علم الفلزات
 وليد خليفةساهم بشكل رئيسي في تحرير هذا المقال
|
يسمى علم الفلزات أيضا بالمتالورجيا و هى كلمة معربة عن كلمة Metallurgy الانگليزية ويسمى أيضا هندسة الفلزات (Metallurgical Engineering) و هو فن و علم الحصول على الفلزات من خاماتها و تصنيعها في منتجات مفيدة ، و يمكن تقسيمه إلى مجالين رئيسيين: معالجة المعادن و معالجة الفلزات.
يُعنى علم الفلزات mineralogy بدراسة الفلزات minerals الموجودة في القشرة الأرضية والمكوِّنَة لصخورها، من حيث صفاتها وتراكيبها وتصانيفها وبيئات تشكلها واستعمالاتها وأماكن وجودها.
وقد وجد أن النيازك أيضاً مؤلفة من فلزات معروفة، كما تشير الدراسات الجيوفيزيائية إلى وجود مواد ذات طبيعة فلزية تحت القشرة الأرضية. وعلى هذا يمكن القول إن الفلزات تشكّل الجزء الصلب من الكون، فمعظم المعادن تُصادف في الطبيعة على هيئة أكاسيد أو هاليدات أو كبريتيدات أو ضروب الكربونات أو أملاح أخرى. وكثير من هذه التوضعات الفلزية الحاوية على المعدن ليس له قيمة تذكر لكون الفلز غير نقي أو أنه يصعب فصل المعدن النقي عن الشوائب. وإن بعض الفلزات، القليلة نسبياً التي يكون استحصال العنصر منها مُجْدٍ اقتصادياً، يطلق عليها اسم الخامات المعدنية ores. مثال ذلك هاليدات المعادن القلوية وهاليدات المعادن القلوية الترابية وأكاسيد الحديد.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
تاريخ
يعدُّ علم الفلزات واحداً من أهم العلوم الحديثة في الجيولوجيا، إلا أن ممارسة الإنسان لهذا العلم بدأت مع وجوده على الأرض ومحاولته تعرف محيطه الخارجي والبحث عن أنواع خاصة من الحجارة مناسبة لاستعمالاته اليومية ولصنع أدواته وسلاحه. فقد استخدم إنسان الكهوف أكاسيد الحديد والمنگنيز في رسومه الجدارية، كما عَرف المصريون القدامى عدداً من الفلزات التي تنوعت استخداماتها لديهم في التلوين والحلي واستحصال المعادن.[1]
ويعود استحصال المعادن من فلزاتها إلى أكثر من 4000 سنة. فقد كتب عنها ثاوفرسطس Theophrastus بين (372-287ق.م)، كما وصف الرومان، في القرن الأول الميلادي، عدداً من الفلزات التي تستخدم أصبغةً أو أحجاراً كريمة أو لاستحصال المعادن.
وقد تميّزت دراسات الفلزات علماً قائماً بذاته في كتابات جورجيوس أگريكولا Georgius Agricola، المنشورة في منتصف القرن السادس عشر. وبرزت أهمية دراسة الخصائص الهندسية المميزة لبلورات بعض الفلزات في دراسات نيكولاس ستنو Nicolaus Steno عام 1669. واتخذت دراسة البلورات بعد ستينو أهمية كبيرة في تعرّف الفلزات، وخاصة خصائصها الضوئية، حيث بدأ استخدام المجهر الاستقطابي polarizing microscope عام 1870. وبذلك أصبحت لدى المشتغلين في الفلزات وسيلة قوية من أجل تعرفها وتحديدها.
أما أعظم فتح في تطور علم الفلزات فكان اكتشاف البنية الذرية للبلورات اعتماداً على خاصة انعراج الأشعة السينية X-ray diffraction في البنية البلورية، إذ تمكن العالم ماكس ڤون لاوه Max von Laue عام 1912 من تصوير النموذج الانعراجي لبلورة السفاتيريت sphaterite، والتوصل إلى تحديد الأماكن الحقيقية للذرات في هذه البلورة، الأمر الذي أصبح فيما بعد بمنزلة بصمات تدل على الهوية الحقيقية للفلزات.
الخصائص الكيميائية
تعتمد الدراسات الكيميائية للفلزات على مبادئ عامة، مرتبطة بتركيبها الكيميائي وعلاقته ببنيتها الذرية والإيونية، وبقوى الترابط بين الذرات وبنصف القطر الإيوني. فعندما تترابط الإيونات لتشكل بنية بلورية، فإن كلاً منها يترتب بوضع متناسق مع ما يجاوره من إيونات متباينة معه بالشحنة الكهربائية، على نحو تتجمع الأنيونات حول كاتيون مركزي وتتوزع في رؤوس موشور هندسي يمثل الشكل البلوري، ويدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell أو يمثل جزءاً هندسياً من بنيتها. ويكون عدد الإيونات الداخلة في تركيب بنية بلورية عادة ثابتاً ومتناسباً على نحو يحقق لها الاعتدال الكهربائي، وهذا ما يسمى مبدأ التناسق coordination principle.
والمبـدأ الأساسي في نظام البنية البلورية هو أن مجموع قوى الشحنات التي تؤثر في أيون ينتظم فيها يجب أن تساوي تكافؤ هذا الإيون. ففي بلورة كلوريد الصوديوم NaCl يكون لكل كاتيون (شاردة موجبة) من الصوديوم شحنة موجبة مفردة التكافؤ تحيط به ستة أنيونات (شوارد سالبة) من الكلور أحادية التكافؤ، ويكون تكافؤ الكهرباء الساكنة للكلور 1/6، وبالمقابل يكون تكافؤ الكهرباء الساكنة للصوديوم 1/6، باعتبار أن شحنة أنيون الكلور موزعة على ستة كاتيونات من الصوديوم. وهنا تكون إيونات الصوديوم والكلور ذات تناسق سداسي الطوق. وبما أن الإيونات متماثلة في التناسق، فإن بلورة كلوريد الصوديوم يجب أن تحتوي عدداً متساوياً من الكلور والصوديوم في صيغتها الكيمياوية. وفي بلورة الفلوريت يكون كل أنيون من الفلور مطوقاً بأربعة كاتيونات من الكلسيوم التي تشغل رؤوس رباعي وجوه نظامي. وبالمقابل يكون كل كاتيون من الكلسيوم مطوقاً بثمانية أنيونات من الفلور. وهذا يتفق مع صيغة الفلوريت الكيمياوية CaF2 وبها تشغل كاتيونات الكلسيوم نصف المواقع الممكنة في البنية البلورية.
الخصائص الفيزيائية
ترتبط الخصائص الفيزيائية للفلزات ارتباطاً وثيقاً بخصائصها الكيمياوية وببنيتها البلورية. وللخصائص الفيزيائية أهمية كبيرة في تعرف الفلزات وتحديدها، وفي الحالات التطبيقية وخاصة الصناعة، مثل الاستفادة من قساوة الماس والكورَندوم في الشحذ والصقل والقطع، والتطبيقات الإلكترونية الواسعة باستخدام المواد الفلزية المبلورة وأنصاف النواقل وشرائح الكوارتز واستقطاب الضوء وتوليد الليزر، واستخدام الخصائص المغنطيسية في فصل وتركيز خامات الحديد وغيرها. وفيما يأتي أهم هذه الخصائص:
الانفصام (التقسم أو الانفلاق) cleavage
تتصف بعض الفلزات بقابلية بلوراتها للانفصام بشكل صفائح وفق سطوح مستوية ملساء. ويعود ذلك إلى وجود سطوح بلورية ضعيفة داخل البنية البلورية، أو وجود فراغات في الشبكة البلورية.
التقسم (الفصل) parting
تميل بعض بلورات الفلزات إلى الانشطار وفق اتجاهات معينة.
المَكْسِر (الكَسْر أو الشدخ) fracture
وهو كسر في الفلز في غير مستوى الانفصام، وهو الشكل الخارجي لمكسر بعض الفلزات التي تخلو من خاصتي الانفصام والانشطار، ويمكن أن يوصف بأنه عظمي أو زجاجي أو محاري أو ليفي.
القساوة (الصلادة) hardness
تتمثل قساوة الفلزات في درجة مقاومتها للخدش، ويرمز لها بالحرف H، ولها علاقة وثيقة بالبنية الذرية للفلزات. فكلما كانت قوة ترابط ذراتها متينة كانت قساوتها أشد. وتحدد قساوة الفلزات بمحاولة خدشها بفلزات ذات قساوات محددة. وقد اختير منها عشـرة فلزات مرتبة بحسب تزايد قساوتها لتكون سلماً للقساوة، ويعرف بسلم موس (مقياس موس) Mohs scale، وهي مرتبة بحسب الآتي:
- التلك talc
- الجص gypsum
- الكلسيت calcite
- الفلوريت fluorite
- الأپاتيت apatite
- الاورتوكلاز orthoclase
- الكوارتز quartz
- التوباز topaz
- الكورَندوم coraudum
- الماس(الألماس) diamond
يمثل التلك أدنى درجات القساوة، وله بنية بلورية دقيقة صفائحية ضعيفة الترابط لدرجة أنه يترك أثراً في اليد، بينما يمثل الماس ذروة القساوة، ويتميز ببنية ذرية متينة الترابط، وهو يخدش جميع الأجسام.
ويفيد استخدام بعض الوسائل البسيطة في تعرف قساوة الفلزات. فقساوة ظفر اليد أعلى بقليل من الدرجة 2، وقساوة قطعة نقود من النحاس نحو 3، وقساوة طرف سكين أو موساً أعلى بقليل من الدرجة 5. كما أن قساوة زجاج النوافذ 5.5، وقساوة مبرد فولاذي نحو 6.5.
إن تدّرج سلم موس تدرج نسبي لا يتزايد نظامياً. وقد بينت الدراسات التفصيلية لقساوة الفلزات أن الفروق بين القساوة المطلقة لفلزات هذا السلم ليست متساوية، وأن الفرق بين قساوة الكورَندوم والماس أكبر بكثير من الفرق بين قساوة التوباز والكورَندوم (الشكل-5). وبالمقارنة مع التدرج النسبي يكون للكورَندوم الدرجة 9 وللماس الدرجة 40 أو أعلى قليلاً.
التماسك (تحمل المتانة) tenacity
وهو شدة مقاومة الفلز للتكسر أو السحق أو الانحناء أو اللي. ويمكن أن يوصف الفلز بأنه كَسُور brittle أو هش fragile أو مُطاوِع.
الكثافة density
أو الكتلة الحجمية للفلز، وتقاس بالغرام على السنتمتر المكعب. ويمكن أن يذكر في هذا المجال الوزن النوعي specific weight وهو نسبة وزن حجم من الفلز على وزن حجم مساو له من الماء.
البريق (الرمش اللمعاني أو البرقشة أو اللألأة) luster
ويُميز نوعان من البريق في الفلزات: بريق معدني metallic luster وبريق لا معدني non-metallic luster. إلا أن الوصف التفصيلي يتطرق إلى بريق تحت معدني submetallic luster وبريق ماساتي أو أدَمَنتي adamantine luster وبريق زجاجي vitrous luster وبريق دهني greasy luster.
اللون colour
تأخذ البلورات ألوانها من امتصاصها موجات معينة من الطيف الضوئي، وتصبح سوداء عندما تمتص جميع ألوان الطيف. وتعود الألوان في الفلزات إلى تراكيبها الكيمياوية، إلا أنها تُنْسَب أحياناً إلى وجود مواد ملونة بكميات ضئيلة فيها أو إلى تعرضها للإشعاع الطبيعي.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
المَخْدِش
وهو لون مسحوق الفلز حين يخدش أو يطحن. وهو مختلف أحياناً عن لون الفلز، إلا أنه صفة ثابتة يعتمد عليها. مثال ذلك المخدش الأحمر لفلز الهيماتيت hematite. ويمكن ملاحظة لون المخدش عندما يحك الفلز أو يسحج على سطح جسم أكثر قساوة منه، وقد تستعمل لهذه الغاية صفيحة بيضاء من البورسلان الذي تبلغ قساوته نحو 7.
تلاعب الألوان play of colours
ويظهر على شكل تتابع سريع لألوان الطيف على السطوح الخارجية لبعض الفلزات حين يتغير وضعها تحت الضوء.
التقزّح أو التألق luminescence
وينجم عن الفلورة fluorescence التي تحصل في بعض الفلزات بعد تعرضها للأشعة فوق البنفسجية، أو من الفسفرة phosphorescence وهي انبعاث الضوء من الفلز بعد تعرضه للإشعاع أو الضوء.
الأوبالية (التلألؤ أو البريق) opalescence
وهي انعكاسات زجاجية حليبية تحصل على مستويات تحت السطح الخارجي لبعض الفلزات.
الريائية أو الطَرْنَشة أو التكدر tarnish
وتتصف بها بعض الفلزات التي يتلّون سطحها الخارجي بلون يختلف عن لونها الحقيقي، كأن يتغير لونه بفعل التأكسد.
النجمية asterism
وهي انعكاسات ضوئية نجمية الشكل، تظهر في بعض الفلزات ذات التبلور السداسي عندما يُنْظَر إليها بموازاة محورها الشاقولي.
الانعكاس reflection والانكسار refraction
وهما خاصتا انعكاس الضوء على السطح الخارجي للفلز واختراقه عندما يكون الفلز منفذاً للضوء، وفي هذه الحالة تتغير سرعته وينكسر. وقرينة الانكسار في الفلزات المنفذة للضوء سمة مميزة لها. ومن المعروف أن للضوء اهتزازات موجية في جميع الاتجاهات العمودية على مساره، إلا أن هذه الاهتزازات الموجية يمكن أن تصبح في الأجسام البلورية في مستوٍ واحد، فيصبح الضوء مستقطباً polarized light. وتوجد حالات ثلاث يستقطب فيها الضوء في الفلزات، وهي:
(1) الانكسار المضاعف و(2) الامتصاص على السطح (الادمصاص) adsorption و(3) الانعكاس reflection. وقد استفيد من استقطاب الضوء في تصميم المجهر الاستقطابي ودراسة الفلزات وتحديدها تحت المجهر.
الانكسار المضاعف double refraction
يحصل الانكسار المضاعف في جميع الفلزات التي تسمح بلوراتها بمرور الضوء، باستثناء الفلزات متساوية الخواص والتي تتبلور بالنظام المكعبي. فالشعاع الذي يمر منها ينكسر إلى شعاعين بحسب قرينتي انكسار ويكونان متباعدين أحدهما عن الآخر. إلا أن زاوية التباعد تكون في معظم الفلزات صغيرة جداً لا يمكن ملاحظتها أو قياسها إلا باستخدام أجهزة ضوئية خاصة. وتتميز منها بلورات الكلسيت بانكسار مضاعف يظهر واضحاً في البلورات النقية الشفافة يتمثل بخيال مزدوج للأجسام التي ترى من خلالها.
المغنطيسية magnetism
وهي خاصية انجذاب بعض الفلزات بالمغنطيس، وتتميز بـها فلـزات الحـديد، وأهمها الهماتيـت hematite والماگنتيت magnetite، والأخير يمكن أن تكون له قوة جذب مغنطيسي طبيعية.
الكهربائية
تتميز بعض الفلزات بتولد شحنات كهربائية في بلوراتها حين يُضغط عليها بموازاة أحد محاورها البلورية. تسمى هذه بالخاصة الكهرإجهادية piezoelectric، وتتميز بها، خاصة، بلورات الكوارتز التي استخدمت في تطبيقات إلكترونية متعددة وواسعة. وفي الوقت الحاضر تصنع شرائح بلورية مماثلة للكوارتز تستخدم خاصة في صناعة الحواسيب وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة. وما يجدر ذكره هو أن بعض بلورات الفلزات تتميز بتولد شحنات كهربائية نتيجة تسخينها إلى درجات حرارة معينة، وتدعى الفلزات الكهرحرارية pyroelectric.
النشاط الإشعاعي radioactivity
ويرتبط بوجود مركبات غير مشعة مثل اليورانيوم والثوريوم في بعض الفلزات. ويمكن أيضاً أن يكون بوجود الپوتاسيوم والربيديوم.
تصنيف الفلزات
تتطلب الدراسة النظامية للفلزات تصنيفها، بحيث تجمع الفلزات ذات الخصائص المشتركة بعضها مع بعض في مجموعات متمايزة. وفي المراحل المبكرة من تطور علم الفلزات حاول العلماء وضع مخططات تصنيفية، بعضها مبني على الخصائص الفيزيائية للفلزات، وبعضها الآخر مبني على خصائصها الكيمياوية. وقد وضع العالم السويدي برزيليوس Berzelius عام 1815 تصنيفاً للفلزات مبنياً على أساس كيمياوي، لازال مقبولاً ومعتمداً حتى الوقت الحالي. ويجمع هذا التصنيف الفلزات ذات الأنيونات المشتركة في صفوف رئيسة حسب ما يأتي:
1- العناصر الحرة .native elements
2- ضروب الكبريتيد (متضمنة أملاح السلفو) .sulfides
3- الأكاسيد oxides والهدروكسيدات .hydroxides
4- الهاليدات .halides
5- ضروب الكربونات carbonates وضروب النترات nitrates وضروب البورات borates وضروب اليودات iodates.
