|₪|~◄( التعدين metallurgy )►~|₪|

|₪|~◄( التعدين metallurgy )►~|₪|

التعدين metallurgy علم يبحث في طرائق استخلاص المعادن من فلزاتها أو خاماتها، وبدراسة خواصها، والعوامل التي تؤثر فيها، واختيار المعدن أو الخليطة الملائمة لكل غرض من الأغراض الصناعية والتحكم في خواصها والوصول بها عن طريق المعالجات الميكانيكية أو الحرارية إلى الخصائص الملائمة للاستخدام في المجالات الصناعية. وقد انبثق عن علم التعدين فروع أخرى منها التعدين الفيزيائي.

من المعروف أن الإنسان بدأ يصنع أدواته من الأحجار وغيرها من الأشياء التي يعثر عليها في الطبيعة في العصر الذي أطلق عليه اسم العصر الحجري. ولم يعرف استخدام المعادن والفلزات المعدنية إلا منذ خمسة آلاف سنة قبل الميلاد فاستخدمها الإنسان في صناعة الحلي والأدوات المختلفة، وكان للذهب الحظ الأوفر في هذا المجال، لسهولة استخراجه ومعالجته، وتبعه اكتشاف النحاس والفضة. ويعد اكتشاف القصدير في الصين، قبل أربعة آلاف سنة من الميلاد تقريباً، نقطة تحول عظيمة في حياة البشر، إذ أمكن للصينيين وقدماء المصريين سكبه مع النحاس لصنع البرونز وسمي ذلك العصر بالعصر البرونزي الذي سبق العصر الحديدي بأكثر من ألفي سنة. وقد تم اكتشاف الحديد في مصر قبل نحو 1500 سنة من الميلاد وعرفته أواسط أوربة واليونان في القرن الخامس قبل الميلاد. غير أن مجالات استعمال المعادن بأنواعها ظلت محدودة حتى بداية عصر الثورة الصناعية في القرن الثامن عشر، وقد تم في هذه الحقبة اكتشاف الكثير من فلزات المعادن واستخلاصها مثل الكوبالت والنيكل والمنغنيز والتنغستن والكروم والمغنزيوم وغيرها.

من النادر أن توجد المعادن في باطن الأرض نقية خالصة، وإنما تكون في معظمها مركبات كيمياوية على صورة أكاسيد أو كبريتات، قد يسهل استخلاص بعض هذه المعادن من مركباتها ويحتاج بعضها الآخر إلى عمليات معقدة قد يستغنى عنها لعدم جدواها الاقتصادية.

هناك طرائق متعددة لاستخلاص المعادن الخالصة أو شبه النقية أهمها:
1ـ استخلاص المعادن من أكاسيدها، باستخدام مواد أخرى أكثر شراهة للاتحاد بالأكسجين من المعدن المطلوب تنقيته، واستخلاص المعادن من المركبات الكبريتية، بتحويلها أولاً إلى أكاسيد، بتسخينها في تيار من الهواء ثم تخليصها من الأكسجين، وأكثر المواد المستخدمة في هذا الصدد هو الكربون، كما هي الحال في استخلاص الحديد في الفرن العالي [ر.الحديد].
2ـ استخلاص المعادن بطريقة الترسيب الكهربائي أو بطرائق التحليل الكهربائي لمصهور أملاح المعدن أو لمحلولها بإمرار تيار كهربائي مستمر في السائل فيترسب المعدن على المهبط، ومثال على ذلك ترسيب النحاس والزنك من محاليل أملاحهما وترسيب الألمنيوم والمنغنزيوم من مصهور أملاحهما.

التعدين الفيزيائي physical metallurgy: من المعلوم أن ذرات المعدن تترابط فيما بينها ضمن نظام معين محاولة الاقتراب من حالة التوازن لتشكل المادة بإحدى الحالات الصلبة أو السائلة أو الغازية. ويكون الارتباط بين الذرات بأشكال متعددة كالارتباط الشاردي (الأيوني) والارتباط الجزيئي والارتباط المشترك والارتباط المعدني في المعادن، إذ يحوي المدار الخارجي لذرات المعادن إلكتروناً واحداً أو إلكترونين أو ثلاثة إلكترونات. ويكون ارتباط هذه الإلكترونات بالذرة ضعيفاً، وعند تجمع عدد من الذرات فإن مجموع الإلكترونات الموجودة في المدارات الخارجية تصبح تابعة لجميع الذرات وتدور حولها مجتمعة من دون أن تفارقها، وينجم عن ذلك عدد من الإلكترونات الحرة تعرف بالضباب الإلكتروني الذي يكسب المعدن خواصه الفيزيائية مثل ناقلية الحرارة والكهرباء التي تعتمد على حركة هذه الإلكترونات.
عند انتقال المادة من الحالة السائلة إلى الصلبة تتوزع ذراتها من جديد. فإما أن يكون هذا التوزع عشوائيا وتسمى هذه الحالة بالتجمد عديم الشكل amorphous كما في المطاط. أو يكون توزع الذرات هندسياً منتظماً بأبعاد ثابتة وهي الحالة البلورية crystal state كما في المعادن. وتأخذ البلورات تبعاً لذلك أشكالاً مختلفة ومحددة [ر. البلورات (علم ـ)]، وكل ذرة تتوضع في مكان محدد لها تتحرك بحركة اهتزازية، الأمر الذي يفسر الكثير من الظواهر الفيزيائية للمعدن كالانتشار diffusion وانتقال الذرات وانصهار المعدن.
إن لشكل البلورات تأثيراً كبيراً على خواص المعدن الميكانيكية والفيزيائية. يمكن للمعادن الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، أي التبلور أو بالعكس أي الانصهار تبعاً لتغير درجات الحرارة، وتدعى هذه الظاهرة بالتحول الطوري phase transformation، إضافة إلى ذلك فإن تغير درجات الحرارة في الحالة الصلبة يمكن أن يحدث تحولات في بنية المعدن وفي هياكله الشبكية وتركيبه الكيمياوي ويؤدي إلى حصول تبدل في خواصه الميكانيكية والفيزيائية، وتدعى هذه الظاهرة بالتحولات التغايرية allotropic transformation (التحولات التآصلية). إن مجمل التحولات التآصلية قابلة للانعكاس، وتتم في درجات حرارة ثابتة للمعادن النقية، وضمن مجال حراري معين للخلائط المعدنية. ولهذه الظاهرة أهمية كبيرة في الحياة العملية وبالتحكم في خواص المعدن.

تخضع عمليات التحولات الطورية والتآصلية لقوانين التحريك الحراري thermodynamic، إذ تحدث التحولات تلقائياً باتجاه القدرة الحرة الأقل أي تحاول المجموعة الانتقال دائماً باتجاه إنقاص قدرتها الحرة. أما في حال التحول الطوري فيكون الطوران المتحول والناتج جنباً إلى جنب، وتتشكل جزيئات صغيرة من طور جديد تدعى بذور التبلور، تأخذ فيما بعد بالنمو في المعادن على هيئة تغصّن dendrite يشبه في تشعبه أوراق الصنوبر (الشكل-1) وتستمر في نموها حتى تلتقي كل البلورات بعضها مع بعض.
نادراً ما تستخدم المعادن نقية والغالب أن تستخدم في إشابات معدنية تتألف من معدنين أو أكثر، فتكتسب بذلك خواص جديدة أفضل من خواص كل معدن من المعادن التي تتألف منها، إضافة إلى ذلك يمكن تخفيض تكاليف الإنتاج بمزج المعادن الثمينة بالأرخص ثمناً. أما أكثر طرائق خلط المعادن وتشكيل الخلائط المعدنية فهو صهرها ومزجها في الحالة السائلة، ثم تبريدها. ويلاحظ هنا أن لدرجات الحرارة ونسبة العناصر المكونة للخليطة (السبيكة) دوراً مهماً في منح هذه الخلائط خواصها، وتتشكل ما يسمى مخططات التوازن. إذ تساعد هذه المخططات في معرفة التأثيرات الحرارية على الخلائط وتحديد لحظات ظهور أطوار جديدة، كما يمكن معرفة نسب الأطوار وتحديد تركيزها في كل نقطة، ومعرفة التحولات والتفاعلات التي تحصل عند كل درجة حرارة معينة، ويمكن تقدير نسب العناصر الداخلة في تركيب الخليطة بالدراسة المجهرية من دون الحاجة إلى تحليلها كيمياوياً.

