یادداشت/ صنعت متالورژی، صنعتی کهن با رویکردی نوین به قلم علی زند اکبری

کشور عزیزمان ایران یکی از کشورهائی است که معادن کانی مختلف و فراوانی در سطح بالای استانداردهای جهانی دارد. بیش از ۶۸ کانی مختلف در ایران کشف شده است و معادن فلزی گسترده و غنی نیز از فلزات مختلف در پهنه کشور وجود دارد. معادن فلزی همچون معدن طلای زرشوران در حوالی تکاب و یا مس سرچشمه، سنگ آهن گل گهر رفسنجان، سنگ آهن چغارت بافق، سنگ آهن چادرملو یزد، معدن سرب و روی مهدی آباد یزد، معدن سرب و روی انگوران زنجان، معدن مس میدوک کرمان و… این پهنه گسترده از انواع فلزات تأمین کننده مواد اولیه خاستگاه صنعت متالورژی، صنعت کار با فلزات در رده ها و با کاربردهای متنوع است. تنوع طبیعی و خدا دادی این فلزات فرصتی مطلوب و ویژه برای استفاده از ظرفیت های کشور در این صنعت رو به تحول و پیشرفت کشور است. صنعتی که می تواند به رهائی از وابستگی به صنایع نفتی کمک شایانی نماید.  

تاریخچه

شناخت انسان، کشف و استفاده از فلز به هفت هزار سال قبل برمی گردد. پس می توان قدمت این صنعت را به اندازه همین زمان دانست. از اولین فلزاتی که بشر به صورت خالص کشف کرده می توان به مس اشاره کرد، بسیاری سبب آن را در مشخص شدن ظاهرش و با جذابیت طبیعی با رنگ های لاجوردی، سرخ و طلائی مرتبط می دانند. کشف طلا و نقره در ایران باستان و در دوره های بعدی آن زمان، خصوصا هخامنشیان و کاربرد آن در ظروف و زینتیهای آن دوران از دیگر ردپاهای به جای مانده از تاریخ این صنعت است. عده ای نیز کشف طلا در بستر کناره رودخانه ها را در زمان مصریان به عنوان اولین فلز کشف شده توسط انسان می دانند و شاهد این مدعا نیز استخراج قابل توجه این فلز توسط مصریان و هندیان باستان بوده است.

پس از کشف فلزاتی چون سرب، قلع و نقره و با آشنائی انسان نسبت به تأثیر آتش بر مواد مختلف، فلزات نیز از این آشنائی بی بهره نماندند و با ترکیب فلزاتی همچون قلع و مس موفق به ساخت آلیاژهای با ویژه گیهائی بهتر گردیدند و رفته رفته اثر مفرغ یا برنز را نیز کشف نمودند.

صنعت متالورژی یا متالوژی؟

این صنعت کهن در قالب متالورژی به معنای کار با فلز است که در دانشگاه ها نیز با همین نام تدریس می شود و در واقع علمی کاربردی است به معنای علم کار با مواد فلزی است اما گاهی اوقات کلمه متالورژی با متالوژی اشتباه گرفته می شود، در حالیکه مفهوم شان کاملا با یکدیگر متفاوت است، ریشه متالوژی از دو کلمه متال به معنای فلز و لوژی به معنای شناختن است که بر اساس آن می توان متالوژی را علم فلزشناسی تعریف نمود. علم مواد و انواع مهندسی های تعریف شده در آن گستردگی خاص خود را دارد و در حوزه های شیمی و فیزیک نیز ریشه دوانیده از همینرو این علم برای یک فعالیت خاص تعریف نگردیده است و در یک صورت کلی موارد مورد مطالعه در مهندسی مواد را به شش گروه مختلف نیمه هادی ها، سرامیک ها، پلیمرها، مواد مرکب(کامپوزیت)، بیومتریال(مواد زنده) و فلزات(متالورژی) تقسیم می نمایند. به عبارت دیگرعلوم و فنون شناسائی و استخراج و هنر کار بر روی آنها متالورژی نام گرفته و در نتیجه باید گفت مهندسین متالورژی وظیفه طراحی، توسعه و اجرائی نمودن عملیاتهای مختلف کار با فلزات را برعهده دارند.

استخراج

انواع عملیات های مختلف بر روی مواد استخراج شده از معدن تا رسیدن به فلز اصلی در قالب استخراج تعریف می شود. در این مرحله به روشهای مختلف و بر اساس مقدار چسبندگی و تندیگی، کانی ها از فلزات جدا شده تا در تولیدات مختلف مورد استفاده قرار گیرند. فرآیندهای متالورژی استخراجی به سه روش هیدرومتالورژی، پیرومتالورژی و الکترومتالورژی انجام می شوند.

