Technologie wytwarzania metali

• Odlewanie

• Metalurgia proszków

• Otrzymywanie monokryształów

• Otrzymywanie materiałów superczystych

• Techniki próżniowe

KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW

Równowaga faz w układzie jednoskładnikowym

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

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

• 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 krystalizacji3. reorganizacja warstwy powierzchniowej i powstawanie

tzw. mikrostruktury krystalicznej, 4. zlepianie się pojedynczych kryształów w większe

struktury.

•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)

•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.

• 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.

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,

Zarodki na obcym ciele

stałym np.: ściany formy

odlewniczej, cząstki

zanieczyszczeń stałych w

cieczy itp..

Zarodkowanie heterogeniczne

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.

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.

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

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

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

Różne zabarwienie odpowiada różnemu stężeniu składników stopu

- segregacja dendrytyczna

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

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)

Struktura pierwotna wlewka stali: a) uspokojonej, b) półuspokojonej, c) nieuspokojonej

Porowatość powstała podczas krystalizacji – np. w wyniku wydzielania się ze ciekłej stali dwutlenku węgla : FeO + C = CO2 ↑+ 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