Metalurji

Metalurji nedir?

Metalurji (maden bilimi), madeni elementlerin, bunların bileşiklerinin ve alaşım olarak adlandırılan karışımlarının fiziksel ve kimyasal davranışlarını inceleyen materyal bilimi ve mühendisliği alanıdır. Metalurji ayrıca, metal teknolojisidir. Yani, metallerin üretilmesi sürecinde bilimin kullanılması yöntemi ve tüketiciler ve üreticiler için üretilen ürünlerdeki metal bileşenlerin mühendisliğidir. Metallerin üretimi, içerdikleri metalleri ortaya çıkarmak için cevherlerin işlenmesini ve alaşımlar üretmek üzere metallerin bazen diğer elementlerle karıştırılmasını içerir. Metalurji, bir zanaat olan metal işlemeden ayrılır, ancak hekimliğin, teknik ilerleme için tıp bilimine dayanması gibi, metal işleme de metalürjiye dayanır. 

Metalurji, demir metalurjisi (bazen siyah metalurji olarak da bilinir) ve demir dışı metalurji veya renkli metalurji olmak üzere ikiye ayrılır. Demir metalurjisi, demir esaslı işlemleri ve alaşımları içerirken, demir dışı metalurji, diğer metallere dayanan işlemleri ve alaşımları içerir. Demir içeren metallerin üretimi, dünya metal üretiminin yüzde 95'ini oluşturmaktadır.

Metalurji kelimesinin kökeni

Metalurjinin (İngilizcede metallurgy) kökeni Eski Yunanca'dır: "Metal işçisi" anlamındaki μεταλλουργός, metallurgós; metal anlamındaki μέταλλον, métallon ile "iş" anlamındaki  ἔργον, érgon kelimelerinin birleşiminden oluşur.

Sözcük, aslında bir simyagerin terimi idi ve metallerin minerallerden çıkarılması için kullanılıyordu. Sözcüğün İngilizcesinin (metallurgy) sonundaki -urgy, bir işlemi, özellikle de imalatı ifade ediyor. 1797 Britannica Ansiklopedisi'nde bu anlamda ele alınmıştı. 19. yüzyılın sonlarında ise metallerin, alaşımların ve ilgili işlemlerin daha genel bilimsel çalışması olarak anlamı genişletildi.

İngilizce'de, /metælədʒi/ telaffuzu, İngiltere'de ve Milletler Topluluğu'nda daha yaygın olanıdır. /Metələrdʒi/ telaffuzu ise ABD'de daha yaygın olanıdır ve çeşitli Amerikan sözlüklerinde (örneğin Merriam-Webster Collegiate, American Heritage) ilk listelenen varyanttır.

Metalurji'nin tarihçesi

İnsanlar tarafından kaydedilen ilk metalin altın olduğu görülüyor. MÖ 40.000 civarındaki geç paleolitik dönemde kullanılan İspanya mağaralarında az miktarda doğal altın bulunmuştur. İlk kültürlerde sınırlı miktarda metal işleme imkânı sağlayan gümüş, bakır, kalay ve meteorik demir de doğal formda bulunabilir. Yaklaşık olarak MÖ 3000 yılında, meteorik demirden yapılan Mısır silahlarına, "cennetten gelen hançerler" olarak son derece değer verilirdi.

Bazı metaller, özellikle kalay, kurşun ve (daha yüksek bir sıcaklıktaki) bakır, kayaçların ateşte veya maden eritme ocağında ısıtılmasıyla cevherlerinden çıkarılabilirler. Bu yönteme eritme denir. Madenlerin cevherlerden çıkarılmasıyla ilgili olan bu metalurjinin ilk kanıtları MÖ 5. ve 6. binlere dayanıyor. Bu kanıtlar Sırbistan'daki Majdanpek, Yarmovac ve Plocnik arkeolojik alanlarında bulundu. Bugüne kadar, bakır eritmeye ilişkin en erken kanıtlar, Vinoca kültürüne ait olan MÖ 5500 yılından kalma bir bakır baltayı da içeren Belovode arkeolojik alanında bulunmuştur. İlk metallere dair bulunan başka işaretler, Palmela (Portekiz), Los Millares (İspanya) ve Stonehenge (Birleşik Krallık) gibi yerlerde görülmüştür ve MÖ 3. bine dayanmaktadır. Bununla birlikte, bu işlemlerin ne zaman başladığı açık bir şekilde tespit edilememiştir ve yeni bulgular ortaya çıkmaya devam etmektedir.

