Metalurgia metalak dituztenmineraletatikmetalak lortzeaz eta egiteaz arduratzen den teknika da. Halaber, metalen ekoizpena aztergai eta helburu duen zientziaren izena da mineral direnetik landu diren arte. Zientzia gisaelementu metalikoen portaera fisiko eta kimikoa,konposatu intermetalikoak eta nahasteak aztertzen ditu,aleazio deritzenak. Metalurgiak metalen zientzia eta teknologia hartzen ditu bere baitan, hau da, nola aplikatzen den zientzia metalak sortzeko eta metalezko konposatuak fabrikatzaileentzat zein kontsumitzaileentzat erabiltzeko. Metalurgia ez da, hala ere,metalgintzaren parekoa. Metalgintzak metalurgia erabiltzen dumedikuntzak zientzia biologikoak erabiltzen dituen bezala.
Metalurgiaren zientzia bi kategoria zabaletan banatzen da:metalurgia kimikoa etametalurgia fisikoa. Metalurgia kimikoa batez ere metalen murrizketa etaoxidazioari eta metalen errendimendu kimikoari buruzkoa da. Metalurgia kimikoaren aztergaien arteanmineralen prozesamendua,metalen erauzketa,termodinamika,elektrokimika etadegradazio kimikoa (korrosioa) daude. Kontrastean, metalurgia fisikoa metalen propietate mekanikoetan, metalen propietate fisikoetan eta metalen errendimendu fisikoan zentratzen da. Metalurgia fisikoan aztertutako gaiak hauek dira:kristalografia, karakterizazio materiala, metalurgia mekanikoa,fase-transformazioak eta akats-mekanismoak[1][2].
Historikoki, metalurgia nagusiki metalen ekoizpenean zentratu da. Produkzio metalikoa metala ateratzeko ponpen prozesuarekin hasten da, eta aleazioak egiteko metalen nahasketa barne hartzen du. Sarritan, metalezko aleazioak gutxienez bi elementu metaliko ezberdinen nahasketa dira. Hala ere,elementu ez-metalikoak askotan aleazioei gehitzen zaizkie aplikazio baterako egokiak diren propietateak lortzeko. Metal-ekoizpenaren azterketa metalurgia ferrosoan (metalurgia beltza bezala ere ezaguna) eta metalurgia ez-ferrosoan (kolorezko metalurgia bezala ere ezaguna) banatzen da. Metalurgia ferrosoakburdinan oinarritutako prozesuak eta aleazioak barne hartzen ditu, eta metalurgia ez-ferrosoak, berriz, beste metal batzuetan oinarritutako prozesuak eta aleazioak. Metal ferrosoen ekoizpenak munduko metal ekoizpenaren % 95 kontatzen du[3].
Metalurgiko modernoek, bai ohiko zein eremu berrietan egiten dute lan,materialen zientzia eta besteingeniari batzuen ondoan dagoen talde diziplinarteko baten parte bezala. Eremu tradizional batzuetan mineralen prozesamendua, metal-ekoizpena,beroaren tratamendua, hausturen analisia eta metalen batuketa (soldatzea eta disolbatzea barne) daude. Metalurgikoentzako irteera-eremuaknanoteknologia,supereroaleak, konposatuak,material biomedikoak, materialelektronikoak (erdieroaleak) eta gainazalen ingeniaritza dira[4][5].
Metalurgia greziera zaharretik eratorritakoa da. Izan ere, antzinako grezierazko μεταλλουργός (metallourgós),metaleko langilea «μέταλλον», metaloi, mehea, metala» + ἔργον «lana» da. Hitza, jatorriz, metalen alkimisten mineral terminoan zegoen. Zentzu horretan eztabaidatu zen 1797ko Encyclopædia Britannican[6]. XIX. mendearen amaieran, metalen, aleazioen eta lotutako prozesioen azterketa zientifiko orokorrera hedatu zen.