تتناول الدراسات الخلائط المعدنية المكونة من عنصرين معدنيين وأحياناً من ثلاثة عناصر. فعند خلط معدنين فإنهما غالباً ما يكونان قابلين للذوبان معاً ويمتزجان جيداً في حالة الانصهار، غير أنه قد تصادف عدة احتمالات بعد تجمدهما بدءاً من عدم قابلية ذوبانهما وعدم تشكل أي مركب كيمياوي منهما ويكون الناتج مزيجاً ميكانيكياً صرفاً ومثال ذلك القصدير والبزموت أو الرصاص والأنتموان .

كذلك يمكن للمعدنين أن يذوب أحدهما بالآخر ذوباناً كاملاً في الحالة الصلبة، وأن يتشكل منهما محلول صلب تبين دراسة بنيته المجهرية أنها بلورات متجانسة كالمعدن النقي. ويمكن للمحاليل الصلبة أن تكون تبادلية أو تداخلية. ويمكن أن يكون ذوبان المعدنين معاً في الحالة الصلبة محدوداً أو يتشكل المحلول الصلب جزئياً، إضافة إلى التحول اليوتكتيكي eutectic transformation .

ويمكن كذلك لمعدنين اثنين أن يتحدا معاً لتشكيل مركب كيمياوي أو مركب معدني. ويمكن في أحيان أخرى للمركبات الكيمياوية أو المعدنية المتشكلة أن تذيب أحد عناصر الخليطة أو تذوب هي فيه ويتشكل محلول صلب.

ويبين أن للنقطة e والتي تدعى نقطة اليوتكتيك eutectic point ميزة خاصة، فهي النقطة الوحيدة التي تقع على خط الانصهار aeb وعلى خط التجمد ced في الوقت نفسه، إذ يتحول الطور السائل في هذه النقطة مباشرة إلى طورين صلبين من دون أن يسبق هذا التحول انفصال بلورات أي عنصر من عنصري المعدنين.

التعدين باستخدام المساحيق (الأذرة) powder metallurgy: وهي طريقة للحصول على قطع مصنعة أو نصف مصنعة من مساحيق معدنية أو خلائط هذه المساحيق من دون اللجوء إلى عمليات الصهر والسكب[ر الأذرة المعدنية].

التآكل الكيمياوي corrosion and chemical degradation
إن تآكل المعادن هو تخريب سطح المعدن بفعل العوامل الكيمياوية والفيزيائية الموجودة في الوسط. تواجه الصناعة حالات كثيرة تحدث فيها عمليات أكسدة وإرجاع على سطح المعدن في وقت واحد مما يسب تآكلاً في سطح المعدن. فإذا غمست على سبيل المثال قطعة من التوتياء في حمض كلور الماء أو حمض الكبريت الممدد فإن المعدن يبدأ بالتآكل منتجاً الملح ويحدثُ على سطحه إرجاع الهيدروجين.

كذلك فإن المعادن والخلائط المعدنية تكون غير مستقرة من الناحية الترموديناميكية حيث يرافق تحول المعدن إلى حالة التشرد انخفاض في القدرة الحرة في الأجواء الطبيعية فتحدث عملية التآكل طبيعياً من دون تأثيرات خارجية. تحدث عملية التآكل الكهربائي ـ الكيمياوي نتيجة تماس سطح المعدن للمحلول الإلكتروليتي electrolytic، أي المحلول القابل للتحليل كهربائياً، يرافقه مرور تيار تآكلي كهربائي من منطقة المصعد (القطب الموجب) إلى منطقة المهبط (القطب السالب) ويقوم المحلول الإلكتروليتي بدور وسط التفاعل التآكلي، ويظهر في هذه الجملة فرق كمون بين المناطق السالبة القطبية والمناطق الموجبة القطبية.

يجب أن توضع بالحسبان عوامل كثيرة تساعد على حدوث التآكل الكيمياوي إضافة إلى تأثير البيئة المحيطة بالمعدن، ويلاحظ ان لسوء التصميم تأثيراً في كثير من الحالات التي يحدث فيها التآكل، ومن ذلك مثلاً وصل معدنين أو خليطتين مختلفتي التركيب بوساطة براغي أو برشامات في بيئة ملائمة. وكذلك لجودة السطح المعدني ونوعيته تأثير مباشر في حدوث التآكل، فالسطح الأملس الناعم أقل تعرضاً للتآكل من السطح الخشن الذي يعد وسطاً لتراكم الغبار والأوساخ التي تمتص الرطوبة وتساعد في عملية التآكل.

يمكن حماية المعادن من التآكل على النحو الآتي:
1ـ بمعالجة الوسط المسبب للتآكل بتخفيض فعاليته وأهم الطرائق المتبعة هنا:
ـ تخليصه من العناصر الفعالة ومثال ذلك التخلص من الأوكسجين وثاني أوكسيد الكربون من مياه المراجل البخارية.
ـ إضافة مثبطات التآكل وهي مواد غير عضوية تقلل من التآكل عند المصعد أو عند المهبط، أو مواد عضوية مثل الجيلاتين والديكسترين تعزل سطح المعدن عن الوسط المسبب للتآكل.
2ـ بمعالجة السطوح وتغطيتها وأهم الطرائق المتبعة في هذا المجال:
أ ـ الغلفنة: أي تلبيس السطح بقشرة مغلفنة وذلك بترسيب الكاتيونات المعدنية من المحلول الإلكتروليتي على سطح المعدن المراد طليه بتمرير تيار مستمر فيه ليكون المعدن المراد تلبيسه مهبطاً، وتكون صفائح المعدن المراد الطلي بها مصعداً، والمثال على ذلك التلبيس بالكروم والنيكل.
ب ـ التلبيس الحارّ: ويتضمن تغطيس القطع المعدنية في أحواض مليئة بمعدن مصهور يصلح لإلباس السطح المطلوب. ومثال ذلك تغطية أنابيب الفولاذ بالتوتياء (الزنك) لمقاومة تآكلها في الماء، أو تغطية الفولاذ بالقصدير في تعليب الأغذية.
جـ ـ أكسدة السطوح: بإنشاء طبقة من أكسيد المعدن على سطحه فتتشكل طبقة مقاومة لكثير من التآكلات.

وهناك طريقتان لأكسدة السطوح:
ـ الأكسدة القلوية في محاليل مائية مؤلفة من ماءات الصوديوم NaOH أساساً مضافاً إليها نترات الصوديوم NaNO3 ونتريت الصوديوم NaNO2 تغطس فيها القطع الفولاذية والمحلول في حالة غليان فتتشكل على السطح طبقة كتيمة من أكسيد الحديد المغنطيسي Fe3O4.
ـ الأكسدة الحمضية وتتم في محلول يحوي نترات الباريوم BaNO3 وحمض الفسفور في درجة حرارة قريبة من درجة حرارة الغليان فتتشكل طبقة مقاومة من أكسيد الحديد.

المعالجة الحرارية للمعادن والخلائط المعدنية
تعد المعالجات الحرارية من العمليات الأساسية في التعدين، ويجب إجراء هذه المعالجات في المرحلة الأخيرة من عمليات تصنيع القطع المعدنية وأجزاء الآلات لتصبح بعد ذلك جاهزة للاستخدام. وتؤدي المعالجات الحرارية إلى إحداث تغيرات دائمة في البنية الداخلية للمعادن والخلائط المعدنية، ومن ثم التحكم في خواصها الميكانيكية والفيزيائية.

يمكن توضيح تقانة المعالجة الحرارية عموماً بأنها تسخين القطعة المعدنية إلى درجة حرارة معينة وإبقاؤها في هذه الدرجة من الحرارة مدة زمنية محددة ثم تبريدها من جديد إلى درجة حرارة الجو العادية بسرعة محددة أيضاً، ذلك أن العوامل الأساسية التي تعتمد عليها المعالجات الحرارية هي درجة الحرارة والزمن ، وتتعلق هذه العوامل بنوعية المعالجة الحرارية المطلوب إنجازها وبنية المعدن ووضعها قبل المعالجة وتركيبها الكيماوي وغير ذلك.

ويمكن تقسيم كل المعالجات الحرارية إلى أربع مجموعات أساسية هي:
1ـ المعالجات الحرارية التي تهدف إلى الوصول بالبنية من الوضع شبه المستقر (المتوازن) metastable state إلى الوضع المتوازن stable وذلك بتنشيط حركة الذرات عن طريق التسخين ورفع درجة الحرارة. إن الوضع غير المتوازن يتصف بازدياد القدرة الحرة للبنية الداخلية للمعدن، ويتكون نتيجة لتعرض القطع المعدنية لعمليات التشكيل على البارد، أو بسبب التبريد السريع الذي يؤدي إلى تشكيل إجهادات حرارية، وكذلك يحدث هذا الوضع نتيجة لعمليات الانتشار غير المتوازنة التي تحدث في أثناء تجمد المعدن مثل نشوء محاليل صلبة فوق حد الإشباع أو غير ذلك.

وأهم المعالجات الحرارية التابعة لهذه المجموعة هي:
ـ عمليات التلدين التي تتم من دون حدوث تحولات طورية، فلا تصل درجة حرارة التسخين إلى درجة الحرارة التي تؤدي إلى حدوث التحول الطوري، مثال ذلك إعادة التبلور recrystallisation أو إزالة الإجهادات أو التطرية.
ـ المعالجات الحرارية التي تترافق بحدوث تحولات طورية، مثل الإحماء التجانسي homogenization الذي يهدف إلى توزيع المركبات الكيمياوية وعناصر الإشابة بشكل متجانس، وذلك برفع درجات الحرارة إلى قيمة أخفض من خط التجمد بقليل. وينتمي إلى هذه المجموعة من المعالجات الحرارية أيضاً التنسيق normalization.
ـ الإرجاع tempering ويتم تطبيقه على المحاليل الصلبة الناتجة عن عمليات التبريد السريع من درجات الحرارة العالية.
2ـ طرائق المعالجات الحرارية التي تهدف إلى الوصول بالبنية التي يحدث عندها تحول طوري أو تغير في قابلية الذوبان عند رفع درجات الحرارة إلى وضع غير مستقر، ومن ثم تبريد سريع من هذه الدرجات المرتفعة. ينتمي إلى هذه المجموعة كل أنواع السقاية (التقسية) quenching، والتقسية السطحية وطرائقها. وبعد عملية السقاية تجري عادة عملية الإرجاع أو التعتيق.
3ـ طرائق المعالجات الحرارية التي تحدث فيها تغيرات في التركيب الكيمياوي لسطح المعدن وتدعى المعالجات الكيمياوية ـ الحرارية، إذ يتم إضافة إلى رفع درجات الحرارة، إشباع سطح المعدن بذرات العناصر التي يكون انحلالها في الشروط العادية أكبر من تركيزها في الوضع الراهن للمعدن.
4ـ مجموعة طرائق المعالجات الخاصة، وهي تشتمل على المعالجات الميكانيكية ـ الحرارية، إذ إن البنية النهائية وخواص المعدن تتعلق بتأثير المعالجة الحرارية وبالتشوه اللدن المطبقين في أثناء المعالجة.

فحص المعادن واختباراتها
الهدف من اختبار المعادن هو معرفة خواصها الميكانيكية والفيزيائية وبنيتها الداخلية وتركيبها الكيمياوي، وكذلك كشف العيوب الموجودة فيها، وبناءً على ذلك يمكن اختيار المعدن الملائم عند تصميم الإنشاءات المعدنية وأجزاء الآلات [ر. اختبار المواد].