عِلمُ الفِلِزَّات ويُترجم حرفيًا إلى ميتالورجيا هوالفهم المختص بدراسة السلوك الفيزيائي والكيميائي للعناصر الفلزية ومركباتها ومخاليطها التي تسمى بالسبائك، والتي تختلف في خواصها عن خواص العناصر المكونة لها، للاستفادة من بعض الخصائص التي لا يمكن تواجدها في عنصر واحد. ويعتمد هذا الفهم وتطبيقاته بالدرجة الأولى على تغير حالة السبائك وأطوارها مع تغير درجة الحرارة أوالضغط أوكليهما. تتجمع المعلومات السابقة وغيرها في منحنيات الأطوار.

تاريخ فهم الفلزات

ترجع أول الدلائل على استخدام الإنسان للمعادن الفلزية إلى الفترة بين الألفية الخامسة والسادسة قبل الميلاد، حيث عثر فأس نحاسية في بعض المواقع الأثرية في صربيا عام 5500 ق.م. كما تم العثور على دلائل أخرى من الألفية الثالثة قبل الميلاد في مواقع أخرى مثل دي بالميلا في البرتغال وكورتيس دي نافارا في إسبانيا وستونهنج في المملكة المتحدة.

تواجدت الفضة النحاس القصدير والحديد في صورة عناصر حرة لا مركبات، مما جاز للحضارات القديمة باستخدامها في خلق الأدوات المعدنية بكميات محدودة. خلق قدماء المصريين أسلحتهم من الحديد النيزكي حوالي عام 3000 ق.م، والتي كانت ذات قيمة مرتفعة على اعتبار أنها "خناجر من السماء"..

إلا حتى الإنسان استطاع حتى يصنع سبيكة من النحاس والقصدير عن طريق تسخين الصخور التي تحتويها تسمى البرونز، لذا يمكن القول بأن فهم الفلزات بدأ حوالي عام 3500 ق.م مع بداية العصر البرونزي. أما صناعة الحديد من خامته، فهي عملية أكثر صعوبة. ويعتقد أنه بدأت صناعته عن طريق الحيثيين حوالي عام 1200 ق.م، ليبدأ بذلك العصر الحديدي. كان سر صناعة الحديد، عاملاً رئيسياً في تفوق الفلستينيين قديماً.

تطورت صناعة الحديد تاريخياً، في الكثير من الثقافات والحضارات السابقة في ممالك وإمبراطوريات العصور القديمة والوسطى في الشرق الأوسط والشرق الأدنى ومصر القديمة والنوبة القديمة والأناضول وقرطاج الإغريق والرومان وأوروبا القديمة وأوروبا العصور الوسطى والصين القديمة والصين في العصور الوسطى والهند القديمة والهند في العصور الوسطى واليابان القديمة واليابان في العصور الوسطى، حتى حتى الكثير من التطبيقات والممارسات والأجهزة المرتبطة بصناعة الحديد، صنعت في الصين القديمة قبل حتى يتوصل إليها الأوروبيون مثل ابتكار الفرن العالي والحديد الزهر والصلب.. غير حتى الكثير من الأبحاث الحديثة تشير إلى حتى الرومان كانوا أكثر تطوراً، ولا سيما في أساليب التعدين، واستخراج المعادن الفلزية والطرق.

في القرن السادس عشر، ألّف جورجيوس أغريكولا كتاب "دي ري ميتاليكا" (بالعربية: طبيعة المعادن)، يصف فيه أكثر العمليات تطوراً وتعقيداً المستخدمة استخراج وإنتاج المعادن من خاماتها في ذلك الوقت. لذا يعهد أغريكولا بـ "أبوفهم الفلزات".

استخلاص الفلزات

فهم استخلاص الفلزات (بالإنجليزية: Extractive metallurgy)‏ هوالفهم الذي يهتم باستخلاص الفلزات واللا فلزات وأشباه الفلزات من خاماتها وأملاحها، وتحويلها إلى عناصر نقية. فلتحويل أكسيد أوكبريتيد أحد المعادن الفلزية إلى فلز نقى، ويجب حتى تختزل الخامة فيزيائياً أوكيميائياً أوإليكتروليتياً.

