Abbildung 8.8. Abbildung 8.9

Transkript

1 Kritawahtum und Einkritazuht In einem kontroiert geführten Wahtumproze der feten Phae au der Shmeze it bei jeder neuen kritainen Lage die Keimbidung von Wahtuminen auf diht gepakten Abbidung 8.8 Kritafähen erforderih. Eine intereante Aunahme bidet hier ein Mehanimu mitte einer Shraubenveretzung, der die Anagerung von Ebenen wie auf einer Wendetreppe eraubt. Die ih darau ergebenden Wahtumpiraen aen ih experimente nahweien. Für eine tabie Grenzfähe mu der Temperaturgradient in die Shmeze hinein zeigen, o da an einer zufäigen Aubuhtung der feten Phae die Unterkühung und damit die Wahtumrate geringer aufaen und ih o die Grenzfähe wieder gatt zieht. Ein oher Gradient ät ih in der Rege erreihen, wenn die Abfuhr der Wärme nur über die fete Phae erfogt. So baieren die bekannten Verfahren der Einkritazuht ae auf einer kontroierten Wärmeabfuhr, um eine tabie Grenzfähe einzuteen und einer genau geteuerten Verhiebung de Temperaturprofi, wehe mit der Wahtumgehwindigkeit Abbidung 8.9 der Ertarrungfront exakt Shritt haten mu, um tationäre Verhätnie zu erhaten. Man unterheidet die vertikaen und horizontaen Tiegeverfahren (Bridgeman, Chamer) von tiegefreien Verfahren (Czohraki). In etzteren wird der wahende Krita angam au der Shmeze unter Drehbewegung heraugezogen. Sie werden in der Rege in der Habeiterindutrie angewendet, um Verunreinigungen durh den Tiege zu vermeiden. Daneben gibt e auh ein tiegefreie Zonenhmezen, bei dem der eihte Krita unterhab der Shmezzone durh die Oberfähenpannung der Shmeze gehaten wird. Bei der Herteung von integrierten Shatkreien werden heute einkritaine dünne Fime direkt bei der Abheidung au der Gaphae durh epitaktihe Wahtum hergetet. 1

2 Mehrkomponentige Syteme Ungeih viefätiger a bei reinen Eementen ind die Ertarrungphänomene bei mehrkomponentigen Sytemen, da die thermodynamihe Shmeztemperatur im Agemeinen eine Funktion der okaen Zuammenetzung it. Bei der Abkühung eine votändig mihbaren, binären Sytem ertarren aufgrund de Zweiphaengebiet zwihen Shmeze und Fetkörper zunäht Mihkritae mit einer erhöhten Konzentration de höher hmezenden Eement. Während der weiteren Abkühung werden dann nah und nah Mihkritae mit einem höheren Antei der tiefer hmezenden Komponente gebidet, entprehend de thermodynamihen Geihgewiht bei der jeweiigen Temperatur. Die Konzentration in den bereit gebideten feten Anteien kann ih jedoh in der Rege niht mehr dem au der Thermodynamik geforderten Geihgewihtwert anpaen, da die Diffuiongehwindigkeit in der feten Phae zu gering it. Auf diee Weie kommt e zu Variationen in der okaen Zuammenetzung der feten Probe, die a Seigerungen bezeihnet werden. Außerdem it die Rethmeze jewei im Vergeih zum Geihgewiht angereihert an niedrig hmezender Komponente, worau ih eine Erweiterung de Shmezinterva zu tieferen Temperaturen hin ergibt. Während der Ertarrung der Probe erzeugte Seigerungen aen ih auh durh eine ange Diffuiongühung päter oft niht mehr augeihen. Der rihtigen Führung de Ertarrungprozee (hinreihende Dihte der Keime) kommt hier weentihe Bedeutung zu, um einen tehnih brauhbaren Werktoff zu erhaten. Zonenreinigungverfahren Abbidung 8.1 Da Zweiphaengebiet zwihen Shmeze und Fetkörper wird tehnih augenutzt, um eine Reinigung von Verunreinigungen zu erreihen. In der Rege erniedrigen Verunreinigungen den Shmezpunkt, o da ih oka ein Phaendiagramm ergibt, wie in der Skizze angedeutet. Im Geihgewiht tehen ih ein Fetkörper mit einem Gehat an Verunreinigung von und eine Shmeze mit einem erhöhten Gehat von /k gegenüber, gemäß einem Verteiungkoeffizienten Abbidung 8.11 k 1 = <. (8.13) Nehmen wir an, da ih direkt an der Grenzfähe da thermodynamihe Geihgewiht eintet und ferner, da ih die Shmeze zu jedem Zeitpunkt votändig durhmiht aufgrund von Diffuion und/oder Konvektion. Im Gegenatz dazu ei die Diffuion im Feten 2

3 votändig unterdrükt. Durh die zunäht votändig aufgehmozene Probe aufe eine Ertarrungfront in Rihtung der x-ahe. Bei Abbidung 8.12 Verhiebung der Front um x mu ein Antei x ( 1 k ) von Verunreinigungen auf die Rethmeze der Länge L-x verteit werden, o da ih die Shmeze anreihert, gemäß 1 = x( 1 k ) L x d dx ( 1 k ) L x = (8.14) Diee Dg. (8.13) kann ehr einfah durh Integration geöt werden. Man erhät für die Konzentration der Shmeze im Moment der Ertarrung bei x: [ ] ( x n ) = ( 1 k ) n ( x L) x L x n = ( 1 k ) n L ( 1 k ) ( 1 k ) x L x L = = L L x x und darau die Zuammenetzung de bei x ertarrten Krita: x = k x k L L x = 1 k (8.15) Der größte Tei der Verunreinigung wird ao am Ende de Krita "abgeaden". Durh Abhneiden jewei diee Ende und mehrmaige erneute Aufhmezen kann der Reinigungeffekt erhöht werden. Noh eeganter ät ih diee Verfahren anwenden, indem niht die ganze Probe aufgehmozen wird, ondern nur eine kurze Shmezzone durh den Krita gezogen wird (Die oben angegebenen Geihungen für da Konzentrationprofi 3

4 müen entprehend modifiziert werden, da Prinzip beibt unverändert). Bei jedem Durhgang der Zone wird die Konzentration der Verunreinigungen am hinteren Ende de Krita erhöht. Diee a Zonenreinigung bezeihnete Verfahren wird tehnih angewendet, um Habeiterkritae, die für eine kontroierte Dotierung extrem auber hergetet werden müen, zu reinigen. Materiaphyik II Prof. Dr. Guido Shmitz Kontitutionee Unterkühung Die Abhängigkeit der Shmeztemperatur von der okaen Zuammenetzung ät die in Abb.8.9 verdeutihte Bedingung für eine tabie Ertarrungfront (poitiver Temperaturgradient in der Shmeze) zu kurz greifen. It die Durhmihung in der Shmeze niht votändig, und da it praktih immer der Fa, o bidet ih vor der bewegten Ertarrungfront ein tationäre Konzentrationprofi gemäß v 1 k x D = 1+ e (8.16) k au. Hierbei it die Augangkonzentration der Probe, v die Gehwindigkeit der Reaktionfront und D der Diffuionkoeffizient in der Shmeze (etwa 1-5 m 2 /). Au dem Konzentrationgradienten vor der Front fogt ein Gradient der okaen Shmeztemperatur T (x). Für die Stabiität der Ertarrungfront hatten wir biher verangt, da der Gradient der tatähihen Temperatur poitiv it, wei o die Unterkühung mit zunehmendem Abtand von der Front abnimmt. Au der Skizze erkennen wir, da jetzt im Fa de mehrkomponentigen Sytem die Unterkühung dennoh zunehmen kann, nämih fa der Gradient an der Grenzfähe zwar poitiv, aber dt dt < (8.17) dx dx x= beibt. Dieer Fa wird a kontitutionee Unterkühung bezeihnet und it gefürhtet in der Einkritazuht. Abbidung 8.13 Abb

5 Eutektihe Ertarrung Niht votändig mihbare Syteme ind häufig durh ein Eutektikum im Phaendiagramm augezeihnet. Im Agemeinen veräuft dann die Ertarrung in einem mehrtufigen Proze ab. Bei Erreihen de Liquidu werden zunäht primäre Kritae (α) augehieden, anaog zu einem vo mihbaren Sytem. Mit abinkender Temperatur verhiebt ih jedoh die Konzentration der Rethmeze zum eutektihen Punkt hin. Wird dieer erreiht, ertarrt dann die Rethmeze kongruent, indem ie pontan in zwei verhiedene fete Phaen (α + β) zerfät. Je nah Voumenantei der Phaen (gemäß Hebegeetz), nah auftretenden Grenzfähenenergien und nah Bewegihkeiten der Komponenten biden ih bei dieem zweiten Shritt verhiedene Morphoogien au. Da Diagram unten gibt die grobe Rihthnur die dem dominanten Einfu der Voumenanteie Rehnung trägt. Für ein Voumenverhätni von 1:1 findet man praktih immer ein ameare Gefüge (häufigter Fa). Mit zunehmend aymmetrihen Voumenanteien fogen dann Stäbhen- und Gobuarmorphoogie. Die genauen Grenzen verhieben ih aufgrund Abbidung 8.15 der anderen Einfugrößen (Grenzfähenenergien und Bewegihkeiten). Lameen Stäbe Auheidung 1:1 Voumenverhätni Genaue Lage der Grenzen von σ α, β, Dα, Dβ und kritaografihen Gegebenheiten abhängig. Abbidung 8.16: typihe eutektihe Gefüge au primärer α-phae und α β-lameen) 5