מטלורגיה

יציקה של ארד מותך

מטלורגיה היא תחום בהנדסת חומרים שחוקר את התכונות המכניות והכימיות של מתכות, ואת השיטות להפקת מתכות ועיבודן. השם בא מהמילה היוונית μεταλλουργός (מטַלורגוס) אשר משמעותו "כורה" או "מעבד מתכות" (μέταλλον, מטַלון: מחצב, מתכת + ἔργον, אֶרגוֹן: עבודה).

המטלורגיה מלווה את האדם משחר האנושות ועד ימינו. זהו אחד מתחומי הטכנולוגיה הראשונים בהם עסק האדם, וכבר בתקופת האבן, לפני כ-8,000 שנה החל האדם לפתח כלים מנחושת. תיארוך פרקים בפרהיסטוריה ובהיסטוריה האנושית משתמש במושגים מטלורגיים: תקופת הברונזה שבה נעשה לראשונה שימוש בסגסוגת (תערובת של מתכות), ואחריה תקופת הברזל. גם הטכנולוגיה המודרנית נשענת על המטלורגיה, מסגסוגות בתוך מעבדי מחשב והתקני סגסוגות זיכרון בגוף האדם, ועד ללוויינים בחלל. מטלורגיה היא תחום מחקר פעיל גם כיום, בהיי-טק כמו גם בענפים מסורתיים כמו תעשיית הרכב.

העיסוק במטלורגיה נחלק לנושאים רבים. כרייה של חומר הגלם להפקת המתכת. הפקת המתכת עצמה מתוך עפרת המתכת, ושיטות שונות ליצירת חומר גלם מתכתי או סגסוגת. עיבוד תרמי (חימום) או עיבוד מכני להשגת הצורה והתכונות הרצויות. חקר התכונות המכניות, וחקר מבנה והרכב המתכת.

היסטוריה

ערך מורחב – מתכת (היסטוריה)

אחת העדויות המוקדמות ביותר לשימוש במתכת נמצאו במיידנפק שבסרביה, שם נמצא גרזן מנחושת שנוצר כשבעת אלפים וחמש מאות שנה לפני זמננו. נמצאו עדויות לשימוש מוקדם יותר במתכות בתכשיטים, וקשה לקבוע מהו השימוש המוקדם ביותר כי הממצאים הארכאולוגיים מתעדכנים תדיר.

שימוש מוקדם במתכות כלל רק מתכות אשר נמצאות בצורתן המתכתית בטבע. אלו כללו ברזל ממטאוריטים, כסף, נחושת ובדיל. לפני כ-5,500 שנה החלה תקופת הברונזה, עם תחילת הפקת בדיל ונחושת בחימום סלעים מסוימים ושילובם ליצירת ארד (ברונזה).

הפקת ברזל מעפרות ברזל קשה יותר, וכנראה נתגלתה על ידי החיתים לפני כ-3,200 שנה, תוך תחילת תקופת הברזל.

פיתוח הידע בהפקה ושימוש בברזל התקדם במידות שונות ברחבי אירופה ואסיה, במיוחד באימפריה הרומית, ובמידה פחותה כנראה בסין הקדומה, והמשיך להתפתח בימי הביניים.

ראשית המטלורגיה המודרנית מיוחסת לגאורגיוס אגריקולה עם ספרו דה רה מטליקה מהמאה ה-16, בו תיאר כריה של עפרות מתכת, הפקת המתכת ועיבודה. אגריקולה נחשב ל"אבי המטלורגיה".

הפקת מתכת

ערכים מורחבים – כרייה, היתוך מתכת

סלע בוקסיט, אחת העפרות מהן מפיקים אלומיניום

תהליך הפקת מתכות מתחיל בכרייה, כלומר הוצאת המתכת מהאדמה. רוב המתכות (ברזל, אלומיניום) לא נמצאות בצורתן המתכתית אלא כעפרת מתכת, כלומר קשורות בתחמוצת, מתוכה יש להפיק את המתכת.

הפקת המתכת מעפרה היא תהליך מורכב, הדורש חיזור של החמצן. התהליך הנפוץ, שמשמש למתכות רבות בהן ברזל ונחושת, בדרך הוא התכה של העפרה, עם גורם מחזר שהוא בדרך כלל פחמן הנקשר לחמצן בצורה של פחמן חד-חמצני ודו-חמצני. לרוב יש צורך להשתמש בתלחים (פלוקס, באנגלית: Flux), שהוא חומר המכיל סידן פחמתי כגון אבן גיר, כדי להסיר מתכות זרות. ישנן מתכות, כמו אלומיניום וכספית, להן התהליך הזה אינו מתאים, והן מופקות בשיטות ייחודיות שונות.

לאחר קבלת חומר הגלם הנקי הוא עובר יציקה, שהוא תהליך הקירור של המתכת עד להתמצקות בצורה הרצויה. שילוב של מתכות שונות או חומרים אל-מתכתיים בסגסוגת, כמו גם בקרת הצורה ומהירות הקירור, מאפשרים לקבוע את תכונות המתכת בהמשך, כמו חוזק, אלסטיות, קושי, מוליכות חשמלית ונקודת התכה.

תהליכים לעיבוד מתכות

תכונות המתכת תלויות בהרכבה הכימי, אך גם בתהליך שהמתכת עוברת: ביצירת הנתך, וביצירת הצורה הסופית של חומר הגלם ושל המוצר הסופי. עיבוד מתכת (Metalworking) הוא פעולה לשינוי תכונות המתכת. הפעולות נחלקות באופן גס לטיפולים תרמיים ומכניים.

טיפולים תרמיים

• התכה - חימום המתכות לצורך יצירת נוזל, הפרדת מתכות שונות או יציקתן.
• זיקוק - הפרדת מתכות מותכות.
• יציקה - תהליך שבו מתכת מותכת מונחת בתבנית להתקררות וקבלת צורה.
• הרפיה - תהליך חימום לטמפרטורה נמוכה יחסית, שמטרתו הרפיה של מאמצים שהצטברו בחומר עקב עיבוד מכני.
• חיסום - חימום המתכת וקירור מהיר, במטרה לשנות את מבנה הפאזות במתכת להשגת תכונות רצויות, באופן שלא כולל התכה של המתכת ומשנה מעט ככל האפשר את צורתה.
• זיקון - שיטה לטיפול תרמי שנועדה לחזק חומרים חשילים.
• מטלורגית אבקות - יצירת מתכת בטכנולוגית אבקות, הנפוצה בייצור קרמיקה: חומר הגלם הוא אבקת מתכת, שעובר כבישה בתבנית, ואחריה חימום (ללא התכה) הנקרא סינטור. בתהליך הסינטור גרגרי האבקה מתחברים ליצירת חומר מוצק ומלא ברובו, ליצירת מתכת בעלת צורה מסוימת ותכונות ייחודיות. בדרך כלל נשארים בתהליך חללים בחומר, והוא פריך יותר ובעל חוזק נמוך יותר מחומר שנוצר ביציקה ועבר תהליכי עיבוד.

עיבוד מכני

סרטון הדגמה של תהליך ערגול לדיקוק לוח מתכת

עיבוד מכני יכול להעשות גם בטמפרטורה גבוהה או נמוכה מטמפרטורת החדר, להשגת תכונה מסוימת.

• ערגול (Rolling)
• ריקוע (Stamping) - דיקוק של החומר באמצעות דפיקה עליו. משמש ליצירת לוחות מתכת ועלי מתכת (כמו עלי זהב).
• חישול (forging)
• שיחול (אקסטרוזיה, extrusion) - תהליך שבו המתכת נלחצת דרך פתח בעל צורה מסוימת, לקבלת צורת מוט בעל חתך בצורה הרצויה.
• משיכה (Drawing) - נותן למתכת צורת מוט או חוט באמצעות מאמץ מתיחה.

חקר ואפיון מתכות

חקר המתכות הוא תחום אשר מקשר בין המבנה הכימי והגבישי של פאזות המתכת, לתכונות שלה, בעיקר תכונות מכניות. לכן גם כלי המחקר נחלקים לשיטות אשר מאפיינות את מבנה החומר, ושיטות למדידת התכונות המכניות (תכונות שאינן מכניות לא נחשבות בתחום המטלורגיה).

מדידת תכונות מכניות

חוזק - אחת התכונות המרכזיות בחשיבותה עבור מתכת היא החוזק, שנמדד בניסוי מתיחה: כאשר מותחים דגם בעל שטח חתך ידוע, חוזק המתיחה של החומר הוא מאמץ המתיחה המרבי שבו החומר עומד. באופן מקביל נמדדים חוזק לחיצה, גזירה, פיתול, כפיפה.

מדידת קשיות - קשיות היא מידת ההתנגדות של החומר לשינוי קבוע בצורתו. קשיות נמדדת בחריצה, במכשיר סקלרומטר, או בדקירה באמצעות דוקרן בכוח מסוים ומדידת גודל החריץ שנשאר לאחר הסרתו. קיימות שיטות דוקרן שונות המתאימות לטווח קשיות שונה של החומר. השיטות הנפוצות למתכות: קשיות רוקוול, שיטת ויקרס ושיטת ברינל.

מודול האלסטיות - הוא היחס בין מאמץ (כוח ליחידת שטח בחומר) למעוות (שינוי בממדי החומר) בתחום האלסטי, או בניסוח פשוט יותר, ההתנגדות של החומר לשינוי קטן בצורתו באמצעות כוח חלש. שינוי אלסטי חוזר למצבו המקורי כאשר הכוח מוסר.

עייפות החומר - העמסה חוזרת מספר רב של פעמים, בעומס קטן מחוזק החומר.

מדידת מבנה

מבנה הגרעינים ופאזות של סגסוגת ברונזה-אלומיניום

מתכת אופיינית היא בעלת מבנה גבישי, אך אינה מורכבת מגביש יחיד גדול ומושלם, אלא מהרבה גבישונים, או גרעינים בעגה המטלורגית (crystallite או grain). גודל הגרעין הוא אחד הגדלים המשפיעים ביותר על התכונות המכניות של המתכת. בנוסף קיימים פגמים בגבישים מסוגים שונים, שניתנים לאפיון. אם המתכת היא סגסוגת המורכבת מחומרים שונים, יכולות להיות פאזות שונות ומורכבות עבור צירופי סגסוגת וטיפולים תרמיים שונים.

השיטה המרכזית המשמשת לחקר מבנה המתכת היא מטלוגרפיה. המטלוגרפיה באופן טיפוסי כוללת את חיתוך החומר, ליטוש, איכול (etching) שמותאם למתכת המסוימת ולתופעה הנחקרת ומטרתו להבליט את הפרטים הרצויים, וצילום במיקרוסקופ. בדרך כלל מתעניינים במיקרומיבנה של החומר, שהוא הפאזות השונות של המתכת, גודל הגרעין ופגמים גדולים.

שיטה מרכזית נוספת היא קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן שבעזרתה מוצאים את הפאזות השונות בחומר וגם מעריכים את גודל הגרעין וקיום פגמים. הבסיס לשיטה הוא הקרנת החומר בקרני רנטגן ומדידת זוויות ההחזרה. מתוך זוויות ההחזרה ניתן לחשב את מבנה גבישי החומר לפי חוק בראג.

ראו גם

• מתכת
• פלדה
• הנדסת חומרים

קישורים חיצוניים

• מטלורגיה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• שי שמש, ברזל מכוכב אחר, באתר מדע גדול, בקטנה, 18 בדצמבר 2017
• מטלורגיה, דף שער בספרייה הלאומית