Størkning

1. Størkning • Strøkning av rene metaller og kimdannelse • Størkning av legeringer • Størkning av eutektiske legeringer • Støpte metaller

2. Støping • Dette er en sentral prosess fordi de fleste metallurgiske fremstillingsprosesser starter med at man lager en smelte • Skal man ha produkter med høy kvalitet krever det i regelen at man starter med RENE råstoffer • Industrien opererer med en serie ulike støpeprosesser som krever at man har reproduserbar størkning for å få produkter med JEVN kvalitet • Det er utviklet prosesser som gir ekstrem høy produktivitet

3. Støpeprosesser smelte • DC-støping A. Sylinderiske støp med diameter fra 50 mm til 1 m B. Blokker med størrelse 1m x 3m og vekt opp til 30 tonn Al eller 50 tonn stål • Båndstøping • Presstøping • Trådstøping • Hurtigstørkning; tynne nåler, tråd eller bånd ca 0,1 µm tykke støp Vals Vals

4. Størkningskim i rene metaller • Store smelter (1 kg og mer): Metaller med enkel struktur; max underkjøling T: 1-2 K Metaller med kompleks struktur; max underkjøling T: 5-15 K • Små smelter (< 1g) Stor underkjøling for Bi: 90°C, Ag: 227°C, Au: 40°C, Ni: 319 °C • Større mengder i flytende glass: Stor underkjøling for Bi: 102°C, Ag: 250°C • Levitasjon av smelte i H-atmosfære Stor underkjøling av Ni: 480 °C

5. Ved smeltepunkt: • Cp for Cu, Fe, Sn, Pb. Al: 3,6% • GB= L*(T/Tm) = Sm*  T • Kritisk radius til kim: • r* = -2/ GB = -2/ (Sm T) • I praksis ved størkning: I de fleste tilfelle heterogen størkning Illustrasjon på homogen nukleering ved en temperatur der kritisk radius er lik Max agglomeratstørrelse

6. Typisk størkningsforløp med heterogen nukleering Størkning av Al-10%Si-0-5%Mg • Temperaturen i smelten avtar • Ved en temperatur starter kimdannelsen • Deretter øker temperaturen pga frigjøring av latent varme • Temperaturen er konstant så lenge størkning pågår • Temperaturen synker på ny når størkningen er ferdig Al Eutektikum

7. Ad størkning • Flytende metall kan kan få superkjøling pga. energibarriere ved kimdannelse av fast stoff • Fast stoff blir aldri overopphetet fordi det er ingen energibarriere -Fuktningsvinkelen mellom smelte og fast stoff er null og overflateenergien SL + LV  SV • Kimdannelse under størkning er nesten alltid heterogen

8. Størkning av rene metaller • Vi har en stang som er delvis smeltet • Det skjer to atomære prosesser: • Krystallatomer  smelte • Atomer i smelte  atomer i gitter • Smeltehastigheten per enhets areal er: antall på grenseflaten i faststoff (s) * vibrasjonsfrekvensen til atomet (v) * sannsynligheten for at et faststoff atom beveger seg til grenseflaten (f) * sannsynlighet for at atomet reflekteres ved en elastisk kollisjon (A) * fraksjonen av atomer som har en aktiveringsenergi GM: ekp (- GM/kT) (dn/dt)M = s*v*f*A* ekp (- GM/kT) Smelte Fast stoff

9. Størkning av rene metaller II • Størkningshastigheten per enhets areal er: antall på grenseflaten i smelte (s) * vibrasjonsfrekvensen til atomet (v) * sannsynligheten for at et atom i smelten beveger seg til grenseflaten (f) * sannsynlighet for at atomet reflekteres ved en elastisk kollisjon (A) * fraksjonen av atomer som har en aktiveringsenergi GF: ekp (- GF/kT) (dn/dt)F = s*v*f*A* ekp (- GF/kT) • Hvis smelten skal størkne, må (dn/dt)F > (dn/dt)M

10. Prinsipp for størkning Smelten må ha en viss underkjøling Tf før størkningen starter

11. Temperaturgradienten ved størkningsfronten I Fast stoff Smelte Smelten har en positiv T-gradient, og prøven får en viss underkjøling TK

12. Temperaturgradienten ved størkningsfronten II Smelte Vegg smelte Smelte (flytende tinn) er underkjølt i en digel. Smelten størkner fra veggen, og det er en negativ T-gradient.