Bu ilk metaller alaşım değillerdi. MÖ 3500'lü yıllarda, bakır ile kalay birleştirilerek üstün bir metalin yapılabileceği keşfedildi. Bronz olarak adlandırılan bu alaşım, insanlığın gelişiminde önemli bir teknolojik gelişmedir ve Tunç (Bronz) Çağı olarak bilinen devir bununla temsil edilmektedir.

Demiri cevherinden işlenebilir bir metal olarak çıkarmak bakır veya kalaydakinden çok daha zordur. İşlem, Demir Çağı'nın başında, MÖ 1200'lü yıllarda Hititler tarafından keşfedilmiş gibi görünmektedir. Demirin çıkarılması ve işlenmesindeki sır, Filistinlerin başarısında önemli bir faktördü.

Demir metalürjisindeki tarihsel gelişmeler, çok çeşitli geçmiş kültür ve uygarlıklarda bulunabilir. Bu, diğerleri arasında antik dönem ve ortaçağ krallıklarını ve Ortadoğu ve Yakın Doğu imparatorluklarını, antik İran'ı, antik Mısır'ı, antik Nubia'yı ve Anadolu'yu (Türkiye), Antik Nok'u, Kartaca'yı, antik Avrupa'dan Yunanlıları ve Romalıları, Orta Çağ Avrupa'sını, antik dönem ve Orta Çağ Çin'i, antik dönem ve Orta Çağ Hindistan'ını, antik dönem ve Orta Çağ Japonya'sını içerir. Antik Çin'de metalürjiye bağlı veya onunla ilişkili pek çok uygulama ve alet bulunmaktaydı. Örneğin, maden eritme ocağının kullanılmaya başlanması, dökme demir, hidrolik enerjili ağır çekiçler ve çift yönlü çalışan pistonlu körükler.

Georg Agricola'nın De re metallica adlı 16. yüzyılda yayınlanan kitabı, maden ocaklarının kazılmasıyla metal cevherlerinin çıkarılmasının, metallerin cevherlerden çıkarılmasının ve metalurjinin o dönemde son derece gelişmiş ve karmaşık süreçlerini anlatıyor. Agricola, "metalurjinin babası" olarak kabul edilir.

Ekstraksiyon

Metallerin cevherlerden çıkarılmasıyla ilgili metalurji, değerli metallerin cevherden ayrılması ve çıkarılan ham metallerin daha saf hale gelmesi için rafine edilmesi işlemidir. Bir metal oksiti veya sülfiti daha saf bir metala dönüştürmek için cevher; fiziksel, kimyasal veya elektrolitik olarak ergitilmelidir.

Metali cevherden çıkarmayla ilgili çalışan metalurji uzmanları, başlıca üç işlemle ilgilenirler: Besleme, yoğunlaştırma (değerli metal oksit/sülfit) ve tortu (atık). Metal cevheri maden ocağından çıkarıldıktan sonra, cevherin büyük parçaları, her bir parçacık değerli veya atık olacak kadar küçük parçacıklar elde etmek için ezme ve/veya öğütme yoluyla kırılır. Değerli parçacıklar yoğun bir madde haline getirilir ve bu, elde edilmek istenen metalin atık ürünlerden ayrılmasına olanak sağlar.

Cevherin yapısı ve fiziksel ortam yıkayarak arıtmaya elverişli ise, maden kazmaya gerek olmayabilir. Yıkayarak arıtma, bir cevherin bünyesindeki mineralleri dağıtır ve bu işlemin sonunda zengin bir solüsyon elde edilir. Bu solüsyon, içindeki değerli metalleri ayırmak üzere toplanır ve işlenir.

Cevherlerin bünyeleri genellikle birden fazla değerli metali içerirler. Bir önceki işlemden kalan tortular, aynı cevherden ikincil bir ürün çıkarmak için başka bir işlemde bir besleme maddesi olarak kullanılabilir. Ek olarak, değerli parçacıklardan oluşturulan yoğun madde de, birden fazla değerli metali içerebilir. Bu yoğun madde, daha sonra, değerli metalleri tek tek bileşenlerine ayırmak için işlenir.

