapadnoj Aziji, a već oko 3800. p. n. e. i u celom „starom svetu“. Srednja Evropa ulazi u bakreno doba negde oko 2200. p. n. e, dok je područje Engleske direktno iz kamenog doba ušlo u bronzano doba, preskočivši bakreno doba.

Interesantno je spomenuti, kako neki autori smatraju, da je u „starom svetu“, u razdoblju od 2800. do 1300. p. n. e, bilo proizvedeno ukupno oko 10 000 tona bakra, što znači, uzimajući prosek, oko 6,5 tona po godini.

Bronzano doba[uredi]

Vrlo rano, najvjerojatnije slučajno, nastala su i prva legiranja metala. Rude metala retko se pojavljuju čiste, jer su uglavnom već pomešane s rudama drugih metala, te prilikom njihove redukcije ne nastaje čisti metal nego legura. To se prvenstveno odnosi na bakar i kalaj, čija legura se naziva bronza. Bronza se upotrebljavala vrlo rano, jer je imala bolja mehanička svojstva od samog bakra.

Olovo se dobijalo iz rude, verojatno galenita (PbS), već oko 3500. p. n. e. Postupak dobivanja olova putem tzv. „koštanog pepela“, poznat je već 2500. p. n. e. Olovo se moglo lako dobiti iz galenita, oksidacijskim prženjem, te redukcijom oksida uz dovoljnu količinu uglja, već na temperaturi od oko 600 ºC.

Srebro se dobijalo uglavnom kao ostatak kod dobivanja olova, a retko iz inače relativno čestog minerala AgCl (cerargirita). Za dobijanje zlata iz ruda i načine njegovog livenja znalo se oko 3000. p. n. e, dok se prvi postupak obogaćivanja rude primenjivao u Egiptu oko 2000. p. n. e. Amalgamski postupak dobijanja zlata uz upotrebu žive bio je poznat oko 500. p. n. e.

Gvozdeno doba[uredi]

Meteorsko (telurno) željezo upotrebljavalo se već vrlo rano. Faraon Tutankamon, koji je živeo oko 2800. p. n. e, poznavao je gvožđe. U grobu jednog kasnijeg faraona (oko 1350. p. n. e.) pronađen je željezni naslonjač za glavu. Željezo se počelo da se dobija iz ruda, najverojatnije hematita (Fe2O3), oko 1500. p. n. e, najpre u Anatoliji, današnjoj Maloj Aziji, kao sunđerasto gvožđe. U to vreme, zbog nedovoljne temperature primitivnih peći, nije bilo moguće dobijanje livenog gvožđe, već je nastajalo sunđerasto gvožđe, koje se kovanjem pretvaralo u upotrebljiv metal. Nalazišta u Uru (Irak), te u Egiptu svedoče o ranom dobijanju gvožđa iz ruda. Gvožđe je u to vreme bilo neverovatno važan strateški materijal. Smatra se, da je pleme Hetita iz Male Azije postiglo svoju veliku vojnu moć upravo zbog rane proizvodnje gvozdenog oružja. U to je vreme cena gvožđa bila veća od cene zlata, a način njegovog dobijanja čuvao se kao najstroža tajna.[8]

Ekstraktivna metalurgija[uredi]

Prvi korak u dobijanju metala u upotrebljivom obliku je oslobađanje metala iz njegovih jedinjenja. Tim područjem bavi se ekstraktivna metalurgija. Ali čak i nakon topljenja, rafinacije i legiranja, metal je samo delomično podesan za konačnu upotrebu. Otprilike 75% hemijskih elemanata na Zemlji su metali. Prema raširenosti metala u Zemljinoj kori na prvom mestu je aluminijum (8,23%), dok na primer olovo, koje je vrlo važan metal, u Zemljinoj kori je zastupljeno oko 6500 puta manje od aluminijuma.

Rude (mineralne sirovine) su glavna sirovina za dobijanje metala. Korisni sadržaj metala u rudi vrlo je različit, a najmanji, ekonomski iskoristljiv sadržaj zavisan je od razvoja tehnologije dobijanja i različit je za razne metale. Tako na primer, željezne rude sadrže 50% do 60% željeza, dok se molibden (ima ga samo oko 0,01% u bakrenoj rudi) dobija se kao sporedni proizvod u metalurgiji bakra. Bakrena ruda sadrži samo oko 0,000005% renijuma, a ipak se njegova proizvodnja ekonomski isplati.