آلیاژسازی

وقتی با آزمایشهای متنوع از ترکیب فلزات مختلف، فلزاتی با کیفیت بهتر و مستحکم تر و با خوردگی کمتر از دیگر فلزات حاصل شد، آلیاژسازی نیز به بخش مهمی در صنعت متالورژی تبدیل گشت و از ترکیب مهندسی شده یک با یک یا چند فلز دیگر آلیاژهای مهمی همچون آلیاژهای آلومینیوم (آدورال، دورالومین) یا آلیاژهای فولاد (کروم، وانادیوم) و … ساخته شد.

انواع روشها برای تولید مصنوعات فلزی

از روش های متعددی برای تولید مصنوعات فلزی استفاده می شود: ریخته گری، فلز کاری، متالورژی پودر، جوشکاری، ماشین کاری و ساخت افزایشی از انواع این تولیدات می باشد.

ریخته گری

ریخته گری قدیمی ترین روش جهت شکل دهی به فلزات می باشد و می توان آن را فرآیندی تعریف کرد که طی آن فلز به قطعه ای دلخواه تبدیل می شود. شاید بارها از نزدیک یا از طریق برنامه های تبلیغی و یا فیلم های مستند دیده باشید که فلزات ذوب شده همچون مواد مذاب آتشفشان ها درون پیمانه های بزرگ صنعتی خالی می شود تا شکل دلخواه را همزمان با خنک شدن فلز ذوب شده پیدا نماید این همان ریخته گری است که البته امروزه با روشهای نوین دیگری نیز انجام می گردد. بهر حال ریخته گری در صنعت امروز جهان به عنوان یکی از اصلی ترین روشها برای تغییر شکل فلزها انجام می شود که اصلی ترین مرحله آن ذوب فلز در دستگاهها و یا دیگ ذوب می باشد. در اهمیت این روش همین بس که حدود پنجاه درصد وزن کل ماشین آلات به این روش تولید می شوند.

فلز کاری

یکی از روشهای ساخت و تولید و شکل دهی فلزات است به عبارت دیگر تغییر شکل فیزیکی فلزات با استفاده از دستگاه های متنوع فرآیندی است که طی  فلزکاری صورت می گیرد. امروزه روشهای فلزکاری بنا به نوع کاربری به صورت های مختلف انجام می گیرد که مهمترین آنها عبارتند از :

نورد، اکستروژن، کشش، فورج و شکل دهی ورقی. در فرآیندهای یاد شده اگر قطعه تحت حرارت قرار گیرد و تا زیر منطقه ذوب گرم شود(دمای بالا) در این حالت دانه ها تحت تبلور مجدد قرار گرفته و به دانه های بدون کرنش(استحکام و سختی بیشتر بر اثرتغییر شکل پلاستیک) تبدیل می گردند که در این حالت می توانیم قطعه را تحت شکل دهی قرار دهیم که به آن «شکل دهی داغ» می گویند. حال اگر شکل دهی در زیر دمای تبلور انجام گیرد، به آن «شکل دهی سرد» اطلاق می گردد.

متالورژی پودر

در میان متد های شکل دهی، این روش از روشهای جدید محسوب می شود. این روش علاوه بر فلزات سایر مواد مهندسی همچون سرامیک ها و پلیمرها را نیز پوشش می دهد. طی این متد، پودر در قالب ریخته می شود تا با یک چسب (بایندر) ترکیب شده تا فلزی جدید به دست آید که به آن فلز خام می گویند وقتی این قطعه را تحت دمای بالا تا زیر نقطه ذوب می برند فرآیندی شکل می گیرد که به آن «تف جوشی» می گویند. نوع روی دادن این فرآیند به صورتی است که عامل اتصال تبخیرگشته و در نتیجه آن ذرات به هم چسبیده و قطعه نهائی شکل می گردد.

در متالورژی پودر بر حسب نوع فرآیند و نوع ماده اولیه روشهای مختلفی همچون قالب گیری تزریق پودر، قالب گیری تزریق فلز و قالب گیری تزریق سرامیک انجام می گیرد.

جوشکاری

شاید جوشکاری را به دفعات در عملیاتهای عمرانی و ساخت و سازها دیده باشید. طی این فرآیند قطعات فلزی توسط گرم کردن محل تماس تا حالت ذوب یا به اصطلاح خمیری به یکدیگر متصل می گردند که اتصال محکمی را از طریق نفوذ اتم های قطعات جوش داده شده درهم ایجاد می نمایند. روشهای جوشکاری انواع مختلفی همچون لحیم کاری، جوشکاری فشاری، جوشکاری زرد و جوشکاری ذوبی را شامل می شود.

ماشین کاری

شکل دهی مواد توسط برش کاری و یا تراش، روش ماشین کاری می باشد که توسط ابزار برش همچون تیغ و یاقیچی های صنعتی و یا ماشین های برش استفاده می گردد و در تراش کاری نیز از فرز، مته، سنگ زنی، صفحات تراش و… استفاده می کنند.

ساخت افزایشی

این روش به نسبت روش های دیگر روش امروزی تری است که طی آن قطعات فلزی با قراردادن لایه به لایه مواد بر روی یکدیگر ساخته می شوند. یکی از موارد کاربردی این روش استفاده از پرینت سه بعدی است به عبارت دیگر و در مفهومی کلی فرآیند طراحی سه بعدی، اسکن سه بعدی و پرینت سه بعدی که به منظور ساخت یک محصول به کار می رود، ساخت افزایشی (فزاینده) گفته می شود. که در صنایع مختلف هم کاربرد دارد.

عملیات پس از تولید

این عملیات به عنوان عملیات «پس پردازش» نیز تعریف می گردد که طی آن به منظور دستیابی به خواص شیمیائی/مکانیکی و یا ظاهری بهتر، قطعات تولید شده را در مسیر این عملیات قرار می دهیم. این مسیر موجب کاهش تنش های ساختاری درون فلز، افزایش سختی و استحکام فلزات و یا قطعات فلزی به دست آمده، کاهش امواج سطحی یا برآمدگی و فرو رفتگی های آنها می شود در اصل این عملیات قطعه را به محصول هائی قابل استفاده تبدیل می نماید. عملیاتهای مهم پس از تولید شامل عملیات سطحی و عملیات حرارتی می شود.

عملیات سطحی

در بسیاری از تولیدها قطعات ساخته شده مستقیما قابل استفاده نیستند لذا مراحلی برای کارآئی مناسب بر روی آنها اضافه می شود:

افزایش خواص مکانیکی به صورت سطحی: مثل سخت کاری سطحی

افزایش مقاومت به خوردگی : مثل مقاومت لایه اکسیدی در شرایط معین (آندایزینگ)

زیباسازی: مثل رنگ کاری

عملیات حرارتی

به منظور تغییر در خواص فلزات فیزیکی و مکانیکی عملیات حرارتی صورت می گیرد. تعویض خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی، سختی، چگالی، استحکام و …

آنیل، تمپر، کوئنچ و رسوب سختی از شناخته شده ترین عملیاتهای حرارتی می باشند.

آزمون و تجزیه و تحلیل

حوزه تست و تجزیه و تحلیل محصولات یکی از بخش های مهم کاری متالورژیست ها می باشد.

تجزیه و تحلیل

تجزیه و تحلیل فلزات به سه بخش تقسیم می گردد:

تجزیه و تحلیل عنصری: جهت شناخت و بررسی مقدار عناصر تشکیل دهنده نمونه ها( به طور مثال آنالیز کوآنتومتری یا طیف سنج جرقه ای)

تجزیه و تحلیل فازی: به منظورشناخت نوع و مقدار فازها در هر نمونه ( تجزیه و تحلیل به روش طیف سنجی پرتو ایکس/ ایکس آر دی)

تجزیه و تحلیل ریز ساختاری : که همان بررسی ریزساختاری میکروسکوپی نمونه است.(تجزیه و تحلیل به روش متالوگرافی : مطالعه ساختار میکروسکوپی داخل یک فلز یا آلیاژ)

آزمون

جهت اطمینان از به دست آمدن خواص مورد نیاز محصولات، آزمون قطعات فلزی به صورت های ذیل تست می گردند:

آزمونهای شیمیائی و خوردگی: مانند پلاریزاسیون یا طیف سنجی امپدانس الکترو شیمیائی

آزمونهای مکانیکی: همچون  درجه سختی، مقاومت در برابر فشار یا ضربه و …

کلام آخر

همانطورکه در شرح مختصر این صنعت مشاهده فرمودید گستره کاری اما تخصصی این صنعت موجبات به وجود آمدن فرصت های شغلی فروانی را ایجاد می کند و اهمیت دادن به آن کشور را در راه پیشرو بودن در صنایع مختلف قرار می دهد چراکه استفاده از فلزات در زیر ساخت های مهم هر کشور نقش تعیین کننده دارد بسیاری از کشورهای پیشرفته به دنبال فلزاتی جدید در فضا هستند! تا قابلیتهای جدیدی به صنایع خود اضافه نمایند. از اینرو و با توجه به گستره بالای این صنعت جهت سرمایه گذاری و تولید، نیاز به برنامه ریزی و نگاه استرتژیک به این صنعت امری اجتناب ناپذیر است.