Metalurgiak mineraletatik hasi eta pieza edo osagai metalikoa lortu arte eman behar diren pauso guztiak kontuan hartzen ditu. Gizarte modernoan metalen aplikazioa hain zabala denez, metalurgiaren esparruan oso desberdinak diren arloak sartzen dira. Hauen artean, ondokoak aipa daitezke:

• Metalaren lorpena, mineralean dagoen egoera naturaletik hasita. Meategietan aplikatu behar diren teknologiak minerala ateratzeko, lantzeko eta fintzeko kontuan hartzen dira.

• Aleazioen lorpena: metal gehienak (burdina, aluminioa, titanioa, etab.) aplikazio teknologiko ugarietan aleazioak osatuz erabiltzen dira. Aleazioek behar dituzten konposizio kimikoak lortzeko zenbait finketa eta prozesaketa konplexuen aplikazioa behar da.

• Metal eta aleazioen lanketa: ijezketa, forjaketa, estrusioa, estanpazioa eta abar.

• Pieza edo osagai metalikoek behar dituzten propietateak lortzeko tratamenduen aplikazioa (tratamendu termikoak, termofisikoak eta abar).

Duela gutxi arte minerala landuz metalak lortzea izan da metalurgiaren arlo garrantzitsuena. Gaur egun, aldiz, arlo hori bigarren mailan gelditu da eta metalen eta aleazio metalikoen propietateak hobetzea eta aplikazio berriak bilatzea da helburu nagusia. Horrela, prozedura berriei esker (hautsen teknologia, solidotze azkarra, etab.), azken urte hauetan aleazio berriak lortu dira. Era berean, metalen solidotze- eta konformazio-teknologiak eta tratamendu termomekanikoak gero eta gehiago ari dira lantzen eta hobetzen. Batzuetan, helburua propietateak hobetzea da eta, besteetan, produktibitatea igotzea eta produktuen kostua jaistea. Gainera, beste material batzuen erabilpena areagotzen ari denez, une honetan metalurgia materialen zientziaren adar gisa har daiteke, metalen zein material berrien prozesuak eta teknologiak askotan komunak direlako.

Metalurgiaren eboluzioa gizakiarenarekin batera joan da. Eboluzio horretan, garai desberdinak kontsidera daitezke. Ondoren, kronologia historikoa hartuta, garai bakoitzari dagozkion ezaugarri nagusiak aztertuko dira.

Kobrea eta brontzea

Naturan ia egoera puruan aurkitzen ziren metalekin hasi zen lanean gizakia. Horrela, hasieran kobreak garrantzi handia hartu zuen. Horren lekuko dira Neolito bukaeran aurkitutako aztarnak. Lehenengo fase batean, kobre natibozko partikulak hotzean lantzen ziren forma sinpleak lortuz (metal nobleekin, hau da, urrea eta zilarrarekin, gauza bera gertatu zen). Geroago, sutan urtzen eta moldetan isurtzen ikasten hasi zen gizakia. Horrela, erremintak egiteko aukera nabarmenki garatu zen. Era berean, suaren erabilpenak azurita eta malakita mineraletatik kobre likidoa ateratzeari bidea egin zion. Aldaketa teknologiko horri esker, kobrearen hornidura ez zen gehiago naturan egoera puruan aurkitzen zen kopurura mugatuko. Pauso honek lehenengo meategien eta horretarako beharrezko ziren langile espezializatuen sorrera ekarri zuen. Prozesu horrek denboran luze jo zuen eta K.a. 4. milurtekoa kontsideratzen da abiapuntu gisa metalaren produkzioaren ikuspuntutik.

Kobrearen ezaugarriak erresistentziaren aldetik oso mugatuak dira. Hori dela eta, brontzearen aurkikuntzak metalgintzaren aukerak nabarmenki zabaldu zituen. Brontzea kobrea eztainatuarekin proportzio desberdinetan konbinatzen denean lortzen da. Batzuetan bi elementu hauek eta artsenikoa batera izaten dira mineraletan eta, ondorioz, brontzearen aurkikuntza kasualitatez gertatu zela susma daiteke. Hau metalurgiaren historian zehar behin baino gehiagotan gertatu izan da. Beste elementu batzuk (beruna, zinka eta aluminioa) ere gehi daitezke ezaugarri desberdinak dituzten brontzeak lortzeko.

Txinaren kasuan, brontzezko piezen urtze-teknologiari lotu zitzaion. Aldiz, Europan eta Ekialde Ertaineko herri gehienetan bigunak diren kobrea, urrea eta electruma (zilar eta urrez osatutako aleazioa) metalak konformatzeari esker xaflak egiten hasi zen metalgintza. Prozedura honekin pieza sinpleak egin daitezke bakarrik, eta, ondorioz, herri hauetan forma konplexuak zituzten piezen garapena nabarmenki atzeratu zen, Txinak hartu zuen bidearekin alderatuz gero.

