metalurgia

Metalurgia

Metalurgia metalak dituzten mineraletatik metalak lortzeaz eta egiteaz arduratzen den teknika da. Halaber, metalen ekoizpena aztergai eta helburu duen zientziaren izena da mineral direnetik landu diren arte. Zientzia gisa elementu metalikoen portaera fisiko eta kimikoa, konposatu intermetalikoak eta nahasteak aztertzen ditu, aleazio deritzenak. Metalurgiak metalen zientzia eta teknologia hartzen ditu bere baitan, hau da, nola aplikatzen den zientzia metalak sortzeko eta metalezko konposatuak fabrikatzaileentzat zein kontsumitzaileentzat erabiltzeko. Metalurgia ez da, hala ere, metalgintzaren parekoa. Metalgintzak metalurgia erabiltzen du medikuntzak zientzia biologikoak erabiltzen dituen bezala.
Metalurgiaren zientzia bi kategoria zabaletan banatzen da: metalurgia kimikoa eta metalurgia fisikoa. Metalurgia kimikoa batez ere metalen murrizketa eta oxidazioari eta metalen errendimendu kimikoari buruzkoa da. Metalurgia kimikoaren aztergaien artean mineralen prozesamendua, metalen erauzketa, termodinamika, elektrokimika eta degradazio kimikoa (korrosioa) daude. Kontrastean, metalurgia fisikoa metalen propietate mekanikoetan, metalen propietate fisikoetan eta metalen errendimendu fisikoan zentratzen da. Metalurgia fisikoan aztertutako gaiak hauek dira: kristalografia, karakterizazio materiala, metalurgia mekanikoa, fase-transformazioak eta akats-mekanismoak^[1][2].
Historikoki, metalurgia nagusiki metalen ekoizpenean zentratu da. Produkzio metalikoa metala ateratzeko ponpen prozesuarekin hasten da, eta aleazioak egiteko metalen nahasketa barne hartzen du. Sarritan, metalezko aleazioak gutxienez bi elementu metaliko ezberdinen nahasketa dira. Hala ere, elementu ez-metalikoak askotan aleazioei gehitzen zaizkie aplikazio baterako egokiak diren propietateak lortzeko. Metal-ekoizpenaren azterketa metalurgia ferrosoan (metalurgia beltza bezala ere ezaguna) eta metalurgia ez-ferrosoan (kolorezko metalurgia bezala ere ezaguna) banatzen da. Metalurgia ferrosoak burdinan oinarritutako prozesuak eta aleazioak barne hartzen ditu, eta metalurgia ez-ferrosoak, berriz, beste metal batzuetan oinarritutako prozesuak eta aleazioak. Metal ferrosoen ekoizpenak munduko metal ekoizpenaren % 95 kontatzen du^[3].
Metalurgiko modernoek, bai ohiko zein eremu berrietan egiten dute lan, materialen zientzia eta beste ingeniari batzuen ondoan dagoen talde diziplinarteko baten parte bezala. Eremu tradizional batzuetan mineralen prozesamendua, metal-ekoizpena, beroaren tratamendua, hausturen analisia eta metalen batuketa (soldatzea eta disolbatzea barne) daude. Metalurgikoentzako irteera-eremuak nanoteknologia, supereroaleak, konposatuak, material biomedikoak, material elektronikoak (erdieroaleak) eta gainazalen ingeniaritza dira^[4][5].
Metalurgia greziera zaharretik eratorritakoa da. Izan ere, antzinako grezierazko μεταλλουργός (metallourgós), metaleko langilea «μέταλλον», metaloi, mehea, metala» + ἔργον «lana» da. Hitza, jatorriz, metalen alkimisten mineral terminoan zegoen. Zentzu horretan eztabaidatu zen 1797ko Encyclopædia Britannican^[6]. XIX. mendearen amaieran, metalen, aleazioen eta lotutako prozesioen azterketa zientifiko orokorrera hedatu zen.
Historiaurrean, jarduera honen lehenengo aztarnak Kalkolito arokoak dira, eta aurrerago Brontze Aroan eta Burdin Aroan gizakia arlo honetan sakontzen ibili zen.
XVI. mendean "metalurgiaren aita"-tzat hartua den Georg Agricola alemaniarrak "De re metallica" liburua idatzi zuen.
Bi mende geroago Industria Iraultza delakoa abian ipini zuten Britainia Handian, eta XIX. mendeko amaieran industrialiazioa iritsi zen Euskal Herrira, metalurgia jarduera nagusien artean egon zelarik.
