冶金学

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格奧爾格·阿格里科拉,《論礦冶》(De re metallica)一書的作者,此著作被譽為西方冶金學的開山之作

冶金学(Metallurgy)屬於材料科學,是研究从矿石中提取金属,并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。冶金学也研究金属金屬互化物或其混合物(稱為合金)的物理及化學特性。冶金學也是一門金屬的技術,有關金屬製造的科學,也和金屬零件的工程特性有關。金屬的製造包括從礦石中提煉金屬,以及金屬混合物(或金屬和其他元素的混合物)以製造合金。冶金學和金屬加工工藝不同,不過金屬加工和冶金學有關,正如隨著技術的發展,醫學和醫學科學有關一樣。

冶金学可以分為鋼鐵冶金學(有時也稱為黑色冶金學)及非鐵金屬冶金學(有時也稱為有色金屬冶金學)。鋼鐵冶金學是有關鐵的合金及其製造,而非鐵金屬冶金學是以不含鐵的合金及其製造為主,世界上的金屬生產中,鐵、鈷、鎳及其有關合金的黑色金屬佔了95%[1]

英文字根及發音[编辑]

冶金學的英文Metallurgy原來是自煉金術中的詞語,是指由礦石中提取金屬,字尾的-urgy表示是過程或製程。此詞語曾在1797年的《大英百科全书》提到過[2],在19世紀末變為有關金屬、合金及相關製程的科學研究[2]。英文的字根來自古希臘的μεταλλουργός, metallourgós, "金屬工人",變成μέταλλον, métallon, "金屬" + ἔργον, érgon, "加工"。在英文中,/meˈtælədʒi/的發音在英國及大英國協較普遍,/ˈmetələrdʒi/在美國比較普遍。

發展史[编辑]

底比斯的金頭飾,約在西元前750至700年

史前時代已能冶煉並使用青銅等金屬。最早冶煉的金屬應該是在自然界以元素態存在的,一個舊石器時代末期的西班牙洞穴時有發現少量的元素態金,時間約在西元前40,000年[3]。而陨铁也會以自然金屬英语native metel存在,配合早期文化中的金屬加工即可使用[4]。西元前三千年埃及的武器即以陨铁製成,當時譽為「天上來的匕首」[5]

像錫、等金屬,只要將礦石加熱即可得到其金屬(銅需要的溫度可能要再高一些),這種冶煉方式稱為熔煉英语smelting。最早用熔煉方式冶煉金屬的證據是西元前五千年至六千年之間,在塞尔维亚馬伊丹佩克、Pločnik及Yarmovac的考古遺址中找到。到目前為止,最早的銅熔煉是在巴爾幹半島的Belovode[6],發現一個西元前5500年溫查文明的銅斧[7]。其他早期熔煉金屬的文明約在西元前三千年,在葡萄牙的Palmela、西班牙的Los Millares、英國的巨石阵。不過如同其他史前的研究一様,因為仍可能有新的發現,可能還會有更早期的證據出現。

中東的採礦區域,顏色:用棕色表示,錫用灰色表示,銅用紅色表示,鐵用紅棕色表示,金用黃色表示,銀用白色表示,鉛用黑色表示,黃色區域表示砷青銅英语arsenic bronze,灰色區域表示正常含錫的青銅

上述發現的金屬都不是合金,約在西元前3500年發現銅和錫混合後會產生性能更好的青銅合金,這也是重大的技術提昇,開始了青銅時代

鐵的冶煉要比銅或錫要困難很多,冶煉方式可能是赫梯人在西元前1200年發明的,開始了鐵器時代,鐵的冶煉及加工的秘密是非利士人成功的秘訣之一[5][8]

許多不同的文化及文明也有煉鐵的技術,像是古代及中古時中東近東的王國、古伊朗、古埃及、古努比亚安那托利亞(今土耳其)、古诺克迦太基、古歐洲的希臘羅馬、中古時期的歐洲、中國印度、日本等地。許多冶金學的應用、實務及工具都是古中國發明的,例如高爐鑄鐵、水力杵錘英语trip hammer以及雙作用活塞风箱[9][10]

