يسمى فهم الفلزات أيضا بالمتالورجيا وهى حدثة معربة عن حدثة Metallurgy الانگليزية ويسمى أيضا هندسة الفلزات (Metallurgical Engineering) وهوفن وفهم الحصول على الفلزات من خاماتها وتصنيعها في منتجات مفيدة ، ويمكن تقسيمه إلى مجالين رئيسيين: معالجة المعادن ومعالجة الفلزات.

يُعنى فهم الفلزات mineralogy بدراسة الفلزات minerals الموجودة في القشرة الأرضية والمكوِّنَة لصخورها، من حيث صفاتها وتراكيبها وتصانيفها وبيئات تشكلها واستعمالاتها وأماكن وجودها.

وقد عثر حتى النيازك أيضاً مؤلفة من فلزات معروفة، كما تشير الدراسات الجيوفيزيائية إلى وجود مواد ذات طبيعة فلزية تحت القشرة الأرضية. وعلى هذا يمكن القول إذا الفلزات تشكّل الجزء الصلب من الكون، فمعظم المعادن تُصادف في الطبيعة على هيئة أكاسيد أوهاليدات أوكبريتيدات أوضروب الكربونات أوأملاح أخرى. وكثير من هذه التوضعات الفلزية الحاوية على المعدن ليس له قيمة تذكر لكون الفلز غير نقي أوأنه يصعب فصل المعدن النقي عن الشوائب. وإن بعض الفلزات، القليلة نسبياً التيقد يكون استحصال العنصر منها مُجْدٍ اقتصادياً، يطلق عليها اسم الخامات المعدنية ores. مثال ذلك هاليدات المعادن القلوية وهاليدات المعادن القلوية الترابية وأكاسيد الحديد.

تاريخ

يعدُّ فهم الفلزات واحداً من أبرز العلوم الحديثة في الجيولوجيا، إلا حتى ممارسة الإنسان لهذا الفهم بدأت مع وجوده على الأرض ومحاولته تعهد محيطه الخارجي والبحث عن أنواع خاصة من الحجارة مناسبة لاستعمالاته اليومية ولصنع أدواته وسلاحه. فقد استخدم إنسان الكهوف أكاسيد الحديد والمنگنيز في رسومه الجدارية، كما عَرف المصريون القدامى عدداً من الفلزات التي تنوعت استخداماتها لديهم في التلوين والحلي واستحصال المعادن.

ويعود استحصال المعادن من فلزاتها إلى أكثر من 4000 سنة. فقد خط عنها ثاوفرسطس Theophrastus بين (372-287ق.م)، كما وصف الرومان، في القرن الأول الميلادي، عدداً من الفلزات التي تستخدم أصبغةً أوأحجاراً كريمة أولاستحصال المعادن.

وقد تميّزت دراسات الفلزات فهماً قائماً بذاته في كتابات جورجيوس أگريكولا Georgius Agricola، المنشورة في منتصف القرن السادس عشر. وبرزت أهمية دراسة الخصائص الهندسية المميزة لبلورات بعض الفلزات في دراسات نيكولاس ستنوNicolaus Steno عام 1669. واتخذت دراسة البلورات بعد ستينوأهمية كبيرة في تعرّف الفلزات، وخاصة خصائصها الضوئية، حيث بدأ استخدام المجهر الاستقطابي polarizing microscope عام 1870. وبذلك أصبحت لدى المشتغلين في الفلزات وسيلة قوية من أجل تعهدها وتحديدها.

أما أعظم فتح في تطور فهم الفلزات فكان اكتشاف البنية الذرية للبلورات اعتماداً على خاصة انعراج الأشعة السينية X-ray diffraction في البنية البلورية، إذ تمكن العالم ماكس ڤون لاوه Max von Laue عام 1912 من تصوير النموذج الانعراجي لبلورة السفاتيريت sphaterite، والتوصل إلى تحديد الأماكن الحقيقية للذرات في هذه البلورة، الأمر الذي أصبح فيما بعد بمنزلة بصمات تدل على الهوية الحقيقية للفلزات.

الخصائص الكيميائية

تعتمد الدراسات الكيميائية للفلزات على مبادئ عامة، مرتبطة بهجريبها الكيميائي وعلاقته ببنيتها الذرية والإيونية، وبقوى الترابط بين الذرات وبنصف القطر الإيوني. فعندما تترابط الإيونات لتشكل بنية بلورية، فإن كلاً منها يترتب بوضع متناسق مع ما يجاوره من إيونات متباينة معه بالشحنة الكهربائية، على نحوتتجمع الأنيونات حول كاتيون مركزي وتتوزع في رؤوس موشور هندسي يمثل الشكل البلوري، ويدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell أويمثل جزءاً هندسياً من بنيتها. ويكون عدد الإيونات الداخلة في هجريب بنية بلورية عادة ثابتاً ومتناسباً على نحويحقق لها الاعتدال الكهربائي، وهذا ما يسمى مبدأ التناسق coordination principle.

والمبـدأ الأساسي في نظام البنية البلورية هوحتى مجموع قوى الشحنات التي تؤثر في أيون ينتظم فيها يجب حتى تساوي تكافؤ هذا الإيون. ففي بلورة كلوريد الصوديوم NaClقد يكون لكل كاتيون (شاردة موجبة) من الصوديوم شحنة موجبة مفردة التكافؤ تحيط به ستة أنيونات (شوارد سالبة) من الكلور أحادية التكافؤ، ويكون تكافؤ الكهرباء الساكنة للكلور 1/6، وباللقاءقد يكون تكافؤ الكهرباء الساكنة للصوديوم 1/6، باعتبار حتى شحنة أنيون الكلور موزعة على ستة كاتيونات من الصوديوم. وهنا تكون إيونات الصوديوم والكلور ذات تناسق سداسي الطوق. وبما حتى الإيونات متماثلة في التناسق، فإن بلورة كلوريد الصوديوم يجب حتى تحتوي عدداً متساوياً من الكلور والصوديوم في صيغتها الكيمياوية. وفي بلورة الفلوريتقد يكون جميع أنيون من الفلور مطوقاً بأربعة كاتيونات من الكلسيوم التي تشغل رؤوس رباعي وجوه نظامي. وباللقاءقد يكون جميع كاتيون من الكلسيوم مطوقاً بثمانية أنيونات من الفلور. وهذا يتفق مع صيغة الفلوريت الكيمياوية CaF2 وبها تشغل كاتيونات الكلسيوم نصف المواقع الممكنة في البنية البلورية.

الخصائص الفيزيائية

ترتبط الخصائص الفيزيائية للفلزات ارتباطاً وثيقاً بخصائصها الكيمياوية وببنيتها البلورية. وللخصائص الفيزيائية أهمية كبيرة في تعهد الفلزات وتحديدها، وفي الحالات التطبيقية وخاصة الصناعة، مثل الاستفادة من قساوة الماس والكورَندوم في الشحذ والصقل والبتر، والتطبيقات الإلكترونية الواسعة باستخدام المواد الفلزية المبلورة وأنصاف النواقل وشرائح الكوارتز واستقطاب الضوء وتوليد الليزر، واستخدام الخصائص المغنطيسية في فصل وهجريز خامات الحديد وغيرها. وفيما يأتي أبرز هذه الخصائص:

الانفصام (التقسم أوالانفلاق) cleavage

تتصف بعض الفلزات بقابلية بلوراتها للانفصام بشكل صفائح وفق سطوح مستوية ملساء. ويعود ذلك إلى وجود سطوح بلورية ضعيفة داخل البنية البلورية، أووجود فراغات في الشبكة البلورية.

التقسم (الفصل) parting

تميل بعض بلورات الفلزات إلى الانشطار وفق اتجاهات معينة.

المَكْسِر (الكَسْر أوالشدخ) fracture

وهوكسر في الفلز في غير مستوى الانفصام، وهوالشكل الخارجي لمكسر بعض الفلزات التي تخلومن خاصتي الانفصام والانشطار، ويمكن حتى يوصف بأنه عظمي أوزجاجي أومحاري أوليفي.

القساوة (الصلادة) hardness

تتمثل قساوة الفلزات في درجة مقاومتها للخدش، ويرمز لها بالحرف H، ولها علاقة وثيقة بالبنية الذرية للفلزات. فحدثا كانت قوة ترابط ذراتها متينة كانت قساوتها أشد. وتحدد قساوة الفلزات بمحاولة خدشها بفلزات ذات قساوات محددة. وقد اختير منها عشـرة فلزات مرتبة بحسب تزايد قساوتها لتكون سلماً للقساوة، ويعهد بسلم موس (مقياس موس) Mohs scale، وهي مرتبة بحسب الآتي:

1. التلك talc
2. الجص gypsum
3. الكلسيت calcite
4. الفلوريت fluorite
5. الأپاتيت apatite
6. الاورتوكلاز orthoclase
7. الكوارتز quartz
8. التوباز topaz
9. الكورَندوم coraudum
10. الماس(الألماس) diamond

يمثل التلك أدنى درجات القساوة، وله بنية بلورية دقيقة صفائحية ضعيفة الترابط لدرجة أنه يهجر أثراً في اليد، بينما يمثل الماس ذروة القساوة، ويتميز ببنية ذرية متينة الترابط، وهويخدش جميع الأجسام.

ويفيد استخدام بعض الوسائل البسيطة في تعهد قساوة الفلزات. فقساوة ظفر اليد أعلى بقليل من الدرجة 2، وقساوة بترة نقود من النحاس نحو3، وقساوة طرف سكين أوموساً أعلى بقليل من الدرجة 5. كما حتى قساوة زجاج النوافذ 5.5، وقساوة مبرد فولاذي نحو6.5.

إن تدّرج سلم موس تدرج نسبي لا يتزايد نظامياً. وقد بينت الدراسات التفصيلية لقساوة الفلزات حتى الفروق بين القساوة المطلقة لفلزات هذا السلم ليست متساوية، وأن الفرق بين قساوة الكورَندوم والماس أكبر بكثير من الفرق بين قساوة التوباز والكورَندوم (الشكل-5). وبالمقارنة مع التدرج النسبيقد يكون للكورَندوم الدرجةتسعة وللماس الدرجة 40 أوأعلى قليلاً.

التماسك (تحمل المتانة) tenacity

وهوشدة مقاومة الفلز للتكسر أوالسحق أوالانحناء أواللي. ويمكن حتى يوصف الفلز بأنه كَسُور brittle أوهش fragile أومُطاوِع.

الكثافة density

أوالكتلة الحجمية للفلز، وتقاس بالغرام على السنتمتر المكعب. ويمكن حتى يذكر في هذا المجال الوزن النوعي specific weight وهونسبة وزن حجم من الفلز على وزن حجم مساوله من الماء.

البريق (الرمش اللمعاني أوالبرقشة أواللألأة) luster

ويُميز نوعان من البريق في الفلزات: بريق معدني metallic luster وبريق لا معدني non-metallic luster. إلا حتى الوصف التفصيلي يتطرق إلى بريق تحت معدني submetallic luster وبريق ماساتي أوأدَمَنتي adamantine luster وبريق زجاجي vitrous luster وبريق دهني greasy luster.