Procesna metalurgija obuhvaća izdvajanje metala, pročišćavanje, legiranje, livenje, oblikovanje, toplotnu obradu i spajanje metala, da bi se dobio poluproizvod ili gotov proizvod.[9]

Legura[uredi]

Livenje bronze

Legura je homogena smesa metala ili nemetala u metalu. Legure se prave se zbog postizanja određenih svojstava. Tako legure mogu imati veću tvrdoću, otpornost na koroziju ili bolja neka druga svojstva od metala od kojih su sastavljene.

Uobičajeni inženjerski metali su aluminijum, hrom, bakar, gvožđe, magnezijum, nikal, titanijum i cink. Oni se najčešće koriste kao legure. Znatni napori su uloženi u razumevanje sistema gvozdeno-ugljenične legure, koji obuhvata čelike i livena gvožđa. Obični ugljenični čelici (oni koji sadrže esencijalno samo ugljenik kao legirajući element) se koriste u vidovima primene koji zahtevaju nisku cenu i visoku jačinu, gde težina i korozija nisu problem. Liveno gvožđe, uključujući žilavi liv, su takođe deo sistema gvožđe-ugljenik.

Nerđajući čelik ili galvanisani čelik se koristi kad je otpornost na koroziju važna. Aluminijumske i magnezijumske legure se koriste za primene gde su jačina i lakoća neophodni.

Bakar-niklove legure (kao što je Monel) se koriste u visoko korozivnim sredinama i za nemagnetske primene. Na niklu bazirana superlegure kao što je inkonel se koriste pri visoko-temperaturnim aplikacijama kao što su gasne turbine, turbopunjači, Posude pod pritiskom, i razmenjivači toplote. Za ekstremno visoke temperature, jednokristalne legure se primenjuju da bi se minimizovalo puzanje.

Toplotna obrada[uredi]

Toplotna obrada je postupak delovanja temperature na materijal u svrhu menjanja njegove mikrostrukture i time menjanja njegovih svojstava. Toplotno se obrađuju najčešće čelici, ali neretko i drugi metali, te keramike (staklo). Najčešći razlozi za toplotnu obradu čelika su očvršćivanje (poboljšanje mehaničkih svojstava, posebno zatezna čvrstoća), povećanje žilavosti, povećanje duktilnosti i mogućnosti preoblikovanja, smanjenje unutrašnjih naprezanja, priprema za obradu rezanjem.

Toplotna se obrada obavlja:

  • pre oblikovanja komada plastičnom deformacijom i odvajanjem strugotine, da bi metal omekšao,
  • posle oblikovanja komada, da bi se uklonila zaostala naprezanja,
  • završno, za postizanje konačne čvrstoće i tvrdoće proizvoda.

Spajanje metala[uredi]

Spoj u mašinstvu može biti rastavljivi spoj ili nerastavljivi spoj. Rastavljivi spoj je takav spoj koji se može rastaviti bez razaranja ili oštećenja, a zatim ponovo sastaviti. Nerastavljiv spoj je takav spoj gde se sastavljeni delovi ne mogu rastaviti bez razaranja ili oštećenja.[10][8]

Mehanička metalurgija[uredi]

Mehanička metalurgija se bavi oblikovanjem metala i pritom za njihovo oblikovanje koristi brojne postupke kao što su valjanje, presovanje, kovanje, izvlačenje itd. Ponekad ogromne mašine, teške i više tona, daju metalnim predmetima, kao npr. željezničkim šinama, cevima i limovima konačan oblik.

Kovanje[uredi]

Kovanje je obrada materijala bez odvajanja čestica, kod koje se promena oblika i dimenzija vrši udarcima čekića ili bata po otkivku, koji je položen na nakovanj. Obrada je češće u toplom stanju, ali može biti i u hladnom stanju. Prema načinu na koji se obavlja preoblikovanje postoji ručno kovanje i mašinsko kovanje.

Ručno kovanje je postupak preoblikovanja materijala udarcima kovačkog čekića po otkivku. Otkivak se zagreje u kovačkoj vatri do belog sjaja. Kovačkim klještima se vadi iz vatre i polaže na nakovanj. Otkivak polako menja oblik i dimenzije pod udarcima čekića. Tačnost dimenzija, oblika, kvaliteta proizvoda i količina zavise isključivo od preciznosti i iskustva kovača.

Mašinsko kovanje je moderniji način kovanja, koji omogućava kovanje od najmanjih otkivaka do izuzetno velikih (do 580 tona). Dimenzije otkivka zavise samo od veličine mašine. Postupak može biti u toplom i hladnom stanju. Za kovanje u toplom stanju, u postupku proizvodnje potrebne su i kovačke peći.

Ručno ili mašinsko kovanje može biti:

  • slobodno kovanje ili
  • kovanje u ukovnjima (kalupima).

