Akademia Górniczo – Hutnicza w Krakowie Wydział Odlewnictwa Wirtotechnologia		Dariusz Malinowski
Krystalizacja metali i stopów
Rok Akademicki 2013/14		Rok studiów II	Grupa: 2
Temat : Struktura pierwotna odlewów

Wprowadzenie

Po odlaniu metalu do formy następuje proces jego krystalizacji. Proces ten decyduje o strukturze otrzymanych odlewów, od której zależą ich właściwości użytkowe. Efektem krystalizacji metalu w formie mogą być trzy zasadnicze strefy strukturalnej :

• strefa kryształów (ziaren) zamrożonych, która powstaje w rejonie styku metalu z formą odlewniczą ;

• strefa kryształów słupkowych, którą tworzą wydłużone kryształy, usytuowane mniej więcej równolegle do kierunku przepływu ciepła ;

• strefa kryształów równoosiowych, która zajmuje centralną część odlewu;
  
  

W zależności od szybkości chłodzenia odlewu, fizykochemicznego stanu ciekłego metalu oraz intensywności konwekcji ciekłego metalu, w odlewie mogą występować wszystkie trzy strefy lub tylko niektóre z nich.
Strefa kryształów zamrożonych rozciąga się zazwyczaj w niewielkiej odległości od powierzchni odlewu. Z tego powodu własności odlewu zależą najczęściej od stosunku udziału ziaren słupkowych do równoosiowych. Inne cechy strukturalne odlewu, które decydują o jego własnościach, stanowią :

• szerokość i długość ziaren słupkowych;

• wymiar ziaren równoosiowych

• odległości międzydendrytyczne i międzyfazowe w ziarnach (np. eutektyki czy monotektyki)

Strefa kryształów zamrożonych

Po odlaniu metalu do formy jego temperatura obniża się, przy tym największy spadek temperatury występuje na powierzchni odlewu. Gdy temperatura metalu obniży się poniżej równowagowej temperatury krystalizacji, przy powierzchni odlewu wytwarza się cienka warstwa przechłodzonego metalu. Dlatego też, w tym właśnie obszarze występuje największe prawdopodobieństwo powstawania zarodków. Ściankę formy lub różnego rodzaju wtrącenia w ciekłym metalu można traktować jako podkładki do zarodkowania heterogenicznego. Gdy zdolność do zarodkowania na ściankach formy jest większa niż zdolność wtrąceń, zarodki kryształów powstają na ściance formy. Jeśli natomiast większą zdolność do zarodkowania kryształów mają wtrącenia w metalu, to zarodki kryształów pojawiają się i wzrastają w przyściennej warstwie cieczy. Gdy kryształ w początkowym etapie wzrostu zetknie się tak ze ścianką formy, że dwa główne kierunki wzrostu są równoległe do ścianki, to podczas jego dalszego wzrostu na ściance formy otrzymuje się przyścienny dendryt o takich samych długościach gałęzi głównych w kierunku x, y i mniejszej długości gałęzi głównej w kierunku z.

Podczas wzrostu dendryty powiększają swoje wymiary, aż do wzajemnego zetknięcia się ze sobą, przy tym rejony styku są wyznaczone granicami ziaren. W ten sposób powstaje przy ściance odlewu cienka warstwa wykrystalizowanego metalu, składając się z dużej liczby różnie zorientowanych kryształów dendrytycznych, które tworzą strefę kryształów zamrożonych.

Strefa kryształów słupkowych

Po utworzeniu strefy kryształów zamrożonych, gałęzie dendrytów są różnie zorientowane względem kierunku przepływu ciepła q. Największe prawdopodobieństwo dalszego wzrostu mają gałęzie o kierunkach równoległych do kierunku przepływu ciepła. Prędkość wzrostu obu gałęzi głównych jest jednakowa, gdyż taki sam jest stopień przechłodzenia ich wierzchołków. W związku z tym, pierwsza gałąź główna szybciej osiągnie punkt 0 niż druga gałąź główna która pokonuje dłuższą drogę.
Wraz z rozwojem procesu krystalizacji następuje ciągła konkurencja wzrostu poszczególnych gałęzi. Polega ona na tym, że gałęzie dendrytów o bardziej uprzywilejowanych kierunkach wzrostu zajmują obszary, w których mogłyby rozwijać się gałęzie dendrytów mniej uprzywilejowanych. Wraz z upływem czasu zachodzi proces ciągłej eliminacji gałęzi i dendrytów nieuprzywilejowanych na korzyść dendrytów uprzywilejowanych. Powstają w ten sposób kryształy wydłużone tworzą strefę ziaren słupkowych

Mikrostruktura ziaren słupkowych

Nieścianowe kryształy słupkowe wzrastają w sposób komórkowo-dendrytyczny. W miarę upływu czasu krystalizacji i wypełniania przestrzeni między gałęziami komórek dendrytycznych, ziarna słupkowe, stopniowo przybierają postać walcopodobną. Podczas wzrostu ziaren zachodzi proces segregacji składników, przy tym stopień segregacji można ocenić na podstawie linii izostężeniowych w ziarnie. Znajomość lini izostężeniowych pozwala odtworzyć sekwencję wzrostu.
Różne techniki odlewnicze nie zmieniają ogólnego charakteru ziaren słupkowych. Wynikiem zmian technologicznych jest najczęściej zmiana szybkości stygnięcia metalu podczas jego krystalizacji.
Reasumując można stwierdzić, że zarówno odległość między gałęziami pierwszego, jak i drugiego rzędu komórek dendrytycznych zależy od szybkości stygnięcia metalu podczas krystalizacji. Wraz ze wzrostem szybkości stygnięcia obie te odległości maleją.

Strefa kryształów równoosiowych

Po odlaniu metalu do formy rozpoczyna się proces jego ochładzania, pojawia się w nim gradient temperatury, metal obniża swą temperaturę i w pierwszej kolejności metal zostaje przechłodzony względem równowagowej temperatury krystalizacji, tuż przy ściance formy. W przyściennej, przechłodzonej strefie ciekłego metalu pojawiają się kryształy, Gdy ich gęstość jest większa niż gęstość cieklego metalu, kryształy opadają wzdłuż ścianki formy. Jednocześnie jednak będą one wzrastały, gdyż znajdują się w strefie metalu przechłodzonego. Część wzrastających kryształów wskutek siły adhezji zostanie przyłączona do ścianki dormy i utworzy strefę kryształów zamrożonych, a pozostała część, na skurek konwekcji kąpieli, ulega przemieszczeniu w środkowy rejon ciekłego metalu i jest unoszona do góry, by ewentualnie powrócić do przyściennej, przechłodzonej strefy kąpieli. Wynika stąd, że kryształy mogą przepływać wraz z ciekłym metalem przez przegrzaną i przechłodzoną strefę kąpieli. W wewnętrznej, przegrzanej strefie, kryształy o małych wymiarach mogą być całkowicie roztopione. Natomiast kryształy o największych wymiarach tylko się nadtapiają, bez powiększenia ich liczby lub „rozmnażają” w wyniku fragmentacji, czyli takiego nadtopienia, które prowadzi do podziału kryształu na kilka mniejszych części. Kryształy te po ponownym wejściu do strefy przechłodzenia, mogą swobodnie wzrastać we wszystkich kierunkach i dlatego zostały nazwane kryształami równoosiowymi.
Hipoteza kryształów odrywających się od ścianki formy. Zgodnie z tą hipotezą przyjęto, że na ściance formy powstają zarodki fazy stałej, które następnie przekształcają się w kryształy dendrytyczne. Łatwość oddzielania się kryształu od ścianki podłoża zależy od jego położenia na ściance. Przy niestabilnym położeniu kryształu jego oderwanie od ścianki zachodzi łatwiej niż w położeniu stabilnym.
Hipoteza rozmnażania kryształów. Zgodnie z badaniami kryształy unoszone prądem konwekcyjnym w głąb kąpieli są fragmentami odgałęzień dendrytów, które wyrastają np. na ściance formy lub tworzą strefy ziaren słupkowych. Przyczynami fragmentacji odgałęzień dendrytów są:

• proces koagulacji, polega na wzroście fragmentów dendrytu o większym promieniu krzywizny kosztem fragmentów o mniejszym promieniu krzywizny.

• Fluktuacje temperatury i stężenia w ciekłym metalu, które powodują lokalne przegrzanie kąpieli względem równowagowej temperatury krystalizacji.

• Ruch ciekłego metalu którego energia powoduje odłamywanie się i nadtapianie poszczególnych fragmentów dendrytu.

Hipoteza kryształów powstających na swobodnej powierzchni kąpieli. W pracy wykazano, że wskutek promieniowania ciepła ze swobodnej powierzchni ciekłego metalu, jego warstwy przypowierzchniowe przechadzają się względem równowagowej temperatury krystalizacji. Zatem w tych warstwach jest możliwe zarodkowanie i wzrost kryształów. Gdy gęstość cieczy jest mniejsza niż gęstość kryształów, opadają one w dół kąpieli i część z nich ulega przekształceniu w ziarna równoosiowe.
Hipoteza kryształów zamrożonych. Zgodnie z hipotezą kryształów zamrożonych opracowaną przez Chalmersa, kryształy powstają w zewnętrznej, przechłodzonej warstwie kąpieli. W wyniku konwekcji kąpieli wspomniane kryształy śa przenoszone w głąb cieczy. Te spośród nich, które „przeżyją” w strefie metalu przegrzanego, tworzą strefę kryształów równoosiowych.

Mikrostruktura ziaren równoosiowych

Wyróżnia się dwa zasadnicze typy kryształów równoosiowych: dendrytyczne i globularne. W odróżnieniu od ziaren słupkowych, ziarna równoosiowe dendrytyczne są przypadkowo zorientowane względem kierunku przepływu ciepła. Badanie mikroskopowe ziaren równoosiowych wykazują najczęściej tylko gałęzie główne i drugiego rzędu, przy tym odległość między gałęziami drugiego rzędu w ziarnach słupkowych i równoosiowych jest podobna.
Warunkiem występowania ziaren równoosiowych dendrytycznych jest stosunkowo mała liczba zarodków. W takich tylko przypadkach dendryt może się swobodnie rozrastać. Jeżeli liczba zarodków jest bardzo duża, odległość między nimi jest rzędu odległości miedzy dendrytycznej i już w początkowym etapie tworzenia dendrytu wzrost jego gałęzi zostaje zahamowany. Otrzymuje się wtedy mniej lub bardziej regularne kryształy globularne.