Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Transkrypt

1 Technologie wytwarzania metali Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

2 KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW Krzepnięcie - przemiana fazy ciekłej w fazę stałą Krystalizacja przemiana fazy ciekłej w fazę stałą o budowie krystalicznej. Ma podstawowe znaczenie w procesie kształtowania wyrobów metalowych na drodze odlewania Równowaga faz w układzie jednoskładnikowym

3 Zmiany temperatury w funkcji czasu chłodzenia od stanu ciekłego: 1-3 materiały krystaliczne, 4 materiał amorficzny

4 Krystalizacja przebiega przez zarodkowanie i wzrost zarodków krystalizacji: 1. zarodkowanie - powstawanie zarodków krystalizacji, czyli miejsc, od których kryształy zaczynają powstawać - zarodki krystalizacji zespoły bliskiego uporządkowania w fazie ciekłej o wielkości większej od krytycznej (kilkuatomowe skupiska fazy stałej o typowej dla niej strukturze krystalicznej), które rozrastając się powodują stopniowe przechodzenie fazy ciekłej w stałą. 2. swobodny wzrost pojedynczych kryształów zwany propagacją krystalizacji 3. reorganizacja warstwy powierzchniowej i powstawanie tzw. mikrostruktury krystalicznej, 4. zlepianie się pojedynczych kryształów w większe struktury.

5 Aby krystalizacja mogła się rozpocząć, procesowi temu musi towarzyszyć zmniejszenie się energii swobodnej układu. Jest to możliwe wówczas, gdy temperatura ciekłego metali spadnie nieco poniżej temperatury krystalizacji (Ts) tj. temperatury równowagi faz; ciekłej i stałej. Temperaturę, w której praktycznie zaczyna się krystalizacja, nazywamy rzeczywistą temperaturą krystalizacji (Tp). Natomiast różnicę między teoretyczną a rzeczywistą temperaturą krystalizacji nazywamy stopniem przechłodzenia ( T)

6 Szybkość krystalizacji zależy od: szybkości zarodkowania, tj. liczby zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy, liniowej szybkości krystalizacji, tj. szybkości przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej w jednostkach długości na jednostkę czasu.

7

8 Przy nieznacznym przechłodzeniu (małej szybkości chłodzenia) metal ma strukturę gruboziarnistą Ze zwiększeniem szybkości przechłodzenia liniowa szybkość krystalizacji wzrasta wolniej od szybkości zarodkowania, metal ma strukturę drobnoziarnistą Maksimum szybkości zarodkowania odpowiada większemu przechłodzeniu niż maksimum liniowej szybkości krystalizacji, metal osiąga w tym zakresie najmniejszą wielkość ziarna Przy bardzo dużych szybkościach chłodzenia szybkość zarodkowania i liniowa szybkość krystalizacji są równe zeru, metal posiada amorficzną strukturę szkła.

9 Zarodkowanie może być: homogeniczne, gdy prawdopodobieństwo powstania zarodka jest jednakowe w dowolnym miejscu układu. heterogeniczne, gdy funkcje zarodków przejmują obce, nierozpuszczone w cieczy cząstki faz stałych,

10 Zarodkowanie heterogeniczne Zarodki na obcym ciele stałym np.: ściany formy odlewniczej, cząstki zanieczyszczeń stałych w cieczy itp..

11 Wzrost zarodków osadzanie na jego powierzchni atomów z cieczy w pozycjach odpowiadających położeniom w sieci przestrzennej. Prawdopodobieństwo (teoretyczne) przyłączenia atomu do zarodka wzrasta w kolejności położeń: ściana 1, krawędź 2, naroże 3 (1,2,3- kierunkowe działanie wiązań). Najkorzystniejsze rzeczywiste warunki: stopnie na powierzchni w wyniku wyjścia na powierzchnię dyslokacji śrubowej. Warunek postępu krystalizacji: odprowadzanie ciepła krzepnięcia, które zmniejsza przechłodzenie.

12 Krystalizacja czystych metali - wzrost dendrytyczny Schemat wzrostu dendrytu (kryształu o kształcie drzewa): gdy w wyniku wydzielania ciepła krzepnięcia i zaniku przechłodzenia zostanie zahamowany szybki wzrost kryształu od A do B, kryształ zaczyna wzrastać w innym kierunku w miejscu dostatecznego przechłodzenia, np. od C do D.

13

14 Kolejne etapy krystalizacji: a) zarodki, b) dendryty, c) ziarna

15 Krystalizacja stopów cechy charakterystyczne skład fazy ciekłej i stałej zmieniają się w trakcie krystalizacji krystalizacja przebiega zwykle w zakresie temperatur (likwidus solidus) Zmiany temperatury metalu (1) i stopów metali (2) w trakcie krystalizacji Faza część układu o makroskopowo jednakowych właściwościach termodynamicznych (skład, budowa, właściwości), oddzielona od pozostałej części powierzchnią rozdziału granicą faz

16 Segregacja dendrytyczna - zróżnicowanie składu chemicznego w obrębie dendrytu lub ziarna fazy stałej, będące wynikiem krystalizacji w zakresie temperatur likwidus solidus

17 Różne zabarwienie odpowiada różnemu stężeniu składników stopu - segregacja dendrytyczna

18 Segregacja w skali makroskopowej - zróżnicowanie składu chemicznego w objętości odlanego elementu, będące wynikiem stopniowego krzepnięcia elementu oraz obecności cząstek niemetalicznych (siarczki, tlenki)

19 Struktura pierwotna struktura utworzona podczas krystalizacji. Charakter struktury zależy głównie od: szybkości chłodzenia obecności obcych wtrąceń, będących zarodkami krystalizacji Struktura pierwotna wlewka. Ziarna metalu o różnym kształcie i wielkości: 1- kryształy zamrożone, 2 kryształy słupkowe, 3 kryształy wolne (równoosiowe)

20 Porowatość powstała podczas krystalizacji np. w wyniku wydzielania się ze ciekłej stali dwutlenku węgla : FeO + C = CO 2 + Fe, czemu można zapobiec dodając odtleniacze. a) Stal uspokojona odtleniona dostateczną ilością Si, Mn, Al b) Stal półuspokojona częściowo odtleniona c) Stal nieuspokojona odtleniona w niewielkim stopniu Mn Jama usadowa Struktura pierwotna wlewka stali: a) uspokojonej, b) półuspokojonej, c) nieuspokojonej