6- ضروب الكبريتات sulfates وضروب الكرومات chromates وضروب المولبدات molybdates وضروب التنغستات .tungstates
7- ضروب الفوسفات phosphates وضروب الأرسينات (أو الزرنيخات) arsenates وضروب الڤانادات vanadates.
8- ضروب السيليكات .silicates
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
علم البلورات
تُبْنَى المادة الصلبة المبلورة بتكرار أجزاء دقيقة جداً، تتراصف بترتيب هندسي منتظم في اتجاهات الفراغ الثلاثة. ويتألف كل جزء دقيق من ترابط أقل عدد من الأيونات التي تؤلف التركيب الكيمياوي للبلورة، ويكون هذا الترابط في اتجاهات الفراغ الثلاثة ومشابهاً تماماً لشكل البلورة، وهو ما يدعى خلية الوحدة البلورية crystal unit cell. أما شبكة التراصف الفراغية فتسمى الشبكة البلورية crystal lattice، وهي تختلف في الشكل ومقاييس الأضلاع بحسب المادة البلورية. وقد ميز العالم أوگست براڨيه Auguste Bravais عام 1848 أربعة عشر شكلاً هندسياً للشبكات البلورية سميت شبكات برافيه.
التناظر البلوري crystal symmetry: تبدي بلورات الفلزات حين تنمو حرة، نظاماً هندسياً في شكلها الخارجي وأوجهها الجانبية. ويلاحظ فيها تناظر في الرؤوس والأضلاع والزوايا والأوجه. وقد تمكن العلماء من تصنيف الأشكال البلورية في أنظمة موشورية سبعة، هي:
(1) النظام المكعبي cubic system
(2) النظام الرباعي tetragonal system
(3) النظام السداسي hexagonal system
(4) النظام المعيني المستقيم orthorhombic system
(5) النظام أحادي الميل orthoclinic system
(6) النظام المعيني rhombohedric system
(7) النظام ثلاثي الميل triclinic system
وتعرف ملاحظة التناظر لدى تحريك أو تدوير البلورات باسم عمليات التناظر symmetry operations، وهي تشمل التدوير حول المحور وانعكاس جزء من البلورة على سطحٍ مستوٍ مثل صورته في المرآة وتقابل تناظري بالنسبة إلى مركز البلورة.
أما محاور التبلور فهي خطوط مستقيمة وهمية تتقاطع في مركز البلورة وتكون بموازاة الأوجه المتقاطعة، ويرمز لها بالأحرف a وb وc باستثناء النظام السداسي الذي تكون له المحاور a1 وa2 وa3 وc. وتُدْرَس جميع البلورات وتُحدَّد أوجهها بحسب تقاطعها مع هذه المحاور أو موازاتها لها.
البنية البلورية :crystal structure يعدُّ اكتشاف انعراج الأشعة السينية في البلورات وتطبيقاته أهم حدث في تاريخ علم البلورات[ر: البلورات بالتصوير الشعاعي (دراسة)]. وقد مَكَّنَت من قياس المسافات بين المستويات الرئيسية داخل البلورات، كما مكنت من تحديد مواضع الذرات المترابطة فيها وتحديد أبعاد خلية الوحدة البلورية، ومن ثمَّ تحديد هوية كل فلز، وذلك بالاعتماد على قانون براغ Bragg law وهو nλ = 2d sin θ
باعتبار λ طول موجة الأشعة السينية، وd المسافة بين مستويين ذريين رئيسيين في البلورة، والمستوي الرئيسي في البلورة هو المستوي الذي يتضمن أكبر عدد من الدقائق المادية في البلورة سواء كانت أيونات، سالبة أم موجبة، ذرات أم جزيئات، وθ زاوية ورود الأشعة السينية، وn عدد صحيح يدل على رتبة الانعراج.
معالجة المعادن
معالجة المعادن تشتمل على معالجة الخامات للحصول منها على الفلزات (شكل 1)، ويتضمن عمليتين مختلفتين، الأولى منهما عملية فيزيائية (طبيعية) تسمى تركيز أو تهيئة الخامات والثانية عملية كيميائية تسمى استخلاص الفلزات أو المتالورجيا الاستخلاصية، وكلتا العمليتين متداخلتان حيث أنه في بعض الحالات تُقحم عملية الفصل الفزيائية لمكونات المادة الجارى معالجتها في برنامج استخلاص الفلز، وفى قليل من الحالات تخضع المادة المعدنية الخام مباشرة للمعالجة الكيميائية دون تركيز.
تركيز الخامات
تهتم عملية تركيز الخامات بتخصيبها وفصل الشوائب المعدنية عنها بحيث ترفع من كفائة المعالجات اللاحقة التى يجريها خبراء الاستخلاص للحصول على الفلزات ، و يستخدم مهندس التركيز طرق ميكانيكية و فزيائية و فزيائية-كيميائية فقط لأداء عمله و تجرى جميعها في درجة الحرارة و الضغط العاديين. وتنقسم هذه العمليات إلى مرحلتين متميزتين:
- تحرير المعادن وفيها يتم تكسير الصخور في هذه العملية بوسائل ميكانيكية بحيث تتفكك مكونات المعدن عن بعضها البعض أى أن كل منها يُفصل ويُحرر.
