علم الفلزَّات

يستغرق 6 دقيقة

ما هو علم الفلزات Metallurgy؟

علم الفلزات هو أحد مجالات هندسة وعلوم المواد، ويدْرُس السلوك الكيميائي والفيزيائي للعناصر الفلزِّية، ومركَّباتها ومخاليطها التي تُدعى السبائك.

ويشمل هذا العلم أيضا تكنولوجيا الفلزات: وهي الطريقة التي يتمّ بها تطبيق العلم في إنتاج وهندسة المكونات الفلزية لتكون صالحة لاستخدام المستهلكين والمصنعين.

كما يتضمن إنتاج الفلزات معالجة الخامات لاستخراج الفلزّ أو خليط الفلزات التي تحتويها، وأحيانا عناصر أخرى؛ لإنتاج السبائك.

ويختلف علم الفلزات عن حِرَف تشغيل المعادن Metalworking على الرغم من أن هذه الحِرَف تعتمد على العلم تمامًا كما تعتمد مِهنة الطب على العلوم الطبية، في التطورات التقنية.

وينقسم علم الفلزات إلى علم الفلزات الحديدية Ferrous Metallurgy، ويُدعى أحيانًا علم الفلزات الأسود، وعلم الفلزات غير الحديدية Non-ferrous Metallurgy، أو علم الفلزات الملوَّن.

ويتضمن العلم الأسود العمليات والسبائك القائمة على الحديد، والتي يشمل إنتاجها 95% من إنتاج الفلزات في العالم، بينما العلم الملوَّن يضم العمليات والسبائك القائمة على عناصر فلزية أخرى.

نبذة تاريخية

وتشير الدلائل إلى الذهب كأول الفلزات المستخدمة بواسطة البشر، والذي يمكن أن يتواجد في صورته الحرَّة، كما يمكن أن تتواجد كميات صغيرة من الفضة والنحاس والقصدير والحديد من أحجار النيازك، في صور حرة؛ مما أتاح استخدامها في عمليات تشغيل المعادن على نطاق ضيَّق في الثقافات والحضارات الأولى.

بعض الفلزات كالقصدير والرصاص والنحاس يمكن استعادتها من خاماتها بمجرد تسخين الصخور التي تحتويها في أفران، وهي العملية التي تعرف بالصهر Smelting.

وأول دليل مكتشف على عملية استخراج المعادن هذه يرجع تاريخه إلى الألفيتين الخامسة والسادسة قبل الميلاد في مواقع مختلفة. على الرغم من ذلك لا يمكن تحديد البدايات بوضوح؛ فالاكتشافات ما زالت متصلة ومستمرة.

وحوالي عام 3500 قبل الميلاد، تم اكتشاف أنه بخلط النحاس مع القصدير يمكن الحصول على فلزَّ أقوى وقد سُمِّت بسبيكة البرونز، ومثل ذلك نقلة تقنيّة هائلة تعرف بالعصر البرونزي.

وفي المقابل، يُعدُّ استخراج الحديد من خامِه أكثر صعوبة من استخراج النحاس والقصدير. ويبدو أن من اخترع هذه العملية هم الحيـثيـُّون في عام 1200 قبل الميلاد، مُعلنين بذلك بداية العصر الحديدي.

وفي القرن السادس عشر نشر جورج أجريكولا Georg Agricola كتابًا بعنوان De re metallica، يصف فيه العمليات المعقدة وفائقة التطور لتعدين الفلزات واستخراجها من خاماتها وتشكيلها، ويعتبر أجريكولا الأب الروحي لعلم الفلزات.

ويضم علم الفلزات ثلاثة أفرع رئيسية

  • علم المتالورجيا الفيزيائية Physical Metallurgy: يختص بحل المشاكل المتعلقة باختيار المواد المناسبة للتطبيقات المختلفة، وتطوير أنواع السبائك اللازمة لعمليات التصنيع والإنشاء المختلفة.
  • علم المتالورجيا الميكانيكية Mechanical Metallurgy: الذي يتضمن جمع المعلومات عن الخواص الميكانيكية والأنواع المختلفة لتشكل المعادن وآليات فشل المواد.
  • علم استخلاص الفلزات Extractive Metallurgy: ويختصُّ باستخراج الفلزات القيمة من الخامات وتنقيتها. ولكي تحول أكسيد أو كبريتيد الفلز لصورته النقية؛ يجب اختزال الخام فيزيائيا أو كيميائيا أو إلكتروليتيا.

ويهتم علماء استخلاص الفلزات بثلاث تيارات رئيسية: الغذاء Feed، والمركّز Concentrate، والمخلفات Tailings؛ فبعد التعدين، يتم تكسير وطحن القطع الكبيرة من الخام؛ لكي نحصل على قطع صغيرة كفاية بحيث يمكن اعتبار أن كل قطعة إما معظمها مركّز أو معظمها مخلفات، ثم تأتي بعد ذلك عملية تركيز الخامات بحيث يمكن فصل القطع ذات القيمة عن المخلفات.

وربما لا يكون التعدين ضروريًا في بعض الحالات التي تسمح فيها الظروف الفيزيائية للبيئة المحيطة وطبيعة الخام باستخدام الترشيح Leaching؛ حيث يتم ضخ محلول للمنطقة التي تحوي الخام فيذيب المعادن من جسمه وينتج محلول غني بالعناصر المطلوبة يتم جمعه من فتحة أخرى واستخراج الفلزات القيمة منه، وتتم هذه الطريقة لاستخراج بعض العناصر مثل النحاس واليورانيوم.

وحتى المخلفات يمكن استخدامها كغذاء في عمليات أخرى -لاستخراج منتجات ثانوية من الخام الأساسي- كما أن المركّز ربما يحتوي على أكثر من فلز هام، وبالتالي تتم معالجته بأكثر من طريقة لفصل كل فلز كمكون منفصل.

وتشمل مهمة المختصين بعلم الفلزات تحقيق التوازن بين خواص المواد المنتجة، مثل: التكلفة Cost، والقوة Strength، والمتاتة Toughness، والصلادة Hardness، ومقاومة التآكل Corrosion Resistance، ومقاومة الكلل Fatigue Resistance، والقدرة على العمل تحت ظروف قاسية من درجة الحرارة.

 

تعليقات الفيسبوك

تعليقات

المساهمون في المقال

كتابة: محمد عبد العليم

مراجعة: متطوعة

تدقيق: أحمد حبيب

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *