การแปรรูปโลหะ

เจ้าหน้าที่ดับเพลิงกำลังขึ้นรูปแท่งโลหะบน เครื่องกลึง บนเรือ USS Harry S. Truman (CVN 75) ในปี 2004

การแปรรูปโลหะ เป็นกระบวนการในการขึ้นรูปและเปลี่ยนรูป โลหะ เพื่อสร้างวัตถุที่มีประโยชน์ ส่วนประกอบต่าง ๆ การประกอบ และโครงสร้างขนาดใหญ่ เป็นคำที่ครอบคลุมกระบวนการ ทักษะ และเครื่องมือหลากหลายสำหรับการผลิตวัตถุในทุกระดับ ตั้งแต่เรือขนาดใหญ่ อาคาร และ สะพาน ไปจนถึงชิ้นส่วน เครื่องยนต์ ที่แม่นยำและ เครื่องประดับ ที่ละเอียดอ่อน

การแปรรูปโลหะมีรากฐานทางประวัติศาสตร์ย้อนไปก่อนยุคประวัติศาสตร์ที่บันทึกไว้ การใช้งานของมันครอบคลุมวัฒนธรรม อารยธรรม และนานนับพันปี งานโลหะได้วิวัฒนาการจากการขึ้นรูป โลหะเนื้ออ่อน อย่าง ทองคำ ด้วยเครื่องมือมือธรรมดา ผ่านการ ถลุงแร่ และการตีโลหะร้อนอย่าง เหล็ก จนถึงกระบวนการที่ทันสมัยที่มีความเทคนิคสูง เช่นการ ตัดเฉือน และการ เชื่อม โลหะถูกนำมาใช้เป็นอุตสาหกรรม เป็นตัวกระตุ้นการค้า งานอดิเรกส่วนบุคคล และในการสร้าง งานศิลปะ โลหะสามารถถือได้ว่าเป็นทั้งศาสตร์และงานฝีมือ

กระบวนการการแปรรูปโลหะในปัจจุบัน แม้จะหลากหลายและเฉพาะเจาะจง แต่สามารถจัดประเภทเป็นสามประเภทหลัก ๆ ได้แก่ กระบวนการขึ้นรูป กระบวนการตัด และ กระบวนการเชื่อม การแปรรูปโลหะสมัยใหม่ ซึ่งมักเรียกกันว่าโรงงานเครื่องจักรมีเครื่องมือเครื่องจักรเฉพาะทางหรือใช้งานทั่วไปหลากหลายประเภทที่สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีประโยชน์และมีความแม่นยำสูงได้ เทคนิคการทำงานโลหะการที่ง่ายกว่าหลายอย่าง เช่นการตีเหล็กไม่สามารถแข่งขันทางเศรษฐกิจได้อีกต่อไปในประเทศที่พัฒนาแล้ว เทคนิคบางอย่างยังคงใช้อยู่ในประเทศที่พัฒนาน้อยกว่า สำหรับงานฝีมือหรืองานอดิเรก หรือสำหรับการจำลองประวัติศาสตร์

ยุคก่อนประวัติศาสตร์

หลักฐานทางโบราณคดีที่เก่าแก่ที่สุดของการทำเหมืองและการทำงานของ ทองแดง คือการค้นพบจี้ทองแดงในภาคเหนือของ อิรัก ตั้งแต่ 8700 ปีก่อนคริสตกาล หลักฐานที่ได้รับการยืนยันและลงวันที่เก่าแก่ที่สุดของการทำงานโลหะใน ทวีปอเมริกา คือการแปรรูปทองแดงใน วิสคอนซิน ใกล้ ทะเลสาบมิชิแกน ทองแดงถูกตอกจนแตก จากนั้นก็ถูกให้ความร้อนเพื่อให้สามารถทำงานได้ต่อไป ในอเมริกา เทคโนโลยีนี้มีอายุประมาณ 4000-5000 ปีก่อนคริสตกาล วัตถุทองที่เก่าแก่ที่สุดในโลกมาจากสุสาน วาร์นา ในบัลแกเรีย และมีอายุประมาณ 4450 ปีก่อนคริสตกาล

