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冶金學

冶金學（英語：metallurgy）屬於材料科學，是研究從礦石中提取金屬，並用各種加工方法製成具有一定性能的金屬材料的學科。冶金學也研究金屬、金屬互化物或其混合物（稱為合金）的物理及化學特性。冶金學也是一門金屬的技術，有關金屬製造的科學，也和金屬零件的工程特性有關。金屬的製造包括從礦石中提煉金屬，以及金屬混合物（或金屬和其他元素的混合物）以製造合金。冶金學和金屬加工的工藝不同，不過金屬加工和冶金學有關，正如隨著技術的發展，醫學和醫學科學有關一樣。

格奧爾格·阿格里科拉，《論礦冶》（De re metallica）一書的作者，此著作被譽為西方冶金學的開山之作

冶金學可以分為鋼鐵冶金學（有時也稱為黑色冶金學）及非鐵金屬冶金學（有時也稱為有色金屬冶金學）。鋼鐵冶金學是有關鐵的合金及其製造，而非鐵金屬冶金學是以不含鐵的合金及其製造為主，世界上的金屬生產中，鐵、鈷、鎳及其有關合金的黑色金屬佔了95%[1]

英文字根及發音

冶金學的英文Metallurgy原來是自煉金術中的詞語，是指由礦石中提取金屬，字尾的-urgy表示是過程或製程。此詞語曾在1797年的《大英百科全書》提到過[2]，在19世紀末變為有關金屬、合金及相關製程的科學研究[2]。英文的字根來自古希臘的μεταλλουργός, metallourgós, "金屬工人"，變成μέταλλον, métallon, "金屬" + ἔργον, érgon, "加工"。在英文中，/meˈtælədʒi/的發音在英國及大英國協較普遍，/ˈmetələrdʒi/在美國比較普遍。

發展史

 
底比斯的金頭飾，約在西元前750至700年
主條目：銅石並用時代、青銅時代和鋼鐵冶金學

史前時代已能冶煉並使用青銅、銅、金、銀、鐵、鉛、錫等金屬。最早冶煉的金屬應該是在自然界以元素態存在的金，一個舊石器時代末期的西班牙洞穴時有發現少量的元素態金，時間約在西元前40,000年[3]。而銀、銅、錫及隕鐵也會以自然金屬（英語：native metel）存在，配合早期文化中的金屬加工即可使用[4]。西元前三千年埃及的武器即以隕鐵製成，當時譽為「天上來的匕首」[5] 。

像錫、鉛及銅等金屬，只要將礦石加熱即可得到其金屬（銅需要的溫度可能要再高一些），這種冶煉方式稱為熔煉（英語：smelting）。最早用熔煉方式冶煉金屬的證據是西元前五千年至六千年之間，在塞爾維亞馬伊丹佩克、Pločnik及Yarmovac的考古遺址中找到。到目前為止，最早的銅熔煉是在巴爾幹半島的Belovode[6]，發現一個西元前5500年溫查文明的銅斧[7]。其他早期熔煉金屬的文明約在西元前三千年，在葡萄牙的Palmela、西班牙的Los Millares、英國的巨石陣。不過如同其他史前的研究一様，因為仍可能有新的發現，可能還會有更早期的證據出現。

 
古中東的採礦區域，顏色：砷用棕色表示，錫用灰色表示，銅用紅色表示，鐵用紅棕色表示，金用黃色表示，銀用白色表示，鉛用黑色表示，黃色區域表示砷青銅（英語：arsenic bronze），灰色區域表示正常含錫的青銅。

上述發現的金屬都不是合金，約在西元前3500年發現銅和錫混合後會產生性能更好的青銅合金，這也是重大的技術提昇，開始了青銅時代。

鐵的冶煉要比銅或錫要困難很多，冶煉方式可能是赫梯人在西元前1200年發明的，開始了鐵器時代，鐵的冶煉及加工的秘密是非利士人成功的秘訣之一[5][8]。

許多不同的文化及文明也有煉鐵的技術，像是古代及中古時中東及近東的王國、古伊朗、古埃及、古努比亞、安那托利亞（今土耳其）、古諾克、迦太基、古歐洲的希臘及羅馬、中古時期的歐洲、中國、印度、日本等地。許多冶金學的應用、實務及工具都是古中國發明的，例如高爐、鑄鐵、水力杵錘（英語：trip hammer）以及雙作用活塞風箱[9][10]。

歐洲約西元前一千年開始製鐵。最早使用的煉鐵爐為空氣式爐或用土石堆砌的熔鐵爐（Low Shaft Furnace）、鍛鐵爐（英語：Bloomery）。將洗淨的礦石與木炭一起放入爐中點火熔煉，利用自然氣流或人力風箱供應氧氣，爐裡產生一氧化碳將鐵礦還原成鐵，所得之產品再以人力捶打除去殘渣。後來利用水車帶動風箱，氧氣供給量增加，所以爐身與爐的截面積也可以加高，可裝入更多礦石及木炭，得到更大的鐵碇，由於超過人力捶打加工的限度，也以水力取代人力。由此鍛鐵爐慢慢發展成高爐（Blast Furnace）。

隨著高爐的增加，木炭便發生短缺的現象，即開始嘗試以煤取代木炭，至十八世紀中，英國人成功將煤炭煉成焦炭，此後爐溫增加而使產量增加。蒸氣機出現後，被用來驅動鼓風機，使鼓風量增大而使爐溫上升，產量也大幅增加。

十六世紀時格奧爾格·阿格里科拉的《論礦冶》（De re metallica）描述了當時高度發展的採礦、金屬提取及冶金學等知識，被譽為「冶金學之父」[11]。

金屬提取

 
中國元朝用水車帶動的鼓風爐
 
斯洛伐克中部，赫龍河畔日亞爾的鋁工廠

提取冶金學（英語：Extractive metallurgy）是由礦石中提出有價值的金屬，且處理成純度較高的金屬。為了要從金屬的氧化物或硫化物中提取金屬，可能會用還原、電解或其他化學方式處理礦石。

提取冶金學主要關注的是冶金給料、濃縮物（有價值的金屬氧化物或硫化物）及尾礦。在開採後，大顆的礦石會粉碎為小的顆粒，每個顆粒可能是濃縮物或是廢棄的尾礦。後續再利用其他方式將顆粒中的濃縮物及尾礦分開。

若礦石及自然環境許可，可以用瀝濾法（英語：In-situ leaching）取代礦石開採。瀝濾法會將礦石中的礦物質溶解在溶液中，再收集溶液，萃取要有價值的金屬。

有時礦石中會包含一種以上的有價值金屬。因此尾礦可以再用來提出其他金屬。有時取得的濃縮物中含有多種金屬，因此需再將不同金屬成份再作分離。

合金

 
青銅的鑄造

工程常用的金屬包括鋁、鉻、銅、鐵、鎂、鎳、鈦及鋅等，這些金屬也常常用來製作合金。合金的相關研究主要是在鐵碳的合金系統，其中包括鋼及鑄鐵。一般的碳鋼適用於低成本、高強度，且不需考慮重量及腐蝕問題的應用。延性鑄鐵（英語：ductile iron）也是鐵碳合金系統的一部份。

若是需要抗腐蝕的應用，一般會使用不鏽鋼或是熱浸鍍鋅處理的鋼。若要求高比強度時，會使用鋁合金或鎂合金。

若是高腐蝕性環境，且不需要有磁性的場合，會使用銅鎳合金，例如蒙乃爾合金（英語：Monel）。鎳基的高溫合金（如鎳鉻鐵合金）會用在像渦輪增壓器、壓力容器及換熱器等需耐高溫應用中。非常高溫的應用為了使潛變減到最低，會使用單晶材料合金。

製造

在工業工程的領域中，冶金學和金屬零件的製造有關，其中包括金屬或合金選用、加工成形方式、製品表面的熱處理及表面處理等。冶金學的目的就是達成材料的許多性質之間的平衡，例如成本、重量、拉伸強度、硬度、韌性、抗蝕性、抗疲勞的特性、及在高低溫下的特性等。

為了上述目的，也需考慮零件的工作環境，例如在鹽水的環境中，很容易腐蝕黑色金屬及一些鋁合金，暴露在極低溫環境下金屬會從有延伸性變成容易脆裂，其韌性下降，因此更容易出現裂痕。在週期負載下的金屬會有金屬疲勞[12]，若是環境的應力固定，但是溫度很高，會造成金屬的潛變[13]。

金屬加工

以下是一些金屬加工的程序：

  • 金屬鑄造：將熔融的金屬倒入特定形狀的模具中再冷卻。
  • 鍛造：利用壓力使鋼坯成形。
  • 剪切成形（英語：Flow Forming）
  • 軋製：將鋼坯送進一連串間距逐漸變小的軋輪，加工為金屬片的程序。
  • 雷射熔覆（英語：Cladding (metalworking）：用可移動的雷射束（如裝在工具機的軸上）加熱金屬粉末，熔化的金屬粉末碰到基座，形成金屬池，當雷射頭移除後，可以堆疊工件，組成三維的工件。
  • 擠製：熱的可塑性金屬藉由壓力擠入模具中，在其冷卻前成形。
  • 燒結：金屬粉末先注入模具中，再在非氧化的環境下加熱，使其成形的過程。
  • 機械加工：利用車床、銑床及電鑽對固體金屬件的加工。

冷加工是指在常溫下對固體金屬件的加工，可以藉由一種稱為加工硬化（英語：work hardening）的方式提昇零件的強度加工硬化會在金屬中導入位錯，避免進一步的形變。

鑄造的方式有許多種，常用的包括翻砂鑄造、熔模鑄造（英語：investment casting）（也稱為失蠟法）、壓鑄及連續鑄造（英語：continuous casting）。

熱處理

金屬可以用熱處理的方式調整其強度、延展性、韌度、硬度或是其抗腐蝕的能力。常見的熱處理包括退火、析出硬化、淬火及回火[14]。

退火是將金屬加熱，然後再緩慢的冷卻，可以釋放金屬組織中的應力，使晶粒變大，當受到撞擊時比較不容易破裂。退火後的金屬也比較容易切削。淬火是將高碳鋼加熱後快速的冷卻，鋼的組織會形成高硬度的馬氏體，提高金屬的硬度。不過需要在鋼的硬度和韌度之間作一取捨：硬度越高時，其韌度或是抗衝擊能力就越低；韌度越高時，其硬度就越低。回火可以釋放金屬在硬化過程中產生的應力，回火會使金屬略為軟化，可以承受衝擊而不會破裂。

有時會將機械處理和熱處理合併，稱為熱機械處理（英語：Thermomechanical processing），可以得到較好的材料特性，處理上也比較有效率的。熱機械處理常用在高合金的特殊鋼、高溫合金及鈦合金中。

表面處理

電鍍是一種常見的表面處理技術，是在製品的表面包覆一薄層的其他金屬，例如金、銀、鉻或鋅等， 一方面可以增加製品的抗蝕性，也可以使外形更加美觀。

表面處理除了使用電鍍外，也可以使用熱噴塗，其製品在高溫下的性能會比電鍍要好。

微觀結構

 
金相學可觀察金屬的微觀結構

金相學是研究金屬的微觀結構及巨觀結構的學科，是由英國冶金學家亨利·克利夫頓·索爾比（英語：Henry Clifton Sorby）開創。在金相學中，待測的試樣平放並且拋光至鏡面的程度，再加入蝕刻液蝕刻，以顯露其結構。試様一般會用光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察，圖像的對比度可以提供其成份、機械性質及所作過的處理。

現在的冶金學也常利用晶體學的X射線衍射或電子衍射來識別未知的材料，並了解試様的晶體結構。量化晶體學可計算試様中存在不同相的個數，也可以計算其應變的程度。

分支學科

相關條目

參考文獻

引用

  1. ^ "Металлургия" （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）. in The Great Soviet Encyclopedia. 1979.
  2. ^ 2.0 2.1 Oxford English Dictionary, accessed 29 January 2011
  3. ^ History of Gold. Gold Digest. [2007-02-04]. （原始內容存檔於2007-04-29）. 
  4. ^ E. Photos, E. The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results (PDF). World Archaeology. 2010, 20 (3): 403 [2015-03-03]. JSTOR 124562. doi:10.1080/00438243.1989.9980081. （原始內容存檔 (PDF)於2015-12-22）. 
  5. ^ 5.0 5.1 W. Keller (1963) The Bible as History. p. 156. ISBN 978-0-340-00312-1
  6. ^ Radivojević, Miljana; Rehren, Thilo; Pernicka, Ernst; Šljivar, Dušan; Brauns, Michael; Borić, Dušan. On the origins of extractive metallurgy: New evidence from Europe. Journal of Archaeological Science. 2010, 37 (11): 2775. doi:10.1016/j.jas.2010.06.012. 
  7. ^ Neolithic Vinca was a metallurgical culture （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） Stonepages from news sources November 2007
  8. ^ B. W. Anderson (1975) The Living World of the Old Testament, p. 154, ISBN 978-0-582-48598-3
  9. ^ R. F. Tylecote (1992) A History of Metallurgy ISBN 978-0-901462-88-6
  10. ^ Robert K.G. Temple (2007). The Genius of China: 3,000 Years of Science, Discovery, and Invention (3rd edition). London: André Deutsch. pp. 44–56. ISBN 978-0-233-00202-6.
  11. ^ Karl Alfred von Zittel. History of Geology and Palaeontology. 1901: 15 [2015-03-03]. doi:10.5962/bhl.title.33301. （原始內容存檔於2016-03-04）. 
  12. ^ ARTC 財團法人車輛研究測試中心 - 客戶服務 - 知識庫 - 車輛結構的不定時炸彈--您絕對不能忽視的金屬疲勞破壞. artc.org.tw. [2015-03-03]. （原始內容存檔於2015-04-02）. 
  13. ^ 制造工程与技术原理. 清華大學出版社有限公司. 2004: 10–. ISBN 978-7-302-08120-3. 
  14. ^ Arthur Reardon (2011), Metallurgy for the Non-Metallurgist (2nd edition), ASM International, ISBN 978-1-61503-821-3

書籍

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