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)是研究从矿石中提取金属金属化合物,并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。

發展史[编辑]

史前時代已能冶煉並使用青銅、銅、金、銀、鐵、鉛、錫等金屬。

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(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。

金屬提取[编辑]

中國元朝用水車帶動的鼓風爐

提取冶金學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,若是環境的應力固定,但是溫度很高,會造成金屬的潛變。

金屬加工[编辑]

以下是一些金屬加工的程序:

  • 金屬鑄造:將熔融的金屬倒入特定形狀的模具中再冷卻。
  • 鍛造:利用壓力使鋼坯成形。
  • 軋製:將鋼坯送進一連串間距逐漸變小的軋輪,加工為金屬片的程序。
  • 擠製英语extrusion:熱的可塑性金屬藉由壓力擠入模具中,在其冷卻前成形。
  • 燒結英语sintering:金屬粉末先注入模具中,再在非氧化的環境下加熱,使其成形的過程。
  • 机械加工:利用車床銑床電鑽對固體金屬件的加工。

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[1]

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]

  1. ^ Arthur Reardon (2011), Metallurgy for the Non-Metallurgist (2nd edition), ASM International, ISBN 978-1-61503-821-3
  • 《冶金學》,蘇英源、郭金國 編著,全華科技圖書公司 印行,ISBN 9572129287