Kobrea izan zen gizakiak landutako lehen mineraletako bat, naturan ia puru (kobre natiboa) egoeran baitago.Urrearekin etazilarrarekin batera,Neolitikoaren amaieratik erabili zen, eta, hasieran, jo egiten zutenxafla bat bezain laua utzi arte. Ondoren,zeramika-teknikak hobetzearen ondorioz,labean urtzen etamoldeetan husten ikasi zuten, eta, horri esker,tresna hobeak eta kantitate handiagoak egin ahal izan zituzten. HorrekKobrearen Aroa sortu zuen (Kalkolitikoa ere deitua).
Urre natural kopuru txikiak aurkitu izan diraPaleolito berantiarreko Espainiako kobazuloetan, K.a. 40.000. urtean[7].Zilarra,kobrea,eztainua etaburdina meteorikoa ere jatorrizko eran aurki daitezke, eta horrek, kultura goiztiarretan, metalen lan kopuru mugatua ahalbidetzen du[8]. Burdin meteorikoz egindakoegiptoar armak, K.a. 3000. inguruan, oso preziatuak zirenzeruko arma gisa[9]. Zenbait metal, bereziki eztainua,beruna eta, tenperatura altuagoan,kobrea bere mineraletatik berreskura daiteke harriaksu batean edolabe garai batean berotuz,galdaketa bezala ezagutzen den prozesuaren ondorioz.Erauzketa-metalurgia horren lehen ebidentzia, Kristo aurreko bosgarren eta seigarren milurtekoena[10], gaur egungoSerbiako Majdanpek, Jarmovac, Pribojetik gertu dauden leku arkeologikoetan aurkitu da. Orain arte, kobre-galdaketaren ebidentziarik goiztiarrena Belovode gunean dago, Plocnik inguruan[11]. Leku horretan, K.a. 5500eko kobrezko aizkora bat aurkitu zen Vinča kulturarena[12]. Berunaren erabilera goiztiarrenaIrakeko Yarim Tepe Neolitiko berantiarreko asentamenduan dago dokumentatuta:
«
Antzinako Ekialde Hurbilean aurkitutako lehen berunezko (Pb) tresna Irak iparraldeko Yarim Tepe-ren Kristoren aurreko seigarren milurtekoaren besoko bat eta Halaf Arpachiyah aldiaren geroagoko berunezko pieza koniko bat dira,Mosul-etik hurbil[13].13 Bertako beruna oso arraroa denez, tresna horiek berunaren galdaketa kobrearen galdaketa baino lehen ere hasi ahal izatea planteatzen dute[14].
»
Kobrearen galdaketa ere gutxi gorabehera denbora-tarte berean dago dokumentatua leku horretan (K.a. 6000.etik gutxira), baina berunaren erabilera kobrearen galdaketaren aurrekoa dela dirudi. Metalurgia goiztiarra Tell Maghzaliyah inguruan ere dokumentatuta dago, non lehenago ere datatua dagoela dirudien, eta zeramika hori erabat falta da. Balkanak neolitoko kultura nagusien gunea izan zen, Butmir, Vinča, Varna, Karanovo eta Hamangia barne.
Varna nekropolia,Bulgaria, Varna mendebaldeko industria-eremuko ehorzketa gunea da (hirigunetik 4 km inguru); nazioartean, munduko historiaurreko gune arkeologiko garrantzitsuenetako bat da. Munduko urrezko altxorrik zaharrena, K.a. 4.600 eta 4.200 urteen artekoa bertan aurkitu zen[15]. Durankulak-en, Varna ondoan, duela gutxi aurkitu zen 4.500 urte bitarteko urrezko pieza ere beste adibide garrantzitsu bat da[16][17]. Metal goiztiarren beste seinaleak K.a. hirugarren milurtekoaren artean aurkitzen dira:Palmelan (Portugal),Los Millaresen (Espainia), etaStonehengen (Erresuma Batua). Hala ere, azken aurkikuntzak ezin dira argi eta garbi egiaztatu, eta aurkikuntza berriak etengabeak dira.
Ekialde hurbilean, K.a. 3.500 inguru,kobrea etaeztainua konbinatuz, goi mailako metala egin zitekeela aurkitu zen,brontzea deitu zen aleazioa. HorrekBrontze Aroa izenarekin ezagutzen den aldaketa teknologiko garrantzitsua irudikatu zuen.
Burdinazko metalurgian, garapen historikoak iraganeko kulturak eta zibilizazio ugaritan aurki daitezke. Barne hartzen dituzte:Ekialde Hurbileko Erdi Aroko erresumak eta inperioak;antzinako Iran,Egipto,Nubia etaAnatolia (Turkia); antzinakoNok etaKartago; antzinako Europakogreziar etaerromatarrak; Erdi Aroko Europa;antzinako eta Erdi Aroko Txina,India, etaJaponia, besteak beste. Antzinako Txinan zeuden aplikazio, praktika eta gailu asko ezarri ziren, hala nola labegaraiaren berrikuntza, burdinurtua, mailu hidraulikoak, pistoi bikoitzeko hauspoak[4][5].
De re metallica izeneko Georg Agricolaren XVI. mendeko liburuak garai hartako meatzaritza, metalak erauzteko eta metalurgiaren prozesu oso garatu eta konplexuak deskribatzen ditu. Agricolametalurgiaren aita gisa hartua izan da[20].
Euskal Herrian, doi-doi ezagutzen da metalurgiari buruzko langintzarik Brontze Aroan,aizkorak galdatzeko harrizko molde bat baino ez baita agertu, Mugakosoron,Basaburua (Nafarroa), ez eta ez dira ezagutzen kobrea erauzteko lekuak ere. Baina,La Hoyako aztarnategian (Biasteri (Araba) Brontze Aro berantiarrekoa eta Burdin Aro hasierakoa), zenbait tresna aurkitu dira (gezi puntak)[21].
Erdi Aroan, Euskal HerrianMendiko burdinolak deituriko lantegiak erabili zituztenmea eraldatzeko.Burdinola horiek mendi inguruetan eraikitzen zituzten egurra behar baitzuten sutarako, etabasoak hurbil izateak erraztasuna ematen zien. Zenbait tokitan aurkitu izan dirazepategiak, zepa-zaborrak, alegia. Geroago,XI. etaXII. mendeetan zehar Europan garatutako metodohidraulikoa Euskal Herrian ere erabiltzen hasi ziren.Segurako (Gipuzkoa) 1355eko ordenantza batzuetan jada aipatzen baita[22].
Teofilo Guiard Larraurik bereHistoria del Consulado y Casa de Contratación de Bilbao y del Comerio de la Villa liburuan zioen Bilbok lantzen eta negoziatzen zituela burdina eta altzairuzko tresna guztiak, eta horixe zela Bilbori aberastasuna ematen ziona. «Bilbo burdinaren gainean sortu zen» zioen. 1553an, Errege bidearen deklarazio agiriak dioGaztelan inportatzen zirela, etaBizkaitik soilik, 28.000 kintal burdina eta 6.000 kintal altzairu baino gehiago, ikaragarrizko kantitatea, eta, horrez gainera,Portugaleteko kaitik 500.000 kintal zepa. Garai hartan, 200.000 kintal burdina eta altzairu baino gehiago ekoizten zenBizkaiko Jaurerrian, eta 300burdinola baino gehiago omen ziren. Dena den, badirudi mendearen bukaeran erruz jaitsi zela burdinaren negozioakortsarioen jazarpenaren ondorioz[23].
Erauzketa metalurgia mineral batetik metal baliotsuak kendu eta ateratakometal gordinak modu garbiagoan fintzea da. Metal-oxidoa edo sulfuroa metal garbiago bihurtzeko, minerala fisikoki, kimikoki edo elektrolitikoki murriztu behar da. Erauzketa metalurgikoei lehen mailako hiru korronte interesatzen zaizkie: elikadura, kontzentratua (oxido metalikoa/sulfuroa) eta josturak (hondakinak).
Erauzketa metalurgia mineral batetik metal baliotsuak kendu eta ateratako metal gordinak modu garbiagoan fintzea da. Metal-oxidoa edosulfuroa metal garbiago bihurtzeko, minerala fisikoki,kimikoki edoelektrolitikokimurriztu behar da. Erauzketa metalurgikoei lehen mailako hiru korronte interesatzen zaizkie: pentsua, kontzentratua (oxido metalikoa/sulfuroa) etazaborrak (hondakinak).