Kobrea izan zen gizakiak landutako lehen mineraletako bat, naturan ia puru (kobre natiboa) egoeran baitago. Urrearekin eta zilarrarekin batera, Neolitikoaren amaieratik erabili zen, eta, hasieran, jo egiten zuten xafla bat bezain laua utzi arte. Ondoren, zeramika-teknikak hobetzearen ondorioz, labean urtzen eta moldeetan husten ikasi zuten, eta, horri esker, tresna hobeak eta kantitate handiagoak egin ahal izan zituzten. Horrek Kobrearen Aroa sortu zuen (Kalkolitikoa ere deitua).
Geroago, hainbat aleaziorekin esperimentatuz, hala nola artsenikoarenarekin, kobre armatu edo arsenikoduna sortu zen, edo eztainuzkoarekin, zeinarekin brontzea sortu zen, horrek, Brontze Aroari, hasiera eman zion. Brontzea, kobrea baino gogorragoa eta zorrotzagoa, K.a. 3000. urtearen inguruan agertu zen.
Urre natural kopuru txikiak aurkitu izan dira Paleolito berantiarreko Espainiako kobazuloetan, K.a. 40.000. urtean^[7]. Zilarra, kobrea, eztainua eta burdina meteorikoa ere jatorrizko eran aurki daitezke, eta horrek, kultura goiztiarretan, metalen lan kopuru mugatua ahalbidetzen du^[8]. Burdin meteorikoz egindako egiptoar armak, K.a. 3000. inguruan, oso preziatuak ziren zeruko arma gisa^[9]. Zenbait metal, bereziki eztainua, beruna eta, tenperatura altuagoan, kobrea bere mineraletatik berreskura daiteke harriak su batean edo labe garai batean berotuz, galdaketa bezala ezagutzen den prozesuaren ondorioz. Erauzketa-metalurgia horren lehen ebidentzia, Kristo aurreko bosgarren eta seigarren milurtekoena^[10], gaur egungo Serbiako Majdanpek, Jarmovac, Pribojetik gertu dauden leku arkeologikoetan aurkitu da. Orain arte, kobre-galdaketaren ebidentziarik goiztiarrena Belovode gunean dago, Plocnik inguruan^[11]. Leku horretan, K.a. 5500eko kobrezko aizkora bat aurkitu zen Vinča kulturarena^[12]. Berunaren erabilera goiztiarrena Irakeko Yarim Tepe Neolitiko berantiarreko asentamenduan dago dokumentatuta:
Kobrearen galdaketa ere gutxi gorabehera denbora-tarte berean dago dokumentatua leku horretan (K.a. 6000.etik gutxira), baina berunaren erabilera kobrearen galdaketaren aurrekoa dela dirudi. Metalurgia goiztiarra Tell Maghzaliyah inguruan ere dokumentatuta dago, non lehenago ere datatua dagoela dirudien, eta zeramika hori erabat falta da. Balkanak neolitoko kultura nagusien gunea izan zen, Butmir, Vinča, Varna, Karanovo eta Hamangia barne.
Varna nekropolia, Bulgaria, Varna mendebaldeko industria-eremuko ehorzketa gunea da (hirigunetik 4 km inguru); nazioartean, munduko historiaurreko gune arkeologiko garrantzitsuenetako bat da. Munduko urrezko altxorrik zaharrena, K.a. 4.600 eta 4.200 urteen artekoa bertan aurkitu zen^[15]. Durankulak-en, Varna ondoan, duela gutxi aurkitu zen 4.500 urte bitarteko urrezko pieza ere beste adibide garrantzitsu bat da^[16][17]. Metal goiztiarren beste seinaleak K.a. hirugarren milurtekoaren artean aurkitzen dira: Palmelan (Portugal), Los Millaresen (Espainia), eta Stonehengen (Erresuma Batua). Hala ere, azken aurkikuntzak ezin dira argi eta garbi egiaztatu, eta aurkikuntza berriak etengabeak dira.
Ekialde hurbilean, K.a. 3.500 inguru, kobrea eta eztainua konbinatuz, goi mailako metala egin zitekeela aurkitu zen, brontzea deitu zen aleazioa. Horrek Brontze Aroa izenarekin ezagutzen den aldaketa teknologiko garrantzitsua irudikatu zuen.
