متالورژی و صنایع وابسته

صنعت متالورژی به اکتشاف، استخراج، تمیز کردن، ذوب و نورد مواد معدنی فلزی اشاره دارد. این شامل صنعت متالورژی آهنی (یعنی صنعت آهن و فولاد) و صنعت متالورژی غیرآهنی است.

متالورژی حوزه ای از علم و مهندسی مواد است که به مطالعه رفتار فیزیکی و شیمیایی عناصر فلزی، ترکیبات بین فلزی و مخلوط آنها که به آلیاژ معروف هستند، می پردازد. متالورژی هم علم و هم فناوری فلزات را در بر می گیرد. یعنی روشی که در آن علم در تولید فلزات به کار می رود و مهندسی اجزای فلزی مورد استفاده در محصولات هم برای مصرف کنندگان و هم برای تولیدکنندگان بکار می رود.

دوره فلزات بعد از عصر حجر و از حدود ۶ تا ۷ هزار سال قبل از هجرت آغاز شده است. شاید مس اولین فلزی است که به طور خالص و طبیعی و جدا از مواد معدنی مورد استفاده بشر قرار گرفته است. در ایران از دوره هخامنشی، آثار متعددی از طلا و نقره خصوصا در کنار رود جیحون و در شهر همدان کشف شده است. با گذشت زمان فلزات دیگری مانند نقره، سرب، آنتیموان و قلع نیز کشف شدند و بشر توانست با استفاده از آتش، ذوب فلزات را تجربه نموده و آلیاژهای مختلف را بدست آورد.

متالورژی به معنای فلز شناسی نیست بلکه به معنای کار با فلز است. ریشه metallurgy نیز به ترکیب دو کلمه یونانی متالون”metallon”  به معنی فلز و ارگون”ergon” به معنی کار با آن می گردد. رشته “مهندسی متالورژی” نیز نه به معنای دانش و علم مواد فلزی بلکه به معنای دانش و علم کار با مواد فلزی است. در واقع مهندسان متالورژی یاد می گیرند که چگونه با فلزات کار کنند، یعنی چگونه آن ها را از سنگ های معدنی استخراج و فراوری کنند، چگونه آن ها را به شکل ها و قطعات مختلف تبدیل کنند، چگونه از ترکیب چند فلز و عنصر مختلف، آلیاژ جدیدی درست کنند، چگونه قطعات فلزی را به هم متصل کنند، چگونه از قطعات فلزی حفاظت کنند تا زودتر از بین نروند، چگونه هر فلزی را در جای مناسب خود به کار بگیرند و چگونه فلزات را از هم باز شناسند.

روش های مرتبط با متالورژی

ریخته گری

ریخته‌گری ، عبارت از شکل دادن فلزات و آلیاژها از طریق ذوب ، ریختن مذاب در محفظه‌ای به نام قالب و آنگاه سرد کردن و انجماد آن مطابق شکل محفظه قالب می‌‌باشد. فلز مایع مذاب از درون قالب جریان می یابد و در حفره توخالی می نشیند. هنگامی که فلز جامد می شود، شکل حفره توخالی را به خود می گیرد. سپس قطعه فلزی جامد شده بدون شکستن از قالب خارج می شود تا فرآیند ریخته گری کامل شود.

متالوژی پودر

متالوژی پودر ، فرایند قالب‌گیری قطعات فلزی از پودر فلز توسط اعمال فشارهای بالا می‌‌باشد. پس از عمل فشردن و تراکم پودرهای فلزی ، عمل) تف جوشی) در دمای بالا در یک اتمسفر کنترل شده، انجام می‌گیرد که در آن، فلز متراکم، جوش خورده، به‌صورت ساختمان همگن محکمی ‌پیوند می‌‌خورد.

اولین کاربرد متالورژی پودر برای تولید پلاتین با دانسیته کامل بود که در قرن 19 میلادی صورت گرفت چون در آن زمان امکان ذوب پلاتین به دلیل نقطه ذوب بالا وجود نداشت. در اوایل قرن بیستم فلزهای دیر گدازی مانند تنگستن ، مولیبدن توسط روش متالورژی پودر شکل داده شدند. کاربیدهای سمانیت و یاتاقانهای برنزی متخلخل نسل بعدی قطعات متالورژی پودر بودند. به این صورت قطعات متالورژی پودر در انواع صنایع مانند لوازم خانگی ، اسباب بازی سازی و الکترونیک کاربرد پیدا نمود.

جوشکاری

بطور کلی ، جوشکاری ، عمل اتصال دادن قطعات فلزی به یکدیگر ، توسط گرم کردن محلهای تماس تا حالت ذوب و تخمیر است که اتمهای هر دو قطعه فلز در منطقه جوش در هم نفوذ کرده، پس از سرد شدن اتصال محکمی ‌ایجاد می‌‌شود. جوش معمولاً روی فلزات و ترموپلاستیک ها استفاده می شود اما می توان از آن روی چوب نیز استفاده کرد.

بسیاری از منابع انرژی مختلف را می توان برای جوشکاری استفاده کرد، از جمله شعله گاز (شیمیایی)، قوس الکتریکی (الکتریکی)، لیزر، پرتو الکترونی، اصطکاک و اولتراسوند. در حالی که اغلب یک فرآیند صنعتی است، جوشکاری ممکن است در بسیاری از محیط‌های مختلف، از جمله در هوای آزاد، زیر آب و در فضای بیرونی انجام شود.

ماشین کاری

فرآیند ماشین کاری، عبارت از شکل دادن مواد توسط تراش و برش می‌‌باشد. این عمل بوسیله ابزارها و ماشینهای تراش و برش انجام می‌گیرد. ماشینکاری بخشی از ساخت بسیاری از محصولات فلزی است، به فردی که در ماشینکاری تخصص دارد، ماشینکار می گویند. به اتاق، ساختمان یا شرکتی که ماشینکاری در آن انجام می شود، ماشین سازی می گویند. بیشتر ماشین‌کاری‌های امروزی توسط کنترل عددی کامپیوتری (CNC) انجام می‌شود که در آن از رایانه‌ها برای کنترل حرکت و عملکرد آسیاب‌ها، ماشین‌های تراش و سایر ماشین‌های برش استفاده می‌شود.

متالورژی بخش بسیار مهمی از ساخت هواپیماهای مدرن، وسایل نقلیه حمل و نقل (اتومبیل، قطار، کشتی) و وسایل نقلیه تفریحی را تشکیل می دهند. ساختمان ها؛ دستگاه های کاشتنی؛ کارد و چنگال و وسایل آشپزی؛ سکه و جواهرات؛ اسلحه گرم؛ و آلات موسیقی برخی از صنایع وابسته به متالورژی می باشند.

فولاد آلیاژی از آهن و کربن است که قوی و ارزان است و آن را به یک جزء اصلی برای ساختمان‌ها، ابزارآلات، خودروها، قطارها، لوازم خانگی، زیرساخت‌ها و سلاح‌ها تبدیل می‌کند. فولاد یکی از همه کاره ترین مواد در جهان است و می توان آن را به راحتی استفاده مجدد و بازیافت کرد. در واقع فولاد از اساسی ترین فلزات در صنایع متالورژی به شمار می رود. ایران با تولید 31.9 میلیون تن فولاد در سال 2022 در جایگاه دهم پیشتازان صنعت فولاد در جهان قرار دارد.

رونق اکتشافات جدید در متالورژی باعث رونق صنعتی شدن شد و به عنوان یکی از شاخه‌های مهم مهندسی و علم باقی خواهد ماند. مردم همیشه از فلز و غیر فلز برای اهداف متعدد استفاده می کنند. در آینده روبات هایی وجود خواهند داشت که فلزات گرانبها را در سیارات دیگر استخراج می کنند. دنیای بدون آهن، فولاد، مس، طلا و غیره را تصور کنید، فناوری استخراج، تصفیه ممکن است تغییر کند اما نیاز این رشته همیشه باقی خواهد ماند. علم مواد شاخه ای از آینده است، چه نانوتکنولوژی باشد، چه پلیمرها یا مواد کامپوزیت، این مواد پایه مهندسی در آینده را تشکیل خواهند داد.

در آینده تغییرات شدید در جامعه، شرکت ها را مجبور می کند تا با استاندارد های جدید صنعتی سازگار شوند و با مشکلات عصر مدرن مقابله کنند. متالوژی با چالش های متنوعی برای سازگاری با محیط زیست، بحران پایداری، دیجیتالی شدن و بازکردن پتانسیل های موجود در داده ها و جذب استعداد های برتر مواجه خواهد شد.