- فصل المعادن ويتم في هذه العملية فصل المعادن القيّمة من البقية بوسائل فزيائية و فزيائية-كيميائية اعتمادا على فروق الثقل النوعى و الخواص المغناطيسية وغيرها.
وتوجد مجموعة تقترب من 300 معدن تستخدم كما هي في الصناعات الكيميائية وغيرها من الصناعات ، و لا تستخدم لإنتاج الفلزات، وتعرف باسم المعادن الصناعية، وقد تركز أو لا تركز، فمثلاً الطَفل والرمل والحجر الجيرى تستخدم في التشييد و البناء، والكبريت وصخر الفوسفات و الفلوريت في الصناعات الكيميائية، والماس و الأحجار الكريمة وشبه الكريمة في صناعة الحُلي.
استخلاص الفلزات
فبينما يستخدم مهندس التركيز طرق ميكانيكية و فيزيائية و فيزيائية-كيميائية لأداء عمله، يعتمد المختصون بالاستخلاص على الطرق الكيميائية فقط ، و هناك فرق هام آخر بينهما وهو أن عمليات استخلاص الفلزات نادراً ما تجرى في الظروف العادية ، و لكن تتم عادة في درجة حرارة عالية و أحياناً في ضغط عالٍ ، بينما تجرى عمليات التركيز في درجة الحرارة و الضغط العاديين. ويجب أن يكون المختص بالاستخلاص على دراية جيدة بالموضوعات الآتية (شكل 2):
- الكيمياء الفيزيقية، والكهربية، والعضوية، والتحليلية
- علم المعادن، والبلورات، وخواص المعادن
- الهندسة، والرياضيات، والفيزياء، والاقتصاديات، وتطبيقات الحاسب
- نظرية العمليات المتالورجية و هى الأساس النظرى لكافة العمليات التى تحدث عند معالجة و تصنيع الفلزات.
أما المجال الواصل بين الكيمياء وعلم المعادن فهو “كيمياء المعادن” أي الكيمياء غير العضوية، والمجال بين الكيمياء والهندسة هو “الهندسة الكيميائية”، وبناءً على ذلك فاستخلاص الفلزات مرتبط بكل هذه المعارف، وهو مرتبط أيضا ارتباطاً وثيقاً ببعض الصناعات الكيميائية مثل الأسمدة والغازات الصناعية وغيرها. ومن ثم فاستخلاص الفلزات معنِىٌ بالطرق الكيميائية في معالجة الخامات لاسترجاع عناصرها الفلزية في صورة نقية، وهو أحد أقدم فروع الكيمياء وفى صورته الحديثة ينقسم إلى ثلاث مجالات كبيرة: المتالورجيا الحرارية، والمائية، والكهربية.
المتالورجيا الحرارية
و هى أقدم مجالات استخلاص الفلزات ، و تشمل طرق استخلاص جافة تُجرى في درجة حرارة عالية مثل الأكسدة و الاختزال و الكلورة و الصهر و تكوين الخبث و غيرها ، و غالبا ما تشمل عمليات صهر للمعادن و فصل للمكونات القيّمة في الحالة السائلة ، و من الخامات النموذجية لهذه المعالجة خامات الحديد و النحاس و الرصاص.
المتالورجيا المائية
و هى مجال حديث نسبيا في استخلاص الفلزات و يشمل الطرق المائية (تسمى أيضا طرق هيدروفلزية) التى تُجرى عادة في درجة حرارة الغرفة أو بالقرب من نقطة غليان الماء ، و تشمل عمليات نَضّ المعادن أو ترسيب الفلزات أو مركباتها من المحاليل المائية بالإضافة إلى طرق العزل و التنقية مثل تبادل الأيونات واستخلاص المذيبات. ومن المعادن النموذجية لهذه التكنولوجيا معادن ذهب واليورانيوم والألومنيوم.
المتالورجيا الكهربية
وهذا أحدث مجالات استخلاص الفلزات و يشمل كل الطرق الكهروفلزية المعتمدة على استخدام التيار الكهربائى لاسترجاع الفلزات أو حتى تنقيتها في محاليل مائية أو في أملاح مصهورة، ومن الفلزات النموذجية المنتَجة بهذه الطريقة الألومنيوم والنحاس والخارصين.
ولا يمكن اعتبار هذه المجالات منفصلة عن بعضها البعض إذ تستخدم بوجه عام مجموعة منها لإنتاج فلز واحد، فمثلا يعالج البوكسيت (وهو أهم خامات الألومنيوم) بطريقة مائية أثناء التجهيز، وتتم بعد ذلك عملية إنتاج الفلز النهائية بتقنية استخلاص كهربي. ومن ناحية أخرى تعالج خامات اليورانيوم أيضا بطريقة مائية لتخصيبها، بينما يتم إنتاج فلز اليورانيوم بطرق استخلاص حرارية. وقد توجد عدة مسارات مختلفة لاستخلاص الفلز الواحد ومن ذلك إنتاج ما يقرب من 80% من الخارصين بأساليب استخلاص مائية-كهربية أما نسبة 20% الباقية فتنتج بأساليب استخلاص حرارية، وبالنسبة للمغنسيوم فالكميات تقريبا متساوية .
