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 krystalizacji

3. reorganizacja warstwy powierzchniowej i powstawanie

tzw. mikrostruktury krystalicznej,

4. zlepianie się pojedynczych kryształów w większe

struktury.

•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.

•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)

• 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 = 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