Meatzaritzaren ondoren, partikulak behar bezain txikiak izan daitezen, mineralaren elikaduraren zati handiak apurtu egiten dira birrintzearen edo ehotzearen bidez, non partikula bakoitza batez ere baliotsua edo hondakina den. Balio-partikulak bereizte euskarri batean kontzentratzeak aukera ematen du nahi den metala hondakin-produktuetatik kentzeko.
Meatzaritza ez da beharrezkoa izango mineralaren gorputza eta ingurune fisikoalixibiatuak izateko aproposak badira. Lixibiatuak mineralak mineralen gorputz batean disolbatzen ditu, eta soluzio aberastu bat lortzen du. Soluzioa bildu, eta prozesatzen da metal baliotsuak ateratzeko. Mineralen gorputzek metal baliotsu bat baino gehiago izaten dute.
Aurreko prozesu baten zaborrak beste prozesu batean erabil daitezke elikagai gisa jatorrizko mineraletik bigarren produktu bat ateratzeko. Gainera, kontzentratuak metal baliotsu bat baino gehiago izan dezake. Kontzentratu hori prozesatu egingo litzateke metal baliotsuak banakotan banatzeko.
Ahalegin handia egin da burdina eta karbono aleazioen sistema ulertzeko, altzairuak eta burdinurtuak barne. Karbonozko altzairu lauak (funtsean karbonoa bakarrik dutenak elementu aleatzaile gisa) kostu txikiko eta indar handiko aplikazioetan erabiltzen dira, non, ez pisuak, ezkorrosioak ez duten garrantzi handirik.Burdinurtuak ere, burdin harikorra barne, burdinaren karbono-sistemaren parte dira.Burdina-Manganeso-Kromo aleazioak (Hadfield motako altzairuak)magnetikoak ez diren aplikazioetan ere erabiltzen dira, hala nola direkzio-zulaketan.
Altzairu herdoilgaitza, batez ere altzairu herdoilgaitz austenitikoak, altzairu galbanizatua, nikelezko aleazioak, titaniozko aleazioak edo noizean behin kobrezko aleazioak erabiltzen dira korrosioaren aurkako erresistentzia garrantzitsua denean.
Aluminio aleazioak eta magnesio aleazioak erabili ohi dira automozioan eta aplikazio aeroespazialetan bezalako zati indartsu-arina behar denean.
Kobre-nikel aleazioak (Monel adibidez) oso korrosiboak diren inguruneetan eta magnetikoak ez diren aplikazioetarako erabiltzen dira.
Inconel bezalako nikelezkosuperaleazioak tenperatura altuko aplikazioetan erabiltzen dira, hala nola gas-turbinetan,turbokonpresoretan, presio-ontzietan eta bero-trukagailuetan.
Tenperatura oso altuetarako, kristal bakarreko aleazioak erabiltzen diraisurpen motela gutxitzeko. Elektronika modernoan, purutasun handiko silizio monocristalinoa funtsezkoa da metal-oxido-siliziozko transistoreentzat (MOS) etazirkuitu integratuentzat.
Rockwell, Vickers eta Brinellen gogortasun-eskalak erabiliz, metalaren gogortasuna zehaztea ohiko praktika da, aplikazio eta produkzio-prozesu desberdinetarako metalaren elastikotasuna eta plastikotasuna hobeto ulertzen laguntzen baitu[24]. Ingurune gazi batean, metal ferroso gehienak eta aleazio ez-ferroso batzuk azkarherdoiltzen dira. Egoera hotzean edokriogenikoan dauden metalek trantsizio hauskor bat jasan dezakete, eta gogortasuna galdu hauskorrago bihurtuz eta pitzatzeko joera hartuz. Metalek, karga zikliko etengabean,metal nekea jasan dezakete.Tentsio etengabean dauden metalak, tenperatura altuetan, harrotu egin daitezke.
Forjaketa:metalei forma jakin bat emateko eta presioz edo kolpeen bidez trinkotzeko sistema da. Metala gori dagoelaingude gainean,mailuz kolpeak emanez forjatzen dira metalak, edo lurrun- edo ur-prentsaz zanpatuz. Forja-sistema asko daude, baina gaur egun bigarren sistema erabiltzen da, tonaburdina asko aldi berean zanpatzeko aukera ematen baitu.
Ijezketa: materialaijezketa-zilindro izenekoarrabol biren artean igaroarazteari deritzo. Arrabol bien arteko banaketa materialaren hasierako lodiera baino txikiagoa denez, materiala zilindroen formaren arabera itxuragabetzen da. Behin betiko forma pauso batzuk eman ondoren lortzen da.
Extrusio: oro har, masa bat moldeatzea edo forma ematea da, zehazki horretarako prestatutako irekidura batetatik irtenaraziz.
Mekanizazio:Tornuz,fresagailuz edozulagailuz egiten den kontrolatutako prozesua da, non lehengaia aurretik zehaztutako forma eta tamaina ezberdinetara eraldatzen den.
Sinterizazio: metal hauts bat ingurune ez-oxidatzailean berotzen da trokel batean konprimitu ondoren.
Galdaragintza: metalezko xaflak gillotinaz edo gas-ebakigailuz ebakitzen dira, eta, egitura itxuran, tolestu eta soldatzen dira.
Estaldura: hauts metalikoa laser izpi mugikor baten bidez haizatzen da (adibidez, NC 5 ardatzeko makina batean muntatuta). Horren ondorioz, urtzen den metala substratu batera iristen da urtzeko putzu bat osatzeko, eta, laser-burua mugituz, pistak pilatu eta hiru dimentsioko pieza bat eraiki daiteke.
3D inprimaketa: edozein objektu egiteko forma emateko, 3D espazio batean, hauts amorfozko metala sinterizatzea edo urtzea da.
Hotzean lan egiteko prozesuek, non produktuaren forma aldatzen den errodadura, fabrikazio edo beste prozesu batzuen bidez produktua hotza den bitartean, produktuaren indarra areagotu dezakete lana gogortzea deritzon prozesu baten bidez. Gogortze lanak akats mikroskopikoak sortzen ditu metalean, eta forma aldaketa gehiago onar dezakete.
Metalak berotu egin daitezkeindarraren, harikortasunaren,gogortasunaren etakorrosioaren aurkako erresistentziaren propietateak aldatzeko. Tratamendu termikoko prozesu arrunten artean, hauek daude: annealizazioa, prezipitazioa indartzea, itzaltzea eta epeltzea[26].
Suberaketa tratamendu termikoa da, berotu ondoren, oso astiro hoztuz,produktu metalurgikoei ematen zaiena. Beste tratamendu termiko batzuengatik edo mekanikoki lantzeagatik, propietate naturalak galdu dituen metal bati propietate horiek itzultzea da tratamendu honen helburua.
Aroa[27], tenplaketa edo galda[28] tratamendu termikoa da, berotze/hozte prozesu txandakatuametalaleazioei ematen zaiena. Aroaren bitartez, gogortasun, erresistentzia eta irmotasun handiagoa ematen zaio metalari, baina hauskorragoa ere bihurtzen da; horregatik, gero,iragotu behar izaten da[29].Beiraren gogortasuna handitzeko ere erabil daiteke.
Iragotzea materialei emaniko tratamendu termikoa dagogortasuna eta erresistentzia mekanikoa aldatzeko. Helburu nagusia,aroa eman eta gero,altzairuak izaten duen hauskortasun handia gutxitzea da.
Askotan, tratamendu mekanikoak eta termikoak tratamendu termomekanikoetan konbinatzen dira propietate hobeak eta materialen prozesamendu eraginkorragoa lortzeko. Prozesu horiek ohikoak dira aleazio altuko altzairu berezietan,superaleazioetan etatitaniozko aleazioetan.
Metal baten gainean kobrea galbanizatzearen eskema sinplifikatua
Elektroestaldura edo galbanoplastia tratamendu kimikoko teknika da.Urrea,zilarra,kromoa edozinka bezalako beste metal batengeruza mehe bat produktuaren azalari lotzea da. Hori egiteko, material estaltzailearenelektrolito soluzioa hautatzen da, hau da, lana estaliko duen materiala (urrea, zilarra, zinka...). Material desberdineko bielektrodo egon behar dute: bata estaltzailearena eta bestea estalitakoarena. Bi elektrodoak elektrikoki kargatzen dira, eta estaldurako materiala lanari itsasten zaio.Korrosioa murrizteko erabiltzen da, baita produktuaren itxura estetikoa hobetzeko ere. Metal merkeak garestien (urrea, zilarra) itxura hartzeko ere erabiltzen da[25].
Granailaketa metalezko piezak amaitzeko erabiltzen den hotz-prozesu bat da. Granailatze-prozesuan, grano borobil txikia lehertzen da akaberako piezaren gainazalean. Prozesu hori piezaren produktuaren bizitza luzatzeko, estresaren korrosioaren akatsak eta nekea saihesteko erabiltzen da. Jaurtiketak zulo txikiak uzten ditu gainazalean, mailu batek egiten duen bezala, eta horrek konpresio-esfortzua eragiten du zuloaren azpian. Injekzio-baliabideek materiala behin eta berriz kolpatzen duten heinean, gainjarritako zulo asko sortzen ditu tratatzen den pieza osoan. Materialaren gainazaleko konpresio-esfortzuak pieza sendotzen du, eta neke-porrotari, tentsio-hutsegiteari, korrosio-hutsegiteari eta pitzadurari aurre egiten dio[30].
Proiekzio termikoko teknikak akaberako beste aukera ezagunak dira, eta, askotan, propietate hobeak dituzte tenperatura altuan elektroestalduran baino. Ihinztadura termikoa, esprai bidezko soldadura prozesua bezala ere ezaguna[31], estaldura industrialeko prozesua da (bero-iturri bat (sugarra edo beste bat) eta hauts edo alanbre eran egon daitekeen estaldura-material bat dituena) eta, ondoren, abiadura handian tratatzen den materialaren gainazalean urtzen dena. HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) izenez ezagutzen da: plasma-spray, su-spray, arku-spray eta metalizazio.
Elektrizitaterik gabekodeposizioa prozesu autokatalitikoa da, zeinaren bidez metalak eta aleazio metalikoak gainazal ez-eroaleetan metatzen diren. Gainazal ez-eroale horietan, plastikoak, zeramika eta beira sartzen dira, eta, gero, apaingarri, korrosioaren aurkako eta eroale bihur daitezke, azken funtzioen arabera. Deposizio elektrolitikoa prozesu kimiko bat da, hainbat materialetan estaldura metalikoak sortzen dituena bainu likido bateankatioi metalikoen erredukzio kimiko autokatalitikoaren bidez.
Metalografiak metalen mikroegitura aztertzeko aukera ematen dio metalurgileari.
Henry Clifton Sorby-k asmatutako teknikaz, metalurgileek metalen egitura mikroskopikoa eta makroskopikoa aztertzen dute metalografia erabiliz.
Metalografian, aleazio interesgarri bat eho, eta ispiluaren akaberaraino leuntzen da. Lagina grabatu daiteke metalaren mikroegitura eta makroegitura erakusteko. Ondoren, lagina mikroskopio optiko edoelektroniko batean aztertzen da, eta irudien kontrasteak konposizioari, propietate mekanikoei eta prozesamenduaren historiari buruzko xehetasunak ematen ditu.
Kristalografia metalurgile modernoaren beste tresna baliotsu bat da, askotanX izpien edoelektroiendifrakzioa erabiliz. Kristalografiak material ezezagunak identifikatzeko aukera ematen du, eta laginaren kristalezko egitura agerian uzten du. Kristalografia kuantitatiboa dauden faseen kopurua kalkulatzeko erabil daiteke, baita lagin batek jasan duen tentsio-maila kalkulatzeko ere.
↑abRobert K.G. Temple (2007).The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention (3rd ed.). London:André Deutsch. pp. 44–56.ISBN 978-0233002026
.svg)
