licenta complet
Post on 29-Dec-2014
118 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Universitatea “Politehnica” din Timişoara
Facultatea de Mecanică
Departamentul Ingineria Materialelor şi Fabricaţiei
PROIECT DE DIPLOMĂ
COORDONATOR
S.l Dr. Ing. Cosmin Codrean
STUDENT
Broicea Ionut Alexandru
Timişoara, 2012
Universitatea “Politehnica” din Timişoara
Facultatea de Mecanică
SPECIALIZAREA INGINERIA MATERIALELOR
PROIECT DE DIPLOMĂ
INSTALAȚIA SI TEHNOLOGIA PENTRU
OBȚINEREA SI RECONDIȚIONAREA CREUZETELOR DIN CUARȚ UTILIZATE LA
ELABORAREA ALIAJELOR AMORFE
COORDONATOR
S.l Dr. Ing. Cosmin Codrean
STUDENT
Broicea Ionut Alexandru
Timişoara, 2012
Rezumat
Aliajele amorfe au cunoscut o dezvoltare foarte spectaculoasă in ultimele patru
decenii.Structura amorfă reprezinta accea distribuție spatiala a atomilor care nu este aleatoare,
în ciuda aranjamentului dezordonat al atomilor pedistanțe lungi, materialele amorfe au o
distribuție ordonată al atomilor vecini ți distanțele interatomice sunt mai mici decat structura
unui cristal și prezintă o ordine a atomilor pe distanțe scurte ți un aranjament dezordonat al
atomilor pe distanțe lungi. Pentru obținerea aliajelor amorfe la scară industrială sunt utilizate
diferite procedee tehnologice metode continue: metoda melt-spinning și Planar Flow Casting și
metode discontinue procedeul Gun si procedeul ciocan-nicovală.
Pentru încălzirea topiturii se folosesc creuzetele de cuarț care sunt utilizate pentru
încalzirea aliajului primar deoarece au rezistențe termice foarte ridicate. Din cauză ca
producerea benzilor prin încălzirea ultrarapidă se face la scară industrială există riscul ca destul
de multe creuzete să se spargă , cea ce presupune cost ridicat pentru laboraturul de cercetare si
la scară industrială..
Din cauză ca recondiționarea creuzetelor se făcea pe strung cu flacăra oxigaz. Din
cauză că această metoda are destul de multe dezavantaje cum ar fi: timpul foarte lung de
lucru, încălzirea neuniformă a creuzetului, am conceput o instalație pentru închiderea și
recondiționarea creuzetelor bazată pe încălzirea cu inducție și pentru ca creuzetul nu induce,
am conceput o bucșă din grafit pentru a putea încălzi foarte repede si uniform creuzetele.
Această metodă de închidere a creuzetelor este una foarte avantajoasă deoarece
toată operația dureaza undeva la 25-30 de secunde. Această metoda poate înlocui cu succes
cealaltă metodă și pe scara industrială deoare se poate închide foarte ușor tuburile din cuarț
necesitând un timp de lucru foarte scurt, si o productivitate foarte ridicată.
Se concepe un dispozitiv de închidere a creuzetelor care se va folosi la închiderea
tuburilor din cuarț dupa ce acestea, în urma exploatării repetate au fost sparte, și după ce a fost
înlaturată partea spartă din creuzet , dispozitivul de închidere are rolul de a închide tubul din
cuarț la unul dintre capetele acestuia. Se efectueaza selecţia materialelor pentru dipozitivul de
închidere a creuzetelor din cuarț folosind metoda proprietăţilor ponderate si calculul parametrilor
tehnologici.
Summary
Amorphous alloys have known an spectacular develop in the past four decades.
The amorphous structure represents that spatial distribution of atoms that is not random, in
despite of the disordered arrangement of atoms over long distances, amorphous materials have
an ordered distribution of neighbours atoms and interatomic distances are smaller than the a
crystal structure and they showing a ordering of the atoms on the short distances and a
disordered arrangement of the atoms at the long distance. In order to obtain amorphous alloys
are used these technological methods: continuous methods: Melt-Spinning and Planar Flow
Casting method and discontinuous methods: Process anvil-hammer and gun.
In order to heating the primary alloy and to obtain the molten alloy, which it is
then applied a ultrafast cooling, quartz crucibles are used, as they have a very high thermal
resistance. Because of the repeated pouring of these, a several of the quartz crucibles in
pouring time have risk to are risk to be break and they break, which means more additional
costs at the research laboratory and at industrial scale.