Burdina bere mineraletik metalaren erauzketa kobrearena edo eztainuarena baino zailagoa da. Prozesua, K.a. 1200 inguruan, hititek asmatu zutela dirudi, Burdin Aroari hasiera emanez. Burdina ateratzeko eta lan egiteko sekretua funtsezko faktorea izan zen filistiarren arrakastarako^[18][19]
Burdinazko metalurgian, garapen historikoak iraganeko kulturak eta zibilizazio ugaritan aurki daitezke. Barne hartzen dituzte: Ekialde Hurbileko Erdi Aroko erresumak eta inperioak; antzinako Iran, Egipto, Nubia eta Anatolia (Turkia); antzinako Nok eta Kartago; antzinako Europako greziar eta erromatarrak; Erdi Aroko Europa; antzinako eta Erdi Aroko Txina, India, eta Japonia, besteak beste. Antzinako Txinan zeuden aplikazio, praktika eta gailu asko ezarri ziren, hala nola labegaraiaren berrikuntza, burdinurtua, mailu hidraulikoak, pistoi bikoitzeko hauspoak^[4][5].
De re metallica izeneko Georg Agricolaren XVI. mendeko liburuak garai hartako meatzaritza, metalak erauzteko eta metalurgiaren prozesu oso garatu eta konplexuak deskribatzen ditu. Agricola metalurgiaren aita gisa hartua izan da^[20].
Euskal Herrian, doi-doi ezagutzen da metalurgiari buruzko langintzarik Brontze Aroan, aizkorak galdatzeko harrizko molde bat baino ez baita agertu, Mugakosoron, Basaburua (Nafarroa), ez eta ez dira ezagutzen kobrea erauzteko lekuak ere. Baina, La Hoyako aztarnategian (Biasteri (Araba) Brontze Aro berantiarrekoa eta Burdin Aro hasierakoa), zenbait tresna aurkitu dira (gezi puntak)^[21].
Erdi Aroan, Euskal Herrian Mendiko burdinolak deituriko lantegiak erabili zituzten mea eraldatzeko. Burdinola horiek mendi inguruetan eraikitzen zituzten egurra behar baitzuten sutarako, eta basoak hurbil izateak erraztasuna ematen zien. Zenbait tokitan aurkitu izan dira zepategiak, zepa-zaborrak, alegia. Geroago, XI. eta XII. mendeetan zehar Europan garatutako metodo hidraulikoa Euskal Herrian ere erabiltzen hasi ziren. Segurako (Gipuzkoa) 1355eko ordenantza batzuetan jada aipatzen baita^[22].
Teofilo Guiard Larraurik bere Historia del Consulado y Casa de Contratación de Bilbao y del Comerio de la Villa liburuan zioen Bilbok lantzen eta negoziatzen zituela burdina eta altzairuzko tresna guztiak, eta horixe zela Bilbori aberastasuna ematen ziona. «Bilbo burdinaren gainean sortu zen» zioen. 1553an, Errege bidearen deklarazio agiriak dio Gaztelan inportatzen zirela, eta Bizkaitik soilik, 28.000 kintal burdina eta 6.000 kintal altzairu baino gehiago, ikaragarrizko kantitatea, eta, horrez gainera, Portugaleteko kaitik 500.000 kintal zepa. Garai hartan, 200.000 kintal burdina eta altzairu baino gehiago ekoizten zen Bizkaiko Jaurerrian, eta 300 burdinola baino gehiago omen ziren. Dena den, badirudi mendearen bukaeran erruz jaitsi zela burdinaren negozioa kortsarioen jazarpenaren ondorioz^[23].
Erauzketa metalurgia mineral batetik metal baliotsuak kendu eta ateratako metal gordinak modu garbiagoan fintzea da. Metal-oxidoa edo sulfuroa metal garbiago bihurtzeko, minerala fisikoki, kimikoki edo elektrolitikoki murriztu behar da. Erauzketa metalurgikoei lehen mailako hiru korronte interesatzen zaizkie: elikadura, kontzentratua (oxido metalikoa/sulfuroa) eta josturak (hondakinak).
Erauzketa metalurgia mineral batetik metal baliotsuak kendu eta ateratako metal gordinak modu garbiagoan fintzea da. Metal-oxidoa edo sulfuroa metal garbiago bihurtzeko, minerala fisikoki, kimikoki edo elektrolitikoki murriztu behar da. Erauzketa metalurgikoei lehen mailako hiru korronte interesatzen zaizkie: pentsua, kontzentratua (oxido metalikoa/sulfuroa) eta zaborrak (hondakinak).
Meatzaritzaren ondoren, partikulak behar bezain txikiak izan daitezen, mineralaren elikaduraren zati handiak apurtu egiten dira birrintzearen edo ehotzearen bidez, non partikula bakoitza batez ere baliotsua edo hondakina den. Balio-partikulak bereizte euskarri batean kontzentratzeak aukera ematen du nahi den metala hondakin-produktuetatik kentzeko.
Meatzaritza ez da beharrezkoa izango mineralaren gorputza eta ingurune fisikoa lixibiatuak izateko aproposak badira. Lixibiatuak mineralak mineralen gorputz batean disolbatzen ditu, eta soluzio aberastu bat lortzen du. Soluzioa bildu, eta prozesatzen da metal baliotsuak ateratzeko. Mineralen gorputzek metal baliotsu bat baino gehiago izaten dute.
Aurreko prozesu baten zaborrak beste prozesu batean erabil daitezke elikagai gisa jatorrizko mineraletik bigarren produktu bat ateratzeko. Gainera, kontzentratuak metal baliotsu bat baino gehiago izan dezake. Kontzentratu hori prozesatu egingo litzateke metal baliotsuak banakotan banatzeko.
Ahalegin handia egin da burdina eta karbono aleazioen sistema ulertzeko, altzairuak eta burdinurtuak barne. Karbonozko altzairu lauak (funtsean karbonoa bakarrik dutenak elementu aleatzaile gisa) kostu txikiko eta indar handiko aplikazioetan erabiltzen dira, non, ez pisuak, ez korrosioak ez duten garrantzi handirik. Burdinurtuak ere, burdin harikorra barne, burdinaren karbono-sistemaren parte dira. Burdina-Manganeso-Kromo aleazioak (Hadfield motako altzairuak) magnetikoak ez diren aplikazioetan ere erabiltzen dira, hala nola direkzio-zulaketan.
Ingeniaritzako beste metal komun batzuk dira: aluminioa, kromoa, kobrea, magnesioa, nikela, titanioa, zinka eta silizioa. Metal horiek aleazio gisa erabiltzen dira gehienetan, silizioaren salbuespenarekin, ez baita metala.
Produkzio ingeniaritzan, metalurgia osagai metalikoen ekoizpenaz arduratzen da kontsumo edo ingeniaritza produktuetan erabiltzeko. Horrek esan nahi du: aleazioak sortzea, forma ematea, tratamendu termikoa eta produktuaren gainazaleko tratamendua. Metalurgilearen zeregina propietate materialen arteko oreka lortzea da, hala nola kostuaren, pisuaren, indarraren, gogortasunaren, jasangarritasunaren, korrosioaren, nekearen aurkako erresistentziaren eta tenperaturaren muturreko errendimenduaren artean. Helburu hori lortzeko, kontuan hartu behar da ingurune operatiboa.
Rockwell, Vickers eta Brinellen gogortasun-eskalak erabiliz, metalaren gogortasuna zehaztea ohiko praktika da, aplikazio eta produkzio-prozesu desberdinetarako metalaren elastikotasuna eta plastikotasuna hobeto ulertzen laguntzen baitu^[24]. Ingurune gazi batean, metal ferroso gehienak eta aleazio ez-ferroso batzuk azkar herdoiltzen dira. Egoera hotzean edo kriogenikoan dauden metalek trantsizio hauskor bat jasan dezakete, eta gogortasuna galdu hauskorrago bihurtuz eta pitzatzeko joera hartuz. Metalek, karga zikliko etengabean, metal nekea jasan dezakete. Tentsio etengabean dauden metalak, tenperatura altuetan, harrotu egin daitezke.
Hotzean lan egiteko prozesuek, non produktuaren forma aldatzen den errodadura, fabrikazio edo beste prozesu batzuen bidez produktua hotza den bitartean, produktuaren indarra areagotu dezakete lana gogortzea deritzon prozesu baten bidez. Gogortze lanak akats mikroskopikoak sortzen ditu metalean, eta forma aldaketa gehiago onar dezakete.
Metalak berotu egin daitezke indarraren, harikortasunaren, gogortasunaren eta korrosioaren aurkako erresistentziaren propietateak aldatzeko. Tratamendu termikoko prozesu arrunten artean, hauek daude: annealizazioa, prezipitazioa indartzea, itzaltzea eta epeltzea^[26].
Askotan, tratamendu mekanikoak eta termikoak tratamendu termomekanikoetan konbinatzen dira propietate hobeak eta materialen prozesamendu eraginkorragoa lortzeko. Prozesu horiek ohikoak dira aleazio altuko altzairu berezietan, superaleazioetan eta titaniozko aleazioetan.
Elektroestaldura edo galbanoplastia tratamendu kimikoko teknika da. Urrea, zilarra, kromoa edo zinka bezalako beste metal baten geruza mehe bat produktuaren azalari lotzea da. Hori egiteko, material estaltzailearen elektrolito soluzioa hautatzen da, hau da, lana estaliko duen materiala (urrea, zilarra, zinka...). Material desberdineko bi elektrodo egon behar dute: bata estaltzailearena eta bestea estalitakoarena. Bi elektrodoak elektrikoki kargatzen dira, eta estaldurako materiala lanari itsasten zaio. Korrosioa murrizteko erabiltzen da, baita produktuaren itxura estetikoa hobetzeko ere. Metal merkeak garestien (urrea, zilarra) itxura hartzeko ere erabiltzen da^[25].
Granailaketa metalezko piezak amaitzeko erabiltzen den hotz-prozesu bat da. Granailatze-prozesuan, grano borobil txikia lehertzen da akaberako piezaren gainazalean. Prozesu hori piezaren produktuaren bizitza luzatzeko, estresaren korrosioaren akatsak eta nekea saihesteko erabiltzen da. Jaurtiketak zulo txikiak uzten ditu gainazalean, mailu batek egiten duen bezala, eta horrek konpresio-esfortzua eragiten du zuloaren azpian. Injekzio-baliabideek materiala behin eta berriz kolpatzen duten heinean, gainjarritako zulo asko sortzen ditu tratatzen den pieza osoan. Materialaren gainazaleko konpresio-esfortzuak pieza sendotzen du, eta neke-porrotari, tentsio-hutsegiteari, korrosio-hutsegiteari eta pitzadurari aurre egiten dio^[30].
Proiekzio termikoko teknikak akaberako beste aukera ezagunak dira, eta, askotan, propietate hobeak dituzte tenperatura altuan elektroestalduran baino. Ihinztadura termikoa, esprai bidezko soldadura prozesua bezala ere ezaguna^[31], estaldura industrialeko prozesua da (bero-iturri bat (sugarra edo beste bat) eta hauts edo alanbre eran egon daitekeen estaldura-material bat dituena) eta, ondoren, abiadura handian tratatzen den materialaren gainazalean urtzen dena. HVOF (High Velocity Oxygen Fuel) izenez ezagutzen da: plasma-spray, su-spray, arku-spray eta metalizazio.
Elektrizitaterik gabeko deposizioa prozesu autokatalitikoa da, zeinaren bidez metalak eta aleazio metalikoak gainazal ez-eroaleetan metatzen diren. Gainazal ez-eroale horietan, plastikoak, zeramika eta beira sartzen dira, eta, gero, apaingarri, korrosioaren aurkako eta eroale bihur daitezke, azken funtzioen arabera. Deposizio elektrolitikoa prozesu kimiko bat da, hainbat materialetan estaldura metalikoak sortzen dituena bainu likido batean katioi metalikoen erredukzio kimiko autokatalitikoaren bidez.
Henry Clifton Sorby-k asmatutako teknikaz, metalurgileek metalen egitura mikroskopikoa eta makroskopikoa aztertzen dute metalografia erabiliz.
Metalografian, aleazio interesgarri bat eho, eta ispiluaren akaberaraino leuntzen da. Lagina grabatu daiteke metalaren mikroegitura eta makroegitura erakusteko. Ondoren, lagina mikroskopio optiko edo elektroniko batean aztertzen da, eta irudien kontrasteak konposizioari, propietate mekanikoei eta prozesamenduaren historiari buruzko xehetasunak ematen ditu.
Kristalografia metalurgile modernoaren beste tresna baliotsu bat da, askotan X izpien edo elektroien difrakzioa erabiliz. Kristalografiak material ezezagunak identifikatzeko aukera ematen du, eta laginaren kristalezko egitura agerian uzten du. Kristalografia kuantitatiboa dauden faseen kopurua kalkulatzeko erabil daiteke, baita lagin batek jasan duen tentsio-maila kalkulatzeko ere.

Wikipediarekin konexio arazoren bat gertatu da: