metallurgi

Metallurgi, læren om metallernes fremstilling og egenskaber. Den kemiske metallurgi, eller procesmetallurgien, beskæftiger sig med udvindingen af metallerne fra deres malme og med den efterfølgende raffinering. Den fysiske metallurgi beskæftiger sig med metallernes fysiske og mekaniske egenskaber og undersøger virkningen af legering, varmebehandling og formgivning. Grænsen mellem den fysiske metallurgi og metallografien er ikke skarp.

Faktaboks

etymologi:
Ordet metallurgi kommer af metal og afledning af græsk ergon 'arbejde'.

Procesmetallurgien

Procesmetallurgien kan opdeles i en almen del, en speciel del og en teoretisk del. Den almene del behandler de metoder, apparater og hjælpemidler, som anvendes i de metallurgiske processer. Hertil hører ovne, ildfaste materialer, brændsel, måleinstrumenter til temperatur, tryk og strømning samt de kemiske analysemetoder.

Oversigt over en række vigtige metallers og legeringers tidligste optræden i Vesteuropa og Mellemøsten
guld smykker og pragtgenstande af guld og elektrum før 4000 f.Kr.
kobber økser og smykker af rent kobber 4000 f.Kr.
sølv smykker, bægre og skåle før 3000 f.Kr.
arsenkobber anvendt i Grækenland og Mellemøsten 3500-1000 f.Kr.
tinbronze afløser arsenkobber fra omkring 1800 f.Kr.
tin i bronze fra ca. 1800 f.Kr; tinbarrer fundet i Haifa i vrag fra 1200 f.Kr.
bly i bronze fra ca. 1500 f.Kr; alm. brugt til rør hos romerne
jern udbredt anvendelse i Middelhavslandene fra 900 f.Kr.
meteorjern kun få sikre eksempler på anvendelse, bl.a. hos Thuleeskimoer 1000-1800
messing anvendt af romerne omkring Kristi fødsel
støbejern opdaget 1150-1200; alm. udbredt fra 1350
aducergods beskrevet af R.A.F. de Réaumur 1722, men kendt i Kina allerede 400 f.Kr.
zink det rene metal isoleret 1746 af A.S. Marggraf
platin opdaget af A. de Ulloa 1735; brugt til russiske mønter i 1840'erne
cobalt opdaget af G. Brandt 1735; alm. i stål og andre legeringer fra 1920
nikkel opdaget af A.F. Cronstedt 1751; alm. anvendt fra 1890
puddeljern processen opfundet af H. Cort 1784; alm. 1800-1910
chrom opdaget af L.N. Vauquelin 1797; alm. i stål fra 1915
aluminium opdaget af H.C. Ørsted 1825; alm. anvendt fra 1890

Den specielle del tillempes de enkelte metaller og redegør for de processer, der benyttes ved fremstilling, raffinering og varmebehandling af de forskellige legeringer. Her skelnes mellem jernets og ikke-jern-metallernes metallurgi. Man kan stå over for meget forskellige problemstillinger, når man skal fremstille fx guld, kobber, jern, chrom og aluminium.

Den teoretiske del bygger på den uorganiske og fysiske kemi og benytter termodynamiske metoder til at beregne og forudsige processernes forløb. Da disse processer (fx reduktion, støbning og svejsning) som oftest finder sted ved høj temperatur, har man på forhånd ringe erfaring fra dagligdagen. Ikke desto mindre lykkedes det fortidens metallurger at nå frem til ret perfekte fremstillingsmetoder, før den moderne termodynamiske teori var udviklet til anvendelse på metallurgiske opgaver.

Fremstilling

Udgangspunktet for metalfremstilling er dels malme, dels kasserede metalgenstande. Malmene indeholder metallet som oxid, hydroxid eller sulfid, men da malmene tillige indeholder de såkaldte gangarter (ledsagende bjergarter og mineraler), sker der normalt en sortering først. Som regel knuses malmen til en finhed som melis, hvorefter den sorteres vha. fx magnetseparation, flotation eller opslæmning. Visse sulfidholdige malme ristes. Herved fjernes svovl som svovldioxid, og malmen overføres i oxid. Hydroxyl- og carbonatholdige malme omdannes ved opvarmning (kalcinering) til oxider.

Oversigt over vigtige processer, metoder og apparater med omtrentlig datering af deres første optræden
massivt støbte metalgenstande i sten- og lerforme før 4000 f.Kr.
lodning med kobber-guld eller tin-bly ca. 3000 f.Kr.
præcisionsstøbning kendt ca. 3000 f.Kr; fx lurer fra 1300-600 f.Kr.
ciselering og granulering anvendt på guld-, sølv- og kobberlegeringer fra 2500 f.Kr.
adskillelse af guld og sølv med natriumklorid m.m. fra 2000 f.Kr.
adskillelse af sølv og bly ved afdrivning kendt fra 1000 f.Kr.
niello dekorativ sort masse af sølv, kobber og svovl fra 1500 f.Kr.
lueforgyldning, amalgamering kendt omkring 1000 f.Kr.
trådfremstilling ved klipning og/eller hamring i sænke ca. 1000 f.Kr.
møntfremstilling ca. 650-625 f.Kr. i Lilleasien
essesvejsning af jern kendt fra 900 f.Kr.
hærdning af stål kendt fra 900 f.Kr.
damascenerstål fremstillet i Indusregionen fra 400 f.Kr.
mønstersvejset jern anvendt af romerne omkring Kristi fødsel, af nordmænd ca. 900
trådtrækning af jern med trækjern fra ca. 900
vandmøllen i metallurgiens tjeneste indført ca. 1150
højovn til råjernsfremstilling opfundet ca. 1150, alm. fra 1300
friskning af råjern til smedejern opfundet ca. 1150, alm. fra 1300
grubepumpen opfundet ca. 1400
typemetal bly-antimon-tin-legering, opfundet 1450 af J. Gutenberg
varmvalsning af jern opfundet ca. 1700, alm. fra 1820
drejebænk med tilspænding opfundet af H. Maudslay 1797
nitning af jern og stål alm. anvendt 1840-1950
skæring af jern og stål med ilt opfundet ca. 1890
elektrisk modstandssvejsning opfundet af Elihu Thomson 1890
autogensvejsning med ilt og acetylen opfundet af H. Moissan og Fouché 1895