Brontze Aroa K.a. 2800 inguruan hasi zen Ekialde Ertainean. Txinan K.a. 1700ean hasi zela kontsideratzen da, Shang dinastiaren garaian, Ibai Horiaren inguruan Ipar Txinan (K.a. 1770etik K.a. 1100eraino). Kasu honetan garapen teknologikoaren ikuspuntutik brontzeak gailurra lortu zuen K.a. 1500. urtearen inguruan. Herri horretan, armagintzaz gain, tamaina handiko janaria prestatzeko ontziak eta erlijioarekin lotutako tresnak egiten ziren. Askotan artearen ikuspuntutik oso pieza landuak ziren eta erregeen eta goi-mailako agintarien eskutan soilik aurkitzen ziren.

Brontzezko ontzi txinatarra (K.a. 403-221)

Burdina

Burdinaren garapena kobrearena baino beranduago hasi zen, beharbada K.a. 4-5. milurtekoaren inguruan. Burdina, brontzeak baino propietate egokiagoak edukitzean, zenbait tresnaren eta armaren garapenean metal hori ordezkatzen hasi zen. Burdin oxidoak eta karbonatoak osatuz aurkitzen da naturan. Burdin minerala egur-ikatzez egindako sutan berotzen denean, burdin oxidoa hasten da oxigenoa galtzen. Horrela, hutsunez osatutako burdina-eduki handia duen produktu bat lortzen da. Masa hori labetik ateratzen da eta, kolpearen (forjaketaren) bidez lantzean, burdina forjatua lortzen da. Hasierako labeak oso sinpleak ziren, zulo bat lurrean besterik ez. Prozedura hau izan da, zenbait aldaketa eta hobekuntza teknologikorekin, mendeetan zehar burdina lortzeko garatu izan den bidea. Haizeolak eta zeharrolak dira honen lekuko.

Burdin minerala oso tenperatura altuetan berotzen bada —eta hau labe garaietan gertatzen da bakarrik—, burdina karbonoa xurgatzen hasten da eta urtu egiten da (metalaren urtze-tenperatura nabarmenki jaisten da karbono-edukia handitzen den heinean). Lortutako produktua burdinurtu izenarekin ezagutzen da. Gogorra eta hauskorra denez, ez du balio forjaketarako eta forma desberdineko moldeak betetzeko erabili izan da. Dirudienez, lehenengo labe garaiak Txinan eraiki ziren eta herri horretan burdinurtuzko piezen teknologia nabarmenki landu zen. Europan lehenengo labe garaia Suedian eraiki zen 1150-1350 inguruan.

Erdi Aroaren eta Industria Iraultzaren artean, metalurgiaren aurrerapen nagusia labe handiago eta eraginkorragoen eraikuntzarekin erlazionatu izan zen. Horrek metalen ekoizpena handitzea zuen helburu. 1500 eta 1700 artean pauso garrantzitsuak eman ziren, geroago Industria Iraultzari bide emateko. XVI. mendean, Europako mendebaldean helburu militarrak zituzten labe garaiak zabaltzen hasi ziren. Prozedura honekin burdinurtuak lortzen ziren kanoiak egiteko, azken finean brontzezkoak baino merkeagoak eta hobeak zirelako. Labe hauetan minerala, garbitua eta txikitua izan ondoren, labean sartzen zen egur-ikatzarekin batera.

Burdinazkoak ez diren metalen arloan, kobrea, zilarra, beruna eta eztainua aipa litezke. Kasu gehienetan, erregaia egur-ikatza izaten zen.

Garai honetan ere Georginus Agricolaren (1494-1555) De re Metallica liburua aipatu behar da. Liburu hau 1556. urtean argitaratu zen eta, mineralen erauzketatik hasita, garai hartan metalen lanketaren inguruan ezagutzen zena oso ondo deskribatu zuen Agricolak. Liburuak garrantzi handia eduki zuen hurrengo hamarkadetan.

Mirandaolako burdinola: Industria Iraultza hasi aurretik burdina produzitzeko ohiko prozeduraren adibidea

Industria Iraultza (1720-1850) eta altzairugintzaren garapenarena

Industria Iraultza hasi arte altzairua material garestia zen. Ekoizpena urria zenez, haren erabilpena pieza txikiak egitera mugatzen zen, nagusiki. Egituretan burdinurtua zen metal nagusia edo burdin forjatua. Horren adibide gisa munduan eraiki zen lehenengo zubi metalikoa aipa daiteke. Ingalaterran eraiki zen 1781. urtean eta ia 400 tonako burdinurtuz osatua zegoen.