اللون colour

تأخذ البلورات ألوانها من امتصاصها موجات معينة من الطيف الضوئي، وتصبح سوداء عندما تمتص جميع ألوان الطيف. وتعود الألوان في الفلزات إلى تراكيبها الكيمياوية، إلا أنها تُنْسَب أحياناً إلى وجود مواد ملونة بكميات ضئيلة فيها أوإلى تعرضها للإشعاع الطبيعي.

المَخْدِش

وهولون مسحوق الفلز حين يخدش أويطحن. وهومختلف أحياناً عن لون الفلز، إلا أنه صفة ثابتة يعتمد عليها. مثال ذلك المخدش الأحمر لفلز الهيماتيت hematite. ويمكن ملاحظة لون المخدش عندما يحك الفلز أويسحج على سطح جسم أكثر قساوة منه، وقد تستعمل لهذه الغاية صفيحة بيضاء من البورسلان الذي تبلغ قساوته نحو7.

تلاعب الألوان play of colours

ويظهر على شكل تتابع سريع لألوان الطيف على السطوح الخارجية لبعض الفلزات حين يتغير وضعها تحت الضوء.

التقزّح أوالتألق luminescence

وينجم عن الفلورة fluorescence التي تحصل في بعض الفلزات بعد تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، أومن الفسفرة phosphorescence وهي انبعاث الضوء من الفلز بعد تعرضه للإشعاع أوالضوء.

الأوبالية (التلألؤ أوالبريق) opalescence

وهي انعكاسات زجاجية حليبية تحصل على مستويات تحت السطح الخارجي لبعض الفلزات.

الريائية أوالطَرْنَشة أوالتكدر tarnish

وتتصف بها بعض الفلزات التي يتلّون سطحها الخارجي بلون يختلف عن لونها الحقيقي، كأن يتغير لونه بعمل التأكسد.

النجمية asterism

وهي انعكاسات ضوئية نجمية الشكل، تظهر في بعض الفلزات ذات التبلور السداسي عندما يُنْظَر إليها بموازاة محورها الشاقولي.

الانعكاس reflection والانكسار refraction

وهما خاصتا انعكاس الضوء على السطح الخارجي للفلز واختراقه عندماقد يكون الفلز منفذاً للضوء، وفي هذه الحالة تتغير سرعته وينكسر. وقرينة الانكسار في الفلزات المنفذة للضوء سمة مميزة لها. ومن المعروف حتى للضوء اهتزازات موجية في جميع الاتجاهات العمودية على مساره، إلا حتى هذه الاهتزازات الموجية يمكن حتى تصبح في الأجسام البلورية في مستوٍ واحد، فيصبح الضوء مستقطباً polarized light. وتوجد حالات ثلاث يستقطب فيها الضوء في الفلزات، وهي:

(1) الانكسار المضاعف و(2) الامتصاص على السطح (الادمصاص) adsorption و(3) الانعكاس reflection. وقد استفيد من استقطاب الضوء في تصميم المجهر الاستقطابي ودراسة الفلزات وتحديدها تحت المجهر.

الانكسار المضاعف double refraction

يحصل الانكسار المضاعف في جميع الفلزات التي تسمح بلوراتها بمرور الضوء، باستثناء الفلزات متساوية الخواص والتي تتبلور بالنظام المكعبي. فالشعاع الذي يمر منها ينكسر إلى شعاعين بحسب قرينتي انكسار ويكونان متباعدين أحدهما عن الآخر. إلا حتى زاوية التباعد تكون في معظم الفلزات صغيرة جداً لا يمكن ملاحظتها أوقياسها إلا باستخدام أجهزة ضوئية خاصة. وتتميز منها بلورات الكلسيت بانكسار مضاعف يظهر واضحاً في البلورات النقية الشفافة يتمثل بخيال مزدوج للأجسام التي ترى من خلالها.

المغنطيسية magnetism

وهي خاصية انجذاب بعض الفلزات بالمغنطيس، وتتميز بـها فلـزات الحـديد، وأهمها الهماتيـت hematite والماگنتيت magnetite، والأخير يمكن حتى تكون له قوة جذب مغنطيسي طبيعية.

الكهربائية

تتميز بعض الفلزات بتولد شحنات كهربائية في بلوراتها حين يُضغط عليها بموازاة أحد محاورها البلورية. تسمى هذه بالخاصة الكهرإجهادية piezoelectric، وتتميز بها، خاصة، بلورات الكوارتز التي استخدمت في تطبيقات إلكترونية متعددة وواسعة. وفي الوقت الحاضر تصنع شرائح بلورية مماثلة للكوارتز تستخدم خاصة في صناعة الحواسيب وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة. وما يجدر ذكره هوحتى بعض بلورات الفلزات تتميز بتولد شحنات كهربائية نتيجة تسخينها إلى درجات حرارة معينة، وتدعى الفلزات الكهرحرارية pyroelectric.

النشاط الإشعاعي radioactivity

ويرتبط بوجود مركبات غير مشعة مثل اليورانيوم والثوريوم في بعض الفلزات. ويمكن أيضاً حتىقد يكون بوجود الپوتاسيوم والربيديوم.

تصنيف الفلزات

تتطلب الدراسة النظامية للفلزات تصنيفها، بحيث تجمع الفلزات ذات الخصائص المشهجرة بعضها مع بعض في مجموعات متمايزة. وفي المراحل المبكرة من تطور فهم الفلزات حاول الفهماء وضع مخططات تصنيفية، بعضها مبني على الخصائص الفيزيائية للفلزات، وبعضها الآخر مبني على خصائصها الكيمياوية. وقد وضع العالم السويدي برزيليوس Berzelius عام 1815 تصنيفاً للفلزات مبنياً على أساس كيمياوي، لازال مقبولاً ومعتمداً حتى الوقت الحالي. ويجمع هذا التصنيف الفلزات ذات الأنيونات المشهجرة في صفوف رئيسة حسب ما يأتي:

1- العناصر الحرة .native elements

2- ضروب الكبريتيد (متضمنة أملاح السلفو) .sulfides

3- الأكاسيد oxides والهدروكسيدات .hydroxides

4- الهاليدات .halides

5- ضروب الكربونات carbonates وضروب النترات nitrates وضروب البورات borates وضروب اليودات iodates.