Metal alaşımlar

Genel mühendislik metalleri arasında alüminyum, krom, bakır, demir, magnezyum, nikel, titanyum ve çinko bulunur. Bunlar çoğunlukla alaşım olarak kullanılırlar. Çelikleri ve dökme demirleri içeren demir-karbon alaşım sistemini anlamak için çok çaba gösterildi. Düz karbonlu çelikler (esas olarak alaşım elementi olarak karbon ihtiva edenler) ağırlık ve korozyonun (kimyasal aşınmanın) sorun oluşturmadığı düşük maliyetli, yüksek mukavemetli uygulamalarda kullanılır. Eğilebilir (dövülgen) demir dahil olmak üzere dökme demirler de demir karbon sisteminin bir parçasıdır.

Korozyon direncinin önemli olduğu yerlerde paslanmaz çelik veya galvanizli çelik kullanılır. Alüminyum alaşımları ve magnezyum alaşımları, dayanıklılık ve hafifliğin gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır.

Bakır-nikel alaşımları (Monel gibi) oldukça aşındırıcı ortamlarda ve manyetik olmayan uygulamalar için kullanılır. Inconel gibi nikel bazlı süper alaşımlar, gaz türbinleri, turbo kompresörler, basınç küvetleri ve ısı değiştiricileri gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Son derece yüksek sıcaklıklarda, sünmeyi en aza indirmek için tek kristalli alaşımlar kullanılır.

Metal üretimi

Üretim mühendisliğinde metalurji, tüketici ürünlerinde veya mühendislik ürünlerinde kullanılmak üzere metalik bileşenler üretmekle ilgilidir. Bu, alaşımların imalatını, şekillendirilmesini, ısıl işlemi ve ürünün yüzey işlemi ile ilgilidir. Metalurji uzmanının görevi, maliyet, ağırlık, mukavemet, tokluk, sertlik, korozyon, dayanıklılığını yitirme direnci ve aşırı sıcaklıktaki performans gibi materyal özellikleri arasında dengeyi sağlamaktır. Bu amaca ulaşmak için çalışma ortamı dikkatlice düşünülmelidir. Tuzlu su ortamında demirli metaller ve bazı alüminyum alaşımları hızla paslanır. Soğuk veya kriyojenik koşullara maruz kalan metaller, yumuşak bir halden kırılgan bir hale geçişe dayanabilirler ve kırılmaya meyilli hale gelerek tokluklarını kaybedebilirler. Sürekli bir periyodik yüklemeye tabi tutulan metaller dayanıklılıklarını yitirebilirler. Yüksek sıcaklıklardaki sabit basınç altındaki metaller ise sünebilirler.

Metal işleme teknikleri

Metaller aşağıdaki işlemlerle şekillendirilir:

• Döküm - Erimiş metal şekilli bir kalıba dökülür.
  
• Dövme - Kızgın bir metal çubuk, çekiçle dövülerek şekillendirilir. 
  
• Haddeleme - Metal bir çubuk, bir levha oluşturmak için ardarda daha dar silindirlerden geçirilir.  
  
• Lazer kaplama - Metalik toz, hareketli bir lazer ışını (örneğin NC 5 eksenli bir makineye monte edilmiş) vasıtasıyla üflenir. Elde edilen erimiş metal, bir eriyik havuzu oluşturmak üzere bir alt tabakaya ulaşır. Lazer başını hareket ettirerek yığınları parçalamak ve üç boyutlu parça oluşturmak mümkündür.  
  
• Ekstrüzyon - Sıcak ve dövülebilir bir metal, soğumadan önce onu şekillendirmek üzere metal bir kalıp vasıtasıyla basınç altına sokulur.  
  
• Sinterleme - Toz haline getirilmiş bir metal, metal bir kalıba sıkıştırıldıktan sonra oksitleyici olmayan bir ortamda ısıtılır.  
  
• Makinede işleme - Soğuk metal; torna tezgahları, freze makineleri ve matkaplar ile kesilerek şekillendirilir.  
  
• Fabrikasyon (İmalat) - Metal levhalar giyotinler veya gaz kesiciler ile kesilip bükülür ve kaynak yapılarak yapısal bir şekle sokulur.  
  
• 3D baskı - Herhangi bir nesneyi şekillendirmek için toz metali, 3D alanda hareket eden hareketli bir "baskı başı" üzerindeki çok küçük bir noktada sinterleme veya eritme.  

Ürün soğukken haddeleme, fabrikasyon veya başka işlemlerle ürünün şeklinin değiştirildiği soğuk işleme yöntemleri, pekleşme adı verilen bir işlemle ürünün mukavemetini artırabilir. Pekleşme, metalde şeklin daha da değişmesine direnecek olan mikroskopik kusurlar oluşturur. 