ไม่ใช่โลหะทุกชนิดที่ต้องใช้ไฟในการสกัดหรือทำงาน ไอแซค อสิมอฟ คาดเดาว่าทองคำเป็น "โลหะแรก" เหตุผลของเขาคือ จากคุณสมบัติทางเคมี ทองคำพบได้ในธรรมชาติในรูปของเม็ดทองคำบริสุทธิ์ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ทองคำ แม้ว่าจะหายาก แต่บางครั้งก็พบในธรรมชาติในรูปของ โลหะธรรมชาติ โลหะบางชนิดยังพบได้ใน อุกกาบาต เกือบทุกโลหะอื่น ๆ พบในรูปของ แร่โลหะ หินที่มีแร่ซึ่งต้องการความร้อนหรือกระบวนการอื่นในการแยกโลหะออกมา คุณสมบัติอีกประการหนึ่งของทองคำคือสามารถทำงานได้ในสภาพที่พบ กล่าวคือไม่จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีใด ๆ นอกจากค้อนหินและทั่งหินในการทำงานกับโลหะ นี่เป็นผลมาจากคุณสมบัติของทองคำที่มี ความเหนียว และ ความยืดหยุ่น เครื่องมือที่เก่าแก่ที่สุดคือหิน กระดูก ไม้ และ เอ็น ซึ่งทั้งหมดเพียงพอสำหรับการทำงานกับทองคำ

ในบางช่วงเวลาไม่ทราบแน่ชัด กระบวนการแยกโลหะออกจากหินด้วยความร้อนกลายเป็นที่รู้จัก และหินที่มีทองแดง ดีบุก และ ตะกั่ว กลายเป็นที่ต้องการ แร่เหล่านี้ถูกทำเหมืองที่ใดก็ตามที่พวกมันถูกพบ ร่องรอยของเหมืองโบราณดังกล่าวพบได้ทั่ว เอเชียตะวันตกเฉียงใต้ การทำงานโลหะกำลังดำเนินการโดยชาว เอเชียใต้ ที่อาศัยอยู่ใน Mehrgarh ระหว่าง 7000 และ 3300 ปีก่อนคริสตกาล จุดสิ้นสุดของจุดเริ่มต้นของการทำงานโลหะเกิดขึ้นประมาณ 6000 ปีก่อนคริสตกาลเมื่อการ ถลุงทองแดง กลายเป็นเรื่องธรรมดาในเอเชียตะวันตกเฉียงใต้

อารยธรรมโบราณรู้จักโลหะเจ็ดชนิด ซึ่งจัดเรียงตามลำดับ ศักย์การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (ในหน่วย โวลต์) ดังนี้:

• เหล็ก +0.44 V
• ดีบุก +0.14 V
• ตะกั่ว +0.13 V
• ทองแดง −0.34 V
• ปรอท −0.79 V
• เงิน −0.80 V
• ทองคำ −1.50 V

ศักย์การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันมีความสำคัญเพราะเป็นตัวบ่งชี้หนึ่งว่าโลหะถูกผูกกับแร่อย่างแน่นหนาเพียงใด จากที่เห็น เหล็กมีค่าสูงกว่าโลหะอีกหกชนิดในขณะที่ทองคำต่ำกว่าอย่างมาก ศักย์การเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันต่ำของทองคำเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้ทองคำพบในรูปของเม็ดทองคำ เม็ดเหล่านี้เป็นทองคำบริสุทธิ์และสามารถทำงานได้ในสภาพที่พบ

แร่ทองแดงซึ่งมีอยู่มาก และแร่ดีบุกกลายเป็นสารสำคัญในเรื่องราวของการทำงานโลหะ การใช้ความร้อนเพื่อถลุงทองแดงจากแร่ มีการผลิตทองแดงเป็นจำนวนมาก มันถูกใช้ทั้งในงาน เครื่องประดับ และเครื่องมือธรรมดา อย่างไรก็ตาม ทองแดงเพียงอย่างเดียวมีความอ่อนเกินไปสำหรับเครื่องมือที่ต้องการขอบคมและความแข็งแกร่ง ในบางจุด ดีบุกถูกเติมลงไปในทองแดงหลอมเหลวและเกิดเป็น ทองสัมฤทธิ์ ทองสัมฤทธิ์เป็น โลหะผสม ของทองแดงและดีบุก ทองสัมฤทธิ์เป็นการก้าวหน้าที่สำคัญเพราะมีความทนทานต่อขอบและความแข็งแกร่งที่ทองแดงบริสุทธิ์ขาดไป จนกระทั่งถึงยุคเหล็ก ทองสัมฤทธิ์เป็นโลหะที่ก้าวหน้าที่สุดสำหรับเครื่องมือและ อาวุธ ที่ใช้ทั่วไป (ดู ยุคสำริด สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม)

นอกเอเชียตะวันตกเฉียงใต้ ความก้าวหน้าและวัสดุเหล่านี้ถูกค้นพบและใช้ทั่วโลก ผู้คนใน จีน และ สหราชอาณาจักร เริ่มใช้ทองสัมฤทธิ์โดยให้เวลากับทองแดงน้อยมาก ชาว ญี่ปุ่น เริ่มใช้ทองสัมฤทธิ์และ เหล็ก เกือบจะพร้อมกัน ในทวีปอเมริกาแตกต่างออกไป แม้ว่าชาวอเมริกาจะรู้จักโลหะ แต่จนกระทั่งการ ล่าอาณานิคมของยุโรป การทำงานโลหะสำหรับเครื่องมือและอาวุธกลายเป็นเรื่องปกติ เครื่องประดับ และ ศิลปะ เป็นการใช้งานหลักของโลหะในทวีปอเมริกาก่อนที่จะได้รับอิทธิพลจากยุโรป

ประมาณ 2700 ปีก่อนคริสตกาล การผลิตทองสัมฤทธิ์เป็นเรื่องปกติในท้องถิ่นที่สามารถรวบรวมวัสดุที่จำเป็นสำหรับการถลุง การให้ความร้อน และการทำงานกับโลหะ เหล็กเริ่มถูกถลุงและเริ่มมีความสำคัญในฐานะโลหะสำหรับเครื่องมือและอาวุธ ยุคที่ตามมาถูกเรียกว่า ยุคเหล็ก

ประวัติศาสตร์

ดูเพิ่ม: โลหะวิทยาเหล็ก

Le Marteleur โดย Constantin Meunier (1886)

คนงานกลึงเครื่องป้อมปราการกำลังตัดชิ้นส่วนสำหรับเครื่องบินขนส่งที่โรงงาน Consolidated Aircraft Corporation เมืองฟอร์ตเวิร์ธ รัฐเท็กซัส สหรัฐอเมริกา ในช่วงทศวรรษ 1940

ในช่วงยุคประวัติศาสตร์ของ ฟาโรห์ ใน อียิปต์ พระเวท ราชา ใน อินเดีย ชนเผ่าอิสราเอล และ อารยธรรมมายา ใน อเมริกาเหนือ รวมถึงประชากรโบราณอื่น ๆ โลหะมีค่า เริ่มมีมูลค่า ในบางกรณีมีกฎสำหรับการเป็นเจ้าของ การกระจาย และการ การค้า ซึ่งถูกสร้างขึ้น บังคับใช้ และตกลงกันโดยประชาชนในแต่ละภูมิภาค ในช่วงเวลาดังกล่าว ช่างโลหะมีทักษะสูงในการสร้างวัตถุประดับ ประติมากรรมทางศาสนา และเครื่องมือการค้าจาก โลหะมีค่า (โลหะไม่มีธาตุเหล็ก) รวมถึงอาวุธที่ทำจาก โลหะ และ/หรือ โลหะผสม ที่มีธาตุเหล็ก ทักษะเหล่านี้ถูกดำเนินการอย่างดี เทคนิคต่าง ๆ ถูกฝึกฝนโดยช่างฝีมือ ช่างตีเหล็ก ผู้ปฏิบัติงาน อาถรรพเวท นักเล่นแร่แปรธาตุ และช่างโลหะประเภทอื่น ๆ ทั่วโลก ตัวอย่างเช่น เทคนิค Granulation ถูกใช้โดยหลายวัฒนธรรมโบราณก่อนที่จะมีการบันทึกประวัติศาสตร์ว่าผู้คนเดินทางไปยังภูมิภาคห่างไกลเพื่อแบ่งปันกระบวนการนี้ ช่างโลหะ ในปัจจุบันยังคงใช้เทคนิคนี้และเทคนิคโบราณอื่น ๆ อีกมากมาย

เมื่อเวลาผ่านไป วัตถุโลหะกลายเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปและมีความซับซ้อนมากขึ้น ความต้องการในการได้มาและทำงานกับโลหะเพิ่มขึ้นในความสำคัญ ทักษะที่เกี่ยวข้องกับการสกัดแร่โลหะจากพื้นดินเริ่มพัฒนา และช่างโลหะก็มีความรู้มากขึ้น ช่างโลหะกลายเป็นสมาชิกที่สำคัญของสังคม โชคชะตาและเศรษฐกิจของอารยธรรมทั้งหมดได้รับผลกระทบอย่างมากจากความพร้อมของโลหะและช่างโลหะ ช่างโลหะพึ่งพาการสกัดโลหะมีค่าเพื่อสร้าง เครื่องประดับ สร้าง อิเล็กทรอนิกส์ ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และสำหรับการใช้งาน ภาคอุตสาหกรรม และเทคโนโลยีตั้งแต่ การก่อสร้าง ไปจนถึง ตู้คอนเทนเนอร์ขนส่ง ไปจนถึง ทางรถไฟ และ การขนส่งทางอากาศ หากไม่มีโลหะ สินค้าและบริการจะหยุดเคลื่อนที่ไปรอบโลกในระดับที่เรารู้จักในปัจจุบัน