6- ضروب الكبريتات sulfates وضروب الكرومات chromates وضروب المولبدات molybdates وضروب التنغستات .tungstates

7- ضروب الفوسفات phosphates وضروب الأرسينات (أوالزرنيخات) arsenates وضروب الڤانادات vanadates.

8- ضروب السيليكات .silicates

فهم البلورات

تُبْنَى المادة الصلبة المبلورة بتكرار أجزاء دقيقة جداً، تتراصف بترتيب هندسي منتظم في اتجاهات الفراغ الثلاثة. ويتألف جميع جزء دقيق من ترابط أقل عدد من الأيونات التي تؤلف الهجريب الكيمياوي للبلورة، ويكون هذا الترابط في اتجاهات الفراغ الثلاثة ومشابهاً تماماً لشكل البلورة، وهوما يدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell. أما شبكة التراصف الفراغية فتسمى الشبكة البلورية crystal lattice، وهي تختلف في الشكل ومقاييس الأضلاع بحسب المادة البلورية. وقد ميز العالم أوگست براڨيه Auguste Bravais عام 1848 أربعة عشر شكلاً هندسياً للشبكات البلورية سميت شبكات برافيه.

التناظر البلوري crystal symmetry: تبدي بلورات الفلزات حين تنموحرة، نظاماً هندسياً في شكلها الخارجي وأوجهها الجانبية. ويلاحظ فيها تناظر في الرؤوس والأضلاع والزوايا والأوجه. وقد تمكن الفهماء من تصنيف الأشكال البلورية في أنظمة موشورية سبعة، هي:

(1) النظام المكعبي cubic system

(2) النظام الرباعي tetragonal system

(3) النظام السداسي hexagonal system

(4) النظام المعيني المستقيم orthorhombic system

(5) النظام أحادي الميل orthoclinic system

(6) النظام المعيني rhombohedric system

(7) النظام ثلاثي الميل triclinic system

وتعهد ملاحظة التناظر لدى تحريك أوتدوير البلورات باسم عمليات التناظر symmetry operations، وهي تضم التدوير حول المحور وانعكاس جزء من البلورة على سطحٍ مستوٍ مثل صورته في المرآة وتقابل تناظري بالنسبة إلى مركز البلورة.

أما محاور التبلور فهي خطوط مستقيمة وهمية تتقاطع في مركز البلورة وتكون بموازاة الأوجه المتقاطعة، ويرمز لها بالأحرف a وb وc باستثناء النظام السداسي الذي تكون له المحاور a1 وa2 وa3 وc. وتُدْرَس جميع البلورات وتُحدَّد أوجهها بحسب تقاطعها مع هذه المحاور أوموازاتها لها.

البنية البلورية :crystal structure يعدُّ اكتشاف انعراج الأشعة السينية في البلورات وتطبيقاته أبرز وقع في تاريخ فهم البلورات[ر: البلورات بالتصوير الشعاعي (دراسة)]. وقد مَكَّنَت من قياس المسافات بين المستويات الرئيسية داخل البلورات، كما مكنت من تحديد مواضع الذرات المترابطة فيها وتحديد أبعاد خلية الوحدة البلورية، ومن ثمَّ تحديد هوية جميع فلز، وذلك بالاعتماد على قانون براغ Bragg law وهوnλ = 2d sin θ

باعتبار λ طول موجة الأشعة السينية، وd المسافة بين مستويين ذريين رئيسيين في البلورة، والمستوي الرئيسي في البلورة هوالمستوي الذي يتضمن أكبر عدد من الدقائق المادية في البلورة سواء كانت أيونات، سالبة أم موجبة، ذرات أم جزيئات، وθ زاوية ورود الأشعة السينية، وn عدد سليم يشير على رتبة الانعراج.

معالجة المعادن

معالجة المعادن تشتمل على معالجة الخامات للحصول منها على الفلزات (شكل 1)، ويتضمن عمليتين مختلفتين، الأولى منهما عملية فيزيائية (طبيعية) تسمى هجريز أوتهيئة الخامات والثانية عملية كيميائية تسمى استخلاص الفلزات أوالمتالورجيا الاستخلاصية، وكلتا العمليتين متداخلتان حيث أنه في بعض الحالات تُقحم عملية الفصل الفزيائية لمكونات المادة الجارى معالجتها في برنامج استخلاص الفلز، وفى قليل من الحالات تخضع المادة المعدنية الخام مباشرة للمعالجة الكيميائية دون هجريز.

هجريز الخامات

تهتم عملية هجريز الخامات بتخصيبها وفصل الشوائب المعدنية عنها بحيث تحمل من كفائة المعالجات اللاحقة التى يجريها خبراء الاستخلاص للحصول على الفلزات ، ويستخدم مهندس الهجريز طرق ميكانيكية وفزيائية وفزيائية-كيميائية فقط لأداء عمله وتجرى جميعها في درجة الحرارة والضغط العاديين. وتنقسم هذه العمليات إلى مرحلتين متميزتين:

• تحرير المعادن وفيها يتم تكسير الصخور في هذه العملية بوسائل ميكانيكية بحيث تتفكك مكونات المعدن عن بعضها البعض أى حتى جميع منها يُفصل ويُحرر.
• فصل المعادن ويتم في هذه العملية فصل المعادن القيّمة من البقية بوسائل فزيائية و فزيائية-كيميائية اعتمادا على فروق الثقل النوعى والخواص المغناطيسية وغيرها.

وتوجد مجموعة تقترب من 300 معدن تستخدم كما هي في الصناعات الكيميائية وغيرها من الصناعات ، ولا تستخدم لإنتاج الفلزات، وتعهد باسم المعادن الصناعية، وقد هجرز أولا هجرز، فمثلاً الطَفل والرمل والحجر الجيرى تستخدم في التشييد والبناء، والكبريت وصخر الفوسفات والفلوريت في الصناعات الكيميائية، والماس والأحجار الكريمة وشبه الكريمة في صناعة الحُلي.

استخلاص الفلزات

فبينما يستخدم مهندس الهجريز طرق ميكانيكية وفيزيائية وفيزيائية-كيميائية لأداء عمله، يعتمد المختصون بالاستخلاص على الطرق الكيميائية فقط ، وهناك فرق هام آخر بينهما وهوحتى عمليات استخلاص الفلزات نادراً ما تجرى في الظروف العادية ، ولكن تتم عادة في درجة حرارة عالية وأحياناً في ضغط عالٍ ، بينما تجرى عمليات الهجريز في درجة الحرارة والضغط العاديين. ويجب حتىقد يكون المختص بالاستخلاص على دراية جيدة بالموضوعات الآتية (شكل 2):

• الكيمياء الفيزيقية، والكهربية، والعضوية، والتحليلية
• فهم المعادن، والبلورات، وخواص المعادن
• الهندسة، والرياضيات، والفيزياء، والاقتصاديات، وتطبيقات الحاسب
• نظرية العمليات المتالورجية وهى الأساس النظرى لكافة العمليات التى تحدث عند معالجة وتصنيع الفلزات.

أما المجال الواصل بين الكيمياء وفهم المعادن فهو“كيمياء المعادن” أي الكيمياء غير العضوية، والمجال بين الكيمياء والهندسة هو“الهندسة الكيميائية”، وبناءً على ذلك فاستخلاص الفلزات مرتبط بكل هذه المعارف، وهومرتبط أيضا ارتباطاً وثيقاً ببعض الصناعات الكيميائية مثل الأسمدة والغازات الصناعية وغيرها. ومن ثم فاستخلاص الفلزات معنِىٌ بالطرق الكيميائية في معالجة الخامات لاسترجاع عناصرها الفلزية في صورة نقية، وهوأحد أقدم فروع الكيمياء وفى صورته الحديثة ينقسم إلى ثلاث مجالات كبيرة: المتالورجيا الحرارية، والمائية، والكهربية.

المتالورجيا الحرارية

وهى أقدم مجالات استخلاص الفلزات ، وتضم طرق استخلاص جافة تُجرى في درجة حرارة عالية مثل الأكسدة والاختزال والكلورة والصهر وتكوين الخبث وغيرها ، وغالبا ما تضم عمليات صهر للمعادن وفصل للمكونات القيّمة في الحالة السائلة ، ومن الخامات النموذجية لهذه المعالجة خامات الحديد والنحاس و الرصاص.

المتالورجيا المائية

وهى مجال حديث نسبيا في استخلاص الفلزات ويضم الطرق المائية (تسمى أيضا طرق هيدروفلزية) التى تُجرى عادة في درجة حرارة الغرفة أوبالقرب من نقطة غليان الماء ، وتضم عمليات نَضّ المعادن أوترسيب الفلزات أومركباتها من المحاليل المائية بالإضافة إلى طرق العزل والتنقية مثل تبادل الأيونات واستخلاص المذيبات. ومن المعادن النموذجية لهذه التكنولوجيا معادن مضى واليورانيوم والألومنيوم.

المتالورجيا الكهربية

وهذا أحدث مجالات استخلاص الفلزات ويضم جميع الطرق الكهروفلزية المعتمدة على استخدام التيار الكهربائى لاسترجاع الفلزات أوحتى تنقيتها في محاليل مائية أوفي أملاح مصهورة، ومن الفلزات النموذجية المنتَجة بهذه الطريقة الألومنيوم والنحاس والخارصين.

ولا يمكن اعتبار هذه المجالات منفصلة عن بعضها البعض إذ تستخدم بوجه عام مجموعة منها لإنتاج فلز واحد، فمثلا يعالج البوكسيت (وهوأبرز خامات الألومنيوم) بطريقة مائية أثناء التجهيز، وتتم بعد ذلك عملية إنتاج الفلز النهائية بتقنية استخلاص كهربي. ومن ناحية أخرى تعالج خامات اليورانيوم أيضا بطريقة مائية لتخصيبها، بينما يتم إنتاج فلز اليورانيوم بطرق استخلاص حرارية. وقد توجد عدة مسارات مختلفة لاستخلاص الفلز الواحد ومن ذلك إنتاج ما يقرب من 80% من الخارصين بأساليب استخلاص مائية-كهربية أما نسبة 20% الباقية فتنتج بأساليب استخلاص حرارية، وبالنسبة للمغنسيوم فالكميات تقريبا متساوية .

وبالرغم من تداخل أساليب الاستخلاص عل النحوالسابق ذكره فتصنيفها كطرق حرارية ومائية وكهربية هوتصنيف مقبول، لأن جميع من هذه المجالات له معداته وأساليبه وأسسه النظرية، وعليه فالمتخصص في المتالورجيا المائية مَعنىٌ مثلا بتصميم أحواض النَضّ ومفاعلات الضغط وأنظمة الصَفْق والترشيح ومضخات نقل المحاليل المائية وغيرها، ويهتم أيضاً بسرعة (كينتيكا) التفاعلات وكيمياء الأيونات في المحاليل المائية. أما المختص بالمتالورجيا الحرارية فيهتم بشكل رئيسى بالوقود والأفران والحراريات والمواد المنصهرة كالمَتّ (خليط كربيتيدات النحاس والرصاص والنيكل) والخبث والفلزات، ويهتم أيضاً بالديناميكا الحرارية والتفاعلات بين المواد الصلبة والغازات في درجات الحرارة العالية ومعاملة الغازات الساخنة المحمَّلة بالغبار وغير ذلك. أما المتخصص في المتالورجيا الكهربية فلا بد حتىقد يكون على دراية كبيرة بالكيمياء الكهربية وتفاعلات الأقطاب ، ويُعْنَى بتصميم الخلايا الإلكتروليتية والأقطاب الكهربائية وعمليات تنقية المحاليل وإعادة التدوير والأملاح المنصهرة وغيرها.

ويهتم المختصون باستخلاص الفلزات سواء أكان في مجالات الاستخلاص المائية أوالحرارية أوالكهربية بتصميم عمليات جديدة بالإضافة إلى تحليل وتحسين العمليات الموجودة عملياً لزيادة العائد منها ولخفض تكلفة الإنتاج. وأحياناً يستخدم مصطلح “متالورجيا العمليات” ليضم عمليات النمذجة الرياضية في مجالات الاستخلاص المتنوعة، فيضم مثلا عمليات سريان الموائع (الغازات والمحاليل المائية والمعلقات والمواد المصهورة وغيرها) وانتنطق الحرارة، فهوبشكل أساسى تطبيق لمبادىء الهندسة الكيميائية في العمليات المتالورجية.

ويؤسَس استخلاص الفلزات على ثلاثة عناصر:

• التفاعلات الكيميائية للعمليات التى تتم.
• المعدات التى تتم فيها التفاعلات.
• مخطط التتابع وهوحركة المادة من مفاعل لآخر أثناء العملية.

يوضح شكل ثلاثة مخطط تقريبى لاستخلاص الفلزات من الخامات.

معالجة الفلزات

حالما يحصل المتخصص في الاستخلاص على الفلز يتناوله متخصص آخر لتحويله إلى منتجات كاملة تصلح لاستخدامات الصناعات المتنوعة ، ويضم هذا المجال تصنيع منتجات صالحة للعرض في الأسواق ، وللمتخصصين في هذا المجال خلفية قوية في الفيزياء والخواص الميكانيكية للمواد ، وينقسم هذا المجال إلى عدة فروع: المتالورجيا الفيزيقية والمتالورجيا الهندسية و المتالورجيا الميكانيكية و متالورجيا المساحيق.

المتالورجيا الفيزيقية

ويضم هذا المجال على موضوعات دراسة فسيحة ، مثل:

• الفلزات: خواصها الفزيائية والميكانيكية.
• المعالجة الحرارية: تسخين الفلزات لدرجات حرارة معينة يتبعها تبريد سريع (تسقية) لتحسين خواصها الميكانيكية.
• السبائك: انتاجها وخواصها الفيزيائية والميكانيكية.
• فهم البلورات: دراسة الهجريب البلورى للفلزات والسبائك باستخدام الأشعة السينية.
• المتالوجرافيا: دراسة البنية الدقيقة للفلزات والسبائك باستخدام المجهر الضوئى.
• التآكل: دراسة تأثير البيئة على الفلزات والسبائك.
• البِلَى: مقاومة الفلزات للبرى.
• الكسر: حجم الحبيبات وعيوب الفلزات عند الكسر.

المتالورجيا الهندسية

يشتمل هذا الفرع من المتالورجيا على طرق معالجة ومعاملة الفلزات في الحالة السائلة مثل السباكة واللحام.

السباكة

تُسبك الفلزات المنقاة في الحالة السائلة في شكل صُّبَات ، أى تصب في قوالب ملائمة وتُهجر لتتجمد ، ولإنجاز ذلك لابد من فرط تسخين الفلز فوق نقطة انصهاره بدرجة كافية حتى لا يتجمد قبل صبه في النطقب ، وإذا لم تتم هذه العملية بشكل سليم سيؤدى ذلك إلى إنتاج صبات معيوبة ، ويمكن حدوث العيوب الآتية:

• فجوات. عند صب الفلز في نطقب تتجمد الطبقة الخارجية بسرعة لملامستها جدران النطقب الباردة مكونةً قشرة فلزية متجمدة وداخلها منصهر ، وإذا تجمدت القمة أيضا فسيُحتجز الفلز المهصور داخل صندوق صلب مغلق ، وأثناء التبريد والتجمد تنكمش جميع الفلزات (عدا البزموث) ، أى حتى الفلز الجامد يشغل حجما أقل من الفلز المصهور ، وهذا بدوره يؤدى إلى تكون فجوات في الصبات النهائية والتى غالبا ما تكون مملوءة بالغازات التى كانت ذائبة في الفلز المصهور وحُررت عند التجمد ، ولذلك يجب بتر الجزء العلوى من الصبة وطرحه كخُردة.

• البلورات الشجرية. تميل بلورات فلزية شجرىة الشكل للنموفي اتجاهات عمودية على جدران النطقب مكونةً لمستويات ضعف عند مواضع تلاقيها داخل الصبة ، فمثل هذا المنتج مرفوض لأنه ينزع إلى التمزق في هذه المواضع عند الدرفلة.

• الانعزال. أثناء التبريد البطىء ، تحتوى البلورات الأولى التى تتكون على قليل من الشوائب المتبقية في المصهور (أوالعناصر السبائكية) ، وإذا كانت هذه الشوائب أخف من الفلز فإنها تتجه للطفوإلى سطح المصهور وبذلك تنعزل على شكل أطوار دقيقة مستقلة عن باقى الفلز. ولتفادى العيوب المبيّنة أعلاه يُسمح للفلز بالتجمد بحيث لا تظل إلا بقعة صغيرة منصهرة أثناء صبه ، ويمنع مثل هذا الإجراء تكون الفجوات منعاً شبه تام ، ويؤدى التبريد السريع إلى تكون بلورات صغيرة ويمنع كذلك تكون البلورات الشجرية الضخمة . ويمكن لبعض الفلزات مثل الصلب والحديد الزهر والنحاس والرصاص و الخارصين والنيكل والمضى والفضة والقصدير والأنتيمون التعرض للهواء أثناء الصهر ، في حين تتأكسد بسرعة وتشتغل فلزات أخرى مثل المغنسيوم واليورانيوم عند تعرض مصهورها للهواء ، فلا بد حتى تُسبك مثل هذه الفلزات تحت طبقة واقية من مادة صهورة أوفي جوخامل ، أما الفلزات مرتفعة نقط الانصهار (الفلزات الحرارية) مثل التنجستين فمن الصعب جدا صهرها وسبكها وعادةً ما تكبس وتشكل بطرق متالورجيا المساحيق.

من التطويرات الحديثة الهامة في السباكة اختراع ماكينة الصب المستمر (شكل 5). في هذه التقنية تستمر التغذية بالفلز المصهور من الخزان ويسمح له بالتجمد السريع في النطقب بحيث لا تظل في أى وقت إلا بقعة صغيرة منصهرة أعلى النطقب. وعند خروج الصبة المتجمدة من النطقب تمسكها مجموعة منالدرافيل تنظم عملية نزولها وتشكيلها. ويؤدى انكماش الفلز المتجمد إلى جذبه بعيداً عن جدران النطقب. ويوجد بعد منصة الدرافيل لهب أكسى أستيلين يستخدم لبتر الصبات الخارجة بأطوال مناسبة (شكل 6). وهذه الطريقة مهيأة لعمليات الإنتاج الضخمة ، فهى تنتج قليل من المرتجعات مقارنة بسباكة البتر ، و تخلومصبوباتها من الفجوات لأن الفلز يتجمد بمجرد صبه ، ومنتجاتها صغيرة الحبيبات بسبب التبريد السريع. وهى أيضاً أجدى اقتصادياً حيث يُشَكل الفلز المصهور مباشرة ، في حين أنه في عمليات سباكة البتر تسخن الصبات المتجمدة قبل التشكيل.

أما سباكة القوالب (الإسطمبات) ففيها يدفع الفلز المنصهر بمضخة تحت ضغط كبير إلى فجوة نطقب التشكيل ، ويتم هذا عادة للفلزات منخفضة الانصهار مثل الخارصين والألومنيوم والمغنسيوم. وهى طريقة سريعة جدا ومجدية اقتصادياً لسباكة عدد ضخم من صنف ما في وقت قصير.

اللحام

اللحام هوكيفية توصيل بترتين فلزيتين بالصهر (شكل 7). وتتكون عملية اللحام الكهربائى من نقل الطاقة الكهربائية من نقطة لأخرى تتحول خلالها إلى حرارة. تستخدم هذه الحرارة لصهر المواد الفلزية معا. فينصهر الإلكترود الفلزى بهذه الطريقة ويلتئم الجزءان الفلزيان المراد لحامهما معا. لوقاية الفلز المنصهر من التأكسد ، تضاف عادة مادة معدنية خاملة سهلة الانصهار تسمى الصَّهور إلى الالكترود بحيث تنصهر فوراً عند سخونته وتطفوعلى سطح الفلز المصهور فتحميه. ويمكن لالكترودات اللحام حتى تطلى بالصهورات من الخارج لعمليات اللحام بالبترة ، أومن داخل الكترودات طويلة مجوفة لعمليات اللحام المستمر. أحيانا لا يكفى الصَّهور لوقاية الفلز المصهور من التأكسد ويستخدم عندئذ جومن النتروجين للوقاية أثناء اللحام. بالنسبة لبعض الفلزات لا يمثل النتروجين الجوالواقى المناسب وذلك لاحتمال تكون نيتريدات مثل لحام التيتانيوم ، ففى مثل هذه الحالات يستخدم غاز الأرجون للوقاية. تشكل الوصلة الملحومة عادة أضعف أجزاء المُنشأ وبالتالى تُكرّس عناية كبيرة واهتمام لتكنولوجيا اللحام.

المتالورجيا الميكانيكية

يشتمل هذا الفرع من المتالورجيا على معالجة الفلزات في الحالة الصلبة. تسبك الفلزات عادة على شكل صبات ، تبرد بسرعة على السطح وببطىء خلال المركز. لهذا السبب لا بد حتى توضع الصبات في أفران تسمى الأفران الغاطسة حيث تسخن إلى درجة حرارة منتظمة في جميع نواحيها (شكل 8). الفلز الساخن لين بشكل ملائم ويمكن كبسه تحت ضغط قوى ليأخذ أشكال متعددة. وعمليات التشكيل المعتادة هى الطرق والدرفلة والبثق والخرق والسحب.

الطرق

فى هذه العملية يطرق الفلز أويكبس للشكل المطلوب. ويمكن استعمال مكبس هيدروليكى (حتى 30000 طن) أومطرقة ساقطة ذات أجزاء متحركة تصل إلى 30 طن لهذا الغرض (شكل 9).