13. Morfologi ved grenseflaten under størkningPositiv T-gradient Størkningsfronten ligger alltid et stykke bak stedet der temperaturen er lik størknings-T. Viktige systemer som Al-Si og Fe-C har størkningsfronten tendens til å være fasettert

14. Grenseflatemorfologi og entropiendringer Smved smelting Materialer Sm /R Morfolgi Alle regulære metaller <2 Ingen fasetter Halvledere og halvmetaller 2,2-3,2 Fasetter observert Bi, Sb, Ga. Ge og Si Fleste organiske stoffer >3,5 Fasetter observert ------------------------------------------------------------------------------------------Fasettert vekst: Tk≈ 1-2 °C Ikke-fasettert vekst: Tk ≈ 0,01-0,05 °C

15. Grenseflate morfologi Veksten av krystallene foregår ved at atomene setter seg på fasettene som skissert Fasettene har spesielle prefererte {hkl}-plan

16. Størkning med negativ T-gradient Fast stoff Smelte S = Tf - T; dS/dZ > 0 En planar størkningsfront vil bli ustabil, og det vokser frem dendritter med preferensiell orientering. Først kommer primær dendritter og så følger sekundær dendritter som skissert.

17. Preferensiell vekst av dendritter Krystallstruktur Krystallografisk vekstretning fcc <100> bcc <100> bct (tinn) nær <110> hcp <1,0,-1,0> (i basalplanet) Materialer med høy Sm /R har en tendens til å ha fasettert vekst fremfor å vokse dendrittisk når T-gradienten er negativ

18. Kontroll av størkningsfronten ved termisk fluks • Den kinetiske underkjøling Tker liten for metaller • Hastigheten på størkningen er kontrollert av varmeovergangen i systemet • Varmebalansen for en lang stav omfatter tre ledd: -Diffusiv varme fluks fra smelte til grenseflaten: -kl(dT/dZ)l -Diffusiv varme fluks fra grenseflaten til fast stoff: -ks(dT/dZ)s -Varme generert på grenseflaten ved størkning: -L*R der k=termisk ledningsevne, L=smeltevarme per g, =tetthet og R=hastigheten til grenseflaten. Varmebalansen: -kl(dT/dZ)l = -ks(dT/dZ)s + -L*R Hastigheten til grenseflaten (bevegelse i Z-retning):

19. Størkning av legeringer • Når en binær smelte størkner, vil krystallene ha en annen sammensetning enn smelten Det kalles seigring • Partisjonskoeffesienten er: k0 = Xsolid/Xliquid • Vektstangsregelen: Vektfraksjon smelte = AB/BC Det første som størkner, har sammensetning: k0X0 Smelte Binært fasediagram Y-X

20. Størkning av binære smelter • En stav størkner fra venstre mot høyre på figuren • Ved tiden t1 er fronten ved (1) og ved tiden t2 ved posisjon (2) • Antar at smelten er homogen (uniform) • Det er en flat størkningsfront • Det er lokal likevekt på størkningsfronten • Ingen diffusjon i fast fase

21. Normal størkning Størkningsprofilen til en stav med lengde L X Staven vil ha en seigring av tilsatselement

22. Normal størkning

23. Normal størkning II • Partisjonskoeffesienten: k0 = Xsolid/Xliquid = l*Cs/s*Cl • Endringen i vekten av størknet materiale når fronten har beveget seg dZ: l*Cl*A*dZ = s*Cs*A*dZ+ dCl*l*A * [L-Z-dZ] • Vi neglisjerer siste ledd og innfører k0: dZ* (l*Cl- s2*Cl* k0 /l) = dCl * l * [L-Z] Ligningen kan omformes til: dZ* (1- s2* k0 /l2)/ [L-Z] = dCl / Cl Innfører  =s2/l2 og integrerer Z fra 0 til Z, og Ci fra C0 til Cl(Z):

24. Normal størkning II • Tilsvarende blir konsentrasjonen i fast fase langs stangen etter størkning: • Egenvekten til smelte og fast fase er omtrent like stor dvs.  ≈ 1. Da blir: Viktigste antagelser: neglisjerbar diffusjon i smelte og konstant k0

25. Støping uten røring Støper en stav av legering A-B Størkningen skjer langsomt B-atomer hoper seg opp foran størkningsfronten. Temperaturen synker langsomt med tiden. Konsentrasjonen av B øker langsomt over staven. Det er ingen røring i smelten. B-atomer

26. Sone raffinering En stav blir smeltet i en sone. Sonen blir flyttet i X-retning med tiden. Den stiplede linjen er konsentrasjonen av et element B før smeltesonen har passert. To suksessive posisjoner av sonen er vist. C0 var prøvens opprinnelige konsentrasjon av B.

27. Soneraffinering med 10 repeterte smeltinger. Partisjonskoeffesienten var 0,1. Soneraffinering brukes til å lage rent silisium. C/C0 x/l