กระบวนการทั่วไป

บรรทัดฉากผสม ใช้ในการถ่ายโอนลวดลาย

เวอร์เนียดิจิตอลใช้วัดความยาวสั้นอย่างแม่นยำ

งานโลหะโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสามประเภท: การขึ้นรูป, การตัด, และ การเชื่อมต่อ การตัดโลหะส่วนใหญ่ทำโดยเครื่องมือเหล็กความเร็วสูงหรือเครื่องมือคาร์ไบด์ แต่ละประเภทเหล่านี้มีหลายกระบวนการ

ก่อนการดำเนินงานส่วนใหญ่ โลหะจะต้องถูกทำเครื่องหมายและ/หรือวัด ขึ้นอยู่กับผลิตภัณฑ์สำเร็จที่ต้องการ

การทำเครื่องหมาย (หรือที่เรียกว่าการจัดวาง) คือกระบวนการถ่ายโอน ลวดลาย หรือ รูปแบบ ไปยัง ชิ้นงาน และเป็นขั้นตอนแรกของงานฝีมือการแปรรูปโลหะ การทำเครื่องหมายนี้มักทำกันในอุตสาหกรรมหรืองานอดิเรกหลาย ๆ ประเภท แม้ว่าในอุตสาหกรรม การทำซ้ำจะทำให้ไม่จำเป็นต้องทำเครื่องหมายแต่ละชิ้น ในพื้นที่งานโลหะ การทำเครื่องหมายประกอบด้วยการถ่ายโอน แบบแปลน ไปยังชิ้นงานเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับขั้นตอนต่อไปคือการตัดหรือการผลิต

คาลิเปอร์ เป็นเครื่องมือช่างที่ออกแบบมาเพื่อวัดระยะห่างระหว่างสองจุดอย่างแม่นยำ คาลิเปอร์ส่วนใหญ่มีขอบเรียบคู่ขนานสองชุดที่ใช้สำหรับการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในหรือภายนอก คาลิเปอร์เหล่านี้สามารถแม่นยำได้ถึงหนึ่งในพันนิ้ว (25.4 μm) เวอร์เนียประเภทต่าง ๆ มีกลไกที่แตกต่างกันในการแสดงระยะห่างที่วัดได้ เมื่อวัตถุขนาดใหญ่จำเป็นต้องวัดโดยมีความแม่นยำน้อยกว่า มักจะใช้ ตลับเมตร

แผนภูมิความเข้ากันได้ของวัสดุกับกระบวนการ

	วัสดุ
กระบวนการ	เหล็ก	เหล็กกล้า	อะลูมิเนียม	ทองแดง	แมกนีเซียม	นิกเกิล	โลหะทนไฟ	ไทเทเนียม	สังกะสี	ทองเหลือง	ทองแดงผสมดีบุก
การหล่อทราย	X	X	X	X	X	X			0	0	X
การหล่อแบบถาวร	X	0	X	0	X	0			0	0	X
การหล่อตาย			X	0	X				X
การหล่อที่ใช้การลงทุน		X	X	X	0	0				0	X
การหล่อแบบละลาย		X	X	X	0	0
การตีเหล็กแบบเปิดตาย		0	X	X	X	0	0	0
การตีเหล็กแบบปิดตาย		X	0	0	0	0	0	0
การอัดรีด		0	X	X	X	0	0	0
การตัดเย็น		X	X	X		0
การปั๊ม และ การวาดลึก		X	X	X	0	X		0	0
เครื่องสกรู	0	X	X	X	0	X	0	0	0	X	X
โลหะผง	X	X	0	X		0	X	0
คำสำคัญ: X = ใช้เป็นประจำ, 0 = ทำได้ยาก ต้องระมัดระวัง หรือเสียสละบางอย่าง, ว่าง = ไม่แนะนำ

แหล่งข้อมูลอื่น

• What's the Best Way to Cut Thick Steel?
• Schneider, George. "Chapter 1: Cutting Tool Materials", American Machinist, October, 2009
• Schneider, George. "Cutting Tool Applications: Chapter 2 Metal Removal Methods", American Machinist, November, 2009
• Videos about metalworking published by Institut für den Wissenschaftlichen Film. Available in the AV-Portal of the German National Library of Science and Technology.
• Evidences of Metalworking History Reference
•  Horner, Joseph Gregory (1911). "Metal-Work" . สารานุกรมบริตานิกา ค.ศ. 1911. Vol. 18 (11 ed.). pp. 205–215.