الدرفلة

تُمرر الصبات الساخنة بين درافيل صلب قوية حيث تدرفل في ماكينات منفصلة إلى بلاطات ونَوْرَات وكتل (شكلىعشرة و11). تمضى هذه الأشكال الثلاثة النصف نهائية إلى ماكينات التشطيب. وتدرفل هناك كما يلى:

• البلاطات (Slabs). تسمى هذه الأشكال المسطحة ألواح عندما يتم خفض سمكها إلى حوالىستة مم ، أما الأشكال الأقل سمكا فيطلق عليها صفائح أوشرائط وحينما تدرفل لسماكات غاية في الرقة تعهد بالرقائق. وتستخدم هذه الأشكال في تصنيع معدات النقل والأجهزة المنزلية. أما الصفائح والشرائط فتستخدم أيضا في تصنيع المواسير الملحومة وشبكات الأنابيب.

• النورات (Blooms). (مفردها نَوْرَة) هى تعبير عن قضبان مربعة الشكل بأحجام مختلفة من الممكن تشكيلها سواء إلى كمرات أوغيرها من الأشكال المطلوبة للأغراض الإنشائية

• الكتل أوالعروق (Billets). وتسمى أيضاً الشبقات (مفردها شَبْق) وهى تنتج من النورات لعمل قضبان وأعواد بمقاطع مستديرة أومربعة أولإنتاج أشكال أخرى بأحجام متفاوتة ويصنع منها العدد والبرشام والكابلات والأسلاك وغيرها.

عادة ما تتم الدرفلة ساخنة في المراحل الأولى وباردة في المراحل اللاحقة. وتُصَلِّد الدرفلة الباردة الفلزات حتى أنه بعد خفض السمك لنسب معينة يصبح من الصعب جدا استكمال الدرفلة بشكل اقتصادى ، وفي هذه الفترة تُلَدَّن الفلزات لتَلْيينَها لمراحل الدرفلة التالية وتستمر هذه العمليات المتبادِلة حتى يتم الحصول على المعيار المطلوب.

البثق والخرق

هذه هى الطرق الرئيسية لتصنيع الأشكال الإنشائية والأنابيب وغيرها من الأعمدة المصمتة ، ففى البثق (شكل 12) توضع كتلة مسخنة في مكبس هيدروليكى قوى ويدفع خلاله شاقة صلب ويجبر الفلز الباقى بعد ذلك على المرور من خلال الإسطمبة وحول الشاقة. وفي عملية الخرق (شكلى 13 و14) تدوَّر الكتلة المسخنة وتُغذَّى خلال سِدادة مسننة وتسحب قشرة الأنبوب للمقاس المطلوب من خلال مجموعة إسطمبات متتابعة.

السحب

يتم في عملية السحب خفض مبتر كتلة فلزية بسحبه من خلال إسطمبة ويعتمد نجاح هذه العملية على خاصية المطيلية التى تسمح للفلز بأن يستطيل استطالة كبيرة بدون كسر ، ويستخدم السحب بشكل أساسى لصناعة الأسلاك. والمادة الأولية تعبير عن عود قطره تقريباستة مم أُنتج قبل ذلك بدرفلة أوبثق كتلة أكبر حجما ، وبعد ذلك يتتابع سحب السلك خلال إسطمبات صلب أصغر فأصغر مما يؤدى إلى تناقص القطر تدريجيا . وتتعرض الإسطمبات لبِلَى كبير ولذلك تتكون الفوهات عادة من مواد متينة مثل كربيد التنجستين ، وقد يستخدم الماس الصناعى لإنتاج الأسلاك الرفيعة جداً ، وعادة ما تستخدم مزلقات لتقليل الاحتكاك أثناء عمليات السحب. وتميل عملية السحب إلى جعل الأسلاك صلدة وإلى حد ما قَصِفَة ويخفَف من هذا التأثير بالتلدين.

متالورجيا المساحيق

المتخصص في متالورجيا المساحيق معنى بإنتاج ومعالجة مساحيق الفلزات وعمل منتجات صناعية صلبة منها (شكل 15). تنتج الفلزات المسحوقة بعدة عمليات مثل : التحليل الكهربائى واختزال الهيدروجين من المحاليل واختزال الأكاسيد والتَّذْرِية (الترذيذ) والتفريز والطحن ، وتتوفر المساحيق بأشكال مختلفة كروية وشجرية وإسفنجية وغير منتظمة وقشارة ، وتوجد بعض السبائك المسحوقة التى نالت أهمية تقنية.

ففى متالورجيا المساحيق ، تكبس المساحيق على أشكال معينة ثم تسخن وتُلَّبد. وتُصنع أعداد متزايدة من الأجزاء الصغيرة مثل التروس وكراسى التحميل (المحامل) والبطانات والصمولات والأقفال وأجزاء المعدات الحربية بهذه الطريقة. وهى في معظم الأحيان أجدى اقتصادياً من بتر وتشغيل الأجزاء من كتل الفلزات المطاوعة أوالمصبوبة. ففى كراسى التحميل المسامية المشربة بالزيت والمرشحات المسامية يتم التحكم في حجم المسام عن طريق حجم حبيبات المسحوق الكروية ويتم ذلك بأساليب ميتالورجيا المساحيق. ونجحت حديثاً عمليات درفلة مساحيق الفلزات على شكل ألواح وشرائط ونجح كذلك بثقها مباشرة في شكل أنابيب. وقد تستخدم بعض مساحيق الفلزات مثل النحاس والبرونز المضىى كصبغات في صناعة طلاء السطوح وفي الفنون التخطيطية.

المصادر

• F. Habashi, Metals from Ores. An Introduction to Extractive Metallurgy, Métallurgie Extractive Québec, Québec City, Canada 2003.

انظر أيضاً

• فهم المواد
• قائمة السبائك
• فهم المعادن
• المتالورجيا الحرارية Pyrometallurgy
• الميتالورجيا الأثرية
• جورج أگريكولا
• خط زمني لتقنية المواد
• تصنيع Fabrication

معلومات اضافية