Malmkoncentratet bringes dernæst i kontakt med et reduktionsmiddel. I de pyrometallurgiske processer sker det ved reduktion med gas eller fast brændsel, fx i en højovn eller en konverter. I elektrometallurgiske processer sker reduktionen og opvarmningen ved tilførsel af elektrisk energi (se fx aluminium). I de hydrometallurgiske processer overføres malmen i vandig opløsning, hvorpå metallet udfældes kemisk eller elektrolytisk. Som eksempel kan nævnes udludning af kobbermalm med fortyndet svovlsyre og kemisk fældning af kobberet på jernskrot, den såkaldte cementering.

Det vundne metal bliver i reglen omsmeltet og udstøbt i form af barrer eller blokke, der kan videreforarbejdes eller raffineres yderligere.

Pulvermetallurgi dækker fremstilling af metal ved at reducere malmpulver i en fluid bed-konverter samt fremstilling af smede- og valseemner med meget lille indhold af urenheder og af færdigemner med kompliceret form og en størrelse på 0,1 -10 kg. Emnerne fremstilles ved presning af pulver og sintring. De færdige emner har 5-15 % porer, der kan fjernes ved smedning eller infiltration (udfyldning ved lodning). Ved pulvermetallurgiske metoder kan der fremstilles legeringer og strukturer, som ikke kan fremstilles ad smeltemetallurgisk vej.

Der bruges store mængder energi i forbindelse med metalfremstilling, både til selve reduktionsprocessen, til brydning og forbehandling af malmen og til efterbehandling af affaldsprodukter. Til fremstilling af 1 kg aluminium bruges 50 MJ til at reducere malmen og opretholde den nødvendige temperatur i konverteren, og malmforbehandlingen bruger 20-50 MJ. Til oparbejdning af genbrugsaluminium bruges kun ca. 2,5 MJ pr. kg (10 MJ, hvis det skal renses elektrolytisk). Recirkulation er derfor en vigtig faktor. For ståls vedkommende hviler 30-80 % af produktionen i de vestlige lande på recirkulation af skrot.

Den fysiske metallurgi

Den fysiske metallurgi beskæftiger sig med det færdige produkt. Den omfatter de eksperimentelle metoder til undersøgelse og fejlfinding i metallerne: mikroskopi, elektron- og feltionmikroskopi, røntgenanalyse og Mössbauer-spektroskopi. Desuden studeres metallernes egenskaber teoretisk.

Historie

Metallernes betydning for den kulturelle udvikling ses allerede deraf, at man efter forslag i 1836 af arkæologen C.J. Thomsen opdeler oldtiden i stenalder, bronzealder og jernalder.

Vor viden om metallernes historie stammer dels fra Det Gamle Testamente og de antikke forfattere Herodot, Polybios, Strabon, Plinius, Galenos og andre, der omtaler oldtidsmetallerne guld, sølv, kobber, tin, bly, kviksølv og jern, dels fra middelalderlige kilder som Theophilus Presbyter og renæssancekilder som Vannoccio Biringuccio (1480-ca. 1539), Cellini og Agricola, der bringer oplysninger om malme og metoder samt om guld- og sølvsmedekunst. De arkæologiske fund kan belyses ud fra dette skriftlige materiale. Ved moderne metallografiske metoder kan man præcist identificere de anvendte legeringer, støbe- og smedeteknik, sammenføjningsteknik og kvalitet af de fundne genstande. Endelig er det muligt ved et studium af slaggernes sammensætning i forhold til jernet at nå til en omtrentlig forestilling om, hvor og hvordan de fundne genstande er fremstillet. Denne metode er imidlertid kun anvendelig inden for et begrænset område, fx Skandinavien.

Jo mere indblik man får i fortidens metallurgi, des mere må man beundre den håndværksmæssige viden, der ligger bag. Kobber blev afløst af kobber-arsen-legeringer omkring 3000 år f.Kr., og disse igen af kobber-tin-legeringer, sandsynligvis fordi man var blevet klar over den sundhedsmæssige risiko, der var forbundet med arsenholdige malme. Bronzelurerne vidner om avancerede metoder til præcisionsstøbning for mere end 3000 år siden. Bronzens tinindhold er afstemt efter, om emnet skulle smedes efter støbningen. Med probersten og -nåle kunne guldsmeden med nogle procents nøjagtighed bestemme sammensætningen af guld- og sølvgenstande, mens (jern)smeden på slibestenens gnistbillede og på en brudflade kunne afgøre jernets kulstof- og fosforindhold. Se også minedrift og artikler om de enkelte metaller.

Kommentarer

Din kommentar publiceres her. Redaktionen svarer, når den kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig