Støpte metallerStøpte metaller

• De fleste metallprodukter er støpt og mekanisk bearbeidet

• Ca 20 % brukes som støp i den form de er utstøpt

• Kvaliteten på sluttproduktet er avhengig av støpeprosessen

Egenskaper til støpEgenskaper til støp

• De er avhengig av seigring av elementer • Mikrostrukturen til støpen

- kornstørrelse

- type, mengde og fordeling av sekundær faser• Mikrodefekter

- porøsitet

- defekter som tvillinger og inneslutninger

- Formfyllingsegenskaper

Dendrittisk størkningDendrittisk størkning

Sn-20%PbTinndendritter

Typisk størkningsforløp;Typisk størkningsforløp; Fe-0,6% C

Typisk dendrittisk størkning av metall-legeringTypisk dendrittisk størkning av metall-legering

Typisk dendrittisk størkningTypisk dendrittisk størkningEffekten av diffusjon i fast faseEffekten av diffusjon i fast fase

Diffusjon utjevner konsentrasjonen, og kan forhindre utfelling under størkning

Lengden av dendritterLengden av dendritter• Lengden av dendritter:

L = (Ttupp-Tbase) / G

• Der G= midlere T-gradient i to-fase dendritt

• Ttupp ≈ T liquidus

• Fryseintervallet for legering: Tf = Tliquidus – Tbase

L= Tf / G

Tf går gjennom et maksimum for en sammensetning noe lavere enn Cα

Tf er hovedsakelig bestemt av fasediagrammet A-B

• Hvis det dannes eutektikum bak fronten med dendritter,

er Tbase ≈TE

Tupp Smelte

Lengden av dendritter IILengden av dendritter II

• Størrelsen er avhengig av to faktorer:• Størkningsintervallet Tf som er hovedsakelig bestemt av

avstand mellom liquidus og solidus. • Lav partisjonskoeffesient, stor L-verdi• Varmetransport i legeringen

- for eksempel øker sand digler L ved å redusere transporten vekk av varme sammenlignet med metalldigler- L øker for materialer med lav eutektisk temperatur kontra de med høy.

- De fleste Al - og Mg – legeringer har høy L-verdi- Stål har lav L-verdi

Struktur til støpStruktur til støp

1. Kjøle sone2. Søylekrystaller3. Ekviaksete korn

1 2 3Vegg

kjølesonenkjølesonen

Søyleformede krystallerSøyleformede krystaller

Noen krystaller har fordelaktig orientering og vokser rasktKubiske metaller: <100>-retninger

Søyleformede krystaller IISøyleformede krystaller II

• Magnetiske materialer

Slike materialer er anisotrope mht. magnetisk induksjon

Magnetisk induksjon er størst i <100> retninger

Magnetiske materialer kan størknes ved å plassere kjøling i bunnen av en ovn, og så foreta rettet størkning fra bunn til topp

- Da får man søylekrystaller gjennom hele støpen. Krystallene er opplinjert med <100> langs hovedaksen

- Denne teknikken er brukt til å lage spesielle magneter og anvendes i produksjon av høytalere.

Ekviaksete kornEkviaksete korn

• I sentrum av smelte i en digel eller støpeform, er det som regel et større antall små korn.

• Antallet ekviaksete korn øker med tiden, og vil mot slutten av størkningen effektivt blokkere vekst av søylekrystallene.

• Mange av de ekviaksete kornene er dendritter som er revet av de voksende dendrittene under størkning.

• Hvis vi skal få en støp med ekviaksete korn, må:

1. Kornene må produseres eller transporteres til sentrum av smelten

2. De må ikke ble resmeltet i sentrum av digelen

Kilder til ekviaksete kornKilder til ekviaksete korn

Digel

Vanlig støping: Smelten kjøles fra veggene. Da oppstår naturlig konveksjon.Dendrittene er trange ved ”roten” av stammen.

Tre kilder til ekviaksete korn IITre kilder til ekviaksete korn II

• Dendritter som er dannet ved digelveggen blir revet av og ført inn i smelten med konvektive strømninger.

• Etter at søylesonen er dannet, kan dendritter bli revet av og ført inn mot sentrum .

• Alternativt: Sekundær eller tertiær dendritter har høyere konsentrasjon, og dermed også lavere smeltepunkt. Ved T-variasjoner kan deler av disse resmeltes, og dendritter med lavere konsentrasjon av tilsatselementer blir ført inn i smelten.

• Heterogen kimdannelse på partikler i smelten. Hvis smelten er underkjølt i sentrum, kan slike kim bli aktive.

• Eksempel: Al størkner på TiB2-kim i smelte. Et overskudd av Ti i smelten kontrollerer at Al-kornene vokser med passende hastighet.

Ekviaksete korn i Al-4%CuEkviaksete korn i Al-4%Curef: Guocai Chai, Stockholmref: Guocai Chai, Stockholm

0,1 %Ti0,001 %Ti

Størkning av vann-amoniakkklorid blandingStørkning av vann-amoniakkklorid blanding

Støping av stål i 10cm –tykk kokilleStøping av stål i 10cm –tykk kokille

Konsentrasjonsprofiler rett etter helling, og på et senere tidspunkt. Smelten kjøles fra veggen og mot sentrum av digel. Smelten hadde en over-T på 86 °C under helling.

StørkningStørkningEtter kort tid vil smelten strøkne med en fast verdi nær C=CEtter kort tid vil smelten strøkne med en fast verdi nær C=C00, og , og

strøkningen vil være som avlange søyler.strøkningen vil være som avlange søyler.Temperaturen vil være nær smeltetemperaturen for C=CTemperaturen vil være nær smeltetemperaturen for C=C00..

Størkning og ekviaksete kornStørkning og ekviaksete korn• Korn dannet med en lav konsentrasjon C<Cbase i starten av størkningen,

kan bli ført inn i sentrum av smelte og blir stabile om de overlever første fase av størkningen der smelten kan ha en overtemperatur

• Dendritter kan bli revet ut i smelten fra søylesonen. Disse kan overleve en liten overheting, men ikke store

• Legeringer med stort størkningsintervall. Slike materialer har lange dendritter som er meget sprø, og som kan bli fragmentert og ført inn i sentrum av smelten

• Sandstøp der lave GA-verdier fremskaffer lange, skjøre dendritter

• Legeringer med lavt smeltepunkt

• Rask blanding av smelte:

a) raske konvektive bevegelser fremmer fragmentering av dendritter

b) overheting forsvinner raskt, og dermed er det stor sjanse for overlevelse av dendritter

Størkning med (a) korte dendritter eller Størkning med (a) korte dendritter eller (b) lange dendritter(b) lange dendritter

StørkningStørkning av smelter med korte dendritterav smelter med korte dendritter

• Det skjer med materialer:

a) lite størkningsintervall

b) Høy temperaturgradient dvs. stor GA=(dT/dZ)

Eksempler: Fe-C legerninger med lav C-mengde

lavt legerte stål, aluminium bronse og manganbronse.

Alle disse materialer har en lav varmeledningsevne

Støping av materialer med lange dendritterStøping av materialer med lange dendrittereller omfattende smørsoneeller omfattende smørsone

• I dette tilfelle dannes det temmelig omgående dendritter.• Ekviaksete jorn kan dannes temmelig omgående ved veggen • Slike materialer er karakterisert ved at de har:

(a) stort størkningsintervall

(b) lav G-verdi: GA=(dT/dZ)

Materialer som gir smørsoner: Al- og Mg-legeringer, fosfor-bronse og rød messing.

Samtlige materialer har høy varmeledningsevne

Materiale s (W/mK) L(J/g)

Ag 420 106

Cu 400 205

Au 315 65

Al 240 390

Mg 168 358

Zn 120 110

Messing 120

Cu-Zn-Al 100

Støpejern 80

Stål 50 272

Rustfritt stål

14

Is 2

Granitt 2-4

Stenull 0,03

Varmeledningsevne: s

Smeltevarme: L

Når to smelter av to ulike metaller størkner med samme hastighet, vil metallet med høyestvarmeledningsevne ha lavest verdi for G (=dT/dz), og dermed de lengste dendrittene (i sonen med avlange dendritter)

Al- og Cu-legeringer har i regelenlengre dendritter enn messing og stål.

Seigringer i støpSeigringer i støp

• Elementer kan seigre foran størkningsfronten over lange distanser

Det gir opphav til makroseigringer

• Elementer kan seigre mellom dendritter og dendrittarmer. Det gir opphav til mikroseigringer

SmelteStøp

MakroseigringMakroseigring

• Det er fire forhold som kan lede til makroseigring:

1. Krymping pga. størkning og termisk kontraksjon

2. Variasjon i tetthet den interdendrittiske smelten

3. Tethettsforskjeller mellom smelte og fast stoff

4. Konvektive strømninger som er laget temperaturforskjeller og tetthetsvariasjoner i smelten

%Volumendring på grunn av størkning: Al 6 %

Mg 5.1 %

Cu 4.1 %

Fe 2.2 %

Makroseigring IIMakroseigring II

• Krymping under størkning kan gi opphav til makroseigring• Når en sylinderisk prøve blir laget i en kokille, størkner materiale

fra veggen og innover. Ved sentrum vil man få en opphopning av elementer (ihh. Størkningsligningene). Den makroseigringen er ofte ikke spesielt stor for lavtlegerte materialer.

• Når metallet størkner, kan det oppstå hulrom mellom søylekrystallene pga. kontraksjon av fast fase. Det kan føre til at smelte pipler ut gjennom ytre støpevegg.

Denne smelten er rik på tilsatsstoffer.

Fenomenet kalles omvendt seigring

Invers seigringInvers seigring

Invers seigring storFor materialer medvidt frysesonesom Al-Cu og Cu-Sn

Effekt av tyngdekraftenEffekt av tyngdekraften

• Strømning mellom dendritter kan ble laget av tyngdekraften

• Støp ut en Al-Cu legering

• Da øker tettheten på smelten pga. økende kobberinnhold

• Da kan ”tung” smelte synke foran størkningsfronten pga. konveksjon og temperaturdifferenser

• Effekten av makroseigring kan være reduksjon i mekaniske egenskaper

• Homogenisering kan være uaktuelt pga at den tar for lang tid.

MikroseigringMikroseigringDet blir seigringer mellom dendrittarmene og er typisk av størrelse 0,015-0,15 mm. Seigringsforholdet er definert:

Mikroseigring IIMikroseigring II

• Mikroseigring blir i regelen fjernet ved homogenisering av støp ved høy temperatur

• Typiske seigringsforhold i noen stål:

Avstand fra kokillevegg SR Materiale

(cm)

4 – 14 1,4 - 1,8 Mn i 4340-stål

4 – 14 1,6 - 1,6 Ni i 4340-stål

1 - 12 3,8 - 4,2 Cr i 521000 stål

1 - 10 1,3 – 1,4 Ni i Fe-10% Ni

HomogensieringHomogensiering

• Hvor lang tid tar det å for atomene å bevege seg fra stedet med maks. verdi til min verdi? I Diff-kapitlet viste vi at:

• R2 = 6 Dt• Distansen R settes lik dvs. avstanden mellom max. og min.

punkter. Da blir homogenseringstid:

t = 2 /6D

Homogenisering IIHomogenisering II• Hvor lang tid tar det å kvitte seg med seigringer mellom dendritter?

• Anta at konsentrasjonsvariasjonen ved t=0 kan skrives som en sinusbølge:

• C(Z,0) = C0 + A0 sin (Z/)

• Bølgen blir over tid dempet ved å følge Ficks annen lov:

D (2C/Z2) = C/t

Anta at løsningen av diffligningen kan skrives på formen:

C(Z,t) =A + A0 sin (Z/)*f(t)

Innsatt i Ficks lov gir det:

-D (/)2 * A0 sin (Z/) * f(t) = A0 sin (Z/) * f’(t)

eller

-D (/)2 * f(t) = f’(t)

Homogenisering IIIHomogenisering III

• Omformet blir diffligningen:

• -D (/)2 * dt = df/ f(t)

• Intergrering fra tiden t=0 til tiden t:

f(t) = f(0) * exp (-D *(/)2* t)

• Innsatt i originalligningen, blir konsentrasjonen i materialet:

C(Z,t) = C0 + A0 sin (Z/) * exp (-D *(/)2* t)

• Forskjellen mellom konsentrasjonen maks og min verdi blir:

C(/2) – C(0) = A0 exp (-D *(/)2* t)

• Denne ligningen forteller hvor kjapt sinusbølgene blir dempet.

Homogenisering IVHomogenisering IV• Hvor lang tid tar det før konsentrasjonsbølgen blir 1% av

opprinnelig verdi?• t(99% dempning) = 0,467 * 2/D

Al-legeringerSekundære dendrittarmer

Homogenisering IVHomogenisering IV

Avstanden mellom sekundær dendritter avtar langsomt med størkningshastighetenHomogeniseringstiden er sterkt avhengig av dendrittarmavstandene, og den kan bli redusert betydelig ved en rask avkjøling

Al-legeringer

PorøsitetPorøsitet

• Det er tre kilder til porøsitet i metall:

1. Kaviteter som skyldes utilstrekkelig fylling

2. Mikroporøsitet som smørsonen under størkning

3. Gassporer som skyldes for mye H, N eller CO2 eller andre gasser i metall

Hulroms kaviteterHulroms kaviteter

• Vi skal lage en støpt blokk og anvender et stigerør. Metallet størkner fra veggen

• Pga. innsnevringer i form blir det dannet broer i form (a), men ikke i form (b) ved tiden t =t2. I den første formen kan det bli dannet hulrom fordi støpen blir mindre i volum (V).

• Effekten kan unngås med passende matere og stigerør

Utilstrekkelig mater Passende mater

Passende mating under støpingPassende mating under støping

• Generelt prinsipp for mating:

En åpen kanal med smelte må det være mellom alle metall kilder og til alle størkningsfronter

Dette gir store utfordringer når man ønsker å lage komplekse støp som kirkeklokker i bronse, indianerhoder i aluminium eller bildeler

MikroporøsitetMikroporøsitet

• Smelte helles i form. Størkningen skjer fra vegg, og det dannes dendritter

• Størkningen skjer mot høyre, og store dendritter beveger seg gjennom smelten

• Det skjer et trykkfall for smelten når det beveger seg fra 2 til 1 pga at metallet krymper et volum V: P = P(2)-P(1)

Mating med smelte

Mikroporøsitet IIMikroporøsitet II

• Det antas at smørsonen (mushy region) består av n kanaler med radius R. Det gir en endring i trykk:

Justeringsfaktoren skyldes at man har krumme kanaler i smørsonen.

Trykket i punkt 2 vil være nær 1 atmosfære (pluss det metallostatiske trykket). Trykket i punkt 1 vil være et undertrykk:

P(1) = P2 - P > P*

Det vil kunne dannes gassporer når trykket kommer under en kritisk verdi P* på grunn av gassatomer i smelten

Mikroporøsitet IIIMikroporøsitet III• Mikroporøsitet kan dannes når:

1. Metallet inneholder meget gassatomer. Slike atomer har en tendens til å lage porer heterogent på vegger og store inneslutninger2. Metallet krymper under størkning. Det lages lange tynne ”tunneler” som er opphav til et stort trykk under siste deler av størkningen.

Man kan unngå mikroporøsitet ved å støpe under høye trykk (høy P2), ved å gasse ut smelte ved hjelp av vakuum.

Det er en tendens til mer mikroporøsitet i Al sammenlignet med stål pga. lange dendritter i aluminium

Mikroporøsitet IVMikroporøsitet IV

• Typiske størrelse på mikroporer:

5-10 µm i støp med søylekrystaller

25 µm i støp med ekviaksetete korn

Mekaniske egenskaper til støpMekaniske egenskaper til støp

• Det er fire variable som styrer de mekaniske egenskapene til støp:

1. Porøsitet

2. Nærvær av sekundær faser

3. Avstanden mellom dendritter

4. Kornstørrelse

Effekt av porøsitetEffekt av porøsitet

• Stål AISI 4130

Porøsitet målt indirekte med

tetthetsanalyser• Høy porøsitet (lav egenvekt):

- Lav duktilitet

- Lav bruddspenning

Gløding ved høy temperatur gir større duktilitet

Stål:Fe-0,25 C-0,3 Si – 0,5 Mn – 3,1Cr – 0,4 Mo

Effekt av utfellinger på mekaniske egenskaperEffekt av utfellinger på mekaniske egenskaper• Intermetalliske partikler, 1-20 µm, gir en lav duktilitet og en

redusert styrke• Ved homogenisering ved høy temperatur kan denne effekten

reduseres ved at partikler som Al2Cu går i løsning

Legering:Al-5,7%Zn – 2,3%Mg- 1,3%Cu

Effekt av dendritter på mekaniske egenskaperEffekt av dendritter på mekaniske egenskaper

Eksempel: Al-legering blir rettet størknet, homogenisert 10 timer ved 540 °C og herdet i 3 timer ved 160 °C. De mekaniske egenskaper ble målt for prøver tatt ulik avstand fra kokillevegg

Duktiliteten var markant bedre for prøver tatt ved veggen.

Dette skyldes at inhomogeniteter var fjernet under gløding ved høy temperatur.

Legering A356:Al-7%Si-0.5%Mg-0.15%Ti

Effekten av kornstørrelseEffekten av kornstørrelse

• Petch ligning for maks spenning i legeringer med kornstørrelse D: 1/ D

Dvs. stor styrke for små korn

• Effekten kan ødelegges ved:

1. økt porøsitet

2. Porøsitet som ligger i sjikt

3. Økt volum av store sekundær faser

4. Store dendritter

Effekten av kornstørrelse IIEffekten av kornstørrelse II

Effekten av kornstørrelsen på styrke (tensile strength) og duktilitet til en Al- 4,5%Culegering. NB! Det er vanlige å lage kommersielle Al-produkter med kornstørrelse 0,1-0,2 mm.

Effekt av kornstørrelse IIIEffekt av kornstørrelse III• I noen anvendelser ønsker

man store korn.• Årsak: korngrenser svekker

motstanden mot siging ved høy temperatur.

• Derfor lages det turbinblader av enkrystaller.

Sigeegenskaper til ulike materialer av Ni-legeringenMAR-M200 testet ved 970 °C og 195MN/m2

Prøver ble konvensjonelt støpt, retningstørknet ellerlaget som enkrystaller.

StøpejernStøpejern

• Støpejern er materialer av ternære legeringer: Fe-C-Si

• Det er fire typer av støpejern:• Grått støpejern• Kule-grafitt jern (nodular iron)• Hvitt støpejern• Smibar støpejern eller adusergods (malleable cast iron)

Kule-grafitt jern med MgKule-grafitt jern med Mg

grafittkuleFeritt

Perlitt

= α-Fe+Fe3C

Kule-grafitt jernKule-grafitt jern

• I 1948 oppdaget International Nickel Company at grafittflakene ble til kuler ved å legge til 0,02-0,1 %Mg

• Senere fant man samme effekt av 0,2-0,4 %Ce

• Det produseres flere millioner tonn kule-grafitt jern

fordi støpejernet ble meget duktilt

- Veksten av kuler som for flak i gråjern unntatt at de vokser som kuler istedenfor eutektiskt

- Underkjølingen er større for vekst av kuler, og antall kuler per areal er meget større enn i gråjern

Fe-C fase diagramFe-C fase diagram

NB! Grafitt (C) erlikevektsfase,mens Fe3C er metastabil-Karbon er vanskelig å kimdanne

Eutektikum:Fe-4,3 %C ved 1154 °C – Fe3C+Fe

1148 °C – grafitt+Fe

Effekten av silisiumEffekten av silisium

Silisium øker differensen i eutektisk temperatur fra 6°C til over 30°C når det legeres inn 2% Si

Fe-C-Si –diagram for C + 1/3SiFe-C-Si –diagram for C + 1/3Si

Vi lager gråjernmed CE=3,86%

Støping av gråjern IIStøping av gråjern II• Fe-3,86%CE støpes i sandkokille med 160 °C supervarme

• Ved et punkt 4 cm fra veggen:

Etter 11 minutter: austenitt dendritter

Etter 55 minutter stopp vekst av dendritter

Etter 75 minutter: eutektikum dannes

Etter 93 minutter: alt er størknet

Støping av gråjern IIIStøping av gråjern III

• Dette er et eksempel på vekst av fasettert-ikke fasettert eutektikum.

• Resultat: irregulær struktur

• Etter som smelten blir mer og mer underkjølt blir grafitt-flakene tynnere og tynnere og til slutt kan det bli utfelt cementitt. Eutektisk koloni med autenitt og

Grafittflak (sorte)

Støping av gråjern IVStøping av gråjern IV

• Man må opp i høye vekst-

hastigheter for å få cementitt

Svovel fouruensninger har

sterk effekt:

- produserer grovere flak

- øker underkjølingen

- senker frysetemperaturen til eutektikum

- Øker tettheten av kolonier

Effekten skyldes at S blir i grafitten

Fast stoff-smelte fronten som funksjon avveksthastigheten for cementitt eutektikumog grafitt eutektikum

Støpt kulegrafitt jernStøpt kulegrafitt jern

C

feritt

Perlitt

Støpt kulegrafitt jern IIStøpt kulegrafitt jern II

Skisse av vekst av kuleformet grafitt. Krystallittene vokser med en C-akse (Grafitt erheksagonal) i vekstretningen.

Støpt kulegrafitt jern IIIStøpt kulegrafitt jern III

• Det er tre faktorer som ikke er forstått i støping av disse legeringene:

- 1. hvordan nukeeres kulene (spherulites)?- 2. Flakene er kjent for å vokse med a-aksen i vekstretningen,

mens kulene vokser med c-aksen i vekstretningen. Det er ikke kjent hvilken effekt Mg og Ce har.

- 3. Kulene er omgitt av jern dvs. et skall av austenitt. Hvorfor?

Mekaniske egenskaper til støpejernMekaniske egenskaper til støpejern

• Gråjern er som en kompositt som er avhengig av grafitt-flakenes størrelse, form og fordeling

• Materialer med grove flak (A-type) har større strekk-styrke enn materialer med fine flak (D-type)

• Gråjern er ekstremt sprø (fragile)

• Kule-grafitt jern er duktile og har følgende egenskaper:• Duktilitet: 2-30 %• Strekkspenning: 375-818 MN/m2

• Bruddspenning: 205—614 MN/m2