الفرق بين المعادن والسبائك

شرح مفصل لعملية إنتاج المعادن

إنتاج المواد المعدنية ينطوي على خطوات متعددة من استخراج الخام إلى المنتج النهائي. تدفق عملية المعادن المختلفة (مثل الحديد والألومنيوم والنحاس والصلب المقاوم للصدأ) مختلف,ولكن الروابط الأساسية متشابهة. ما يلي هو عملية الإنتاج الصناعي من المعادن النموذجية:
1التعدين وتجهيز الخام
(1) تعدين الخام
- خام الحديد (الهيماتيت Fe2O3، المغناطيت Fe3O4)
- البوكسيت (Al2O3)
- خام النحاس (خالكوبيريت CuFeS2)
الطريقة: التعدين في المجال المفتوح أو المناجم تحت الأرض.
(2) صناعة المعدن
- تحطيم و طحن: تحطيم الخام إلى جزيئات دقيقة.
- التطفيل/الإنفصال المغناطيسي: فصل المعادن من الشوائب (مثل استخدام منفصل مغناطيسي لاستخراج تركيز الحديد).
- التركيز: الحصول على المعادن عالية النقاء (مثل تركيز الحديد الذي يحتوي على أكثر من 60٪ من الحديد).
2صهر (استخراج المعادن)
(1) المعدن الحجري (التخفيض في درجة حرارة عالية)
المعادن المطبقة: الحديد، النحاس، الرصاص، الزنك، الخ
- صناعة الحديد بالفرن العالي:
- المواد الخام: خام الحديد + الكوكس (المركز الخفيف) + الحجر الجيري (التيار).
- التفاعل: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (درجة حرارة 1500°C).
- المنتج: الحديد الخام (محتوي على 2-4٪ من الكربون، والتي تتطلب مزيد من صناعة الصلب).
- صناعة الصلب:
- إزالة الكربون: نفخ الأكسجين لتقليل محتوى الكربون في الحديد الخام (مثل صناعة الصلب المحول لمدة 15-20 دقيقة).
- السبائك: إضافة الكروم، النيكل، الخ لتحقيق الفولاذ المقاوم للصدأ.
(2) المعادن المائية (الحل الكيميائي)
المعادن المطبقة: الألومنيوم، الذهب، اليورانيوم، الخ.
-عملية باير للألومنيوم:
1البوكسيت + NaOH → يذوب Al2O3
2تحليل أكسيد الألومنيوم (Al2O3) للحصول على الألومنيوم النقي (عملية هال هيرول).
(3) التكرير الكهربائي
المعادن المطبقة: النحاس (النقاء 99.99٪) ، الزنك، النيكل.
- يستخدم خام النحاس كأنود، ويتم استخدام ورق النحاس النقي ككاثود، ويتم تحليل محلول كبريتات النحاس.
3صب والصب
(1) التمثيل
- صب الرمال: منخفض التكلفة، مناسبة للأشكال المعقدة (مثل أسطوانة المحرك).
- الصب المستمر: الإنتاج المباشر للشرائح الفولاذية والألواح الألومنيومية (تحسين الكفاءة).
(2) العمل الحار
- التنقيب الساخن: التسخين فوق درجة حرارة إعادة التبلور والتنقيب (مثل لوحات الصلب وأنابيب النحاس).
- التصنيع: صب الضغط (مثل العمود المتحرك وأجزاء الطائرات).
(3) العمل البارد
- التنقيب البارد: المعالجة في درجة حرارة الغرفة لزيادة القوة (مثل أوراق الفولاذ المقاوم للصدأ ، أسلاك النحاس).
- الطابع/القطع: تصنيع قطع القطع النهائية (مثل غلاف السيارات).
4المعالجة الحرارية

التكنولوجيا

الهدف

أعطى مثالاً

التسخين

لتهدئة المعدن وتخفيف الضغط

سلك النحاس المفروم لتحسين اللون

التخفيف + التشديد

تحسين صلابة و صلابة

أداة أداة من الصلب

المعالجة بالحلول

عناصر سبيكة موحدة (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ)

304 من الفولاذ المقاوم للصدأ تم تسخينه إلى 1100 درجة مئوية

5معالجة السطح
- مكافحة الصدأ: الكهرباء (الصلب المصنوع من الصلب) ، الـ anodizing (الألومنيوم).
- الجماليات: التلميع (الصلب المقاوم للصدأ المرآة) ، الرش (لوحة الألومنيوم الملونة).
- الطلاء الوظيفي: طلاء PVD (أدوات مقاومة للاستعمال).
6. فحص الجودة
تحليل التكوين: مقياس الطيف للكشف عن محتوى العناصر
- الاختبار الميكانيكي: اختبار الشد، اختبار القسوة.
- اختبار غير مدمر: فحص بالأشعة السينية، الكشف عن الشقوق بالموجات فوق الصوتية

شرح مفصل لعملية إنتاج السبائك
السبائك هي مواد مصنوعة من معدنين أو أكثر (أو المعادن وغير المعادن) عن طريق الاندماج أو التخمير أو غيرها من العمليات، ولديها خصائص أفضل من المعادن النقية، مثل قوة أعلى،مقاومة للتآكل أو وظائف خاصةما يلي هو عملية إنتاج سبائك نموذجية:
1إعداد المواد الخام
- الركائز المعدنية الرئيسية: مثل الحديد (Fe) ، الألومنيوم (Al) ، النحاس (Cu) ، النيكل (Ni) ، الخ
- عناصر سبيكة:
- تحسين الأداء: الكروم (Cr) ، الموليبدينوم (Mo) ، المنغنيز (Mn) ، السيليكون (Si) ، الخ
- تحسين قابلية المعالجة: الكربون (C) ، الكبريت (S) ، الفوسفور (P) (يجب مراقبة المحتوى بدقة).
- المواد المساعدة: التدفق (مثل CaO الحجر الجيري) ، مكافحة الأكسدة (مثل الألومنيوم Al) ، الغاز الوقائي (مثل الأرجون Ar).
2عملية الذوبان
(1) حساب المكونات
وفقًا لتركيبة السبائك المستهدفة (مثل الصلب المقاوم للصدأ 304 يتطلب 18%Cr + 8%Ni) ، يزن المواد الخام بدقة.
(2) طريقة الذوبان

وضع الصهر

سيناريو التطبيق

الخصوصية

فرن القوس الكهربائي (EAF)

الفولاذ المقاوم للصدأ، سبيكة خاصة

درجة حرارة عالية (1600 درجة مئوية +) ، التحكم الدقيق في التركيب

فرن الحث

السبائك ذات النقاء العالي (مثل السبائك القائمة على النيكل)

لا تلوث، تكوين موحد

المحول (AOD/VOD)

تكرير تصفية الفولاذ المقاوم للصدأ

انخفاض محتوى الكربون وتقليل خسارة الكروم

الخطوات الرئيسية:
- الذوبان: تسخين المعدن إلى الحالة السائلة (على سبيل المثال حوالي 1500-1600 درجة مئوية للسبائك القائمة على الحديد).
- السبائك: إضافة عناصر السباكة (مثل الكروم والنيكل) وخلطها لضمان خلط متساو.
- التكرير:
- إزالة الأكسدة: إضافة الألومنيوم / السيليكون لإزالة شوائب الأكسجين.
- إزالة الكبريت/الفوسفور: إزالة العناصر الضارة عن طريق رد فعل التدفق (على سبيل المثال CaO).
3صب أو صب مستمر
- صب القوالب: يتم صب سبيكة سائلة في القالب وتبريد لتشكيل (مناسبة للكتائب الصغيرة من الأجزاء المعقدة).
- الصب المستمر: الصب المباشر في ألواح، أو شرائح مربعة أو شرائح مستديرة (مناسبة للإنتاج على نطاق واسع، مثل لفائف الفولاذ المقاوم للصدأ).
4العمل الحار
- التنقيب الساخن: التسخين فوق درجة حرارة إعادة التبلور (على سبيل المثال 1100-1250 درجة مئوية للفولاذ المقاوم للصدأ) والتنقيب في ألواح، قضبان، الخ.
- التصنيع: التشكيل بالضغط (مثل التصنيع من سبائك الطيران)
5العمل البارد (اختياري)
- التنقيب البارد: المعالجة في درجة حرارة الغرفة لزيادة القوة (مثل أوراق الفولاذ المقاوم للصدأ ، أسلاك سبيكة النحاس).
- التسخين: القضاء على صلابة العمل واستعادة الصلابة (مثل درجة حرارة التسخين من 304 الفولاذ المقاوم للصدأ 1010-1120 درجة مئوية).
6معالجة السطح
- المخلل: إزالة قشرة الأكسيد (خليط HNO3 + HF للفولاذ المقاوم للصدأ).
- التلميع: مثل الكهرباء (الصلب المصنوع من الصلب) ، طلاء PVD (الصلب المقاوم للصدأ الملون).
7. فحص الجودة
-تحليل التكوين: يكتشف مقياس الطيف محتوى العنصر
- اختبار الخصائص الميكانيكية: صلابة، قوة الشد، اختبار الاصطدام.
- الاختبار غير المدمر: الكشف عن العيوب بالأشعة السينية، الكشف عن العيوب الداخلية بالموجات فوق الصوتية.
الفرق بين المعادن والسبائك
1المعدن (المعدن النقي)
- تعريف: مادة تتكون من عنصر معدني واحد (مثل الحديد النقي، النحاس النقي، الألومنيوم النقي).
- الخصائص:
- موصلة كهربائية حرارية جيدة، ولكن خصائص ميكانيكية ضعيفة (لينة، سهلة التشوه).
- خصائص كيميائية نشطة (مثل الحديد النقي السهل للصدأ).
- الاستخدام النموذجي: الأسلاك (النحاس) ، ورق الألومنيوم (الألومنيوم) وغيرها من المشاهد ذات متطلبات عالية للنقاء.
2سبيكة
- تعريف: المواد التي تتكون من اندماج اثنين أو أكثر من المعادن (أو المعادن وغير المعادن).
- الخصائص:
- تحسين الخصائص (القوة، مقاومة التآكل، الخ) عن طريق تعديل التكوين.
- التحكم في التكاليف (مثل استبدال جزء من النيكل بالمنغنيز لخفض تكلفة الفولاذ المقاوم للصدأ).
- أمثلة نموذجية:
- الفولاذ المقاوم للصدأ (الحديد + الكروم + النيكل)
- النحاس (النحاس + الزنك)
- سبيكة الألومنيوم (الألومنيوم + المغنيسيوم / السيليكون).

لماذا تختار منتجات الفولاذ المقاوم للصدأ؟
الفولاذ المقاوم للصدأ (مثل 304 و 316) هو ممثل كلاسيكي للسبائك القائمة على الحديد ، ومزاياه الأساسية هي كما يلي:
1مقاومة للتآكل
- دور الكروم: عندما يكون محتوى الكروم أعلى من 10.5٪ ، يتم تشكيل فيلم تسخير كثيف من أكسيد الكروم (Cr2O3) على السطح لعزل الأكسجين في الماء.
- مقارنة:
- الفولاذ الكربوني العادي: سهل الصدأ، يحتاج إلى صبغ / طلاء إضافي
الألومنيوم: على الرغم من مقاومة التآكل الجوي، ولكن ليس مقاومة للحمض والقلي.
2قوة عالية ومتانة
- تصلب العمل: يمكن تحسين القوة بشكل كبير بعد التنقيب البارد (مثل 304 زيادة قوة الشد بنسبة 50٪ بعد التنقيب البارد).
- أداء درجة حرارة عالية: الفولاذ المقاوم للصدأ Austenitic (مثل 310S) يبقى مستقراً عند 800 درجة مئوية.
3النظافة والجمال
- عدم وجود طلاء: لا يلزم وضع طلاء أو طلاء لتجنب تلوث الطلاء (التطبيقات الغذائية مثل معدات المطبخ والأدوات الجراحية).
- تنوع الأسطح: الملمعة (المرايا) ، المفرشاة (المات) ، المطلية (PVD) ، الخ.
4صديقة للبيئة وقابلة لإعادة التدوير
- قابل لإعادة التدوير بنسبة 100٪: يمكن إعادة صب النفايات من الفولاذ المقاوم للصدأ مباشرة دون تقليل الأداء.
- العمر الطويل: يمكن أن تصل عمر الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم في البناء (مثل حائط الستار 316L) إلى أكثر من 50 عامًا ، مما يقلل من هدر الموارد.
5الاقتصاد (منظور طويل الأجل)
- التكلفة الأولية: الفولاذ المقاوم للصدأ مرتين إلى ثلاث مرات أعلى من الفولاذ الكربوني ، لكنه خال من الصيانة (لا يتطلب معالجة مضادة للصدأ).
- حالة: خزان تخزين الكيماويات: فولاذ الكربون يحتاج إلى استبدال منتظم، الاستثمار لمرة واحدة من الفولاذ المقاوم للصدأ هو أكثر فعالية من حيث التكلفة.

متى لا تختار الفولاذ المقاوم للصدأ؟
1القيود الميزانية القاسية: يمكن استخدام الصلب الكربوني + الطلاء المضاد للصدأ للمشاريع قصيرة الأجل.
2الطلب الخفيف للغاية: سبيكة الألومنيوم أو سبيكة التيتانيوم الخفيفة (مثل الطيران).
3البيئة ذات درجات الحرارة العالية للغاية: الألياف القائمة على النيكل (مثل Inconel) أكثر مقاومة للحرارة.