Because the reconditioning and closing of the quartz crucibles is made on the lathe
with the oxyfuel flame in the most of mechanical workshops, and this method has several
disadvantages many such as: working time is very long and the uneven heating of crucibles. Is
designed a new closure and a new reconditioning technology based on the heating of crucibles
by induction, and because that the quartz crucibles does not induce, is designed a graphite
sleeve to heat quickly and evenly the crucible.
This method of closing the crucibles is very advantageous because the entire
operation takes between 25 and 30 seconds. This method can successfully replace
conventional methods of closing the crucibles, both at the research laboratory and in industry
level. The quartz tubes who are closed and reconditioning by using the new technology is
made in a very short time, the overhead costs are low and the productivity are very highs.
Is designed a device for closing of the crucible which were broken after repeated
operation. The broken area have being removed from the crucible broken, and the device
have the role to closure of the quartz tube at one end. Materials selection is done this for
device for closing of quartz crucibles, using the method of weighted properties and
calculating some technological parameters.
CUPRINS
Cap I. Generalițăți privind metode continue de obținere a aliajelor amorfe………... .pag 1
1.1 Aliaje amorfe………………...………………………………………………. pag 1
1.1.1 Istoric şi definiţie………………………………………………………….. pag 1
1.1.2 Structura amorfă............................................................................................ pag 2
1.1.3 Proprietăţi...................................................................................................... pag 2
1.2 Metode continue de obținere. Metoda Melt-Spinning. Metoda Planar Flow
Casting……………………………………………………..…………...…….. pag 3
Cap II. Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire
ultrarapidă…………………………………….……………………………… pag 10
2.1 Cuarțul (SIO₂).................................................................................................. pag 10
2.1.1 Generalități.................................................................................................... pag 10
2.1.2 Compozitia sticlelor (cuarțul) ...................................................................... pag 11
2.1.3 Stabilitatea chimică a cuarțului……………………………………………. pag 12
2.1.4 Proprietați mecanice……………………………………………………….. pag 13
2.1.5 Proprietați electrice....................................................................................... pag 15
2.1.6 Proprietați termice........................................................................................ pag 17
2.2 Tehnologia prelucrarii cuarţului……………………………………………... pag 21
2.3 Prelucrarea creuzetului prin fasonare ……………………….…………….. pag 25
2.3.1 Generalități………………………………………………………………… pag 25
2.3.2 Obtinerea sticlei de cuarț transparentă…………………………….……….. pag 27
2.3.3 Fabicarea tevilor din cuarț…………………………………………………. pag 27
2.3.4 Gâtuirea țevii din cuarț……………………………………………………. pag 30
2.3.5 Debitare țevii din cuarț…………………………………………………….. pag 31
2.3.6 Calirea sticlei de cuarț ………………………………….……………….. pag 31
2.4 Prelucrarea duzei de ejectare a creuzetului prin eroziune ultrasonică............. pag 40
2.4.1 Principii de bază......................................................................................... pag 40
Cap. III Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din
cuarț………………………………………………………………………… pag 43
3.1 Instalația……………………………………………………………………… pag 43
3.1.1 Generalități despre încălzirea cu inducție……………………………….. pag 44
3.1.2 Descrierea funcțională a instalației............................................................ pag 47
3.2 Tehnologia pentru închiderea și recondiționarea creuzetelor………….…….. pag 52
3.2.1 Creuztul din cuart si problemele de exploatare………………………….. pag 52
3.2.2 Îndepartarea zonei sparte a creuzetului in vederea reconditionarii……… pag 53
3.2.3 Închiderea creuzetelor din cuarț................................................................. pag 54
3.2.4 Slefuirea creuzetelor din cuarț în vederea obținerii fantei de curgere….. pag 57
Cap. IV Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a
cuarțului........................................................................................................ pag 58
4.1 Proiectarea dispozitivului............................................................................... pag 58
4.2 Metode cantitative de selecţie....................................................................... pag 59
4.2.1 Clasificarea cerinţelor de performanţă..................................................... pag 59
4.2.2 Metoda proprietăţilor ponderate.............................................................. pag 60
4.3 Selecţia materialelor pentru dipozitivul de închidere a creuzetelor din cuarț folosind
metoda proprietăţilor ponderate…………………………………………. pag 61
4.3.1 Prezentarea condițiilor de exploatare și ierarhizarea proprietăților..... pag 61
4.3.2 Prezentarea oțelurilor pentru selecția acestui dispozitiv...................... pag 62
4.3.2.1 Prezentarea oțelul OLC45 (C45)................................................... pag 62
4.3.2.2 Prezentarea oțelului 40Cr130 (X40Cr13)...................................... pag 66
4.3.3 Calculul indicelui de performanță și a cifrei de merit.......................... pag 68
4.4 Proiectarea tehnologica………………………………………………….. pag 69
4.4.1 Prezentarea itinerariului tehnologic.................................................. pag 69
4.4.2 Calculul parametrilor tehnologici la burghiere și lărgire………….. pag 70
Cap V Concluzii ……………………………………………………………. pag 75
Introducere
În ultima perioadă asistăm la o dezvoltare spectaculoasă în ceea ce privește apariția
unor materiale metalice cu proprietăți deosebite și special proiectate pentru un anumit tip de
produs. Toate aceste materiale sunt rezultatul unor tehnologii avansate de obținere. Toate
acestea stau la baza cercetărilor privind răcirea ultrarapidă a materialelor metalice din anii
1960, fiind un domeniu care a atras atenția unor numeroși cercetători și ingineri. În acest an,
profesorul P. Duwez cu o grupă de colaboratori din cadrul Institutului Tehnologic din California
au obținut o stare amorfă în aliajul eutectic Au-Si.
În ultimii ani au cunoscut un real interes materialele metalice amorfe care au apărut
în 1970 și care au fost împărțite în două clase de materiale: semiconductori amorfi și metale
amorfe.
Metalele amorfe au cunoscut o reală dezvoltare în 1970 când Masumoto și Maddin
au obținut o bandă amorfă din aliaj de paladiu ce avea proprietăți extraordinare cum ar fi
rezistența și o plasticitate ridicată dar și o rezistența la coroziune și o permeabilitate magnetică
ridicată.
Timp de circa 10 ani, în cercetarea metalelor amorfe au apărut publicații cu privire la
acest subiect. Această perioadă a fost considerată o perioadă de incubație pentru dezvoltarea
acestor tipuri de materiale.
Cu puțin înainte de 1970 și după, acest domeniu a cunoscut o reală explozie
exponențială cu privire la numărul de publicații, acest fenomen producându-se datorită
apariției benzilor amorfe subțiri și continue.
După toate aceste cercetări și descoperirea proprietăților foarte bune la care s-a
ajuns cercetarile să-au extins pe toate continentele, după ce in prima fază acestea efectuându-
se doar in S.U.A. și Japonia, dar și o producere în masă.
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
1
Cap. I Generalițăți privind metode continue de obținere a aliajelor
amorfe
1.1 Aliaje amorfe
1.1.1 Istoric şi definiţie
Structurile amorfe la metale au fost surprinse de catre profesorul Pol Duwez, iar
cercetările efectuate împreună cu echipa sa de cercetare au condus la descoperirea de noi
structuri metastabile obţinute printr-o metoda de răcire rapidă a topiturii metalice pe un suport
racit.
După mai bine de patru decenii de la această descoperire, rezultatele obţinute au dus la
obţinerea de noi materiale a căror combinaţie de proprietăţi, au generat apariţia unor noi
tehnologii şi metode de procesare.
Structura amorfă reprezintă acea distribuţie în spaţiu a atomilor care nu este una
întamplatoare în pofida dispuneri dezordonate a atomilor pe distanţe mari, materialele amorfe
prezintă o distribuţie ordonata a atomilor vecini pe distanţe interatomice mici, faţă de structura
cristalină care prezintă o ordonarea a atomilor atât pe distante scurte cât şi la lungă distanţă după
cum este ilustrat mai jos în figura 1. 1
Figura 1. 1 Structura solidelor cristaline şi amorfe [1]
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
2
1.1.2 Structura amorfa
Structura amorfă se caracterizeaza prin lipsa ordinii la lungă distanţă în aranjamentul
spaţial al atomilor, de asemenea metalele amorfe prezintă un tip de ordonare în aranjamentul
atomic manifestat numai la scurta distanţă. Aceasta ordine la scurtă distanţă cât şi lipsa ordinii pe
lungă distanţă (figura 1.2) caracterizează atât lichidele cât şi solidele amorfe, faţă de structura
cristalina unde avem o ordonare riguroasă manifestată pe toate distanţele. [1]
a) b)
Figura 1.2. Definirea stării cristaline şi a stării amorfe; a) structura cristalină cu ordine la lungă distanţă b)
structura amorfă lipsită de ordine la lungă distanţă. [1]
1.1.3 Proprietăţi
Proprietațile fizice, mecanice si chimice ale metalelor amorfe şi nanocristaline sunt
unice, neasociate astfel în nici o alta clasă de substante cunoscute. Absenta cristalinității conduce
la valori ridicate ale rezistentei la rupere in sticlele metalice, la o usurinta de magnetizare, la o
atenuare extrem de redusa a undelor acustice si o rezistivitate electrica apreciabila. Omogenitatea
structurala si compozitionala conferă o rezistenta mare la coroziune electrochimica specifica
sticlelor metalice.
