Metallurgia

Fotografia d'un obrier de l'industria metallurgica.

La metallurgia es la disciplina scientifica e tecnica que s'interèssa a l'estudi dei metaus (elaboracion, proprietats, tractaments...). Per extension, lo tèrme designa l'industria de la fabricacion deis aliatges e deis objèctes metallics. Apareguda a la fin de l'Edat de la Pèira e au començament de l'Edat dau Bronze, la metallurgia es venguda una activitat fondamentala de l'economia modèrna en causa de la difusion fòrça importanta dei metaus dins la societat actuala.

Istòria

De la Preïstòria a l'Antiquitat

Difusion de l'agricultura, de la metallurgia e de l'escritura de 8000 a 1000 avC.

Segon lei conoissenças actualas, la metallurgia es apareguda en Anatolia au millenari VII avC. Lo premier metau trabalhat foguèt lo coire natiu. Utilizat en parallèl de la pèira durant lo periòde finau dau Neolitic, lo coire permetèt de produrre d'objèctes per martelatge ò per fusion. L'aur, que pòu tanben se trobar a l'estat natiu dins la natura, foguèt tanben utilizat d'un biais precòç tre lo millenari V avC a Varna. Pus marginalament, durant lo meteis periòde, de tròç de fèrre meteoritic serviguèron a la fabricacion d'objèctes en Iran.

Vèrs 4000 avC, lei progrès dins la fonda dei metaus permetèron de produrre lo premier aliatge de bronze. Aquò foguèt un eveniment major dins l'istòria de l'umanitat car entraïnèt la naissença de la metallurgia. D'efiech, lo bronze permetiá de melhorar fòrça lei proprietats mecanicas deis otís. Son usatge se desvolopèt donc dins mai d'una region durant l'Edat dau Bronze (vèrs 3000-1000 avC). Pasmens, lo coire natiu necessari a sa produccion es rar. Aquò entraïnèt la cèrca e l'esplecha de fònts novèlas de coire. Ansin, per extraire aqueu metau a partir de mineraus cuprifèrs de mens en mens concentrats, apareguèron lei premiers d'extraccion e de purificacion dei metaus per reduccion. Vèrs 1200 avC, foguèt tanben inventat lo bas-fornèu, capable d'agantar de temperaturas situadas entre 1 000 e 1 200 °C.

Vèrs 1000 avC, lo fèrre comencèt de remplaçar lo bronze, çò que marquèt l'intrada dins l'Edat dau Fèrre. A respècte dau coire, lo fèrre a una temperatura de fusion ben superiora (1 535 °C còntra 1 084 °C), çò que necessitèt de perfeccionar mai lei tecnicas d'extraccion e de purificacion. De mai, lo fèrre pur es fòrça sensible a la corrosion. Ansin, foguèt concebut un metòde que consistiá a empielar de jaç de mineraus de fèrre e de carbon dins un bas fornèu. Aquò permetiá de redurre lo metau mai lo procès èra incomplèt car èra pas aisat d'agantar la temperatura de fusion dau fèrre. Per l'acabar, faliá martelar lo metau per eliminar seis impuretats fins a l'obtencion d'un acier contenent entre 0,02% e 2% de carbòni. La complexitat de l'operacion congreèt la fama dei fabres de mai d'una region.

De l'Edat Mejana ai Temps Modèrnes

Premiera edicion de De re metallica, tractat fondator de la metallurgia modèrna.

A la fin de l'Antiquitat, lei sabents europèus e asiatics coneissián sèt metaus (aur, plomb, mercuri, argent, fèrre, coire e estanh). L'Edat Mejana e lei Temps Modèrnes veguèron una aumentacion d'aqueu nombre amb lei descubèrtas de l'arsenic, de l'antimòni, dau zinc, dau bismut e dau cobalt. Pasmens, l'element pus important dau periòde foguèt la perseguida, lenta e progressiva, dei tecnicas metallurgicas regardant lo trabalh dau fèrre e lo començament d'un trabalh intellectuau destinat a comprendre la natura dei procès mes en òbra per lei fabres.