歐洲約西元前一千年開始製鐵。最早使用的煉鐵爐為空氣式爐或用土石堆砌的熔鐵爐(Low Shaft Furnace)、鍛鐵爐英语Bloomery。將洗淨的礦石與木炭一起放入爐中點火熔煉,利用自然氣流或人力風箱供應氧氣,爐裡產生一氧化碳將鐵礦還原成鐵,所得之產品再以人力捶打除去殘渣。後來利用水車帶動風箱,氧氣供給量增加,所以爐身與爐的截面積也可以加高,可裝入更多礦石及木炭,得到更大的鐵碇,由於超過人力捶打加工的限度,也以水力取代人力。由此鍛鐵爐慢慢發展成高爐(Blast Furnace)。

隨著高爐的增加,木炭便發生短缺的現象,即開始嘗試以取代木炭,至十八世紀中,英國人成功將煤炭煉成焦炭,此後爐溫增加而使產量增加。蒸氣機出現後,被用來驅動鼓風機,使鼓風量增大而使爐溫上升,產量也大幅增加。

十六世紀時格奧爾格·阿格里科拉的《論礦冶》(De re metallica)描述了當時高度發展的採礦、金屬提取及冶金學等知識,被譽為「冶金学之父」[11]

金屬提取[编辑]

中國元朝用水車帶動的鼓風爐
斯洛伐克中部,赫龍河畔日亞爾的鋁工廠

提取冶金學英语Extractive metallurgy是由礦石中提出有價值的金屬,且處理成純度較高的金屬。為了要從金屬的氧化物硫化物中提取金屬,可能會用還原電解或其他化學方式處理礦石。

提取冶金學主要關注的是冶金給料、濃縮物(有價值的金屬氧化物或硫化物)及尾礦英语tailings。在開採後,大顆的礦石會粉碎為小的顆粒,每個顆粒可能是濃縮物或是廢棄的尾礦。後續再利用其他方式將顆粒中的濃縮物及尾礦分開。

若礦石及自然環境許可,可以用瀝濾法英语In-situ leaching取代礦石開採。瀝濾法會將礦石中的礦物質溶解在溶液中,再收集溶液,萃取要有價值的金屬。

有時礦石中會包含一種以上的有價值金屬。因此尾礦可以再用來提出其他金屬。有時取得的濃縮物中含有多種金屬,因此需再將不同金屬成份再作分離。

合金[编辑]

青铜的鑄造

工程常用的金屬包括等,這些金屬也常常用來製作合金。合金的相關研究主要是在鐵碳的合金系統,其中包括鑄鐵。一般的碳鋼適用於低成本、高強度,且不需考慮重量及腐蝕問題的應用。延性鑄鐵英语ductile iron也是鐵碳合金系統的一部份。

若是需要抗腐蝕的應用,一般會使用不锈鋼或是熱浸鍍鋅英语Hot-dip galvanizing處理的鋼。若要求高比強度時,會使用鋁合金或鎂合金。

若是高腐蝕性環境,且不需要有磁性的場合,會使用銅鎳合金,例如蒙乃爾合金英语Monel。鎳基的高溫合金(如鎳鉻鐵合金英语Inconel)會用在像渦輪增壓器压力容器換熱器等需耐高溫應用中。非常高溫的應用為了使潛變減到最低,會使用单晶材料合金。

製造[编辑]

工業工程的領域中,冶金学和金屬零件的製造有關,其中包括金屬或合金選用、加工成形方式、製品表面的熱處理及表面處理等。冶金学的目的就是達成材料的許多性質之間的平衡,例如成本、重量、拉伸強度硬度韌性、抗蝕性、抗疲勞的特性、及在高低溫下的特性等。

為了上述目的,也需考慮零件的工作環境,例如在鹽水的環境中,很容易腐蝕黑色金屬及一些鋁合金,暴露在極低溫環境下金屬會從有延伸性變成容易脆裂,其韌性下降,因此更容易出現裂痕。在週期負載下的金屬會有金屬疲勞[12],若是環境的應力固定,但是溫度很高,會造成金屬的潛變[13]

金屬加工[编辑]

以下是一些金屬加工的程序:

冷加工是指在常溫下對固體金屬件的加工,可以藉由一種稱為加工硬化英语work hardening的方式提昇零件的強度加工硬化會在金屬中導入位错,避免進一步的形變。

鑄造的方式有許多種,常用的包括翻砂鑄造熔模鑄造英语investment casting(也稱為失蠟法)、壓鑄連續鑄造英语continuous casting

熱處理[编辑]

金屬可以用熱處理的方式調整其強度、延展性、韌度、硬度或是其抗腐蝕的能力。常見的熱處理包括退火析出硬化英语precipitation strengthening淬火回火[14]

退火是將金屬加熱,然後再緩慢的冷卻,可以釋放金屬組織中的應力,使晶粒變大,當受到撞擊時比較不容易破裂。退火後的金屬也比較容易切削。淬火是將高碳鋼加熱後快速的冷卻,鋼的組織會形成高硬度的麻田散鐵,提高金屬的硬度。不過需要在鋼的硬度和韌度之間作一取捨:硬度越高時,其韌度或是抗衝擊能力就越低;韌度越高時,其硬度就越低。回火可以釋放金屬在硬化過程中產生的應力,回火會使金屬略為軟化,可以承受衝擊而不會破裂。

有時會將機械處理和熱處理合併,稱為熱機械處理英语Thermomechanical processing,可以得到較好的材料特性,處理上也比較有效率的。熱機械處理常用在高合金的特殊鋼、高溫合金及鈦合金中。

表面處理[编辑]

電鍍是一種常見的表面處理技術,是在製品的表面包覆一薄層的其他金屬,例如等, 一方面可以增加製品的抗蝕性,也可以使外形更加美觀。

表面處理除了使用電鍍外,也可以使用熱噴塗英语Thermal spraying,其製品在高溫下的性能會比電鍍要好。

微觀結構[编辑]

金相学可觀察金屬的微觀結構

金相学是研究金屬的微觀結構及巨觀結構的學科,是由英國冶金學家亨利·克利夫頓·索爾比英语Henry Clifton Sorby開創。在金相学中,待測的試様平放並且拋光至鏡面的程度,再加入蝕刻液蝕刻,以顯露其結構。試様一般會用光學顯微鏡電子顯微鏡觀察,圖像的對比度可以提供其成份、機械性質及所作過的處理。

現在的冶金学也常利用晶体学X射線衍射電子衍射來識別未知的材料,並了解試様的晶體結構。量化晶体学可計算試様中存在不同相的個數,也可以計算其應變的程度。

分支学科[编辑]

相關條目[编辑]

參考文献[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ "Металлургия". in The Great Soviet Encyclopedia. 1979.
  2. ^ 2.0 2.1 Oxford English Dictionary, accessed 29 January 2011
  3. ^ History of Gold. Gold Digest. [2007-02-04]. 
  4. ^ E. Photos, E. The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results. World Archaeology. 2010, 20 (3): 403. doi:10.1080/00438243.1989.9980081. JSTOR 124562. 
  5. ^ 5.0 5.1 W. Keller (1963) The Bible as History. p. 156. ISBN 0-340-00312-X
  6. ^ Radivojević, Miljana; Rehren, Thilo; Pernicka, Ernst; Šljivar, Dušan; Brauns, Michael; Borić, Dušan. On the origins of extractive metallurgy: New evidence from Europe. Journal of Archaeological Science. 2010, 37 (11): 2775. doi:10.1016/j.jas.2010.06.012. 
  7. ^ Neolithic Vinca was a metallurgical culture Stonepages from news sources November 2007
  8. ^ B. W. Anderson (1975) The Living World of the Old Testament, p. 154, ISBN 0-582-48598-3
  9. ^ R. F. Tylecote (1992) A History of Metallurgy ISBN 0-901462-88-8
  10. ^ Robert K.G. Temple (2007). The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention (3rd edition). London: André Deutsch. pp. 44–56. ISBN 978-0-233-00202-6.
  11. ^ Karl Alfred von Zittel. History of Geology and Palaeontology. 1901: 15. doi:10.5962/bhl.title.33301. 
  12. ^ ARTC 財團法人車輛研究測試中心 - 客戶服務 - 知識庫 - 車輛結構的不定時炸彈--您絕對不能忽視的金屬疲勞破壞. artc.org.tw. 
  13. ^ 制造工程与技术原理. 清华大学出版社有限公司. 2004: 10–. ISBN 978-7-302-08120-3. 
  14. ^ Arthur Reardon (2011), Metallurgy for the Non-Metallurgist (2nd edition), ASM International, ISBN 978-1-61503-821-3

书籍[编辑]

  • 《冶金學》,蘇英源、郭金國 編著,全華科技圖書公司 印行,ISBN 9572129287