يهتم فهم استخلاص الفلزات بثلاث أقسام رئيسية: عملية تجهيز الخام للاستخلاص وعملية زيادة هجريزه في الخامات والمخلفات الناتجة عن عملية استخلاصه. فبعد حتى تستخرج الخامة من المناجم، تكسّر البتر الكبيرة وتطحن حتى يسهل الحصول على بتر صغيرة، يتم فرزها بعد ذلك للفصل بين البتر الغنية بالخام والنفايات. يلي ذلك عملية الهجريز، وفيها تعالج البتر الغنية بالخام لفصل ما تظل من النفايات عنها، وبذلك يزداد هجريز المعدن في الخام.

تحتوي الخامات عادة على أكثر من معدن فلزي. لذا، قد تستخدم مخلفات عملية استخلاص فلز ما، كخام في عملية استخلاص فلز آخر. بالإضافة إلى ذلك، قد تحتوي نواتج عملية الهجريز على أكثر من معدن فلزي، فتتم معالجة هذه الهجريزات لفصل المعادن الفلزية عن بعضها.

السبائك

أشهر الفلزات التي تستخدم في التطبيقات الهندسية هي الألومنيوم الكروم النحاس الحديد الماغنيسيوم النيكل التيتانيوم الزنك. هذه العناصر تستخدم غالباً في صورة سبائك. وقد بذل الكثير من الجهد لفهم مخطط أطوار سبائك الحديد والكربون، والذي يتضمن سبائك الصلب والحديد الزهر. يتم استخدام الصلب منخفض الكربون التطبيقات التي تتطلب القوة العالية والتكلفة المنخفضة، دون حتىقد يكون الوزن أوالتآكل مؤثراً. الحديد الزهر، بما في ذلك الحديد الزهر المرن هوأيضاً من مخطط أطوار الحديد والكربون.

يستخدم الصلب الذي لا يصدأ أوالصلب المجلفن حينماقد يكون من الضروري مقاومة التآكل. كما تستخدم سبائك الألومنيوم وسبائك الماغنيسيوم في التطبيقات التي تتطلب القوة وخفة الوزن.

وتستخدم سبائك النحاس والنيكل (مثل سبيكة مونيل)، عندماقد يكون الوسط يسبب التآكل بشدة وللتطبيقات غير المغناطيسية. أما سبائك المميزة التي أساسها النيكل (بالإنجليزية: Nickel-based superalloys)‏ مثل سبيكة إنكونيل، فتستخدم في التطبيقات التي تعمل في درجات الحرارة العالية مثل الشواحن التوربينية وأوعية الضغط والمبادلات الحرارية. وفي التطبيقات التي تتضمن العمل في درجات حرارة عالية للغاية، تستخدم السبائك ذات البللورة المفردة، للحد من الزحف.

التطبيقات

في الهندسة الصناعية، يختص فهم الفلزات بإنتاج المكونات المعدنية لاستخدامها كمنتجات مستهلكة أوكمنتجات هندسية. يتضمن ذلك إنتاج السبائك والتشكيل والمعالجة الحرارية والمعالجة السطحية للمنتج. الدور الرئيس لفهم الفلزات هوتحقيق التوازن بين خصائص المواد مثل التكلفة الوزن وإجهاد الشد الصلادة المتانة ومقاومة التآكل والكلال، ودراسة تأثير التغيرات في درجات الحرارة على المعدن. لتحقيق هذا الهدف، لا بد من دراسة بيئة التشغيل بعناية. ففي بيئة المياة المالحة، تتآكل السبائك الحديدية وبعض سبائك الألومنيوم بسرعة. والسبائك التي تتعرض لظروف البرد القارص، قد تتحول من المرونة إلى الهشاشة، وتفقد متانتها، وتصبح أكثر عرضة للتصدع. ومن الممكن للسبائك التي تتعرض لتحميل دوري متردد ومستمر، حتى تعاني من كلال المعادن. أما السبائك التي تخضع لحمل ثابت في درجات الحرارة المرتفعة، فقد تتعرض للزحف.

