Støpte metaller

1. Støpte metaller • De fleste metallprodukter er støpt og mekanisk bearbeidet • Ca 20 % brukes som støp i den form de er utstøpt • Kvaliteten på sluttproduktet er avhengig av støpeprosessen

2. Egenskaper til støp • De er avhengig av seigring av elementer • Mikrostrukturen til støpen - kornstørrelse - type, mengde og fordeling av sekundær faser • Mikrodefekter - porøsitet - defekter som tvillinger og inneslutninger - Formfyllingsegenskaper

3. Dendrittisk størkning Sn-20%Pb Tinndendritter

4. Fe-0,6% C Typisk størkningsforløp;

5. Typisk dendrittisk størkning av metall-legering

6. Typisk dendrittisk størkningEffekten av diffusjon i fast fase Diffusjon utjevner konsentrasjonen, og kan forhindre utfelling under størkning

7. Lengden av dendritter Smelte Tupp • Lengden av dendritter: L = (Ttupp-Tbase) / G • Der G= midlere T-gradient i to-fase dendritt • Ttupp ≈ T liquidus • Fryseintervallet for legering: • Tf = Tliquidus – Tbase •  L= Tf / G • Tf går gjennom et maksimum for en sammensetning noe lavere enn Cα • Tf er hovedsakelig bestemt av fasediagrammet A-B • Hvis det dannes eutektikum bak fronten med dendritter, er Tbase ≈TE

8. Lengden av dendritter II • Størrelsen er avhengig av to faktorer: • Størkningsintervallet Tf som er hovedsakelig bestemt av avstand mellom liquidus og solidus. • Lav partisjonskoeffesient, stor L-verdi • Varmetransport i legeringen - for eksempel øker sand digler L ved å redusere transporten vekk av varme sammenlignet med metalldigler - L øker for materialer med lav eutektisk temperatur kontra de med høy. • De fleste Al - og Mg – legeringer har høy L-verdi • Stål har lav L-verdi

9. Struktur til støp 1. Kjøle sone 2. Søylekrystaller 3. Ekviaksete korn 2 1 3 Vegg

10. kjølesonen

11. Søyleformede krystaller Noen krystaller har fordelaktig orientering og vokser raskt Kubiske metaller: <100>-retninger

12. Søyleformede krystaller II • Magnetiske materialer Slike materialer er anisotrope mht. magnetisk induksjon Magnetisk induksjon er størst i <100> retninger Magnetiske materialer kan størknes ved å plassere kjøling i bunnen av en ovn, og så foreta rettet størkning fra bunn til topp • Da får man søylekrystaller gjennom hele støpen. Krystallene er opplinjert med <100> langs hovedaksen • Denne teknikken er brukt til å lage spesielle magneter og anvendes i produksjon av høytalere.

13. Ekviaksete korn • I sentrum av smelte i en digel eller støpeform, er det som regel et større antall små korn. • Antallet ekviaksete korn øker med tiden, og vil mot slutten av størkningen effektivt blokkere vekst av søylekrystallene. • Mange av de ekviaksete kornene er dendritter som er revet av de voksende dendrittene under størkning. • Hvis vi skal få en støp med ekviaksete korn, må: 1. Kornene må produseres eller transporteres til sentrum av smelten 2. De må ikke ble resmeltet i sentrum av digelen

14. Kilder til ekviaksete korn Digel Vanlig støping: Smelten kjøles fra veggene. Da oppstår naturlig konveksjon. Dendrittene er trange ved ”roten” av stammen.

15. Tre kilder til ekviaksete korn II • Dendritter som er dannet ved digelveggen blir revet av og ført inn i smelten med konvektive strømninger. • Etter at søylesonen er dannet, kan dendritter bli revet av og ført inn mot sentrum . • Alternativt: Sekundær eller tertiær dendritter har høyere konsentrasjon, og dermed også lavere smeltepunkt. Ved T-variasjoner kan deler av disse resmeltes, og dendritter med lavere konsentrasjon av tilsatselementer blir ført inn i smelten. • Heterogen kimdannelse på partikler i smelten. Hvis smelten er underkjølt i sentrum, kan slike kim bli aktive. • Eksempel: Al størkner på TiB2-kim i smelte. Et overskudd av Ti i smelten kontrollerer at Al-kornene vokser med passende hastighet.

16. Ekviaksete korn i Al-4%Curef: Guocai Chai, Stockholm 0,001 %Ti 0,1 %Ti

17. Størkning av vann-amoniakkklorid blanding

18. Støping av stål i 10cm –tykk kokille Konsentrasjonsprofiler rett etter helling, og på et senere tidspunkt. Smelten kjøles fra veggen og mot sentrum av digel. Smelten hadde en over-T på 86 °C under helling.

19. StørkningEtter kort tid vil smelten strøkne med en fast verdi nær C=C0, og strøkningen vil være som avlange søyler.Temperaturen vil være nær smeltetemperaturen for C=C0.

20. Størkning og ekviaksete korn • Korn dannet med en lav konsentrasjon C<Cbase i starten av størkningen, kan bli ført inn i sentrum av smelte og blir stabile om de overlever første fase av størkningen der smelten kan ha en overtemperatur • Dendritter kan bli revet ut i smelten fra søylesonen. Disse kan overleve en liten overheting, men ikke store • Legeringer med stort størkningsintervall. Slike materialer har lange dendritter som er meget sprø, og som kan bli fragmentert og ført inn i sentrum av smelten • Sandstøp der lave GA-verdier fremskaffer lange, skjøre dendritter • Legeringer med lavt smeltepunkt • Rask blanding av smelte: a) raske konvektive bevegelser fremmer fragmentering av dendritter b) overheting forsvinner raskt, og dermed er det stor sjanse for overlevelse av dendritter

21. Størkning med (a) korte dendritter eller (b) lange dendritter

22. Størkningav smelter med korte dendritter • Det skjer med materialer: a) lite størkningsintervall b) Høy temperaturgradient dvs. stor GA=(dT/dZ) Eksempler: Fe-C legerninger med lav C-mengde lavt legerte stål, aluminium bronse og manganbronse. Alle disse materialer har en lav varmeledningsevne

23. Støping av materialer med lange dendrittereller omfattende smørsone • I dette tilfelle dannes det temmelig omgående dendritter. • Ekviaksete jorn kan dannes temmelig omgående ved veggen • Slike materialer er karakterisert ved at de har: (a) stort størkningsintervall (b) lav G-verdi: GA=(dT/dZ) Materialer som gir smørsoner: Al- og Mg-legeringer, fosfor-bronse og rød messing. Samtlige materialer har høy varmeledningsevne

24. Varmeledningsevne: s Smeltevarme: L Når to smelter av to ulike metaller størkner med samme hastighet, vil metallet med høyest varmeledningsevne ha lavest verdi for G (=dT/dz), og dermed de lengste dendrittene (i sonen med avlange dendritter) Al- og Cu-legeringer har i regelen lengre dendritter enn messing og stål.

25. Seigringer i støp Støp Smelte • Elementer kan seigre foran størkningsfronten over lange distanser Det gir opphav til makroseigringer • Elementer kan seigre mellom dendritter og dendrittarmer. Det gir opphav til mikroseigringer

26. Makroseigring • Det er fire forhold som kan lede til makroseigring: 1. Krymping pga. størkning og termisk kontraksjon 2. Variasjon i tetthet den interdendrittiske smelten 3. Tethettsforskjeller mellom smelte og fast stoff 4. Konvektive strømninger som er laget temperaturforskjeller og tetthetsvariasjoner i smelten %Volumendring på grunn av størkning: Al 6 % Mg 5.1 % Cu 4.1 % Fe 2.2 %

27. Makroseigring II • Krymping under størkning kan gi opphav til makroseigring • Når en sylinderisk prøve blir laget i en kokille, størkner materiale fra veggen og innover. Ved sentrum vil man få en opphopning av elementer (ihh. Størkningsligningene). Den makroseigringen er ofte ikke spesielt stor for lavtlegerte materialer. • Når metallet størkner, kan det oppstå hulrom mellom søylekrystallene pga. kontraksjon av fast fase. Det kan føre til at smelte pipler ut gjennom ytre støpevegg. Denne smelten er rik på tilsatsstoffer. Fenomenet kalles omvendt seigring

28. Invers seigring Invers seigring stor For materialer med vidt frysesone som Al-Cu og Cu-Sn

29. Effekt av tyngdekraften • Strømning mellom dendritter kan ble laget av tyngdekraften • Støp ut en Al-Cu legering • Da øker tettheten på smelten pga. økende kobberinnhold • Da kan ”tung” smelte synke foran størkningsfronten pga. konveksjon og temperaturdifferenser • Effekten av makroseigring kan være reduksjon i mekaniske egenskaper • Homogenisering kan være uaktuelt pga at den tar for lang tid.

