Solidificatie

Solidificatie is het proces waarbij een stof van vloeibare naar vaste fase overgaat. Dit gebeurt meestal door afkoeling, maar kan ook plaatsvinden door verdamping van oplosmiddel of door veranderingen in de samenstelling. Bij metalen en legeringen bepaalt solidificatie de opbouw van de microstructuur en daarmee de uiteindelijke mechanische eigenschappen. Tijdens de overgang komt latent smeltwarmte vrij en wordt warmte uit het vloeibare gebied afgevoerd.

Tijdens solidificatie treden nucleatie en kristalgroei op. Nucleatie kan homogeen in de bulk voorkomen of heterogeen op aanwezige randen en contactoppervlakken. Na nucleatie groeien kristallen, wat kan leiden tot dendritische of equiaxiale korrelstructuren, afhankelijk van de temperatuurgradiënt en de koelsnelheid. Bij legeringen kan soluteverdeling optreden, wat resulteert in microsegregatie in de korrels en soms macrosegregatie over het gietstuk. In veel systemen vormt zich een mushy zone waarin vaste en vloeibare fasen naast elkaar voorkomen.

De resulterende microstructuur bepaalt eigenschappen zoals sterkte, ductiliteit, corrosiebestendigheid en restspanningen. Problemen die kunnen ontstaan tijdens solidificatie zijn porositeit, krimp, hot tearing en restspanningen. De korrelgrootte en de richting van solidificatie beïnvloeden ook anisotropie in de onderdelen.

Beheersing van solidificatie gebeurt met maatregelen zoals toevoeging van korrelversteerders (grain refiners) om de korrelgrootte te reguleren, gecontroleerde koeling en temperatuurgradiënten, en bij gietwerk ook gerichte solidificatie. Voor specifieke toepassingen bestaan methoden zoals richting solidificatie, investment casting en kristalgroei-technieken (bijv. Czochralski, Bridgman) voor single crystals of zeer zuivere materialen.

Toepassingen van solidificatie zijn onder meer metaale gietwerk, soldeer en de productie van kristallen voor halfgeleiders en keramische materialen.