st rkning l.
Download
Skip this Video
Download Presentation
Størkning

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 27

Størkning - PowerPoint PPT Presentation


  • 160 Views
  • Uploaded on

Størkning. Strøkning av rene metaller og kimdannelse Størkning av legeringer Størkning av eutektiske legeringer Støpte metaller. Støping. Dette er en sentral prosess fordi de fleste metallurgiske fremstillingsprosesser starter med at man lager en smelte

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Størkning' - ion


Download Now An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
st rkning
Størkning
  • Strøkning av rene metaller og kimdannelse
  • Størkning av legeringer
  • Størkning av eutektiske legeringer
  • Støpte metaller
st ping
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
st peprosesser
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

st rkningskim i rene metaller
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

slide5
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

typisk st rkningsforl p med heterogen nukleering
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

ad st rkning
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
st rkning av rene metaller
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

st rkning av rene metaller ii
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
prinsipp for st rkning
Prinsipp for størkning

Smelten må ha en viss underkjøling Tf før størkningen starter

temperaturgradienten ved st rkningsfronten i
Temperaturgradienten ved størkningsfronten I

Fast stoff

Smelte

Smelten har en positiv T-gradient, og prøven får en viss underkjøling TK

temperaturgradienten ved st rkningsfronten ii
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.

morfologi ved grenseflaten under st rkning positiv t gradient
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

grenseflatemorfologi og entropiendringer s m ved smelting
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

grenseflate morfologi
Grenseflate morfologi

Veksten av krystallene foregår ved at atomene setter seg på fasettene som skissert

Fasettene har spesielle prefererte {hkl}-plan

st rkning med negativ t gradient
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.

preferensiell vekst av dendritter
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

kontroll av st rkningsfronten ved termisk fluks
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):

st rkning av legeringer
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

st rkning av bin re smelter
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
normal st rkning
Normal størkning

Størkningsprofilen til en stav med lengde L

X

Staven vil ha en seigring av tilsatselement

normal st rkning ii
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):

normal st rkning ii24
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

st ping uten r ring
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

sone raffinering
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.

slide27

Soneraffinering med

10 repeterte smeltinger.

Partisjonskoeffesienten

var 0,1.

Soneraffinering brukes

til å lage rent silisium.

C/C0

x/l

ad