Metalurgija praha[uredi]

Metalurgija praha ili praškasta metalurgija (eng Powder Metallurgy - PM) je tehnologija proizvodnje mehaničkih konstrukcijskih i drugih delova od metalnih prahova. Pri tome se odvijaju dva procesa:

  • kompaktiranje – zbijanje metalnog praha u željeni oblik i
  • sinteriranje – povezivanje čestica praha u čvrstu masu.

Mehanička su svojstva proizvoda uglavnom jednaka, a nekim slučajevima i bolja od proizvoda istog hemijskog sastava koji su izrađeni rezanjem strugotine, valjanjem ili kovanjem. Osnovna su svojstva proizvoda praškaste metalurgije da se postiže mala površinska hrapavost (< 63 μm), velika tačnost dimenzija (< 0,125 mm) i proizvodnost je velika. Prema tome, postupci praškaste metalurgije konkurišu tradicionalnim mašinskim postupcima: skidanju strugotine, preciznom livenju, livenju pod pritiskom, kovanju u ukovnjima.

Fizička metalurgija[uredi]

Fizička metalurgija obuhvata kristalografiju, mehanička ispitivanja, određivanje fizičkih svojstava, metalografiju i mnoge druge naučne oblasti, koje se primenjuju pri ispitivanju metala, odnosno proizvoda od metala.

Metalografija[uredi]

Metalografija se bavi istraživanjem strukture metala i legura pomoću svetlosnog (metalografskog) i elektronskog mikroskopa. Makrostruktura je vidljiva golim okom ili uz malo povećanje. Mikrostruktura zahteva pomoć mikroskopa, a povećanje treba biti barem 25 puta. Metalografska analiza može dati podatke o sastavu materijala, prethodnoj obradi i svojstvima, posebno:

  • veličinu kristalnog zrna
  • prisutne faze
  • hemijsku homogenost
  • raspodelu faza
  • deformacije strukture nastale nakon plastične deformacije materijala
  • debljinu i strukturu površinskih prevlaka
  • određivanje pukotine i načina loma

Reference[uredi]

  1. "Metallurgiя". in The Great Soviet Encyclopedia. 1979.
  2. H.I. Haiko, V.S. Biletskyi. First metals discovery and development the sacral component phenomenon. // Theoretical and Practical Solutions of Mineral Resources Mining // A Balkema Book, London, 2015, r. 227-233..
  3. Radivojević, Miljana; Rehren, Thilo; Pernicka, Ernst; Šljivar, Dušan; Brauns, Michael; Borić, Dušan (2010). „On the origins of extractive metallurgy: New evidence from Europe”. Journal of Archaeological Science. 37 (11): 2775. doi:10.1016/j.jas.2010.06.012. 
  4. Karl Alfred von Zittel (1901). History of Geology and Palaeontology. str. 15. doi:10.5962/bhl.title.33301. 
  5. "Povijesni razvitak materijala", www.riteh.uniri.hr, 2011.
  6. „History of Gold”. Gold Digest. Pristupljeno 4. 2. 2007. 
  7. E. Photos, E. (2010). „The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results” (PDF). World Archaeology. 20 (3): 403. JSTOR 124562. doi:10.1080/00438243.1989.9980081. 
  8. 8,0 8,1 "Tehnička enciklopedija", glavni urednik Hrvoje Požar, Grafički zavod Hrvatske, 1987.
  9. "Fizikalna metalurgija I", dr.sc. Tanja Matković, dr.sc. Prosper Matković, www.simet.unizg.hr, 2011.
  10. "Strojarski priručnik", Bojan Kraut, Tehnička knjiga Zagreb 2009.

Literatura[uredi]

  • Mastilo, Natalija (2005. Rečnik savremene srpske geografske terminologije. Beograd: Geografski fakultet. 
  • Grčić, Mirko (1994. Industrijska geografija. Beograd: Naučna knjiga. 
  • F. Oeters (1989). Metallurgie der Stahlherstellung. Berlin: Springer u. a. ISBN 978-3-540-51040-6. 
  • Piwowarsky, Eugen (1961). Hochwertiges Gusseisen. Berlin. DNB 453788181. 
  • Wübbenhorst, Heinz (1984). 5000 Jahre Gießen von Metallen. Düsseldorf: Gießerei-Verlag. ISBN 978-3-87260-060-8. 
  • NE-Metall-Recycling-Grundlagen und Aktuelle Entwicklungen (Schriftenreihe der GDMB, Heft 115 izd.). 2008. ISBN 978-3-940276-11-7. 

Spoljašnje veze[uredi]