Metalurgija predstavlja znanost, odnosno granuinženjeringa koja se bavi proizvodnjommetalnihlegura.Obuhvaća i rafinaciju, proizvodnju legura, oblikovanje, oplemenivanje, kao i proučavanje strukture, sastava i svojstava metala. Po vrsti metala koji se proizvode dijeli se na crnu (dobijanje željeza i čelika) i metalurgiju obojenih metala (dobijanje svih ostalih metala). Razlikujemo ekstraktivnu i prerađivačku metalurgiju.
Iako uZemljinoj kori postoji obilna količinametala, velika većina njih se ne nalazi u obliku pogodnom za ljudsku upotrebu. Oni se, naime, nalaze kombinirani satomimanemetala u različitimspojevima kao što su sulfidi,oksidi,karbonati itd. Prvi korak u dobivanju metala u upotrebljivom obliku je oslobađanje metala iz njegovih spojeva. Tim područjem bavi seekstraktivna metalurgija. Ali čak i nakon taljenja, rafinacije ilegiranja, metal je samo djelomično podesan za konačnu upotrebu.
Metali, koje svakodnevno koristimo, kao npr.grlo žarulje,oprugu, svrdlo itd. imaju poseban oblik. Tim područjem – oblikovanjem metala – bavi semehanička metalurgija. Pritom, za njihovo oblikovanje ona koristi brojne postupke kao što suvaljanje, prešanje,kovanje, izvlačenje itd. Ponekad ogromni strojevi, teški i više tona, daju metalnim predmetima, kao npr.željezničkim tračnicama,cijevima i limovima konačan oblik.
Fizička metalurgija se bavi kontrolom procesa uz pomoć različitih metoda i testova. Ona istražuje važne teorijske i praktične principe ponašanja metala kod različitih uvjeta upotrebom metodafizike,kemije,termodinamike itd. Time se ujedno postižu i optimalni proizvodni parametri za željenu kvalitetu i oblik. Fizička metalurgija ispituje također unutarnjustrukturu čvrstih metala, koja umnogome određuje mehanička i druga svojstva, te otvara mogućnost njihovog predviđanja i planiranja. Istražuje i objašnjava ravnotežne i neravnotežnedijagrame stanja metala, te principe legiranja koji uz teorijsko značenje nalaze i direktnu primjenu u praksi.
Povijest ljudskog roda najuže je povezana s razvojemmaterijala. Upravo su različiti materijali, koji su pretežno bili upotrebljavani u pojedinim epohama, obilježili čitavecivilizacije. Po njima su i velika povijesna razdoblja dobila svoje ime:kameno doba,bakreno doba,brončano doba,željezno doba. S vremenom su se materijali za izradualata ioružja, a potom i raznovrsnih naprava, te konačno istrojeva, sve više usavršavali. Ljudi su naučili mijenjati njihova svojstva prilagođavajući ih sve složenijim zahtjevima, ali i obrnuto: poboljšanje, a ponekad i skokovita promjena, svojstava materijala omogućavali su realizaciju sasvim novihtehničkih rješenja i proizvoda. Među raznovrsnim svojstvima materijala naročito mjesto zauzimaju mehanička svojstva. Ona uvjetujučvrstoću, krutost, integritet, a uvelike i trajnost izradaka koji su od njih izrađeni.
Sve donedavna znanje o materijalima – njihovoj proizvodnji, obradi, svojstvima, ali i primjeni – sticalo se uglavnomiskustveno. Često se radilo i o svojevrsnojalkemiji, a slučaj je igrao važnu ulogu u otkrivanju novih materijala i njihovom unapređenju. Tek od 19. stoljeća na ovamo, sustavna istraživanja na području fizike i kemije, dovela su do utemeljenja interdisciplinarneznanosti o materijalima, koja se tom problematikom bavi naznanstvenoj osnovi.[1]
Čovjek je nedvojbeno počeo upotrebljavati samorodne metalebakar,srebro izlato, temeteorsko (telurno) “željezo” najkasnije oko 5500. pr. Kr. U to vrijemeEgipćani su izrađivali i upotrebljavali ukrasne bakrene kuglice, a njihovivladari kupali su se u vodi, koja se dovodila bakrenim cijevima iz rijekeNila do privatnihbazena. Radi usporedbe treba napomenuti, da je čovjek počeo obrađivati polja oko 6000. pr. Kr., u području gorjaElbrus iPerzijskog zaljeva, a usrednjoj Europi negdje oko 4000. pr. Kr.
Zlato je sigurno prvi samorodnimetala koji se upotrebljavao zbog svoje ljepote i postojanosti. Grumenčići zlata sakupljeni na obalama rijeka, prerađivali su se i oblikovali najčešće u ukrasne predmete. Već vrlo rano, oko 5000. pr. Kr., znalo se da bakarkovanjem očvršćava, a zagrijavanjem omekšava. Za razliku od bakra, zlato kovanjem slabo očvršćava, pa je bilo nepodesno za izradualata. Nije stoga začuđujuće, da su u starom Egiptu neko vrijeme bakar i srebro bili skuplji od zlata. Srebro se također upotrebljavalo za izradunakita, ali u mnogo manjim količinama od zlata. Smatra se, da sukovači zlata bili prvi “metalurzi”, kao što pokazuju najstariji arheološki nalazi iz Egipta,Iraka i sotoka Krete, a da se najraniji začeci metalurgije mogu naći na području slivova triju rijeka: Nila,Tigrisa iInda.
Prvo dobivanje metala izruda vezano je najvjerojatnije uz dobivanje bakra. Naime, jedan od njegovih prekrasnih minerala, zelenkastimalahit, mogao se reducirati u bakar na temperaturi od oko 700 - 800ºC , koja se postizala u primitivnimlončastimpećima.Temperatura logorskevatre od oko 600 - 650 °C za tu svrhu nije bila dovoljna. Ova pretpostavka je potvrđena s odgovarajućim nalazima na području gorja Elbrus uArmeniji,datiranim negdje oko 4300. pr. Kr. Oko 4000. pr. Kr. bakar se dobivao iz svojih ruda u cijelojzapadnoj Aziji, a već oko 3800. pr. Kr. i u cijelom“starom svijetu”. Srednja Europa ulazi u bakreno doba negdje oko 2200. pr. Kr, dok je područjeEngleske direktno iz kamenog doba ušlo u brončano doba, preskočivši bakreno doba.
Interesantno je spomenuti, kako neki autori smatraju, da je u “starom svijetu”, u razdoblju od 2800. do 1300. pr. Kr., bilo proizvedeno ukupno oko 10 000tona bakra, što znači, uzimajući prosjek, oko 6,5 tona na godinu.
Vrlo rano, najvjerojatnije slučajno, nastala su i prvalegiranjametala. Rude metala rijetko se pojavljuju čiste, jer su uglavnom već pomiješane s rudama drugih metala, te prilikom njihove redukcije ne nastaje čisti metal nego legura. To se prvenstveno odnosi na bakar ikositar, čija legura se nazivabronca. Bronca se upotrebljavala vrlo rano, jer je imala bolja mehanička svojstva od samog bakra.
Olovo se dobivalo iz rude, vjerojatnoolovnog sjajnika ili galenita (PbS), već oko 3500. pr. Kr. Postupak dobivanja olova putem “koštanog pepela”, poznat je već 2500. pr. Kr. Olovo se moglo lako dobiti iz galenita,oksidacijskim prženjem, te redukcijom oksida uz dovoljnu količinuugljena, već na temperaturi od oko 600 °C.
Srebro se dobivalo uglavnom kao ostatak kod dobivanja olova, a rijetko iz inače relativno čestog minerala AgCl (cerargirita). Za dobivanjezlata iz ruda i načine njegovog lijevanja znalo se oko 3000. pr. Kr., dok se prvi postupak obogaćivanja rude primjenjivao u Egiptu oko 2000. pr. Kr. Amalgamski postupak dobivanja zlata uz upotrebužive bio je poznat oko 500. pr. Kr.
Meteorsko (telurno) željezo upotrebljavalo se već vrlo rano. FaraonTutankamon, koji je živio oko 2800. pr. Kr,. poznavao ježeljezo. U grobu jednog kasnijeg faraona (oko 1350. pr. Kr.) pronađen je željezni naslonjač za glavu. Željezo se počelo dobivati iz ruda, najvjerojatnijehematita (Fe2O3), oko 1500. pr. Kr. najprije uAnatoliji, današnjojMaloj Aziji, kaospužvasto željezo. U to vrijeme, zbog nedovoljne temperature primitivnih peći, nije bilo moguće dobivanjelijevanog željeza, već je nastajalo spužvasto željezo, koje sekovanjem pretvaralo u upotrebljiv metal. Nalazišta u Uru (Irak), te u Egiptu svjedoče o ranom dobivanju željeza iz ruda. Željezo je u to vrijeme bilo nevjerojatno važan strateški materijal. Smatra se, da je plemeHetita iz Male Azije postiglo svoju velikuvojnu moć upravo zbog rane proizvodnje željeznog oružja. U to je vrijeme cijena željeza bila veća od cijene zlata, a način njegovog dobivanja čuvao se kao najstroža tajna.[2]
Prvi korak u dobivanjumetala u upotrebljivom obliku je oslobađanje metala iz njegovihspojeva. Tim područjem bavi se ekstraktivna metalurgija. Ali čak i nakon taljenja, rafinacije i legiranja, metal je samo djelomično podesan za konačnu upotrebu. Otprilike 75%kemijskih elemanata naZemlji su metali. Prema raširenosti metala u Zemljinoj kori na prvom mjestu jealuminij (8,23%), dok na primjer olovo, koji je vrlo važan metal, u Zemljinoj kori ga ima oko 6500 puta manje od aluminija.
Rude (mineralne sirovine) su glavna sirovina za dobijanje metala. Korisni sadržaj metala u rudi vrlo je različit, a najmanji,ekonomski iskoristljiv sadržaj zavisan je od razvojatehnologije dobijanja i različit je za razne metale. Tako na primjer, željezne rude sadrže 50% do 60% željeza, dok semolibden (ima ga samo oko 0,01% u bakrenoj rudi) dobiva se kao sporedni proizvod u metalurgiji bakra. Bakrena ruda sadrži samo oko 0,000005%renija, a ipak se njegova proizvodnja ekonomski isplati.
Procesna metalurgija obuhvaća izdvajanje metala, pročišćavanje, legiranje, lijevanje, oblikovanje,toplinsku obradu ispajanje metala, da bi se dobio poluproizvod ili gotovproizvod.[3]
Legura ili slitina je homogena smjesa metala ili nemetala u metalu i pripravljaju se zbog postizanja određenih svojstava. Tako legure mogu imati većutvrdoću, otpornost nakoroziju ili bolja neka druga svojstva od metala od kojih su sastavljene.
Toplinska obrada je postupak djelovanja temperature na materijal u svrhu mijenjanja njegovemikrostrukture i time mijenjanja njegovih svojstava. Toplinski se obrađuju najčešćečelici, ali nerijetko i drugi metali, tekeramike (staklo). Najčešći razlozi za toplinsku obradu čelika su očvršćivanje (povećanje mehaničkih svojstava, posebnovlačne čvrstoće), povećanje žilavosti, povećanjeduktilnosti i mogućnosti preoblikovanja, smanjenje unutrašnjihnaprezanja, priprema za obradu rezanjem.
Toplinska se obrada obavlja:
prije oblikovanja komada plastičnom deformacijom i odvajanjem strugotine, da bi metal omekšao,
poslije oblikovanja komada, da bi se uklonila zaostala naprezanja,
Spoj u strojarstvu može biti rastavljivi spoj ili nerastavljivi spoj. Rastavljivi spoj je takav spoj koji se može rastaviti bez razaranja ili oštećenja, a zatim ponovo sastaviti. Nerastavljiv spoj je takav spoj gdje se sastavljeni dijelovi ne mogu rastaviti bez razaranja ili oštećenja.[2][4]
Mehanička metalurgija se bavi oblikovanjem metala i pritom za njihovo oblikovanje koristi brojne postupke kao što suvaljanje, prešanje,kovanje, izvlačenje itd. Ponekad ogromnistrojevi, teški i višetona, daju metalnim predmetima, kao npr.željezničkim tračnicama,cijevima i limovima konačan oblik.
Kovanje je obrada materijala bez odvajanja čestica, kod koje se promjena oblika i dimenzija vrši udarcimačekića ilibata po otkivku, koji je položen nanakovanj. Obrada je češće u toplom stanju, ali može biti i u hladnom stanju. Prema načinu na koji se obavlja preoblikovanje postojiručno kovanje istrojno kovanje.
Ručno kovanje je postupak preoblikovanja materijala udarcima kovačkog čekića po otkivku. Otkivak se zagrije u kovačkoj vatri dobijelog sjaja. Kovačkimklještima se vadi iz vatre i polaže na nakovanj. Otkivak polako mijenja oblik i dimenzije pod udarcima čekića.Točnost dimenzija,oblika,kvaliteta proizvoda i količina ovise isključivo o preciznosti i iskustvukovača.
Strojno kovanje je moderniji način kovanja, koji omogućava kovanje od najmanjih otkivaka do izuzetno velikih (do 580tona). Dimenzije otkivka ovise samo o veličini stroja. Postupak može biti u toplom i hladnom stanju. Za kovanje u toplom stanju, u postupku proizvodnje potrebne su i kovačke peći.
Metalurgija praha ili praškasta metalurgija (eng.Powder Metallurgy - PM) jetehnologija proizvodnjemehaničkih konstrukcijskih i drugih dijelova od metalnih prahova. Pri tome se odvijaju dva procesa:
kompaktiranje – zbijanje metalnog praha u željeni oblik i
sinteriranje – povezivanje čestica praha u čvrstu masu.
Mehanička su svojstva proizvoda uglavnom jednaka, a nekim slučajevima i bolja od proizvoda istog kemijskog sastava koji su izrađeni rezanjem strugotine,valjanjem ilikovanjem. Osnovna su svojstva proizvoda praškaste metalurgije da se postiže malapovršinska hrapavost (< 63μm), velikatočnost dimenzija (< 0,125 mm) iproizvodnost je velika. Prema tome, postupci praškaste metalurgije konkuriraju tradicionalnim strojarskim postupcima: skidanju strugotine,preciznom lijevanju,tlačnom lijevanju,kovanju u ukovnjima.
Fizikalna metalurgija obuhvaćakristalografiju, mehanička ispitivanja, određivanje fizikalnih svojstava, metalografiju i mnoge drugeznanstvene oblasti, koje primjenjujemo pri ispitivanju metala, odnosno proizvoda iz metala.
Metalografija se bavi istraživanjem strukture metala ilegura pomoćusvjetlosnog (metalografskog) ielektronskog mikroskopa. Makrostruktura je vidljiva golimokom ili uz malo povećanje.Mikrostruktura zahtijeva pomoć mikroskopa, a povećanje treba biti barem 25 puta. Metalografska analiza može dati podatke o sastavu materijala, prethodnoj obradi i svojstvima, posebno:
