Werkstoffkunde I WS 05 06 Episode 6 pptx

Erstarrungsvorgang bei Metallen diffuse Atomanordnung durch thermische Fluktuationen im flüssigen Zustand  die Keimbildung ist abhängig von – einer bestimmten Schmelzeunterkühlung und

Kristallform: stengelförmig (kolumnar), globular

200 µm

Kristallwachstum stabil/instabil

Instabiles Wachstum

Instabiles Wachstum

Erstarrungsvorgang bei Metallen

 diffuse Atomanordnung durch thermische Fluktuationen im flüssigen Zustand

 die Keimbildung ist abhängig von

– einer bestimmten Schmelzeunterkühlung und

– einem minimalen notwendigen Keimradius und/oder

– dem Vorhandensein von Fremdkeimen

 die Kristallisationsrichtung ist abhängig vom Temperaturgradienten an der

Erstarrungsfront

– negativer Gradient zur festen Phase, positiver zur flüssigen Phase

(planares stengelförmiges oder globulares Wachstum)

– positiver Gradient zur festen Phase, negativer zur flüssigen Phase

(dentritisches Wachstum)

Je größer die Unterkühlung und/oder je höher die Anzahl der Keime,

desto feiner wird das Korn.

Je größer die Unterkühlung und/oder je höher die Anzahl der Keime,

desto feiner wird das Korn.

Einflussfaktoren auf das Erstarrungsgefüge

fein hoch

Abkühl-geschwindigkeit

dentritisch ungerichtet mit großer Unterkühlung

grob

wenig Fremdkeime

heterogen

fein

hohe Unterkühlung

grob

geringe Unterkühlung

homogen

Keimbildung

grob niedrig

Gefügeausbildung Erstarrungseinfluss

Erstarrung eines Gussblocks

Globularzone

Grobkristallines, globulitisches Gefüge durch langsame, ungerichtete

Wärmeabfuhr im Blockinneren An vorhandenen Keimen, die vor der Erstarrungsfront hergeschoben werden.

Gerichtete Erstarrung

Durch die Erstarrung von Metallen in einem geordneten Gitter besitzen die einzelnen Kristallite eine kristallographische Orientierung (in Richtung der

Wärmeabfuhr) Aus dieser Orientierung resultiert eine bevorzugte

Wachstumsrichtung bei der Kristallisation

globulitische Erstarrung

Ÿ isotrope (richtungsunabhängige)

Werkstoffeigenschaften

stengelförmige Erstarrung

Ÿ anisotrope (richtungabhängige) Werkstoffeigenschaften

Q

Q

Q

Erstarrung von Einkristallen

Einkristalle zeichnen sich aus durch:

– eine vollständige ideale Gitterausrichtung

– das Fehlen von inneren Grenzflächen (Korngrenzen)

– eine geringe Anzahl von Gitterdefektstrukturen (Versetzungen, Leerstellen, etc.)– ein vom Atomgitter bestimmtes Eigenschaftsprofil (An- bzw Isotropie)

– eine nahezu ideale Gitterstruktur

– einen geringen Gehalt an Verunreinigungen

Vorteile:

– sehr gute elektrische Eigenschaften (Piezoquarze, Halbleiter, Laser)

– sehr gute Warmfestigkeits- und Kriecheigenschaften (Turbinenschaufeln)

Nachteil:

– aufwendiges Herstellungsverfahren

Gerichtete Erstarrung (Einkristall)

DieTurbinenschaufeln unterliegen extrem

Herstellungsverfahren von Einkristallen

Czochralski-Einkristall Ofen

Schmelze

- Abzuggeschwindigkeit entspricht der Erstarrungs- geschwindigkeit

- z B Siliziumeinkristalle für die Halbleitertechnologie

Tiegelfreies Zonenziehen

polykristallines Rohmaterial

Einkristall

spulen Umschmelz- zone

Erstarrung von Legierungen

Die Mechanismen der Erstarrung sind bei Legierungen grundsätzlich dieselben wie bei reinen Metallen (Keimbildung, Keimwachstum) Das sich ausbildende

Gefüge ist jedoch geprägt durch die Zusammensetzung der Schmelze und die Abkühlgeschwindigkeit.

Die Mechanismen der Erstarrung sind bei Legierungen grundsätzlich dieselben wie bei reinen Metallen (Keimbildung, Keimwachstum) Das sich ausbildende

Gefüge ist jedoch geprägt durch die Zusammensetzung der Schmelze und die Abkühlgeschwindigkeit.

 Gleichgewichtserstarrung (langsame Abkühlung):

Der Erstarrungsverlauf folgt einer senkrechten Linie im Phasendiagramm Die Verteilung der Legierungselemente ist über den erstarrten Bereich homogen.

 Nicht- oder Ungleichgewichtserstarrung (schnelle Abkühlung):

Der Erstarrungsverlauf geht mit einer diffusionsbedingten Entmischung einher.

Legierungselemente werden durch unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeiten in der Schmelze (hoch) und dem erstarrten Material (niedrig) vor der Erstarrungsfront angereichert (Erstarrungssegregation)

Die Zusammensetzung des erstarrten Materials ist nicht homogen.

 Die Erstarrung beginnt bei

Eintritt in das

Gleichgewichtserstarrung

Schmelze S

Masse %

 Die Erstarrung beginnt

bei Eintritt in das

Erreichen der

Phase-grenze DDDEE wird die

intermetallische Phase

E im Mischkristall D

ausgeschieden

MgZn-Ausscheidungen in einer AlMg(Zn)-LegierungErstarrung von Legierungen

Schmelze S

Masse %

 Die Erstarrung beginnt bei

Erreichen der Eutektikale im

eutektischen Punkt Die

Schmelze erstarrt wie ein

reines Metall in einem Punkt

 Die Phasen D und E erstarren

zeitgleich nebeneinander

Eutektische Struktur einer AlCu-LegierungErstarrung von Legierungen

 Die Erstarrung beginnt

bei Eintritt in das

an die D-Kristallite Mischkristalle und eutektische

Strukturen einer AlSi-Legierung

Erstarrter Mischkristall Schmelze Legierungs-

elemente

Fortschritt der Erstarrungsfront

Reales Erstarrungsverhalten

Beim Erstarren von Legierungen erfolgt eine Anreicherung der Legierungselemente

in der Restschmelze vor der Erstarrungsfront Diese Anteile erstarren meist eutektisch zwischen den Mischkristallen Sie werden als Seigerungen bezeichnet.

 Die Zusammensetzung entspricht

einer Gleichgewichtserstarrung mit

E-Ausscheidungen in der festen

Phase

 Die Erstarrung beginnt mit der

Kristallisation von

D -Mischkristallen

 Die D Bereiche wachsen bis zur

eutektischen Temperatur und die

Restschmelze wird mit B

angereichert

 Bei Erreichen der Eutektikalen

kristallisiert die Restschmelze

zwischen den D-Kristalliten

eutektisch an die D-Kristallite

(entartetes Eutektikum)

Ungleichgewichtserstarrung

entartetes Eutektikum einer MgAl-Legierung

reine Metalle und eutektische Legierungen

nichteutektische Legierungen

-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Lunker (Makrolunker)

Bildung von Erstarrungslunkern

 Die Schmelze erstarrt vom Kokillenrand zur Mitte und nicht von unten nach oben

 Durch die schrumpfung nimmt das Volumen ab und der Schmelzespiegel sinkt während der Erstarrung

Erstarrungs- Nach Abschluss der Erstarrung verbleiben häufig Kopf-, Faden oder Innenlunker

Innen-Kopflunker

Fadenlunker

Innen-Porosität

 In Bauteilen erstarrt die Schmelze bei unterschiedlichen Querschnitten im Bereich von Materialanhäufungen zuletzt.

 In dünnwandigen Bereichen mit geringem Querschnitt muss weniger Wärme abgeführt werden Sie erstarren zuerst.

 Die auftretende Erstarrungsschrumpfung kann durch Nachspeisung von

Schmelze nicht kompensiert werden.

 Somit sind diese Bereiche besonders anfällig für Porositäten.

 Je größer das Erstarrungsintervall, desto größer das Risiko von Porositäten.

Material-Einguss

dünnwandige

Bereiche

Porositäten

 Zwischen den Dendriten bilden sich Poren.

 Gegenmaßnahmen: Temperaturführung, Legierungsauswahl

vorzeitige Erstarrung der Schmelze, niedrige Temper- aturen, lange Fließwege

feine Linien oder Schlieren auf der Gussoberfläche, Trennung des Werkstoff- zusammenhanges

Kaltfluss

Gussteilgestaltung (keine schroffen Übergänge), Erstarrungslenkung, Legierungen mit geringerem Erstarrungsintervall

auftretende gen führen zum Reißen der noch weichen Bereiche zwischen den Primärkristallen

Gussspannun-interkristalline Werkstofftrennung, Risse entlang der primär erstarrten Kristalle

Warmrisse

Verbesserung des Eingussverfahrens, Desoxidation der Schmelze

eingespülte flächen, Reaktionsprodukte gelöster Gase mit der Schmelze

Gussober-dünne filmförmige Häutchen oder Teilchen

Oxideinschlüsse

stabile, gasdurchlässige Formstoffe Schmelzeentgasung vor dem Abguss

Reaktion mit eingeschwemmten Formstoffen, ausscheiden gelöster Gase (N2, H2)

runde Poren in verschiedenen

Größen

Gasporosität

thermische Kontrolle des Erstarrungsprozesses, Legierungsauswahl

eingeschlossene schmelze in dentritisch erstarrenden Gefüge

Rest-„Minilunker“ zwischen den Erstarrungsdentriten Dentritenarme)

Lunker

Gegenmaßnahmen Ursache

Erscheinung Fehlertyp

Zusammenfassung (Fehlertypen)

Weitere typische Gussfehler

Beispiele für die Erscheinungsform

Kaltfließ-Kaltfliessstellen an einem MgAl- Druckgussteils

Bruchflächen eines AlSiCu- Druckgussteils mit Gasporosität

Warmrisse

Warmrisse und die

Rissoberläche im REM-Bild

eines MgAl-Druckgussteils

Umwandlung im festen Zustand

Temperaturabhängige Änderung der Gitterstruktur (z B krz-D-Eisen bei

912 °C in kfz-J Eisen)

Änderung der Gestalt der Kristallite bzw Körner in Größe, Geometrie und

kristallographischer Ausrichtung (z B Rekristallisation/ Umformung)

In der Festphase werden durch abnehmende Löslichkeit mit sinkender

Temperatur intermetallische Phasen ausgeschieden (Fe3C in

FeC-Legierungen, Mg17Al12in MgAl-Legierungen)

Allotrope Umwandlungen

Morphologieänderungen

Festphasenausscheidung

Allotrope Umwandlung

Allotropie oder Polymorphie ist das Vorkommen eines Elements in

mehreren, verschiedenen kristallinen Modifikationen oder

ver-schiedenen Molekülstrukturen

Allotropie oder Polymorphie ist das Vorkommen eines Elements in

mehreren, verschiedenen kristallinen Modifikationen oder

Rekristallisation

Rekristallisation ist eine Kornneubildung im Gefüge Oberhalb einer

bestimmten Temperatur, der Rekristallisationstemperatur, wird die in den

Versetzungen gespeicherte Energie frei Sie wird zur treibenden Kraft für die

Entstehung neuer, beinahe versetzungsfreier Körner.

Rekristallisation ist eine Kornneubildung im Gefüge Oberhalb einer

bestimmten Temperatur, der Rekristallisationstemperatur, wird die in den

Versetzungen gespeicherte Energie frei Sie wird zur treibenden Kraft für die

Entstehung neuer, beinahe versetzungsfreier Körner.

versetzungsreiches

Gefüge (kaltverformt)

Temperatur Umformung

Rekristallisation Kornvergröberung

Temperatur

Rekristallisationsdiagramm von Aluminium

bestehenden, ohne dass die bestehende Phase vollständig aufgebraucht wird

Grundmechanismus der Ausscheidung:

 Löslichkeit für B in A nimmt mit sinkender

Temperatur im festen Zustand ab

 Bei Unterschreiten der Segregationslinie wird E

im D-Mischkristall gebildet (ausgeschieden)

 E unterscheidet sich sowohl in der chemischen

Zusammensetzung als auch in der

Gitterstruktur von D

 Die gleichmäßige Ausscheidung aus dem

Erstarrungsgefüge nennt man „kontinuierliche

Ausscheidung“

Schmelze S+D

Masse %

 Bei der Erstarrung kommt es zur

Anreicherung von B an der Erstarrungsfront

(Ungleichgewichtserstarrung mit

Entmischung)

 Das Erstarrungsgefüge ist gekennzeichnet

durch D-Mischkristalle und verbleibenden

E-Bereiche zwischen den Korngrenzen

 Bei weiterer Abkühlung oder

Wiedererwärmung wird E von den

Korngrenzen aus in den D-Mischkristall

ausgeschieden

 Die Ausscheidung aus dem

Ungleichgewichtszustand nennt man

„diskontinuierliche Ausscheidung“

Diskontinuierliche Mg17Al12 - Ausscheidungen

in einer Legierung (AZ91)

MgAl-Schmelze S+D

Masse %

Ausscheidungsmorphologie

Ausscheidungen können in unterschiedlichen makroskopischen Formen, Größen und

Verteilungen im Gefüge vorliegen:

Ausscheidungen können in unterschiedlichen makroskopischen Formen, Größen und

Verteilungen im Gefüge vorliegen:

globulitisch

klein globulitischgroß eckig, spitzfreie Form freie Form rundlich nadelförmig

Eine optimale Eigenschaftsverbesserung wird mit:

Ausscheidungen können unterschiedliche mikroskopische, strukturelle Auswirkungen auf

das umgebende Gefüge aufweisen

Ausscheidungen können unterschiedliche mikroskopische, strukturelle Auswirkungen auf

das umgebende Gefüge aufweisen

inkohärent:

die Ausscheidung wirkt sich strukturell nicht auf

das umgebende Gitter aus Sie besitzt eine

unabhängige Gitterstruktur

kohärent:

es besteht eine Kopplung zwischen Matrix- und

Ausscheidungsgitter Die Ausscheidung wirkt sich

strukturell festigkeitssteigernd auf das

Gesamtgefüge aus

Zusammenfassung

 Die Erstarrungsbedingungen bestimmen die Eigenschaften des Materials

 Abkühlgeschwindigkeit und Materialzusammensetzung sind wesentliche

Erstarrungsparameter

 Voraussetzung für die Erstarrung sind Keimbildung und Keimwachstum

 Metalle bilden in Abhängigkeit der jeweiligen Erstarrungsbedingungen planare,

zellulare, dentritische oder eutektische Erstarrungsmorphologien aus

 Erstarrungsgefüge können anhand der Zustandsdiagramme vorhergesagt werden

 Der Übergang vom flüssigen in den festen Zustand ist mit einer Volumenreduktion

4 Haasen, P.: Physikalische Metallkunde, Springer Verlag, 1994

5 Bergmann, W.: Werkstofftechnik Teil1, Grundlagen, Carl Hanser Verlag, 1989

6 Schumann, H.: Metallographie, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 1989

7 Ohno, A.: Solidification of Metals, Chijin Shokan Co., 1976

8 Chalmers, B.: Principles of Solidification, Johns Wiley & Sons, 1964

9 Hornbogen, E.; Warlington, H.: Metallkunde, Springer Verlag, 2001

10 Schatt, W.; Worch, H.: Werkstoffwissenschaften, Deutscher Verlag für

Grundstoffindustrie, 1996

In herkömmlichen Metallen sind die Atome streng regelmäßig angeordnet.

Die Atome amorpher Werkstoffe sind dagegen ungeordnet, ähnlich wie in

einer Flüssigkeit oder Schmelze Es ist keine Fernordnung vorhanden, aber eine bestimmte Nahordnung in der Nachbarschaft.

Da dies auch für Glas zutrifft, bezeichnet man amorphe Metalle auch als

metallische Gläser.

amorphe Struktur kristalline Struktur

Kriterien für Bildung des amorphen Zustandes

Man erhält amorphe Metalle durch extrem schnelles Abkühlen der

Schmelze bei Temperaturen, die erheblich unter der

Kristallisationstemperatur liegen Dabei wird die Keimbildung des

kristallinen Zustands unterdrückt.

Schmelze

Kristallin

Volumenkontraktion 'V durch Kristallisation

Kriterien für Bildung des amorphen Zustandes

 Zur Bildung des amorphen Zustandes tragen zwei Einflüsse bei:

– kinetische Bedingung: eine möglichst geringe Beweglichkeit bzw kurze Zeit

bei der Bildung des amorphen Zustands

(Abkühlgeschwindigkeit für die amorphe Erstarrung: 10 6 bis 10 10 Ks -1)

– thermodynamische Bedingung: die Enthalpiedifferenz ǻ G krzwischen der Schmelze

und der im Gleichgewicht primär kristallisierende Phase sollte möglichst gering sein.

 Die Bildung des amorphen Zustandes wird begünstigt durch :

– tiefe stabile (Fe-B) oder metastabile Eutektika (Mg-Zn), da dort eine höhere

Stabilität der Schmelze vorliegt.

– eine große Differenz der Atomradien der beteiligten Atome Besonders ausgeprägt

in Metall-Metalloid Gläsern (Ni-P, Fe-Ni-P)

– In manchen Fällen ist ein Gemisch von drei und mehr Atomarten nötig, um eine

Glasbildung zu ermöglichen: Al+Y+Ni

Eigenschaften der amorphen Metalle

geringe Energieverluste beim Ummagnetisieren

Es bildet sich eine sehr dicke, defektarme, korrosionshemmende Passivschicht

mit erheblich größeren Schutzwirkung als auf kristallinen Metallen

weichmagnetisches Verhalten

hohe Korrosionsbeständigkeit

hohe Elastizität und mechanische Härte

hohe Wärmeleitfähigkeit

Anwendung der amorphen Metalle

Einsatzbeispiel der weichmagnetischen Legierungen

Empfänger

Sicherungsetikett

Kunststoffhülle Resonator

(amorphes Metall)

Hartmagnetischer Streifen Sender

schickt Magnetfeldimpulse

(58 kHz, 2 ms an, 20 ms aus)

Resonator antwortet

Empfänger

Sicherungsetikett

Kunststoffhülle Resonator

(amorphes Metall)

Hartmagnetischer Streifen Sender

schickt Magnetfeldimpulse

(58 kHz, 2 ms an, 20 ms aus)

Resonator antwortet

Empfänger

Sicherungsetikett

Kunststoffhülle Resonator

(amorphes Metall)

Hartmagnetischer Streifen Sender

schickt Magnetfeldimpulse

(58 kHz, 2 ms an, 20 ms aus)

Resonator antwortet

Einsatz der weichmagnetischen Legierungen

Zusammensetzung

Von den amorphen Legierungen sind die weichmagnetischen die

technisch bedeutendste Werkstoffgruppe.

Sie bestehen aus:

– ferromagnetischen Grundkomponenten – Fe, Co, Ni;

– glasbildenden Komponenten – B, Si, P und C;

– Zusätzen für:

– die thermische Stabilität – Mo oder Nb;

– die genaue Einstellung magnetischer Eigenschaften – Mn.

Typische weichmagnetische, amorphe Legierungen sind: Fe78Si9B13 ,

Co68Fe4Mo1Si16B9.