Au nivèu tecnic, la fin de l'epòca medievala veguèt l'aparicion de melhoraments importants sus lei bofets permetent l'intrada d'aire dins lei fornèus. En particular, l'usatge de l'energia idraulica venguèt pus frequent. Puei, durant la segonda mitat dau sègle XV, la fòrça de l'aiga serviguèt tanben au foncionament dei premiers laminadors. Pasmens, lo progrès principau apareguèt au sègle XIII amb l'invencion dau premier aut-fornèu vertadier. Conegut dempuei lo sègle I apC en China, lo principi d'aquela installacion permetiá d'agantar de temperaturas de 1 500-1 600 °C e d'obtenir de la fonda. Lei Chinés utilizavan principalament aquela matèria per fabricar d'objèctes per motlatge. Pasmens, en Euròpa, lo desvolopament de l'artilhariá a la fin de la Guèrra de Cent Ans estimulèt la demanda d'acier, çò que necessitèt d'estudiar lei procès d'afinatge de la fonda e menèt pauc a pauc a la fondacion de la siderurgia modèrna.

D'efiech, l'autra caracteristica dau periòde foguèt la redaccion dau premier tractat modèrne sus lei tecnicas minieras e metallurgicas en 1556. Intitulat De re metallica (« De la natura dei metaus » en occitan), es l'òbra dau sabent alemand Georgius Agricola (1494-1555). Uei considerat coma lo fondator de la mineralogia e de la metallurgia modèrna, inicièt l'estudi scientific de la disciplina.

L'industrializacion e la multiplicacion deis aliatges

Fotografia d'un aut-fornèu polonés de concepcion sovietica en 2014. Dempuei la Revolucion Industriala, la metallurgia es un domeni clau de l'economia modèrna.

Autre aspècte de la metallurgia, lo sodatge es una tecnica importanta dins la societat modèrna car permet d'assemblar de pèças metallicas entre elei.

Article detalhat: Revolucion Industriala.

L'industrializacion de la metallurgia comencèt au sègle XVIII en Anglatèrra avans de se difusar dins lei país vesins e de venir una activitat fondamentala de l'economia modèrna. Sa premiera etapa foguèt la construccion per Abraham Darby (1711-1763) dau premier aut-fornèu foncionament amb de còc. Aquò permetèt d'aumentar fòrça lo rendiment de l'installacion. Puei, en 1784, Henry Cort (1740-1800) depausèt lo premier brevet depintant un procès de puddlage, es a dire un metòde permetent de demenir la quantitat de carbòni contenguda dins la fonda bruta. Conjugat amb la descubèrta de la maquina de vapor, aquò foguèt un dei factors a l'origina de la Revolucion Industriala. Durant aqueu periòde, la siderurgia conoguèt de progrès majors amb l'invecion de procès novèu d'elaboracion de la fonda e de l'acier.

Pasmens, una autra caracteristica d'aquela epòca foguèt l'aparicion de la metallurgia d'autrei metaus. D'efiech, durant lo sègle XIX, de còps dich « Sègle de la Quimia », lei quimistas multipliquèron lei descubèrtas d'elements e lo nombre de metaus coneguts aumentèt fòrça. En parallèl, leis aplicacions dei metaus conoguèron tanben una diversificacion considerabla amb l'aparicion dei motors de combustion, de l'electricitat e, au sègle XX, de l'electronica. Foguèt donc necessari d'estudiar lei tecnicas d'extraccion e de purificacion de metaus de plusors metaus novèus coma l'alumini. D'aliatges novèus foguèron tanben concebuts.

Per sostenir aquela evolucion, divèrsei nocions foguèron aplicadas au camp de la metallurgia. Un domeni major foguèt ansin fondat a partir de l'estudi deis aplicacions de l'electroquimia e la metallurgia. Per exemple, l'electrolisi aguèt d'aplicacions nombrosas per purificar de metaus ò per aplicar un jaç fin de metau a la superficia d'un objècte (galvanoplastia). Lei recèrcas menadas sus lei solucions permetèron tanben d'estudiar lei mesclas entre metaus diferents, çò que permetèt de comprendre mielhs lo foncionament dei procès de fabricacion d'aliatges gràcias ai diagramas de fasas. Enfin, au nivèu tecnic, se fau nòtar lo desvolopament de la soudadura amb doas invencions majoras : lo calamèu oxidric en 1802 e lo sodatge per resisténcia electrica en 1905.

La metallurgia recenta

Dempuei la Segonda Guèrra Mondiala, la metallurgia es totjorn l'objècte de recèrcas importantas. La causa premiera es la perseguida dau progrès tecnic que demanda d'utilizar de metaus ò d'aliatges novèus, especialament dins lei domenis de l'electronica, de la medecina ò de la mecanica. Per exemple, foguèt lo cas dau titani qu'es vengut una ressorsa estrategica durant la Guèrra Freja. Pasmens, se fau tanben nòtar lo desvolopament de camps novèus coma la fabricacion de veire metallic (ans 1960) ò coma la metallurgia en microgravitat (ans 1980).

Concèptes e tecnicas generaus

Lei principis generaus d'elaboracion dei metaus

Lei metòdes e tecnicas d'extraccion e la purificacion dei metaus varian segon leis elements. Pasmens, existís de ponchs comuns dins la metallurgia de mai d'un metau. D'efiech, la màger part dei mineraus utilizats son de sulfurs ò d'oxids coma la cassiterita (minerau d'estanh) ò la calcopirita (minerau principau de coire). Ansin, lei premiereis etapas d'eleboracion d'un metau consistisson a concentrar lo minerau « util » per lo mejan d'operacions fisicas (trissatge, proprietats magneticas...), fisicoquimicas (flotacion, lixiviacion...), bioquimicas (accion de bactèris...) ò quimicas (grilhatge, dissolucion...). Puei, s'es necessari, a luòc una operacion de grilhatge destinada a oxidar lo minerau.

Après l'acabament dei fasas de preparacion, lo minerau es normalament reduch per passar d'un estat oxidat a un estat metallic. La natura dau reductor es variable mai s'utiliza sovent lo dioxigèn, lo diidrogèn, lo monoxid de carbòni, lo dioxid de carbòni ò d'autrei metaus. Aquelei procès son sovent resumits per una eqüacion quimica simpla mai son en realitat de mecanismes reaccionaus complèxs amb plusors reaccions intermediàrias e segondàrias. Permèton d'obtenir un metau contenent una quantitat mai ò mens importantas d'impuretats.

La darriera etapa majora de l'obtencion d'un metau es donc l'afinatge que permet d'obtenir de metaus d'una puretat sufisenta per li trobar una aplicacion. Generalament, s'utilizan siá de procès de fusion que permèton d'eliminar pauc a pauc leis impuretats siá de procès electrolitics que permèton d'obtenir de metaus fòrça purs. Pasmens, lei procès electrolitics consuman una gròssa quantitat d'electricitat. Enfin, lo metau pur pòu èsser trabalhat sota forma de lingòts, de barras, de bobinas ò de tòlas per permetre son transpòrt e son utilizacion ulteriora.

Leis aliatges

Article detalhat: Aliatge.

Un aliatge es la combinason de plusors elements metallics per fusion. Es un aspècte major de la metallurgia car lei metaus purs an generalament de caracteristicas mecanicas feblas. D'efiech, dins mai d'un cas, apondre d'autreis elements a un metau permet de lo « durcir », de modificar sa resisténcia a la corrosion e de melhorar d'autrei caracteristicas (demenir sa temperatura de fusion, facilitar son trabalh...). Ansin, la màger part dei pèças metallicas utilizadas dins la societat modèrna son compausadas per d'aliatges.

Un aliatge es generalament constituit per un element metallic majoritari qu'es dich « metau de basa ». Leis elements volontàriament ajustats son dichs « elements d'aliatge » e leis elements non desirats « impuretats ». La màger part deis elements d'aliatge son de metaus mai es possible d'utilizar d'autreis elements quimics coma lo carbòni (dins l'acier) ò lo silici (dins l'alumini). Pasmens, la tenor deis elements non metallics dins leis aliatges es generalament limitada. Lei diagramas de fasas son un otís fondamentau de l'estudi deis aliatges car permèton de visualizar leis aliatges possibles entre dos elements.

Quauquei tecnicas istoricas e modèrnas

La ciera perduda

Article detalhat: Ciera perduda.

La tecnica de la ciera perduda es una tecnica fòrça anciana que foguèt fòrça utilizada de l'Antiquitat fins a la fin de l'Edat Mejana. Consistís a fabricar un modèl de ciera de l'objècte de fabricar. Puei, aqueu modèl es cubèrt per un lach d'argiela. Aquò permet de fabricar un mòtle negatiu. La ciera es alora remplaçada per lo metau en fusion necessari a la fabricacion. Enfin, lo mòtle d'argiela es romput e l'objècte recuperat.

L'embotissatge

Fotografia d'una pressa industriala destinada a la fabricacion de [[ banhadoira]]s.

Article detalhat: Embotissatge.

L'embotissatge es un metòde antic qu'es totjorn utilizat dins l'industria modèrna. Son principi de basa consistís a caufar una tòla de metau a una temperatura situada entre lo tèrç e la mitat de sa temperatura de fusion. Dins aquelei condicions, la tòla es deformabla s'una pression sufisenta i es aplicada. Durant leis epòcas ancianas, lo martèu èra l'otís de basa que permetiá de trabalhar lo metau. Dempuei la Revolucion Industriala, s'utilizan puslèu de pressas que permèton de motlar de pèças de superficia importanta.

La granulacion

Article detalhat: Granulacion.

La granulacion es una tecnica de decoracion d'origina etrusca. De tròç de metau son fabricats en copant un fieu de metau e pausats sus una superficia fòrça cauda. La calor entraïna la retractacion dei tròç que forman de bilhas metallicas. Puei, aquelei bilhas son fixadas sus un objècte gràcias a un adesiu ò per autoadesion.

L'industria metallurgica modèrna

Fotografia d'un aut-fornèu alemand dau sègle XX.

L'industria metallurgica modèrna fa partida de l'industria pesuca. Es un sector economic important e estrategic organizat a l'entorn de sièis activitats principalas :

• l'extraccion dei mineraus e sa concentracion.
• lo reciclatge dei metaus.
• la fondariá.
• lo laminatge e la fabricacion dei produchs bruts (lingòts, tòlas...).
• la transformacion dei produchs bruts en produchs semifinits.
• la fabricacion dei produchs finits.

Au nivèu tecnic, se destria tres especialitats :

• la siderurgia designa la produccion d'acier e deis aliatges ferrós.
• la metallurgia dei metaus preciós coma l'aur e l'argent.
• la metallurgia dei metaus non ferrós e non preciós coma l'alumini.

Annèxs

Liames intèrnes

• Acier.
• Afinatge.
• Aliatge.
• Alumini.
• Aut-fornèu.
• Bas-fornèu.
• Bronze.
• Coire.
• Diagrame de fasas.
• Diagrama d'Ellingham.
• Electrolisi.
• Electroquimia.
• Estanh.
• Fabrega.
• Fèrre.
• Fusion.
• Galvanoplastia.
• Lingòt.
• Metau.
• Metalloïd.
• Mineralogia.
• Minerau.
• Reaccion d'oxidoreduccion.
• Revolucion Industriala.
• Siderurgia.
• Soudadura.
• Veire metallic.

Bibliografia

• (fr) Adolf Ledebur (trad. Barbary de Langlade e F. Valton), Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur, 1895.
• (fr) Madeleine Durand-Charre, Les aciers damassés : Du fer primitif aux aciers modernes, Mines Paris ParisTech Les Presses, coll. « Collection histoire et sociétés », 2007.
• (en) H. J. T. Ellingham, "Reducibility of oxides and sulphides in metallurgical processes", J. Soc. Chem. Ind., 1944, 63 (5): 125.
• (fr) Bertrand Gille, Histoire des techniques, Gallimard, coll. « La Pléiade », 1978.
• (fr) J. Goni, J. Greffard, T. Gugalski e Michel Leleu, « La géomicrobiologie et la biominéralurgie », Bulletin de Minéralogie, vol. 96, n° 4-5,‎ 1973, pp. 252-266.
• (fr) Robert Halleux, "La nature et la formation des métaux selon Agricola et ses contemporains", Revue d'histoire des sciences, n°27, 1974, pp. 211-222.
• (fr) Robert Halleux, "Le Bermannus de Georg Agricola et la réinterpretation du vocabulaire minéralogique", Documents pour l'histoire du vocabulaire scientifique, n°4, 1983, pp. 81-95.
• (fr) Marcel Otte, Mireille David-Elbiali et al., La protohistoire, De Boeck université, 2008.
• (fr) Paul Rivet, La metallurgie en Amerique precolombienne, Institut d'ethnologie, 1946.