Sanayide ve akademik alanda çeşitli döküm türleri mevcuttur. Bunlara kum döküm, hassas döküm (balmumu işlemi ya da eriyen kalıpla döküm olarak da adlandırılır), basınçlı döküm ve sürekli döküm dahildir.

Isıl işlem

Metaller mukavemet, süneklik, tokluk, sertlik ve/veya korozyona direnç gibi özelliklerini değiştirmek üzere ısıl işlemden geçirilirler. Genel ısıl işlem süreci; tavlama, çökelme güçlendirme, söndürme ve temperlemeyi içerir. Tavlama işlemi, metali ısıtarak yumuşatır ve çok yavaş soğumasına imkan verir. Bu da metali gerilmelerden kurtarır ve tanecik yapısını büyük ve yumuşak kenarlı yapar. Böylece metala vurulduğunda veya basınç uygulandığında, kırılmaz, onun yerine göçürtülür veya belki eğilir. Tavlanmış metali kumlamak, ezmek veya kesmek de daha kolay olur. Söndürme, yüksek karbonlu bir çeliğin, ısıtmadan sonra çok hızlı bir şekilde soğutulması işlemidir. Böylece çeliğin çok sert bir martensit formundaki molekülleri "dondurularak", metal daha sert hale getirilir. Her çelikte sertlik ve tokluk arasında bir denge vardır. Çelik ne kadar sert olursa o kadar az tok (sert) ya da o kadar az darbeye dayanıklı olur ve darbe direnci arttıkça tokluğu azalır. Temperleme, metaldeki sertleştirme işleminden kaynaklanan stresleri hafifletir. Temperleme, metali daha az sert hale getirirken, kırılmadan darbelere dayanabilmesini sağlar.

Genellikle, mekanik ve ısıl işlemler, daha iyi özellikler ve daha verimli malzeme işleme olanağı için termo-mekanik işlemler olarak bilinen biçimde birleştirilir. Bu işlemler, yüksek alaşımlı özel çelikler, süper alaşımlar ve titanyum alaşımları için ortaktır.

Kaplama

Elektro kaplama, kimyasal bir yüzey işleme tekniğidir. Ürünün yüzeyine altın, gümüş, krom veya çinko gibi başka bir metalin ince bir katmanının yapıştırılmasını içerir. Korozyonun azaltılması ve ürünün estetik görünümünün iyileştirilmesi için kullanılır.

Termal püskürtme

Termal püskürtme teknikleri, popüler bir sonlandırma seçeneğidir ve çoğunlukla elektro kaplamalara kıyasla daha yüksek sıcaklık özelliklerine sahiptir.

Metalografi

Metalurji uzmanları, mikroskopik ve makroskopik özellikleri, Henry Clifton Sorby tarafından keşfedilen bir teknik olan metalografiyi kullanarak incelerler. Metalografide, üzerinde çalışılan alaşım düz zeminlidir ve parlatmak için cilalanır. Daha sonra bu numune, metalin mikro yapısını ve makro yapısını ortaya çıkarmak için kazınabilir. Numune daha sonra bir optik veya elektron mikroskopta incelenir. Görüntü kontrastı; kompozisyon, mekanik özellikler ve işleme geçmişi hakkında detaylar sağlar.

Genellikle x ışınlarının veya elektronların difraksiyonunu (ışınların kırılarak yayılması) kullanan kristalografi, modern metalurji uzmanının kullanabileceği değerli bir araçtır. Kristalografi, bilinmeyen malzemelerin tanımlanmasına imkan verir ve numunenin kristal yapısını ortaya çıkarır. Nicel kristalografi, mevcut numunelerin miktarını ve bir numunenin tabi tutulduğu gerginlik derecesini hesaplamak için kullanılabilir.

Metalurji konferansları

Avrupa Metalurji Konferansı (EMC), Avrupa'daki demir dışı metal endüstrisine adanmış en önemli ağ iletişimi etkinliğine dönüşmüştür. 2001'de konferans dizisinin Friedrichshafen'de düzenlenen ilki, dünyanın tüm ülkelerinden en uygun metalurji uzmanlarına ev sahipliği yaptı. Avrupa Metalurji Konferansı, GDMB Metalürji ve Madenciler Derneği tarafından organize edilmektedir.