و بالرغم من تداخل أساليب الاستخلاص عل النحو السابق ذكره فتصنيفها كطرق حرارية ومائية وكهربية هو تصنيف مقبول، لأن كل من هذه المجالات له معداته وأساليبه وأسسه النظرية، وعليه فالمتخصص في المتالورجيا المائية مَعنىٌ مثلا بتصميم أحواض النَضّ و مفاعلات الضغط وأنظمة الصَفْق و الترشيح ومضخات نقل المحاليل المائية وغيرها، ويهتم أيضاً بسرعة (كينتيكا) التفاعلات و كيمياء الأيونات في المحاليل المائية. أما المختص بالمتالورجيا الحرارية فيهتم بشكل رئيسى بالوقود والأفران والحراريات والمواد المنصهرة كالمَتّ (خليط كربيتيدات النحاس والرصاص والنيكل) والخبث والفلزات، ويهتم أيضاً بالديناميكا الحرارية والتفاعلات بين المواد الصلبة والغازات في درجات الحرارة العالية ومعاملة الغازات الساخنة المحمَّلة بالغبار وغير ذلك. أما المتخصص في المتالورجيا الكهربية فلا بد أن يكون على دراية كبيرة بالكيمياء الكهربية وتفاعلات الأقطاب ، ويُعْنَى بتصميم الخلايا الإلكتروليتية والأقطاب الكهربائية وعمليات تنقية المحاليل وإعادة التدوير والأملاح المنصهرة وغيرها.
و يهتم المختصون باستخلاص الفلزات سواء أكان في مجالات الاستخلاص المائية أو الحرارية أو الكهربية بتصميم عمليات جديدة بالإضافة إلى تحليل و تحسين العمليات الموجودة فعلياً لزيادة العائد منها ولخفض تكلفة الإنتاج. وأحياناً يستخدم مصطلح “متالورجيا العمليات” ليشمل عمليات النمذجة الرياضية في مجالات الاستخلاص المختلفة، فيشمل مثلا عمليات سريان الموائع (الغازات و المحاليل المائية و المعلقات والمواد المصهورة وغيرها) وانتقال الحرارة، فهو بشكل أساسى تطبيق لمبادىء الهندسة الكيميائية في العمليات المتالورجية.
ويؤسَس استخلاص الفلزات على ثلاثة عناصر:
- التفاعلات الكيميائية للعمليات التى تتم.
- المعدات التى تتم فيها التفاعلات.
- مخطط التتابع وهو حركة المادة من مفاعل لآخر أثناء العملية.
يوضح شكل 3 مخطط تقريبى لاستخلاص الفلزات من الخامات.
معالجة الفلزات
حالما يحصل المتخصص في الاستخلاص على الفلز يتناوله متخصص آخر لتحويله إلى منتجات كاملة تصلح لاستخدامات الصناعات المختلفة ، و يشمل هذا المجال تصنيع منتجات صالحة للعرض في الأسواق ، و للمتخصصين في هذا المجال خلفية قوية في الفيزياء و الخواص الميكانيكية للمواد ، و ينقسم هذا المجال إلى عدة فروع: المتالورجيا الفيزيقية و المتالورجيا الهندسية و المتالورجيا الميكانيكية و متالورجيا المساحيق.
المتالورجيا الفيزيقية
و يشمل هذا المجال على موضوعات دراسة فسيحة ، مثل:
- الفلزات: خواصها الفزيائية و الميكانيكية.
- المعالجة الحرارية: تسخين الفلزات لدرجات حرارة معينة يتبعها تبريد سريع (تسقية) لتحسين خواصها الميكانيكية.
- السبائك: انتاجها و خواصها الفيزيائية و الميكانيكية.
- علم البلورات: دراسة التركيب البلورى للفلزات و السبائك باستخدام الأشعة السينية.
- المتالوجرافيا: دراسة البنية الدقيقة للفلزات و السبائك باستخدام المجهر الضوئى.
- التآكل: دراسة تأثير البيئة على الفلزات و السبائك.
- البِلَى: مقاومة الفلزات للبرى.
- الكسر: حجم الحبيبات و عيوب الفلزات عند الكسر.
المتالورجيا الهندسية
يشتمل هذا الفرع من المتالورجيا على طرق معالجة و معاملة الفلزات في الحالة السائلة مثل السباكة و اللحام.
السباكة
تُسبك الفلزات المنقاة في الحالة السائلة في شكل صُّبَات ، أى تصب في قوالب ملائمة و تُترك لتتجمد ، و لإنجاز ذلك لابد من فرط تسخين الفلز فوق نقطة انصهاره بدرجة كافية حتى لا يتجمد قبل صبه في القالب ، و إن لم تتم هذه العملية بشكل سليم سيؤدى ذلك إلى إنتاج صبات معيوبة ، و يمكن حدوث العيوب الآتية:
- فجوات. عند صب الفلز في قالب تتجمد الطبقة الخارجية بسرعة لملامستها جدران القالب الباردة مكونةً قشرة فلزية متجمدة و داخلها منصهر ، و إذا تجمدت القمة أيضا فسيُحتجز الفلز المهصور داخل صندوق صلب مغلق ، و أثناء التبريد و التجمد تنكمش كل الفلزات (عدا البزموث) ، أى أن الفلز الجامد يشغل حجما أقل من الفلز المصهور ، و هذا بدوره يؤدى إلى تكون فجوات في الصبات النهائية و التى غالبا ما تكون مملوءة بالغازات التى كانت ذائبة في الفلز المصهور و حُررت عند التجمد ، و لذلك يجب قطع الجزء العلوى من الصبة و طرحه كخُردة.
- البلورات الشجرية. تميل بلورات فلزية شجرىة الشكل للنمو في اتجاهات عمودية على جدران القالب مكونةً لمستويات ضعف عند مواضع تلاقيها داخل الصبة ، فمثل هذا المنتج مرفوض لأنه ينزع إلى التمزق في هذه المواضع عند الدرفلة.
