miniatura|Alt forn per al tractament del ferro La metal·lúrgia (del gr. metallourgía ‘treball dels metalls’, der. de metallourgéō ‘treballar o extreure els metalls’) és un camp de la ciència de materials, que estudia el comportament físic i químic dels elements metàl·lics, els compostos intermetàl·lics i els seus aliatges. També és la tecnologia dels metalls, la manera d'aplicar la ciència per a la seva utilització pràctica, la seva extracció, transformació i elaboració. Georgius Agricola fou un científic alemany que és considerat el pare de la metal·lúrgia i la siderúrgia gràcies a la seva obra De Re Metallica (Sobre la natura dels metalls, 1556) que és un tractat de referència de les tècniques mineres i d'obtenció i treball dels metalls de l'època.
La ciència de la metal·lúrgia se subdivideix en dues grans categories: metal·lúrgia química i metal·lúrgia física. La metal·lúrgia química s'ocupa principalment de la reducció i l'oxidació dels metalls, així com del rendiment químic d'aquests. Els temes d'estudi de la metal·lúrgia química inclouen el processament de minerals, l'extracció de metalls, la termodinàmica, l'electroquímica i la degradació química (corrosió). En canvi, la metal·lúrgia física se centra en les propietats mecàniques dels metalls, les propietats físiques dels metalls i el rendiment físic dels metalls. Els temes estudiats en la metal·lúrgia física inclouen la cristal·lografia, la caracterització de materials, la metal·lúrgia mecànica, la transformacions de fase i el mecanismes de fallada.
Indústria dels metalls miniatura|Elaboració artesana de components metàl·llics per forja La indústria dels metalls inclou el conjunt de processos de transformació dels metalls per obtenir productes amb infinitat d'aplicacions, com màquines, mecanismes, motors, construccions, estris, vehicles, envasos, etc. La indústria de l'acer està estretament relacionat amb el coc i la fabricació refractària. El nom genèric de les persones ocupades en la indústria és metal·lúrgic o siderúrgic.
Les matèries primeres dels metalls són metalls naturals que coneixem com a minerals o roques. Per branques d'activitat hi ha: Producció de metalls de matèries primeres naturals i altres productes de metall; Preparació d'aliatges; Metall calent i de deformació en fred; Soldadura; Revestiment de metalls; Àrea de Materials, que estudia el comportament físic i químic dels metalls, intermetàl·lics i aliatges.
Tipus de metalls
Metalls purs: formats per un sol element químic. Ferro Aliatges: barreges d'un metall base amb altres metalls o elements químics. Acer
Classificació dels metalls
Metalls fèrrics: grup que conté ferro, és a dir, el ferro i els seus aliatges. La indústria dedicada a l'obtenció de metalls fèrrics és la siderúrgia. Metalls no fèrrics: resta de metalls i aliatges sense ferro. Coure, alumini, llautó, etc. La indústria dedicada a l'obtenció de metalls no fèrrics és la metal·lúrgia.
Propietats dels metalls Resistència: capacitat de no trencar-se ni deformar-se quan s'apliquen forces. Duresa: capacitat d'un material quan costa molt ratllar-lo, tallar-lo o foradar-lo. Tenacitat: resistència als cops, que no es trenca fàcilment. El contrari és fràgil. Plasticitat: capacitat d'adoptar formes diverses sense trencar-se. Conductivitat: són bons conductors de l'electricitat.
Història miniatura|Un lingot de coure trobat a Zakros, Creta La història de la metal·lúrgia és el domini d'estudi de l'arqueometal·lúrgia. El primer metall que va ser treballat per l'home fou el coure, primer a partir de la forma nativa (metàl·lica) modelat a base de cops. Després es va observar que era més fàcil de modelar si era escalfat (fenomen de la mal·leabilització o recuit: eliminació de les dislocacions o defectes de la xarxa cristal·lina) i amb el temps es va descobrir que es podia fondre i, en conseqüència, era possible la utilització de motlles per a fer peces iguals. És el període conegut com a Eneolític. L'or devia ser conegut després del coure, tot i que també podria ser anterior, mentre que la plata i el mercuri foren coneguts durant la mateixa època que el coure, després es descobririen l'estany, el zinc, el ferro i el plom.
La temperatura necessària per aconseguir la fusió dels minerals, es va aconseguir insuflant oxigen al caliu a través de tubs de canya.
El primer aliatge conegut fou el bronze, compost per coure al què s'afegeix estany per tal d'endurir-lo. L'edat del bronze s'estén a l'Orient Pròxim entre el 3500 aC i el 1200 aC, mentre que a Europa se situa entre el 1800 aC i el 700 aC. La utilització del coure a l'Orient mitjà es remuntaria a una data anterior a l'any 4000 aC, potser fins i tot vers el 5000 aC. L'aliatge considerat correcte era 90% coure i 10% estany però en un alt percentatge de troballes arqueològiques la proporció és sempre inferior a 94-6.
El coure natiu no era abundant i això va portar a explotar minerals de coure cada cop més pobres, la utilització de l'escalfament per extreure el coure per fusió probablement va portar al descobriment de la transformació del mineral en metall per reducció i a l'aparició del forn baix vers el 1200 aC.
miniatura|Un forn bastit a Rosenthal-Bielatal (Saxònia), a principis del L'edat del ferro comença cap a l'any 1200 aC al Pròxim Orient, l'Índia antiga i a l'antiga Grècia (Edat fosca grega) i arriba al nord d'Europa entre el 800 aC i el 700 aC. El ferro fon a una temperatura força més alta que el coure, 1535 °C el ferro i 1084 °C el coure, i la reducció al forn baix era imperfecta i creava un bloc d'aspecte esponjós que havia de ser colpejat repetidament amb el martell per tal de treure les impureses. Els primers a desenvolupar la manufactura del ferro foren els Hitites.
El desenvolupament de la metal·lúrgia del ferro es troba a un gran nombre de cultures i civilitzacions al llarg de la història. Els regnes antics d'Orient Pròxim, l'antic Egipte, a Anatòlia, Cartago, l'antiga Grècia, l'antiga Roma, Europa antiga i medieval, Xina antiga i medieval, Japó antic i medieval, etc. Durant l'edat mitjana a Europa es va començar a utilitzar la força hidràulica per assegurar una aportació d'aire i augmentar la temperatura, cap al 1450 es va poder fer la primera fosa a un alt forn.
Els metalls coneguts durant l'antiguitat no van variar fins al quan es va descobrir el cobalt (Georg Brandt el 1735) i el bismut (Claude François Geoffroy el 1750). Durant aquest segle es va produir un gran desenvolupament de la siderúrgia, sense el qual no hauria estat possible la revolució industrial atès que la producció massiva de ferro i acer va possibilitar la seva utilització a la construcció d'edificis i la fabricació de les màquines de vapor.
El 1827 Friedrich Wöhler va aïllar l'alumini, el 1855 Henry Bessemer va patentar el primer d'una sèrie de procediments que milloraven la producció d'acer, el seguirien altres com el procediment Gilchrist-Thomas (desenvolupar per Sidney Gilchrist Thomas i Percy Carlyle Gilchrist el 1877) o el forn Siemens-Martin (desenvolupat per Pierre-Emile Martin el 1865). A principis del Paul Héroult va inventar el forn elèctric d'arc (1907) per a l'obtenció d'acer.
Cap a la meitat del es va començar a produir industrialment metalls com el vanadi, el titani o el beril·li que fins llavors només havien estat utilitzats als laboratoris. Paral·lelament es va començar a desenvolupar nous aliatges, procediments i tècniques per tal de donar resposta a la demanda de la indústria.
Organització de la indústria Activitats miniatura|Regions productores de metalls a l'edat antiga a l'Orient Pròxim. Es mostren marcades les àrees de prevalença del bronze arsènic i del bronze d'estany durant el III mil·lenni aC La metal·lúrgia abasta un gran ventall d'activitats industrials: Extracció i processament del mineral Reciclatge dels metalls Foneria (alts forns, fosa i refinat) Fabricació de productes en brut per a la laminació. Transformació de productes en brut en productes semiacabats. Fabricació de materials i productes acabats per a la indústria la construcció i el transport. Enduriment de materials.
Especialitats
miniatura| Metal·lúrgia prehistòrica. Il·lustració del Museu de Prehistòria de València. Tradicionalment la metal·lúrgia es divideix en tres especialitats principals: la metal·lúrgia ferrosa (acer, ferro) la metal·lúrgia no ferrosa amb exclusió dels metalls preciosos (alumini, coure), la metal·lúrgia dels metalls preciosos (or, plata)
Operacions bàsiques d'obtenció de metalls: Operacions físiques: trituració, molta, filtració (a pressió o al buit), centrifugació, decantació, flotació, dissolució, destil·lació, assecat, precipitació física. Operacions químiques: torrada, oxidació, reducció, hidrometal·lúrgia, electròlisi, hidròlisi, lixiviació mitjançant reaccions àcid-base, precipitació química, electrodeposició i cianuració.
Depenent el producte que es vulgui obtenir, es realitzaran diferents mètodes de tractament. Un dels tractaments més comuns és la mena, consisteix en la separació dels materials de rebuig. Normalment entre el metall està barrejat amb altres materials com argila i silicats, a això se li sol denominar ganga.
Un dels mètodes més usuals és el de la flotació que consisteix a moldre la mena i barrejar-la amb aigua, oli i detergent. En batre aquesta barreja líquida es produeix una escuma que, amb ajuda de la diferent densitat que proporciona l'oli anirà arrossegant cap a la superfície les partícules de mineral i deixant al fons la ganga.
Una altra forma de flotació pot emprar-se en la separació de minerals ferromagnètics, utilitzant imants que atreuen les partícules de mineral i deixant intacta la ganga.
Un altre sistema d'extracció de la mena és l'amalgama formada amb l'aliatge de mercuri amb un altre metall o metalls. Es dissol la plata o l'or contingut en la mena per formar una amalgama líquida, que se separa amb facilitat de la resta. Després els metalls d'or i plata es purifiquen eliminant el mercuri mitjançant la destil·lació.
Altres metalls utilitzats en la metal·lúrgia industrial El liti és un metall lleuger amb una densitat de només 0,534 g·cm−3. Es tracta del 27è element més abundant a la Terra. Es calcula que les reserves mundials d'aquest metall són de 2,2 milions de tones.Les dades sobre les reserves disponibles de liti i els anys de producció que en queden varien d'una font a l'altra. Bolívia sembla tenir grans reserves. El liti es pot obtenir mitjançant electròlisi de sals foses a partir de minerals de liti (com ara l'ambligonita, que conté fins a un 9% d'òxid de liti i es treballa com a concentrat de mineral). L'espodumena es fa servir especialment per la producció de carbonat de liti. Altres minerals dels quals es pot extreure aquest element són la petalita i la lepidolita. També es pot obtenir liti de l'evaporació d'aigua amb una elevada salinitat (com ara la mar Morta). Fins ara no s'ha trobat un mètode econòmic d'extreure liti de l'aigua del mar, que té un contingut de liti de 0,17 ppm.
També s'usen el beril·li, l'estany, el titani, el cobalt, el molibdè, el tungstè, el seleni, la plata, l'urani i altres metalls nobles.
Metal·lúrgia extractiva La metal·lúrgia extractiva és l'activitat que s'ocupa de l'obtenció dels metalls purs a partir dels minerals i les menes. Per exemple, per tal d'obtenir un metall a partir d'un òxid o un sulfur el mineral o la mena ha de ser reduïts utilitzant un mètode físic, químic o electrolític.
Un cop han extret de la mina els minerals i les menes són transportats a les plantes de tractament on són triturats en petites partícules que són portades a un forn per a la separació del metall dels productes no útils, que en seran els residus del procediment extractiu.
La mineria pot no ser necessària si el mineral pot ser conduït amb un procediment de percolació, que dissol els minerals en una solució que serà recollida i processada per tal d'extreure els metalls.