30. Mikroseigring Det blir seigringer mellom dendrittarmene og er typisk av størrelse 0,015-0,15 mm. Seigringsforholdet er definert:

31. Mikroseigring II • Mikroseigring blir i regelen fjernet ved homogenisering av støp ved høy temperatur • Typiske seigringsforhold i noen stål: Avstand fra kokillevegg SR Materiale (cm) 4 – 14 1,4 - 1,8 Mn i 4340-stål 4 – 14 1,6 - 1,6 Ni i 4340-stål 1 - 12 3,8 - 4,2 Cr i 521000 stål 1 - 10 1,3 – 1,4 Ni i Fe-10% Ni

32. Homogensiering • Hvor lang tid tar det å for atomene å bevege seg fra stedet med maks. verdi til min verdi? I Diff-kapitlet viste vi at: • R2 = 6 Dt • Distansen R settes lik  dvs. avstanden mellom max. og min. punkter. Da blir homogenseringstid: t = 2 /6D

33. Homogenisering II • Hvor lang tid tar det å kvitte seg med seigringer mellom dendritter? • Anta at konsentrasjonsvariasjonen ved t=0 kan skrives som en sinusbølge: • C(Z,0) = C0 + A0 sin (Z/) • Bølgen blir over tid dempet ved å følge Ficks annen lov: D (2C/Z2) = C/t Anta at løsningen av diffligningen kan skrives på formen: C(Z,t) = A + A0 sin (Z/)*f(t) Innsatt i Ficks lov gir det: -D (/)2 * A0 sin (Z/) * f(t) = A0 sin (Z/) * f’(t) eller -D (/)2 * f(t) = f’(t)

34. Homogenisering III • Omformet blir diffligningen: • -D (/)2 * dt = df/ f(t) • Intergrering fra tiden t=0 til tiden t: f(t) = f(0) * exp (-D *(/)2*t) • Innsatt i originalligningen, blir konsentrasjonen i materialet: C(Z,t) = C0 + A0 sin (Z/) * exp (-D *(/)2*t) • Forskjellen mellom konsentrasjonen maks og min verdi blir: C(/2) – C(0) = A0 exp (-D *(/)2*t) • Denne ligningen forteller hvor kjapt sinusbølgene blir dempet.

35. Homogenisering IV • Hvor lang tid tar det før konsentrasjonsbølgen blir 1% av opprinnelig verdi? • t(99% dempning) = 0,467 * 2/D Al-legeringer Sekundære dendrittarmer

36. Homogenisering IV Al-legeringer Avstanden mellom sekundær dendritter avtar langsomt med størkningshastigheten Homogeniseringstiden er sterkt avhengig av dendrittarmavstandene, og den kan bli redusert betydelig ved en rask avkjøling

37. Porøsitet • Det er tre kilder til porøsitet i metall: 1. Kaviteter som skyldes utilstrekkelig fylling 2. Mikroporøsitet som smørsonen under størkning 3. Gassporer som skyldes for mye H, N eller CO2 eller andre gasser i metall

38. Hulroms kaviteter Utilstrekkelig mater Passende mater • Vi skal lage en støpt blokk og anvender et stigerør. Metallet størkner fra veggen • Pga. innsnevringer i form blir det dannet broer i form (a), men ikke i form (b) ved tiden t =t2. I den første formen kan det bli dannet hulrom fordi støpen blir mindre i volum (V). • Effekten kan unngås med passende matere og stigerør

39. Passende mating under støping • Generelt prinsipp for mating: En åpen kanal med smelte må det være mellom alle metall kilder og til alle størkningsfronter Dette gir store utfordringer når man ønsker å lage komplekse støp som kirkeklokker i bronse, indianerhoder i aluminium eller bildeler

40. Mikroporøsitet Mating med smelte • Smelte helles i form. Størkningen skjer fra vegg, og det dannes dendritter • Størkningen skjer mot høyre, og store dendritter beveger seg gjennom smelten • Det skjer et trykkfall for smelten når det beveger seg fra 2 til 1 pga at metallet krymper et volum V: P = P(2)-P(1)

41. Mikroporøsitet II • Det antas at smørsonen (mushy region) består av n kanaler med radius R. Det gir en endring i trykk: Justeringsfaktoren skyldes at man har krumme kanaler i smørsonen. Trykket i punkt 2 vil være nær 1 atmosfære (pluss det metallostatiske trykket). Trykket i punkt 1 vil være et undertrykk: P(1) = P2 - P > P* Det vil kunne dannes gassporer når trykket kommer under en kritisk verdi P* på grunn av gassatomer i smelten

42. Mikroporøsitet III • Mikroporøsitet kan dannes når: 1. Metallet inneholder meget gassatomer. Slike atomer har en tendens til å lage porer heterogent på vegger og store inneslutninger 2. Metallet krymper under størkning. Det lages lange tynne ”tunneler” som er opphav til et stort trykk under siste deler av størkningen. Man kan unngå mikroporøsitet ved å støpe under høye trykk (høy P2), ved å gasse ut smelte ved hjelp av vakuum. Det er en tendens til mer mikroporøsitet i Al sammenlignet med stål pga. lange dendritter i aluminium

43. Mikroporøsitet IV • Typiske størrelse på mikroporer: 5-10 µm i støp med søylekrystaller 25 µm i støp med ekviaksetete korn

44. Mekaniske egenskaper til støp • Det er fire variable som styrer de mekaniske egenskapene til støp: 1. Porøsitet 2. Nærvær av sekundær faser 3. Avstanden mellom dendritter 4. Kornstørrelse

45. Effekt av porøsitet • Stål AISI 4130 Porøsitet målt indirekte med tetthetsanalyser • Høy porøsitet (lav egenvekt): - Lav duktilitet - Lav bruddspenning Gløding ved høy temperatur gir større duktilitet Stål: Fe-0,25 C -0,3 Si – 0,5 Mn – 3,1Cr – 0,4 Mo

46. Effekt av utfellinger på mekaniske egenskaper • Intermetalliske partikler, 1-20 µm, gir en lav duktilitet og en redusert styrke • Ved homogenisering ved høy temperatur kan denne effekten reduseres ved at partikler som Al2Cu går i løsning Legering: Al-5,7%Zn – 2,3%Mg- 1,3%Cu

47. Effekt av dendritter på mekaniske egenskaper Eksempel: Al-legering blir rettet størknet, homogenisert 10 timer ved 540 °C og herdet i 3 timer ved 160 °C. De mekaniske egenskaper ble målt for prøver tatt ulik avstand fra kokillevegg Duktiliteten var markant bedre for prøver tatt ved veggen. Dette skyldes at inhomogeniteter var fjernet under gløding ved høy temperatur. Legering A356: Al-7%Si- 0.5%Mg- 0.15%Ti

48. Effekten av kornstørrelse • Petch ligning for maks spenning i legeringer med kornstørrelse D:   1/ D Dvs. stor styrke for små korn • Effekten kan ødelegges ved: 1. økt porøsitet 2. Porøsitet som ligger i sjikt 3. Økt volum av store sekundær faser 4. Store dendritter

49. Effekten av kornstørrelse II Effekten av kornstørrelsen på styrke (tensile strength) og duktilitet til en Al- 4,5%Cu legering. NB! Det er vanlige å lage kommersielle Al-produkter med kornstørrelse 0,1-0,2 mm.

50. Effekt av kornstørrelse III • I noen anvendelser ønsker man store korn. • Årsak: korngrenser svekker motstanden mot siging ved høy temperatur. • Derfor lages det turbinblader av enkrystaller. Sigeegenskaper til ulike materialer av Ni-legeringen MAR-M200 testet ved 970 °C og 195MN/m2 Prøver ble konvensjonelt støpt, retningstørknet eller laget som enkrystaller.