Burdingintzaren ikuspuntutik, egur-ikatzak kokea erregai gisa ordezkatu zuen momentua kontsideratzen da Industria Iraultzaren hasiera. Hori 1709. urtean gertatu zen A. Darbyri esker (1678-1717). Aldaketa horrek nabarmenki jaitsi zuen burdin ekoizpenaren kostua. Hala ere, altzairuaren lorpenak, arrabiotik ala burdinatik hasita, konplexua eta neketsua izaten jarraitzen zuen.

1856. urtean Henry Bessemerrek (1813-1898) prozedura berri bat proposatu zuen arrabioa modu merke batean altzairu bihurtzeko. Horretarako, urtutako arrabioari airea sartzen zitzaion ezpurutasunak kentzeko eta karbono-edukia jaisteko. Nahiz eta muga batzuk eduki, Bessemer bihurgailuaren garapenak altzairugintza modernoari ateak ireki zizkion. Teknologia horrek zituen mugak gainditzeko, Siemens-Martin prozedura garatu zen garai berean. Bi prozedura horiei esker, altzairuaren ekoizpenak eta erabilpenak igoera jarraitua izan zuten.

Bessemer bihurgailua (iturria: Pello Uranga)

Garai hartan ere beroko ijezketa-trenen inguruan aurrerapen teknologiko asko garatu ziren. Altzairuzko barrak, errailak eta profilgintzarako formak hasi ziren kantitate handitan ekoizten, merkatu berrien beharrak asetzeko.

XX. mendean, altzairugintzan beste aurrerapen teknologiko garrantzitsu batzuk izan dira. Horien artean hauek azpimarra litezke:

• Oxigeno-bihurgailua: arrabiotik altzairua lortzeko Bessemer eta Siemens-Martin prozedurak ordezkatu ditu.

• Arkuzko labe elektrikoaren zabalkuntza: altzairua lortzeko txatarra lehengaia izanik burdin mineralaren ordez.

• Isurketa jarraituaren solidotzea (lingote-ontzietan izan ordez).

• Altzairutegi trinkoaren garapena (1989. urtean).

Beste zenbait metalen eklosioa

Ekoizpenaren aldetik burdina (burdinurtua), altzairua, brontzea eta latorria izan dira ia aleazio bakarrak mende askotan zehar. Egoera hau XIX. mendearen bukaeran hasi zen aldatzen. Adibidez, aluminioaren kasuan, 1900. urtean mundu osoan 8.000 tona bakarrik ekoiztu ziren.

Nikelaren kasuan, metal hau ere XIX. mendearen bukaeran hasi zen erabiltzen arlo teknologikoan. Nikelak korrosioarekiko oso portaera ona dauka eta hortik datoz metal honen aplikazio garrantzitsuenak. Ekoizpenaren erdia baino gehiago altzairu herdoilgaitzak lortzeko erabiltzen da. Horrez gain, erresistentzia handiko altzairuetan ere nikela aleazio-elementu garrantzitsua da.

Titanioaren eboluzioa ere antzekoa da. 1950. urtean oraindik ez ziren urtero 4.000 tona baino gehiago ekoizten, hau da, ia aluminioarekin mende hasieran gertatzen zen bezala. Hamarkada horretan hasi zen egiturazko materiala bezala erabiltzen, hasieran aeronautikan eta geroago industria aeroespazialean. Titanio-aleazioen ezaugarrien artean, korrosioarekiko eta erosioarekiko erresistentzia handia, eta erresistentzia versus pisuarekiko erlazio egokia aipatu behar dira. Industria aeroespazialean du gaur egun erabilpen nagusia eta horrez gain, gas-turbinetan, industria kimikoan, itsas aplikazioetan eta medikuntzan.

Beraz, aluminioa, titanioa, nikela eta horien aleazioak XX. mendean zehar garatu dira material teknologiko modura.

Munduko ekoizpena (× 1.000 tona)

Teknologiatik zientziara

Robert Cahnen iritziz (munduan zehar materialen zientziaren aitatzat kontsideratua, 1924-2007) XIX. mendearen bukaera arte metalurgia ez zen teknologia-mailara iristen. Haren ustez, ofizio bat besterik ez zen. Mendeetan zehar, metalurgiaren garapena esperientzian oinarritu izan zen, ezagutza belaunaldiz belaunaldi metatuz, batzuetan arrazionalak ez ziren irizpideekin nahastuta. XIX. mendea aurrera zihoan heinean metalurgiaren esparru desberdinak teknologiez, bai metodoz bai teknikaz, hornitzen hasi ziren. Eta XX. mendearen bigarren erditik aurrera materialen zientziaren etorrerarekin, metalen eta horien aleazioen garapena zientzia berri honen adar kontsidera daiteke.

