انجماد فلزات

انجماد فلزات و آلیاژها یک فرآیند مهم صنعتی است؛ زیرا اکثر فلزات با ذوب و ریخته‌گری مجدد به شکل قطعات کامل یا نیمه کامل درآورده میشوند. به طور کلی فرآیند انجماد یک فلز یا آلیاژ را می‌توان به مراحل زیر تقسیم بندی نمود:

1. تشکیل جوانه‌های پایدار در فلز مذاب (جوانه زنی) (شکل a–1)
2. رشد جوانه‌ها به صورت بلورها (شکلb–1) و تشکیل یک ساختار دانه‌ای شکل شکل(c–1)

شکل 1. نمایش شماتیکی نشان دهنده مراحل مختلف در انجماد فلزات. (a) تشکیل جوانه ها، (b) رشد جوانه ها به صورت بلورها و (c) اتصال بلورها به همدیگر و تشکیل دانه ها و مرز دانه های مربوط به آنها دقت کنید که دانه ها به صورت تصادفی آرایش یافته اند.

شکلی که هر دانه پس از انجماد فلز کسب می‌کند به عوامل متعددی بستگی دارد که در بین این عوامل، گرادیان های حرارتی از اهمیت زیادی برخوردار هستند.

تشکیل جوانه‌های پایدار در فلزات مذاب

جوانه‌زنی ذرات جامد در فلز مذاب با دو مکانیزم جوانه‌زنی یکنواخت یا همگن و جوانه‌زنی غیر یکنواخت یا غیرهمگن انجام می‌شود.

جوانه‌زنی یکنواخت یا همگن

در ابتدا جوانه‌زنی یکنواخت یا همگن را بررسی می‌کنیم؛ زیرا این نوع جوانه‌زنی ساده ترین حالت جوانه‌زنی است. در یک فلز مذاب، جوانه‌زنی یکنواخت موقعی به وقوع می‌پیوندد که خود فلز برای تشکیل جوانه‌ها، اتم‌ها را فراهم بکند. حال انجماد یک فلز خالص را بررسی می‌کنیم.

وقتی که فلز مذاب خالصی به اندازه کافی زیر دمای انجماد تعادلی خود سرد شود، از اتصال اتم‌های کم تحرک به یکدیگر، جوانه‌های یکنواخت یا همگن بیشماری به وجود می‌آیند. برای جوانه‌زنی یکنواخت معمولا لازم است که فلز مذاب را به اندازه قابل ملاحظه ای زیر سرد نمود، بعضی مواقع این زیر سرمایش در برخی از فلزات، به چندین صد درجه سانتیگراد می‌رسد (جدول 1 را ملاحظه کنید). برای اینکه جوانه‌ای پایدار باشد و بتواند به صورت یک بلور رشد نماید بایستی اندازه آن به یک مقدار بحرانی رسیده باشد.

جدول 1. مقادیر دمای انجماد فلزات، گرمای انجماد، انرژی سطحی و بالاترین زیرسرمایش برای چند فلز انتخابی.

خوشه با اتم های به هم پیوسته با اندازه کمتر از اندازه بحرانی را هسته و خوشه با اندازه بیشتر از مقدار بحرانی را جوانه می‌گویند. به علت ناپایداری، هسته‌ها به طور مداوم تشکیل و مجددا در فلز مذاب حل می‌شوند، که این امر از تلاطم اتم‌ها در مذاب ناشی می‌شود.

انرژی‌های لازم در جوانه‌زنی یکنواخت

در انجماد فلز خالص با جوانه‌زنی یکنواخت، بایستی دو نوع تغییر انرژی در نظر گرفته شوند:

1.  انرژی آزاد حجمی یا کلی آزاد شده توسط تبدیل مذاب به جامد
2.  انرژی سطحی به وجود آمده، ناشی از تشکیل سطوح جامد جدید از ذرات منجمد شده

موقعی که یک فلز خالص مذاب، مانند سرب مذاب زیر دمای انجماد تعادلی خود سرد می‌شود، انرژی محرکه لازم جهت تبدیل مذاب به جامد، اختلاف انرژی آزاد حجمی (کل) Gv∆ بین مذاب و جامد آن خواهد بود. اگر تغییر انرژی آزاد بین مذاب و جامد به ازای واحد حجم فلز را Gv∆ در نظر بگیریم، در این صورت تغییر انرژی آزاد در یک جوانه کروی شکل به شعاع r برابر مقدار زیر خواهد بود:

زیرا حجم کره برابر است.

تغییر در انرژی آزاد حجمی نسبت به شعاع یک هسته یا جوانه، به صورت منحنی پایین شکل شماتیکی 2 نشان داده شده است، توجه کنید که این کمیت منفی است؛ زیرا در تبدیل مذاب به جامد انرژی آزاد می‌شود.

منحنی تغییرات انرژی آزاد G∆ نسبت به شعاع هسته یا جوانه که در جریان انجماد فلزات خاص به وجود می آید. اگر شعاع ذره منجمد شده از *r بیشتر باشد، جوانه پایدار است و به رشد خود ادامه خواهد داد.

با این وجود، انرژی لازم جهت تشکیل سطح این ذرات، با به وجود آمدن هسته‌ها و جوانه‌ها مخالفت می‌کند. انرژی لازم جهت ایجاد سطح این ذرات کروی شکل، یعنی Gs∆، از حاصل ضرب انرژی آزاد سطحی مخصوص ذره یعنی γ، در مساحت سطح کره π/4r^2 به دست می‌آید که برابر G=4πr^2γ∆ است. این انرژی کندکننده تشکیل اجزای جامد (Gs∆)، با یک منحنی صعودی در نیمه بالایی مثبت شکل 2 نشان داده شده است. در همین شکل، کل انرژی آزاد مربوط به تشکیل یک هسته یا یک جوانه، که حاصل جمع تعمیرات انرژی آزاد حجمی و سطحی است، با منحنی وسطی در شکل 2 مشخص شده است. تغییر در انرژی آزاد کل را، در تشکیل یک هسته یا جوانه کروی شکل به شعاع ۲، در یک خالص در حال انجماد، می‌توان به صورت رابطه زیر بیان کرد:

که در آن:

• GT∆ : تغییر در انرژی آزاد کل
• r: شعاع هسته یا جوانه
• Gv∆ : انرژی آزاد حجمی
• γ: انرژی آزاد سطحی مخصوص

در طبیعت، یک سیستم نمی‌تواند به طور خود به خود از حالتی با انرژی بیشتر به حالتی با انرژی کمتر تغییر کند. در انجماد فلزات خاص، اگر ذرات جامد حاصل از انجماد فلزات دارای شعاعی کمتر از شعاع بحرانی *r باشند، در این صورت با انحلال مجدد این ذرات در مذاب، انرژی سیستم کاهش خواهد یافت. بنابراین این ذرات مجددا در فلز مذاب حل می‌شوند. اما اگر ذرات جامد دارای شعاعی بیشتر از *r باشند، در این حالت انرژی سیستم در صورتی خواهد یافت که این ذرات (جوانه‌ها) رشد بکنند و ذرات بزرگتر یا بلورها را تشکیل دهند. موقعی که r به اندازه شعاع بحرانی خود یعنی *r می‌رسد، GT∆ دارای حداکثر مقدار خود یعنی *G∆خواهد بود (شکل 2.)

رابطه بین اندازه جوانه‌های بحرانی، انرژی آزاد سطحی، و انرژی آزاد حجمی در انجماد یک فلز خالص، با مشتق گرفتن از رابطه 1 حاصل می‌شود. مشتق انرژی آزاد کلی GT∆ نسبت به r، در شرایط *r=r برابر صفر است، زیرا نمودار تغییرات انرژی آزاد کلی نسبت به شعاع هسته یا جوانه به ازای *r=r دارای بالاترین مقدار و شیب d∆GT/dr=0 خواهد بود. بنابراین داریم:

یا

شعاع بحرانی نسبت به زیر سرمایش

هر چقدر درجه زیر سرمایش T∆، در زیر نقطه ذوب تعادلی فلز بیشتر باشد، در این صورت تغییر در انرژی آزاد حجمی آن یعنی Gv∆ نیز زیادتر خواهد بود. اما با تغییر دما، تغییر چندانی در انرژی آزاد، ناشی از انرژی سطحی Gs∆ به وجود نمی‌آید. بنابراین اندازه بحرانی جوانه، عمدتا توسط Gv∆ تعیین می‌شود. اندازه بحرانی جوانه در نزدیک دمای انجماد فلزات بایستی بی‌نهایت باشد؛ زیرا در این حالت T∆ به سمت صفر میل می‌کند. لیکن با افزایش مقدار زیر سرمایش، از اندازه بحرانی جوانه کاسته میشود. شکل 3 تغییرات در اندازه بحرانی جوانه فلز مس را به عنوان تابعی از زیر سرمایش نشان می‌دهد. حداکثر مقدار زیر سرمایش برای فلزات خالص در جوانه‌زنی یکنواخت، در جدول 1 ارائه شده است که این مقادیر بین 80 تا 332 درجه سانتی گراد هستند. رابطه بین بحرانی جوانه و مقدار زیر سرمایش به صورت زیر بیان می‌شود.

که در آن

• *r : شعاع بحرانی جوانه
• γ: انرژی آزاد سطحی
• Hf∆: گرمای نهان ذوب
• T∆ : مقدار زیر سرمایشی است که تحت آن جوانه به وجود می‌آید.

 تغییرات در شعاع بحرانی جوانه های فلز مس نسبت به مقدار زیرسرمایش T∆

جوانه‌زنی غیر یکنواخت یا ناهمگن

هرگاه جوانه‌زنی در مذاب بر روی سطوح ظرف محتوی مذاب، ناخالصی‌های غیر محلول، یا سایر مواد ساختاری مذاب و در نتیجه با کاهش انرژی آزاد بحرانی لازم جهت تشکیل یک جوانه پایدار انجام گیرد، در این صورت به این نوع جوانه زنی، جوانه‌زنی غیر یکنواخت یا ناهمگن می‌گویند. از آنجایی که در اثنای عملیات ریخته گری صنعتی، مقادیر زیر سرمایش بالایی به وقوع نمی‌پیوندد و معمولا زیر سرمایش در محدوده بین 0.1 تا 10 درجه سانتی گراد تغییر می‌کند.

لذا جوانه‌زنی بایستی به صورت غیریکنواخت صورت گیرد و در نتیجه این جوانه‌زنی به طور یکنواخت نخواهد بود. برای اینکه جوانه‌زنی به صورت غیر یکنواخت انجام گیرد، بایستی عامل جامد (ناخالصی جامد یا ظرف) توسط فلز مذاب آغشته شوند و بعلاوه مذاب با راحتی بر روی این عوامل جوانه بزند. شکل ۴ یک عامل جوانه‌زا (موضع جوانه زنی) را نشان می‌دهد که توسط مذاب در حال انجماد آغشته شده و بین فلز جامد و عامل جوانه زا یک زاویه تماس کم θ بوجود آمده است. جوانه‌زنی غیریکنواخت روی عامل جوانه‌زا صورت می‌گیرد؛ زیرا انرژی سطحی لازم جهت تشکیل جوانه پایدار روی این مواد، نسبت به انرژی لازم برای تشکیل جوانه در خود مذاب خالص (جوانه‌زنی یکنواخت) کمتر است.

از آنجایی که انرژی سطحی لازم برای جوانه‌زنی غیر یکنواخت، نسبت به جوانه‌زنی یکنواخت، کمتر است، لذا تغییر انرژی آزاد کل برای تشکیل یک جوانه پایدار در این حالت کمتر و اندازه بحرانی جوانه کوچکتر خواهد بود. بنابراین جهت تشکیل یک جوانه پایدار توسط جوانه‌زنی غیر یکنواخت، زیر سرمایش خیلی کمتری لازم است.

جوانه زنی غیر یکنواخت روی یک عامل جوانه زا. عامل جوانه زنی = na، مایع-جامد= SL، جامد=S، مایع=L. زاویه تماس=θ