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 (英語: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 的工藝 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
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
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 、銅 、金 、銀 、鐵 、鉛 、錫 等金屬。最早冶煉的金屬應該是在自然界以元素態存在的金 ,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] 。而銀 、銅 、錫 及陨铁 也會以自然金屬 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、鉛 及銅 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 。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。
古中東 的採礦區域,顏色:砷 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 ,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 及近東 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 及羅馬 、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 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 。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,即開始嘗試以煤 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
中國元朝用水車 帶動的鼓風爐
斯洛伐克 中部,赫龍河畔捷亞爾 的鋁工廠
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 或硫化物 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 。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 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
青铜的鑄造
工程常用的金屬包括鋁 、鉻 、銅 、鐵 、鎂 、鎳 、鈦 及鋅 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,其中包括鋼 及鑄鐵 。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 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 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 。鎳基的高溫合金 (如鎳鉻鐵合金 )會用在像渦輪增壓器 、压力容器 及換熱器 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
在工業工程 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
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。
剪切成形
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。
雷射熔覆 :用可移動的雷射束(如裝在工具機的軸上)加熱金屬粉末,熔化的金屬粉末碰到基座,形成金屬池,當雷射頭移除後,可以堆疊工件,組成三維的工件。
擠製 :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 :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 及電鑽 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 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 (也稱為失蠟法 )、壓鑄 及連續鑄造 。
熱處理
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 、淬火 及回火 [ 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马氏体 ,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 ,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
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,例如金 、銀 、鉻 或鋅 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,也可以使用热喷涂 ,其製品在高溫下的性能會比電鍍要好。
微觀結構
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 開創。在金相学中,待測的試样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 或電子顯微鏡 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 的X射線 衍射 或電子 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
相關條目
參考文献
引用
^ "Металлургия" (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ). in The Great Soviet Encyclopedia . 1979.
^ 2.0 2.1 Oxford English Dictionary , accessed 29 January 2011
^ History of Gold . Gold Digest. [2007-02-04 ] . (原始内容存档 于2007-04-29).
^ E. Photos, E. The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results (PDF) . World Archaeology. 2010, 20 (3): 403 [2015-03-03 ] . JSTOR 124562 . doi:10.1080/00438243.1989.9980081 . (原始内容存档 (PDF) 于2015-12-22).
^ 5.0 5.1 W. Keller (1963) The Bible as History . p. 156. ISBN 978-0-340-00312-1
^ 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 .
^ Neolithic Vinca was a metallurgical culture (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ) Stonepages from news sources November 2007
^ B. W. Anderson (1975) The Living World of the Old Testament , p. 154, ISBN 978-0-582-48598-3
^ R. F. Tylecote (1992) A History of Metallurgy ISBN 978-0-901462-88-6
^ 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 .
^ Karl Alfred von Zittel. History of Geology and Palaeontology . 1901: 15 [2015-03-03 ] . doi:10.5962/bhl.title.33301 . (原始内容 存档于2016-03-04).
^ 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. [2015-03-03 ] . (原始内容存档 于2015-04-02).
^ 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 .
^ Arthur Reardon (2011), Metallurgy for the Non-Metallurgist (2nd edition), ASM International, ISBN 978-1-61503-821-3
书籍
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