عمليات تشغيل المعادن

تتشكل الفلزات من خلال عمليات كثيرة مثل السباكة والطرق الدرفلة البثق التلبيد وتشغيل المعادن والتشغيل الآلي والتصنيع. في السباكة، يتم التشكيل بصب المعدن المنصهر في قوالب. وفي الطرق، يشكل المعدن المسخّن بالطرق عليه ليأخذ الشكل المراد. وفي الدرفلة، يمر المعدن المسخّن من خلال عدة درافيل تضيق على التوالي لتأخذ في النهاية شكل الألواح. وفي البثق، يضغط على المعدن المسخّن اللدن، ليمر من خلال نطقب، ليتشكل المعدن من خلاله قبل حتى يبرد. أما التلبيد، يسخن مسحوق من حبيبات المعدن وتكبس في نطقب في بيئة غير مؤكسدة، حتى تأخذ شكلها النهائي. وفي التشغيل الآلي، تشكّل المعادن في درجات الحرارة العادية باستخدام المخارط والمفارز والمثاقب. وفي التصنيع، يتم بتر ألواح المعدن باستخدام المقصات أوالبتر بالغاز، ثم تجمّع وتلحم لتأخذ الشكل المطلوب.

عمليات التشغيل على البارد هي التي تتم على المعدن في درجات الحرارة العادية، وتضم الدرفلة والتصنيع. تزداد قوة المنتج من خلال عملية التشغيل على البارد بسبب التصلد الانفعالي. يزيد التصلد الانفعالي من قوة المعدن عن طريق تكوين عيوب مجهرية في المعدن، والتي تقاوم تغيير شكل المعدن بالتشكيل.

هناك أشكال مختلفة من طرق السباكة، تستخدم في الصناعة، ومنها السباكة في القوالب الرملية والسباكة في القوالب والصب المستمر.

المعالجة الحرارية

تعالج المعادن حرارياً لتغيير بعض الخصائص الميكانيكية كالقوة أوالمرونة أوالمتانة أوالصلادة، أ بعض الخصائص الكيميائية مثل المقاومة للتآكل. أشهر عمليات المعالجة الحرارية تضم التخمير والتقسية بالترسيب وتبريد المعادن السريع والتليين. التخمير يتم بإعادة ترتيب ذرات المعدن لتكوين حبيبات جديدة والسماح لها بالنمو، بينما تبريد المعادن السريع فيزيد من صلادة سبائك الصلب بتكوينه لطور المارتنسيت في البنية المجهرية للمعدن. أما التقسية بالترسيب فتتم بتكوين حبيبات من الشوائب موزعة بانتظام داخل البنية المجهرية للمعدن، مما يجعلها تزيد من صلادة المعدن بمقاومتها لحركة الانخلاعات. وعملية التليين فهي عملية تلي عملية تبريد المعادن السريع، وتهدف إلى زيادة فرصة العناصر السبائكية لإعادة توزيع نفسها، مما يحسّن من مقاومة المعدن للصدمات ويزيد من مطيليته.

الطلاء

يعد الطلاء الكهربائي كأحد أنواع المعالجة السطحية الشائعة. تتضمن هذه العملية تكوين طبقة رقيقة من معدن آخر مثل المضى أوالفضة أوالكروم أوالزنك لحماية المنتج من التآكل أولتجميل سطح المنتج.

البنية المجهرية

يدرس المختصين بدراسة الفلزات الخصائص المجهرية والعيانية باستخدام فهم بنية المعادن، وهوتقنية اخترعها هنري كليفتون سوربي. وفي هذا الفهم، تجلّخ عينة من السبيكة المراد دراستها وتصقل لتصبح كالمرآة. تنظّف بعد ذلك باستخدام أحد الأحماض التي تظهر البنية المجهرية والبنية العيانية للسبيكة، ثم يتم فحص العينة بالنظر أوباستخدام مجهر إلكتروني، ومن التباين في اللون بين الأطوار المتواجدة في الصورة المجهرية، يمكن فهم بعض التفاصيل عن هجريب السبيكة وخواصها الميكانيكية وعمليات التشغيل التي مرت بها.

فهم البلورات الذي غالباً ما يستخدم حيود الأشعة أوالإلكترون، هوأيضا أداة قيمة لدراسة الفلزات. كما يمكن استعمال فهم البلورات الكمي، لحساب نسب تواجد الأطوار في السبيكة، ومدى الاستطالة الذي تعرضت له العينة.

مراجع