ทำความรู้จักโลหะวิทยา นักโลหะวิทยาคืออะไร? มีที่มาอย่างไรบ้าง?

โลหะวิทยา (Metallurgy) หมายถึง การนำความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์แขนงที่เกี่ยวข้องกับโลหะไปใช้ประโยชน์ในทางอุตสาหกรรม ซึ่งแขนงความรู้ดังกล่าวเป็นหัวใจสำคัญในการศึกษาเกี่ยวกับโลหะต่างๆ ที่จะอธิบายถึงวิธีการแยกแยะโลหะ กระบวนการทำสินแร่ให้เป็นโลหะบริสุทธิ์ รวมไปถึงการแบ่งประเภทโลหะ มากกว่านั้นวิชาโลหะวิทยายังทำการศึกษาในทาง พฤติกรรม คุณสมบัติ และโครงสร้างภายในของโลหะ เมื่อศึกษาและทำความเข้าใจแล้วจึงจะสามารถนำความรู้ดังกล่าวไปประยุกต์ใช้ไห้ผลที่มีประสิทธิภาพ สำหรับการสร้างหรือคิดค้นคุณสมบัติของโลหะให้เหมาะสมต่อการนำไปใช้งานเฉพาะด้านต่างๆ ได้

ประวัติของวิชาโลหะวิทยา อ้างอิงจากหลักฐานทางธรณีวิทยากล่าวว่า โลกที่มีอายุประมาณสามพันล้านปีนี้ ได้เกิดมนุษย์ขึ้นในช่วงสองล้านปีก่อน โดยที่มนุษย์อาศัยอยู่บนเปลือกโลกมาตั้งแต่ยุคดึกดำบรรพ์ ซึ่งเปลือกโลกดังกล่าวนั้นได้กลายเป็นแร่ธาตุที่มีคุณค่าอย่างมากมายในยุคปัจจุบัน เปลือกโลหะชิ้นหนึ่งเกิดจากการผสมรวมกันของโลหะมากมายหลากหลายชนิด มักรวมอยู่กับอะตอมของธาตุโลหะ ซึ่งเป็นรูปที่ยังไม่สามารถนำมาใช้งานได้ ตัวอย่างเช่น ออกซิเจน หรือสารอื่นๆ เช่น หิน และดิน จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้มนุษย์ได้คิดค้นในการแยกธาตุต่างๆ ออกจากกันได้

ตั้งแต่สมัยโบราณมานั้น มนุษย์ได้ทำการคิดค้นและทำการเรียนรู้แบบลองผิดลองถูกในการแยกแร่ธาตุ รวมไปถึงการค้นหากระบวนการถลุงแร่ เพื่อจะนำวิธีการเหล่านั้นไปประดิษฐ์เป็นภาชนะ เครื่องประดับ อาวุธ และเครื่องกลต่างๆ โดยโลหะที่เกิดอย่างบริสุทธิ์ตามธรรมชาติมักถูกเลือกนำมาใช้ในกระบวนการผลิต ตัวอย่างเช่น ทอง เงิน และทองแดง โลหะดังกล่าวนี้เป็นโลหะจำพวกที่มีจำนวนน้อย หากนำไปเทียบกับปริมาณของโลหะและแร่ธาตุชนิดต่าง ๆ บนเปลือกโลก ซึ่งปัจจุบันสามารถดูได้จากตารางแสดงปริมาณแร่ธาตุที่มีในเปลือกโลก

นักโลหะวิทยา (Metallurgists) เป็นอาชีพที่ทำการศึกษาวิชาเกี่ยวกับโลหะ มีหน้าที่ศึกษาและตรวจสอบระดับโครงสร้างภายในของโลหะในเชิงลึก เพื่อทำการคิดค้น พัฒนา และแก้ไขข้อบกพร่องของโลหะที่อยู่ภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันให้มีความเหมาะสม รวมไปถึงการเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานเฉพาะด้านทางอุตสาหกรรมของโลหะ

การศึกษาเกี่ยวกับโลหะ แบ่งออกเป็น 2 ประเภท

1. การศึกษาโลหะประเภทเหล็ก (Ferrous metallurgy)  คือโลหะที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นเหล็ก
2. การศึกษาโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (Nonferrous metallurgy) คือโลหะที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่เป็นธาตุโลหะอื่นๆ ที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น ไทเทเนียม อลูมิเนียม หรือทองแดง เป็นต้น

เหล็ก สามารถแยกไปเป็น 2 ชนิด ได้แก่ เหล็กบริสุทธิ์ (Iron) และเหล็กกล้า (Steel) ซึ่งเหล็กกล้านั้นเกิดจากการนำเหล็กบริสุทธิ์มาเพิ่มองค์ประกอบธาตุอื่นๆ เข้าไป มีกรรมวิธีคือการนำเหล็กบริสุทธิ์มาหลอมเหลวแล้วเติมธาตุต่างๆ ลงไปในเหล็กหลอม เพื่อให้กลายเป็นเหล็กกล้า เป็นการเพิ่มคุณสมบัติรวมทั้งการปรับสภาพของเหล็กให้สามารถนำไปใช้งานได้ตามความต้องการและความเหมาะสม โดยเหล็กทั้งสองชนิดดังกล่าวนี้เป็นส่วนประกอบส่วนมากของโลหะประเภทเหล็ก

