يشمل علم المعادن معالجة المعادن من خاماتها (الفصل من الخامات) ، والصهر ، والتكرير وإنتاج السبائك ، وتحسين الخصائص وتحضير السبائك ، وتقنية العمل على المعادن وتشكيلها. ينقسم علم المعادن إلى فئتين: علم المعادن الفيزيائي والتعدين الميكانيكي. تنقسم هندسة المعادن إلى فئتين: المعادن الحديدية أو الحديدية ، والمعادن غير الحديدية أو غير الحديدية ، وأكثر من 95٪ من إنتاج المعادن في العالم هو نتيجة للمعادن الحديدية.
علم المعادن أم علم المعادن ؟!
علم المعادن هو مزيج من كلمتين يونانيتين معدن تعني "طور" و ourgein تعني "عمل". هنا ، من الضروري الانتباه إلى حقيقة أن العديد من الخبراء يكتبون وينطقون اسم هذا المجال على أنه "علم المعادن" ، وهو أمر غير صحيح وفقًا لجذر الكلمة. ربما يكون أصل هذا الخطأ هو تشبيه خاطئ يصنعه بعض الناس في أذهانهم. نظرًا لأن علم الأحياء وعلم وظائف الأعضاء وعلم الأشعة ومئات من المجالات العلمية الأخرى تنتهي بـ "المنطق" ، فإنهم يعتقدون أن هذا المجال العلمي يجب أن يكون مثل علم المعادن.
تاريخ علم المعادن
على الرغم من أن علم المعادن كعلم ينبغي اعتباره معرفة جديدة نسبيًا لأنه لم يمر مائة عام منذ أن تمت دراسة المعادن بطريقة عملية ؛ بينما استخدم آباؤنا علم المعادن كأسلوب لإنتاج الأدوات التي كانوا بحاجة إليها منذ قرون.
يوضح تاريخ علم المعادن أن علم المعادن له تاريخ يبلغ حوالي 6500 عام. حيث تم اكتشاف معادن مثل الذهب والفضة والنحاس كأول معادن.
اِستِخلاص
يتعامل علم تعدين المعادن مع فصل المعادن الثمينة وبعبارة أخرى استخراج المعادن الثمينة من المعادن والنفايات والمخلفات وتنقيتها للوصول إلى المعادن النقية. يتم تنفيذ عمليات التعدين الاستخراجي من خلال ثلاث طرق: التعدين بالمياه ، والتعدين الحراري ، والتعدين الكهربائي.
صناعة السبائك
في الوقت الحاضر ، عادة ما يتم إنتاج المعادن واستخدامها كسبائك. يتم الحصول على السبائك من مزيج من مادتين هندسيتين أو أكثر لأنه من خلال صناعة السبائك يمكننا الحصول على خصائص غير ممكنة باستخدام المعادن النقية. على سبيل المثال ، يمكننا زيادة قوة المادة عدة مرات أو تقليل مقاومة التآكل في المناطق المرغوبة.
إنتاج
يصب
يمكن تعريف الصب بأنه عملية تحويل المعدن إلى قطعة بالشكل المطلوب. يتم تحقيق ذلك عن طريق صهر المعدن وصبه في قالب بالشكل المطلوب. على الرغم من أن الصب هي أقدم طريقة لتشكيل المعادن ، إلا أنها تعتبر إحدى طرق الإنتاج الرئيسية في الصناعة اليوم ، حيث يتم إنتاج حوالي 50٪ من إجمالي وزن أجزاء الماكينة بهذه الطريقة.
عمليات تشغيل المعادن
عمليات تشكيل المعادن هي فئة أخرى من طرق التصنيع. تشكيل المعادن هو طريقة لتشغيل المعادن لصنع الأشياء والأجزاء المعدنية عن طريق التشوه الميكانيكي. عادة ، يتغير شكل قطعة العمل دون إزالة أو إضافة مادة جديدة ويظل وزنها ثابتًا.
اليوم ، تم تطوير المئات من طرق تشغيل المعادن ، تم تطوير كل منها لتطبيقات محددة. لكن يمكن تصنيف هذه الطرق إلى 5 مجموعات رئيسية:
المتداول
قذف
جاذبية
تشكيل
تشكيل الصفيحة
في عمليات الدرفلة ، البثق ، الشد والتزوير ، يتم تطبيق الكثير من الضغط على قطعة العمل. في هذه الحالة ، إذا تعرضت القطعة للحرارة وتم تسخينها لدرجة حرارة عالية (أقل من نقطة الانصهار) ، فإن الحبوب تخضع لإعادة التبلور وتصبح حبيبات بدون إجهاد. في ظل هذه الظروف ، يمكننا وضع القطعة تحت التشكيل مرة أخرى ، وهو ما يسمى العمل الساخن. ولكن إذا حدثت عملية التشكيل عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة إعادة التبلور ، فإن هذه العملية تسمى العمل البارد.
تعدين المساحيق
يعد تعدين المساحيق طريقة أخرى لإنتاج الأجزاء التي تشمل مواد هندسية أخرى مثل السيراميك والبوليمرات بالإضافة إلى المعادن. من بين طرق التشكيل ، تعد ميتالورجيا المساحيق طريقة جديدة نسبيًا. في طريقة صب المسحوق في قالب ودمجها مع مادة رابطة ، يتم الحصول على قطعة تُعرف بالقطعة الخام. من خلال وضع هذه القطعة تحت درجة حرارة عالية تحت نقطة الانصهار ، تحدث عملية تعرف باسم التلبيد. في هذه العملية ، يتبخر عامل الترابط وتلتصق الجسيمات ببعضها ويتكون الجزء الأخير.
اعتمادًا على نوع العملية ونوع المواد الخام ، يمكن النظر في طرق مختلفة ل ميتالورجيا المساحيق. أهم الطرق التي تم تطويرها بناءً على نوع المادة الخام هي:
صب حقن المسحوق (PIM)
صب حقن المعادن (MIM)
صب حقن السيراميك (CIM)
اللحام
اللحام هو عملية ربط الأجزاء المعدنية ببعضها البعض عن طريق تسخين منطقة التلامس حتى تذوب مع عجينة. (على الرغم من أنه في الوقت الحاضر ، مع طرق اللحام الجديدة ، يمكن أيضًا لحام السيراميك والبوليمرات). في هذه الحالة ، تخترق ذرات الأجزاء الملحومة بعضها البعض وتخلق اتصالًا قويًا.
اليوم ، تم تطوير طرق لحام مختلفة ، والتي يمكن تقسيمها إلى 4 فئات عامة:
اللحام بالضغط
لحام الانصهار
اللحام الأصفر
لحام
بالقطع
المعالجة الآلية هي طريقة لتشكيل المواد عن طريق الدوران والقطع. يتم هذا العمل عن طريق أدوات وآلات القطع والخراطة. في القص ، يتم استخدام المقص مع أداة القطع لكسر المعدن. في الخراطة ، يتم استخدام المخارط وآلات الطحن والمثاقب وألواح الخراطة والطحن والحفر لتحقيق المنتجات. عادة ما تكون هذه الأجزاء عبارة عن منتجات من عمليات الصب أو الحدادة أو الدرفلة.
التصنيع الإضافي
تلبيد أو ذوبان مسحوق المعدن غير المتبلور في مساحة ثلاثية الأبعاد لإنشاء قطعة بالشكل النهائي. (اقرأ المزيد عن التصنيع الإضافي)
المعالجة البعدية
بعد إنتاج الأجزاء ، من أجل تحقيق مظهر ميكانيكي أو كيميائي أو أفضل ، نقوم بإخضاعها لعملية تسمى ما بعد المعالجة. تهدف هذه العملية إلى تقليل الضغوط الداخلية للأجزاء ، وزيادة صلابتها وقوتها ، وتقليل خشونة السطح ، وتشمل بشكل عام جميع العمليات التي تحول الأجزاء إلى منتجات قابلة للاستخدام. نذكر في هذا القسم بعضًا من أهم هذه العمليات:
المعالجة الحرارية
تتم المعالجة الحرارية لتغيير الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمعادن. تغيير في الخصائص مثل القوة والكثافة والصلابة والمتانة ومقاومة التآكل. أشهر المعالجات الحرارية المستخدمة اليوم هي التلدين ، والتصلب بالترسيب ، والتبريد والتلطيف.
المعالجة السطحية
في العديد من طرق الإنتاج ، لا يكون الجزء جاهزًا للاستهلاك مباشرة بعد الإنتاج. يتم تنفيذ عمليات هندسة الأسطح لثلاثة أغراض.
التجميل (مثل التفجير بالرصاص أو الرسم)
زيادة الخواص الميكانيكية للسطح (مثل تقسية السطح أو تقسية السطح)
زيادة مقاومة التآكل (مثل الطلاء بالأنودة)
الاختبار والتحليل
جزء مهم من أنشطة علماء المعادن هو تحليل واختبار المنتجات المعدنية. يمكن تقسيم طرق تحليل المعادن إلى الفئات الثلاث التالية:
التحليل الأولي: بهدف الكشف عن نوع وكمية العناصر في العينة (مثل التحليل الكمي)
تحليل المرحلة: بهدف الكشف عن نوع وكمية المراحل في العينة (مثل XRD)
تحليل البنية المجهرية: بهدف فحص البنية المجهرية للعينة (مثل علم المعادن)
من أجل ضمان الحصول على الخصائص المطلوبة ، تخضع المنتجات المعدنية لاختبارات بعد الإنتاج ، والتي تنقسم على النحو التالي.
الاختبارات الميكانيكية (الصلابة ، الضغط ، التوتر ، الصدمة ، التعب ، إلخ)
اختبارات التآكل الكيميائي (الاستقطاب ، المعاوقة ، إلخ.)