- الانعزال. أثناء التبريد البطىء ، تحتوى البلورات الأولى التى تتكون على قليل من الشوائب المتبقية في المصهور (أو العناصر السبائكية) ، و إذا كانت هذه الشوائب أخف من الفلز فإنها تتجه للطفو إلى سطح المصهور و بذلك تنعزل على شكل أطوار دقيقة مستقلة عن باقى الفلز. و لتفادى العيوب المبيّنة أعلاه يُسمح للفلز بالتجمد بحيث لا تبقى إلا بقعة صغيرة منصهرة أثناء صبه ، ويمنع مثل هذا الإجراء تكون الفجوات منعاً شبه كامل ، و يؤدى التبريد السريع إلى تكون بلورات صغيرة و يمنع كذلك تكون البلورات الشجرية الضخمة . و يمكن لبعض الفلزات مثل الصلب و الحديد الزهر و النحاس و الرصاص و الخارصين و النيكل و الذهب و الفضة و القصدير و الأنتيمون التعرض للهواء أثناء الصهر ، في حين تتأكسد بسرعة و تشتغل فلزات أخرى مثل المغنسيوم و اليورانيوم عند تعرض مصهورها للهواء ، فلا بد أن تُسبك مثل هذه الفلزات تحت طبقة واقية من مادة صهورة أو في جو خامل ، أما الفلزات مرتفعة نقط الانصهار (الفلزات الحرارية) مثل التنجستين فمن الصعب جدا صهرها و سبكها و عادةً ما تكبس و تشكل بطرق متالورجيا المساحيق.
من التطويرات الحديثة الهامة في السباكة اختراع ماكينة الصب المستمر (شكل 5). في هذه التقنية تستمر التغذية بالفلز المصهور من الخزان و يسمح له بالتجمد السريع في القالب بحيث لا تبقى في أى وقت إلا بقعة صغيرة منصهرة أعلى القالب. و عند خروج الصبة المتجمدة من القالب تمسكها مجموعة منالدرافيل تنظم عملية نزولها و تشكيلها. و يؤدى انكماش الفلز المتجمد إلى جذبه بعيداً عن جدران القالب. و يوجد بعد منصة الدرافيل لهب أكسى أستيلين يستخدم لقطع الصبات الخارجة بأطوال مناسبة (شكل 6). و هذه الطريقة مهيأة لعمليات الإنتاج الضخمة ، فهى تنتج قليل من المرتجعات مقارنة بسباكة القطع ، و تخلو مصبوباتها من الفجوات لأن الفلز يتجمد بمجرد صبه ، و منتجاتها صغيرة الحبيبات بسبب التبريد السريع. و هى أيضاً أجدى اقتصادياً حيث يُشَكل الفلز المصهور مباشرة ، في حين أنه في عمليات سباكة القطع تسخن الصبات المتجمدة قبل التشكيل.
أما سباكة القوالب (الإسطمبات) ففيها يدفع الفلز المنصهر بمضخة تحت ضغط كبير إلى فجوة قالب التشكيل ، و يتم هذا عادة للفلزات منخفضة الانصهار مثل الخارصين و الألومنيوم و المغنسيوم. و هى طريقة سريعة جدا و مجدية اقتصادياً لسباكة عدد ضخم من صنف ما في وقت قصير.
اللحام
اللحام هو طريقة توصيل قطعتين فلزيتين بالصهر (شكل 7). و تتكون عملية اللحام الكهربائى من نقل الطاقة الكهربائية من نقطة لأخرى تتحول خلالها إلى حرارة. تستخدم هذه الحرارة لصهر المواد الفلزية معا. فينصهر الإلكترود الفلزى بهذه الطريقة و يلتئم الجزءان الفلزيان المراد لحامهما معا. لوقاية الفلز المنصهر من التأكسد ، تضاف عادة مادة معدنية خاملة سهلة الانصهار تسمى الصَّهور إلى الالكترود بحيث تنصهر فوراً عند سخونته و تطفو على سطح الفلز المصهور فتحميه. و يمكن لالكترودات اللحام أن تطلى بالصهورات من الخارج لعمليات اللحام بالقطعة ، أو من داخل الكترودات طويلة مجوفة لعمليات اللحام المستمر. أحيانا لا يكفى الصَّهور لوقاية الفلز المصهور من التأكسد و يستخدم عندئذ جو من النتروجين للوقاية أثناء اللحام. بالنسبة لبعض الفلزات لا يمثل النتروجين الجو الواقى المناسب و ذلك لاحتمال تكون نيتريدات مثل لحام التيتانيوم ، ففى مثل هذه الحالات يستخدم غاز الأرجون للوقاية. تشكل الوصلة الملحومة عادة أضعف أجزاء المُنشأ و بالتالى تُكرّس عناية كبيرة و اهتمام لتكنولوجيا اللحام.
المتالورجيا الميكانيكية
يشتمل هذا الفرع من المتالورجيا على معالجة الفلزات في الحالة الصلبة. تسبك الفلزات عادة على شكل صبات ، تبرد بسرعة على السطح و ببطىء خلال المركز. لهذا السبب لا بد أن توضع الصبات في أفران تسمى الأفران الغاطسة حيث تسخن إلى درجة حرارة منتظمة في كل نواحيها (شكل 8). الفلز الساخن لين بشكل ملائم و يمكن كبسه تحت ضغط قوى ليأخذ أشكال متعددة. و عمليات التشكيل المعتادة هى الطرق و الدرفلة و البثق و الخرق و السحب.
الطرق
فى هذه العملية يطرق الفلز أو يكبس للشكل المطلوب. و يمكن استعمال مكبس هيدروليكى (حتى 30000 طن) أو مطرقة ساقطة ذات أجزاء متحركة تصل إلى 30 طن لهذا الغرض (شكل 9).