ผู้ที่เหมาะจะนำไปใช้

สิ่งที่ต้องคำนึงในการทำอุตสาหกรรมเกือบทุกประเภทในยุคใหม่นั้นมีมากมายหลายด้าน โดยเฉพาะความรู้ทางด้านโลหะวิทยา เพราะเครื่องจักรที่ถูกผลิตขึ้นจากเหล็กนั้นมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการทำงานอุตสาหกรรม การศึกษาพฤติกรรม คุณสมบัติ และโครงสร้างของโลหะ จึงทำให้การผลิตชิ้นส่วนเครื่องกลได้คุณภาพและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ดังนั้น ความรู้เกี่ยวกับกระบวนการทางด้านโลหะวิทยาจึงจำเป็นสำหรับองค์กรอุตสาหกรรมต่างๆ ที่ต้องการวางแผนงานในอนาคต เพื่อให้ได้ผลผลิตและผลงานที่ออกมามีคุณภาพ และมีคุณค่ามากที่สุด ตัวอย่างผู้ที่เหมาะในการนำความรู้ทางด้านโลหะวิทยาไปใช้ในการทำงาน ได้แก่วิศวกร นักออกแบบ ช่างควบคุมเครื่องจักร นักทำโมลและแม่พิมพ์ (Tool & Die) นักทำพิมพ์เขียว (Drafters) และช่างเทคนิค อาชีพดังกล่าวนี้จำเป็นต้องใช้ทักษะสำหรับการเลือกใช้วัสดุ และกระบวนการปรับปรุงเหล็กเพื่อใช้สำหรับงานต่างๆ มากกว่านั้นผู้จัดการฝ่ายผลิตและฝ่ายจัดซื้อก็ควรที่จะมีความรู้เกี่ยวกับความความยืดหยุ่นตัว (Ductility) การอบปกติ (Normalizing) ความแข็ง (Hardness) ชุบผิวแข็งและอื่นๆ ที่จะเป็นประโยชน์สำหรับการวางแผนการผลิต รวมไปถึงการเลือกซื้อวัสดุให้เหมาะสมในกระบวนการผลิตเพื่อให้ได้ผลงานที่คุ้มค่าและมีคุณภาพมากที่สุด

ตัวอย่างปัญหาการใช้เหล็กในอุตสาหกรรม

ใบมีดตัดกระดาษไม่มีความคม จึงทำให้การตัดกระดาษไม่เรียบ เป็นขุย และมีรอยบิ่น ซึ่งใบมีดสำหรับตัดกระดาษในอุตสาหกรรมนั้น ควรเป็นใบมีดที่ความคม มีการติดตั้งที่แน่นหนา และแข็งแรงเพียงพอสำหรับงานตัดกระดาษ

วิธีแก้ปัญหา

การชุบแข็ง (Quenching) เป็นกระบวนการทางโลหะวิทยาที่ถูกนำมาใช้แก้ปัญหา โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างใบมีดเพื่อทำให้ใบมีดมีความแข็งแรงคมมากขึ้น และสามารถใช้งานหนักในอุตสาหกรรมได้ มีวิธีการคือการนำใบมีดที่อยู่ในอุณหภูมิสูงในเตาอบ ไปจุ่มกับของไหล เช่น น้ำมัน น้ำ อากาศ หรืออื่นๆ ซึ่งกระบวนการการชุบแข็งในน้ำสำหรับมีดตัดกระดาษที่มีความบางอย่างมากนั้น เมื่อชุบแข็งแล้วจะทำให้ใบมีดบิดตัว การชุบแข็งด้วยอากาศ (Air quenching) จึงเป็นกระบวนการที่ถูกนำมาใช้ทดแทนสำหรับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของใบมีด วัสดุที่ใช้ทำใบมีดที่เป็นเหล็กกล้าผสมด้วยเครื่องมือที่สูงกว่า เมื่อทำการชุบแข็งด้วยอากาศแล้วจะทำให้ได้ใบมีดที่บิ่นได้ยาก และมีความคมมากขึ้น

มากกว่า 5,000 ปีมาแล้วที่เหล็กได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในกระบวนการผลิตต่างๆ ซึ่งเกิดจากการลองผิดลองถูกด้วยกระบวนการทางโลหะของมนุษย์ เริ่มต้นจากการนำเหล็กมาเอามาทำอาวุธ เช่น หอก ดาบ เสื้อเกราะ และอื่นๆ ต่อจากนั้นได้ถูกพัฒนาขึ้นสำหรับการประดิษฐ์ยานพาหนะ และการผลิตเครื่องประดับ แล้วจึงเริ่มมีการทำการทดลองและจดบันทึก จนได้เทคโนโลยีทางโลหะวิทยาที่มีความก้าวหน้ามากยิ่งขึ้นจนถึงปัจจุบันและต่อไปในอนาคต