Eboluzio honen abiapuntu bat aukeratzean, Henry Sorbyren (1826-1908) lana har daiteke. Ingeles horrek metalen egitura aztertzeko lehenengo analisi mikroskopikoak jarri zituen abian. Horretarako, mikroskopio optikoa egokitu zuen eta metalen gainazala leunduz, eraso kimiko egokien bidez kristal desberdinak bereizi zituen Sorbyk.

Sorby ez zen izan faseak bereizteko gai. Kontzeptu hori garai hartan oraindik ez zen ezagutzen. Horretarako, Gibbsek (1839-1903) XIX. mendearen bukaeran termodinamikaren inguruan egindako lan mardula kontuan hartu behar zen eta, horri esker, lehenengo aleazio metalikoen fase-diagramak garatu ziren. Hurrengo hogei urteetan laborategietan lan asko burutu zen oreka-diagrama bitarrak eta hirutarrak kalkulatzeko. Hauen lehenengo bilduma 1936. urtean argitaratu zen.

XX. mendeko lehenengo hamarkadetan metalen inguruko ezagutza nabarmenki sakondu zen. Horri esker, 1914. urtean, W. Rosenhainek (1875-1934) ospe handia hartuko zuen liburua argitaratu zuen An Introduction to the Study of Physical Metallurgy, izenburuan ere argi utziz metalurgian fisika aplikatua sartu zela (eta horrekin batera, fisika-ikerlariak). Hurrengo urteetan, X izpien difrakzioari esker, metalen egitura ulertzen hasi zen.

Joan den mendeko 50. hamarkadan beste pauso handi bat eman zen. Zenbait ikerlariri esker —haien artean Cottrell ingelesa—, metalurgia fisikoan lehenengo teoria kuantitatiboak, eta ez kualitatiboak bakarrik, garatzen hasi ziren. Garai hartan, aleazio metalikoak transmisiozko mikroskopia elektronikoaren bidez karakterizatzeko behar ziren teknikak eta teoriak ere garatu ziren Hirschi eta beste ikertzaile batzuei esker. Horrek metalen egituren ezagutzan ikaragarrizko aurrerapausoa ekarri zuen berekin

Hurrengo hamarkadan estereologiak edo metalografia kuantitatiboak ikusi zuen hasiera DeHoff eta Rhines iparramerikarren eskutik. Pauso horrek metalen propietateak mikroegiturarekin erlazionatzeko bidea erraztu zuen eta aleazio berrien diseinuari hasiera eman zion.

Aleazio metalikoen ezaugarriak ezagutzeko tresnen garapena ez da gelditu. Transmisiozko mikroskopio elektronikoaz gain, 60. hamarkadan ekorketazko mikroskopio elektronikoa (SEM, scanning electron microscope) hasi zen erabiltzen material metalikoekin. Gero etorriko ziren atzera sakabanatutako elektroien difrakzioa (EBSD, electron backscatter diffraction), ardaztutako ioi-sorta (FIB, focused ion beam) eta zunda atomikozko tomografia (atom probe tomography). Hau da, gaur egun materialen zientziaren inguruan eskura dauden tresna garrantzitsuenak.

Ardaztutako ioi-sortazko mikroskopio elektronikoa (iturria: CEIT)

Amaitzeko, material metalikoen arloan, beste materialekin gertatzen ari den bezala, modelizazioak garrantzi handia hartu du, bai aleazio berrien diseinuaren unean, baita prozesu industrialen optimizazioan ere.

Metalurgiaren erronka berriak

Hasiera-hasieratik metalurgia gizakiaren betebeharrei lotua izan da eta gauza bera gertatzen da gaur egun ere. Metalurgiari eskatzen zaizkion erronken artean hauek aipa litezke:

• Mineraletatik metalak lortzeko gutxiago kutsatuko duten eta energia gutxiago kontsumituko duten prozesu berrien garapena.

• Aleazio metalikoen garatzeko eta lantzeko prozesu industrial trinkoagoak (merkeagoak eta energia gutxiago kontsumituko dutenak).

• Propietate egonkorragoak izango dituzten aleazio eta prozesu industrialen garapena.

• Aleazio berrien garapena, energia- eta garraio-arloetan datozen urteotan izango diren betebeharrak asetzeko (tenperatura altuagotan eta epe luzeagotan lan egiteko gai izango diren aleazioak, aleazio arin berriak…).