الدرفلة
تُمرر الصبات الساخنة بين درافيل صلب قوية حيث تدرفل في ماكينات منفصلة إلى بلاطات و نَوْرَات و كتل (شكلى 10 و 11). تذهب هذه الأشكال الثلاثة النصف نهائية إلى ماكينات التشطيب. و تدرفل هناك كما يلى:
- البلاطات (Slabs). تسمى هذه الأشكال المسطحة ألواح عندما يتم خفض سمكها إلى حوالى 6 مم ، أما الأشكال الأقل سمكا فيطلق عليها صفائح أو شرائط و حينما تدرفل لسماكات غاية في الرقة تعرف بالرقائق. و تستخدم هذه الأشكال في تصنيع معدات النقل و الأجهزة المنزلية. أما الصفائح و الشرائط فتستخدم أيضا في تصنيع المواسير الملحومة و شبكات الأنابيب.
- النورات (Blooms). (مفردها نَوْرَة) هى عبارة عن قضبان مربعة الشكل بأحجام مختلفة من الممكن تشكيلها سواء إلى كمرات أو غيرها من الأشكال المطلوبة للأغراض الإنشائية
- الكتل أو العروق (Billets). وتسمى أيضاً الشبقات (مفردها شَبْق) و هى تنتج من النورات لعمل قضبان و أعواد بمقاطع مستديرة أو مربعة أو لإنتاج أشكال أخرى بأحجام متفاوتة و يصنع منها العدد و البرشام و الكابلات و الأسلاك و غيرها.
عادة ما تتم الدرفلة ساخنة في المراحل الأولى و باردة في المراحل اللاحقة. و تُصَلِّد الدرفلة الباردة الفلزات حتى أنه بعد خفض السمك لنسب معينة يصبح من الصعب جدا استكمال الدرفلة بشكل اقتصادى ، و في هذه المرحلة تُلَدَّن الفلزات لتَلْيينَها لمراحل الدرفلة التالية و تستمر هذه العمليات المتبادِلة حتى يتم الحصول على المعيار المطلوب.
البثق و الخرق
هذه هى الطرق الرئيسية لتصنيع الأشكال الإنشائية و الأنابيب و غيرها من الأعمدة المصمتة ، ففى البثق (شكل 12) توضع كتلة مسخنة في مكبس هيدروليكى قوى و يدفع خلاله شاقة صلب و يجبر الفلز الباقى بعد ذلك على المرور من خلال الإسطمبة و حول الشاقة. و في عملية الخرق (شكلى 13 و 14) تدوَّر الكتلة المسخنة و تُغذَّى خلال سِدادة مسننة و تسحب قشرة الأنبوب للمقاس المطلوب من خلال مجموعة إسطمبات متتابعة.
السحب
يتم في عملية السحب خفض مقطع كتلة فلزية بسحبه من خلال إسطمبة و يعتمد نجاح هذه العملية على خاصية المطيلية التى تسمح للفلز بأن يستطيل استطالة كبيرة بدون كسر ، و يستخدم السحب بشكل أساسى لصناعة الأسلاك. و المادة الأولية عبارة عن عود قطره تقريبا 6 مم أُنتج قبل ذلك بدرفلة أو بثق كتلة أكبر حجما ، و بعد ذلك يتتابع سحب السلك خلال إسطمبات صلب أصغر فأصغر مما يؤدى إلى تناقص القطر تدريجيا . و تتعرض الإسطمبات لبِلَى كبير و لذلك تتكون الفوهات عادة من مواد متينة مثل كربيد التنجستين ، و قد يستخدم الماس الصناعى لإنتاج الأسلاك الرفيعة جداً ، و عادة ما تستخدم مزلقات لتقليل الاحتكاك أثناء عمليات السحب. و تميل عملية السحب إلى جعل الأسلاك صلدة و إلى حد ما قَصِفَة و يخفَف من هذا التأثير بالتلدين.
متالورجيا المساحيق
المتخصص في متالورجيا المساحيق معنى بإنتاج و معالجة مساحيق الفلزات و عمل منتجات صناعية صلبة منها (شكل 15). تنتج الفلزات المسحوقة بعدة عمليات مثل : التحليل الكهربائى و اختزال الهيدروجين من المحاليل و اختزال الأكاسيد و التَّذْرِية (الترذيذ) و التفريز و الطحن ، و تتوفر المساحيق بأشكال مختلفة كروية و شجرية و إسفنجية و غير منتظمة و قشارة ، و توجد بعض السبائك المسحوقة التى نالت أهمية تقنية.
ففى متالورجيا المساحيق ، تكبس المساحيق على أشكال معينة ثم تسخن و تُلَّبد. و تُصنع أعداد متزايدة من الأجزاء الصغيرة مثل التروس و كراسى التحميل (المحامل) و البطانات و الصمولات و الأقفال و أجزاء المعدات الحربية بهذه الطريقة. و هى في معظم الأحيان أجدى اقتصادياً من قطع و تشغيل الأجزاء من كتل الفلزات المطاوعة أو المصبوبة. ففى كراسى التحميل المسامية المشربة بالزيت و المرشحات المسامية يتم التحكم في حجم المسام عن طريق حجم حبيبات المسحوق الكروية و يتم ذلك بأساليب ميتالورجيا المساحيق. و نجحت حديثاً عمليات درفلة مساحيق الفلزات على شكل ألواح و شرائط و نجح كذلك بثقها مباشرة في شكل أنابيب. و قد تستخدم بعض مساحيق الفلزات مثل النحاس و البرونز الذهبى كصبغات في صناعة طلاء السطوح و في الفنون التخطيطية.
المصادر
- ^ محمد برهان عطائي. "الفلزات (علم -)". الموسوعة العربية.
- F. Habashi, Metals from Ores. An Introduction to Extractive Metallurgy, Métallurgie Extractive Québec, Québec City, Canada 2003.
انظر أيضاً
معلومات اضافية