Avand legaturi interatomice de tip metalic, metalele amorfe prezinta proprietati care le
diferentiaza foarte mult de celelalte metale: ductilitatea care le asigura posibilitatea de a fi
prelucrate prin deformare plastica, nefragilitatea la rupere, conductivitatea electrica si termica,
precum şi proprietati optice specifice cum ar fi: opacitate si luciu metalic.
În ceea ce priveşte densitatea s-au observat până în prezent diminuări ale densităţii de
până la 2% în cazul celor amorfe.
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
3
1.2 Metode continue de obținere. Metoda Melt-Spinning. Metoda Planar Flow Casting.
Utilizează un număr mare de procese și instalații la obținerea benzilor su firelor
amorfe sau nanocristaline, metode ce combină thehnici vechi de metalurgie, acestea se pot
clasifica in:
Procese de extrudare a topiturii „melt spinning”
Procese de extractie din topitură „melt extraction”
În 1908 Strange si Pim au apatentat un procedeu „melt spinning” în care jetul de
topitură este turnat pe exteriorul unei role aflate în mișcare de rotație. Forța centrifugă va afecta
jutul de topitură la contactul acestuia cu rola, ducând la separarea acestuia de rolă. În ciuda
timpului foarte scurt de contact dintre topitură și rolă de răcire, această tehnică se utilizează cu
succes la obținerea de benzi sau de fire direct din topitură.
Procesele de extrudare a topiturii „ melt spinning” includ:
călirea între două role Twin Roller Quenching
extrudare liberă a topituri( pe suprafata exterioară)- Free Melt
Spinning(outside)
extrudarea liberă a topiturii (pe suprafaîa interioară) - Free Melt Spinning
(inner)
În cazul călirii între două role (figura 1.3.a) topitura este forțată sa treacă printer
două role ce se rotesc cu viteză mare , iar la contactul cu cele două suprafețe reci este călită
rapid pentru a forma o bandă de grosime uniform.presiunea aplicată rolelor în timpul
procesului permite obținerea de viteze de răciri inițial mari, dar “răcirea secundară” datorită
convecției și radiației va fi slabă daca banda parasește imediat rolele de răcire. De aceea această
tehnică se folosește la obținerea produselor cristaline special sau la realizarea benzilor amorfe si
nanocristaline dacă aliajele metalice au abilitatea de formare a sticlelor. În tehnica Free Melt
Spinning (outside), metalul topit este adus în contact cu exteriorul unei role aflate în rotație de
mișcare (figura 1.3.b) și apoi inghetat sub formă de bandă sau filament. Acest procedeu de
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
4
răcire cu o rolă este cea mai avantajoasă dintre metodele de obținere a sticlei metalice, ducând
la obținerea unor benzi lungi ,subtiri și continue.
Când topitura este ejectată dintr-o formă de turnare pe suprafața interioară a unui
cilindru aflat în mișcare de roatație tehnica se numește Free Melt Spininnng (inner). Pentru a se
obține filamente amorfe sau bezni continue, jetul de topitură este ejectat printr-un orificiu pe
suprafața interioară a unei role aflate în mișcare de rotație cu viteză mare, rola fiind fiind
realizată dintr-un aliaj cu conductivitate termică ridicată (figura 1.3.c).
Componenta normală a forței centrifugale menține banda solidificată în contact xu
suprafața rolei, iar componenta tangențială forțează banda solidificată sa alunece pe panta
rolei.
O altă variantă tehnologică a extrudării libere a topiturii ( pe suprafața interioară)
constă în ejectarea topiturii printr-un orificiu al duzei de la baza creuzetului pe suprafața
interioara a rolei aflată în miscare cu axade rotație in plan vertical (figura 1.3.d)
Figura 1.3 Tehnici de răcire din topitură [2]
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
5
Procedeul Melt Drag constă in aducerea în contact a orificiului duzei creuzetului cu
suprafața exterioară sau interioară a unei role în mișcare de roație . ce conduce astfel la “tragerea”
picăturilor și solidificarea lor instantanee sub forma unor benzi continui.
Rata scăzută de răcire este un dezavantaj duce insă la limitarea extrudării procesului.
Procesele de extracție din topitură- “Melt Extraction” pot fi realizate prin mai multe
procedee tehnologice. În principiu o rolă cu margini ascțite atinge baia topită (figura 1.4),
extrăgând astfel un produs cu secțiunea transversală variabilă (bandă., filament, fibre scurte,
pulbere).
Figura 1.4 Tehnologia extragerii din topitură[2]
1-cuptor; 2-aliaj topit; 3-rolă; 4-rolă de curățare; 5- bandă;
Secțiunea produsului solidificat depinde de circumferința discului de extragere și de
adâncimea de imersare a acesteia în topitură. Dacă discul se află la suprafata topiturii secțiunea
produsului este circulară. Dacă adâncimea de imersie crește, secțiunea este în forma literei „C”,
iar la adâncimi și mai mari de imersie secțiunea produsului capătă forma literei “L”.
O aplicație importantă a proceselor de extracție din topitură o constituie elaborarea
firelor de secțiune rotundă. Pentru obținerea acestora sunt necesare procedee speciale de
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
6
tragere a firelor din topitură cele mai cunoscute fiind “tragerea firelor dintr-o topitură metalică
printr-un orificiu rotund și printr-un fluid de răcire ” și “tragerea firelor pe un tambur rotitor”.
În cadrul primului procedeu menționat (figura 1.6), metalul topit este tras printr-un
tub de secțiune rotundă, dispus într-o soluție apoasă de săruri.
Figura 1.5 Tragerea firelor dintr-o topitură metalică printr-un orificiu rotund și fluid de răcire. [2]
În al doilea caz (figura 1.6), jetul de metal topit cade într-un lichid menținut de forța
centrifugă pe suprafața interioară a unui tambur rotitor, iar firul solidificat este bobinat apoi din
lichidul de ăn rotație. În experimente descrise în literatura de specialitate, sunt utilizate ca lichide
de răcire apa distilată și o soluție apoasă de săruri, viteza de răcire fiind estimată la 10⁴ -10⁵
⁰C/s.
Figura 1.6 Tragerea firului dintr-un tambur rotator [2]
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
7
Un alt procedeu, mai demult cunoscut, constă în obținerea firelor amorfe prin tragerea
topiturii într-un capilar din sticlă, (figura 1.7) asa numită metodă Taylor sau metoda Uliatovski –
Taylor. Firul se obține la tragerea topiturii în capilar, caz în care diametrul firului este de 2-5
μm.greutatea esențială a procesului constă in separarea firului de tub capilar, fapt ce limitează
compoziția aliajelor amorfizabile.
Figura 1.7 Metoda Taylor [2]
Fabricarea aliajelor amorfe la scară industrială se poate face doar utilizând procedee
continue de răcire ultrarapidă a topiturii. Aceste tehnici au avantajul că materialele se obțin prin
turnare directă, și nu prin prelucrarea unor semifabricate. Deși au fost dezvoltate diferite tehnici
pentru obținerea de cantități comerciale de materiale amorfe , cele mai avantajoase rămân
procedeele de extrudare a topituri - melt spinning – care a devenit metoda standard utilizată în
numeroase laboratoare și fabrici. Procedeul a fost extensiv studiat și au fost efectuate numeroase
studii experimentale și analitice ale cineticii condițiilor de procesare. Procedeul implică prezența
unui jet liber de topitură, a unei băi metalice din care materialul este extras și călit sub forma de
bandă; forma băii determină și limitează dimensiunile benzilor obținute.
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
8
Figura 1.8 Reprezentarea schematică a procedeului “ planar flow casting ”. a) vedere generală b) detaliu
al orificiului diuzei 1- creuzet 2- bandă 3- substrat (rolă de răcire) [2]
Narasimhan a avut ideea plasării duzei de ejectare la o distanță foarte mică de
suprafața rolei (o fracțiune de milimetru), asigurând astfel costrângerea mecanică a băii și
minimizând perturbațiile. În această configurație cantitate de topitură este menținută constant
(fosta baie metalică, reprezentată cu linie întreruptă) și geometria benzii obținute este
îmbunătățită. Duza cu forma din poate fi ăn principiul utilizată fără a se limita lățimea benzilor,
deschizând astfel drumul pentru producerea la scară industrială.
Prin urmare , metoda de răcire ultrarapidă a topiturii pe un cilindru aflat în mișcare de
rotație poate atinge performanțe deosebite, putându-se elabora produse cu o gamă largă de
dimensiuni cu un randament ridicat și o reproductibilitate corespunzătoare. Principalele elemente
ce intervin la elaborarea prin această metodă sunt prezentate în schema de principiu din figura
1.9.
Capitolul I - Generalițăți privind metode continue de obținere ale aliajelor amorfe
2012 Broicea Ionuț Alexandru
9
Figura 1.9 Schema de principiu a metodei răcirii ultrarapide a topiturii cu un singur cilindru [2]
În principiu, aliajul primar, cu structură cristalină și compoziție chimică favorabilă
amorfizării, este topit într-un creuzet și forțat să treacă prin fanta duzei de ejectare, căzând pe
suprafața rolei de răcire, aflată în miscare de rotație.
Curgerea metalului topit în creuzet și prin fanta duzei influențează în mod hotărâtor
elaborarea propriu-zisă. Se impune necesitatea asigurării unei viteze constantea jetului de metal
topit pe lungimea crezetului și a duzei.[2]
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
10
Cap 2. Creuzetele din cuarț utilizate la topirea aliajelor primare în vederea
obțineri aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2.1 Cuarțul (SIO₂)
2.1.1 Generalități
În timpul răcirii unei topituri are loc în mod obișnuit cristalizarea. La topiturile fluide
vâscoase, care stagnează,în sensul că nu sunt sub influența unor procese de mișcare de nici un
fel, cristalizarea apare în timpul răcirii cu o viteză finită măsurabilă. Astfel stând lucrurile, este
posibil , ca prin răcirea cu o viteză suficient de mare , topitura să fie adusă în stare solidă complet
necristalizată. Acest produs obișnuit prin solidificare este amorf, iar materialele de acest fel se
numesc sticle.
Proprietațile lor se schimbă treptat cu temperatura. Nu există nici o discontinuitate în
curbele ce reprezintă proprietățile în funcție de temperatură, numai într-o anumită zonă de
temperatură, caracteristică pentru fiecare sticlă așa-numita zona de transformare, există schimbări
vizibile de proprietăți.
Se pot fabrica sticle cu compoziții dintre cele mai diferite . Sticlele fabricate în
prezent pe scară industrială sunt în cea mai mare parte sticlele silicatice al carui component
principal este SiO₂ , restul componenților fiind de asemenea preponderenți oxizi. Cele mai
importante tipuri de sticlă se pot împarți în patru grupe:
Sticle silicatice calco-sodice;
Sticle boro-silicatice;
Sticle silicatice cu plumb;
Sticle alumino-silicatice;
Pentru realizarea creuzetului în care se retopește prealiajul din cares se obține aliajul
amorf prin ejectare pe o rolă de cupru, se alege din multitudinea de sticle existente cuarțul
deoarece se pretează cel mai bine pentru această aplicație. In continuare se vor prezenta câteva
proprietăți ale acestui material.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
11
2.1.2 Compozitia sticlelor (cuarțul)
Oxidul de siliciu în stare vitroasă este termenul generic pentru a descrie toate tipurile
sticle din oxid de siliciu (silica) iar producătorii îl denumesc „fused quartz” sau „fused silica”.
La început acești termini erau folosiți pentru a face diferența dintre gadul de opacitate și de
transparență a materialului. Fabricatele din fused quartz erau acele produse din cristale de cuarț
folosite pentru obținerea materialelor transparente, iar fabricatele din fused silica denumeau
produsele opace obținute din nisip.
Totuși astăzi.tehnica permite obținerea de produse transparente atât din cristale de
cuarț cât si din nisip. În consecință dacă oxidul de siliciu sub formă naturală (nisip sau piatră) se
topește, materialul obținut se numește fused quartz (sticla de cuarț). Totuși cănd dioxidul de
siliciu ( SiO₂) este derivate sintetic, materialul obținut se numește sticlă de cuarț sintetică.
Performanța celor mai multe produse din sticlă de cuarț este în strânsă legatură
puritatea materialului. Procesele de îmbunătățire a materiei prime și de amestecare sunt
monitorizate și controlate îndeaproape de producători cum ar fi GE. Ei obțin material cu
impurități sub 50 de procente molecular în greutate, prin procedeul de topire. Varietățile de sticlă
de cuarț obținută de GE au o puritate de 99,995%de greutate de SiO₂. Tabelul 2.1 de mai jos
arată urmele de impurități din produsele de sticlă de cuarț obținute de GE. De asemenea se arată
si impuritățile de oxizi (OH)-. Puternica aviditate a diferitelor tipuri de hidroxizi din sticla de
cuarț oferă o metodă de analiză cantitativă.
Termenul de factor beta se folosește pentru a caracteriza conținutul de hidroxil din
produsele din cuarț. Acest termen se definește prin formula de mai jos β=(1/t)log10
(Ta/Tb)mm-1
,
unde: t- grosimea cuartului, mm; Tₐ-procentul de transmisie efectiva la λ=2,6μm; Tb-procentul de
transmisie efectivă λ= 2,73 μm.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
12
Tabelul 2.1.1– Compoziția caracteristică a sticlei de cuarț (pm)
2.1.3 Stabilitatea chimică a cuarțului
Cele mai multe metale, cloruri, acizi, bromuri nu reacționează cu sticla de cuarț la
temperaturi normale. Este ușor atacată de soluțiile alcaline rata reacției crescând odată cu
temperatura și concentrația soluției. Acidul fosforic va ataca sticla de cuarț la temperaturi mai
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
13
mari de 150 ⁰C. Doar acidul hidrofloric va ataca sticla de cuarț la orice temperatură.Carbonul si
unele metale reduc sticla de cuarț: oxizi bazici, carbonații, sulfații, vor reacționa cu aceasta la
temperaturi înalte. Totuși în general , se poate trage concluzia că sticla de cuarț este destul de
nereactivă.
Efectele diferitelor elemente si diferiților compuși asupra sticlei de cuarț șa
temperaturi înalte se observă în vid .fiecare monstră este ținută la vea mai joasă temperatură timp
de o oră dupa aceea la cea mai înaltă timp de o oră si tot așa.
Sticla de cuarț este in esența impermeabilă pentru cele mai multe gaze dar
heliul,hidrogenul si neonul pot trece prin sticlă .Rata difuziunii crește la temperaturi și la
presiuni diferite.
Difuziunea selectivă a heliului prin sticla de cuarț este baza unei metode de a purifica
heliulîn esentă acesta se filtrează de componenții săi prin trecerea gazului prin tubul de cuarț cu
pereți subțiri.
Difuziunea heliului, hidrogenului si a neonului prin sticla de cuarț este accelerată la
temperature mari. Constantele de permeabilitate ale acestor gaze ce trec prin sticla de siliciu la
700 ⁰C sunt estimate la:
Heliul 2,1 x 10 -8
cc/sec/cm²/mm/cm, Hg
Hidrogenul 2,1 x 10-9
Neon 9,5 x 10 -10
2.1.4 Proprietați mecanice
Proprietațile mecanice ale sticlei de cuarț sunt aproape la fel ca a oricarei
sticle,cuarțul este extreme de rezistent la compresiune cu o rezistența mai mare decat 1,1 x 10⁹Pa
.
Totuși defectele de suprafață ( fisuri) pot reduce drastic rezistența loricarei sticle, deci
la întindere sunt influențate intr-o foarte mare masură de aceste fisuri. Totuși defectele de
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
14
suprafață (fisuri) pot reduce drasctic rezistența oricarei sticle, deci la întindere sunt influențate
într-o foarte mare măsură de aceste fisuri.
Figura 2.1 Proprietăți mecanice [3]
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
15
Tabelul 2.2 Propriețăți mecanice
T [ C]
Modulul de
rigiditate
[Pa 1010
]
Modulul de
elasticitate
[Pa 108]
Forța de
amortizare
interioară
[h 105]
Coeficientul
lui Poisson
[-]
Limita de
rezistetă la
rupere
[MPa]
Duritate
[kg/mm 10]
20 312 721 1 0.1630 61.5 549
400 327.5 772 0.5 0.1775 71 351
800 338 802 3.3 0.1883 74 -50
1000 341 811 - 0.1945 - -
1200 343 817 - 0.1960 - -
2.1.5 Proprietați electrice
Din moment ce conductivitatea electrică in sticla de cuarț este de natură ionică, iar
ionii alcalini există doar ca urme de constituenți , sticla de cuarț este cea mai preferată pentru
izolațiile electrice deoarece este un dielectric cu pierderi scăzute.
În general proprietățile electrice de izolare ale sticlei de cuarț pure sunt superioare
tipurilor opace și translucide. Atât izolarea electrică cat si proprietațile transmisiei de microunde
sunt menținute la temperaturi foarte înalte si pe o arie de frecvențe.
Valorile proprietaților electrice tipice ale sticlei de cuarț includ:
Rezistența electrică: 0.7 x 109 ohm –cm la 350⁰ C
Factorul de pierdere dielectrică: mai putin de 0.0004 la 20⁰C, 1MHz
Constanta dielectrică: 3.75 la 20 ⁰C, 1 MHz
Rezistivitatea specifică: 1018
ohm/cmᶟ la 20 ⁰C
Factor de disipație: mai puțin de 0.0001 at 20 ⁰C, 1 MHz
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
16
Figura 2.2 Proprietăți electrice [3]
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
17
2.1.6 Proprietați termice
Una din cele mai importante proprietați a sticlei de cuarț este coeficientul extrem de
scăzut: 5,5 x10 -7
mm ⁰C (20-320⁰C). Acest coeficient este 1/34 din cel al Cu si doar 1/7 din cel
al sticeli borosilică. Acest lucru face materialul deosebit de folositor pentru oglinzi, ferestre și
aplicații optice care necesită sensibilitate minimă la schimbari termice.
O proprietate adiacentă este rezistența neobișnuit de înaltă la șoc termic. De exemplu
secțiuni subțiri pot fi încălzite rapid la peste 1500 ⁰C și apoi scufundate ăn apă fara a crăpa.
Când cuarțuș este manipulat cu flmă, muncitorul poate induce tensiuni termice în
material. Ca la metale si alte materiale vitroase (sticloase), această tensiune termică poate fi
eiminată prin călire. Principiile călirii sunt simple dar pot fi ușor neîntelese rezultând posibile
ruperi din material în timpul folosirii. Înainte sa poți întelege pricipiile călirii trebuie să întelegi
cațiva termeni uzuali folosiți pentru a descrie proprietațile termice ale sticlei.
Sticla de cuarț este un material solid la temperatura camerei dar la temperaturi mai
mari acesta se comportă ca orice sticlă.Nu are punct de topire foarte bine delimitat cum o au
materialele xristaline dar se înmoaie ăntr-un interval de temperatură destul de larg . Aceasta
tranziție de la solid la un comprtament aproape plastic denumită intervalul de transformare, este
caracterizată de o schimbare continuă în vâscozitate odată cu temperatura.
Vâscozitatea este măsura rezistentei la curgere a materialului atunci când este expus
la o forță de forfecare.deoarece intervalul de “vărsare” este extreme de larg,scara vâscozității este
în general exprimată logarithmic. Câțiva termini uzuali pentru exprimarea vîscozitații sunt;
Punctual de curgere - temperature la care forțele interioare sunt eliberate în
4 ore. Acesta corespunde cu o vâscozitate de 1014.5
poise, unde poise=dynes/cm²sec
Punct de călire - temperature la care forțele interioare sunt eliberate in 15
minute corespunde cu o vâscozitate 1013.2
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
18
Punct de îmuiere: temperature la care sticla se va deforma datorită propriei
greutați cu o vâscozitate de aproxmativ 107.6poise. Punctual de înmuiere al sticlei de cuarț
variază între 1500-1700⁰C interval ce rezultă datorită diferitelor condiții de măsurare.
Devitrificarea, generarea de particule sunt factori extremi în comportamentul sticlei
de cuarț la temperaturi înalte. Devitrificarea este un process format din doi pași de germinare si
creștere. În general rata devitrificare a sticlei de cuarț este înceată din doua motive :germinarea
fazei cristobaltice e posibilă doar la suprafețele libere și rata de creștere a cristalelor e scăzută.
Germinarea în materialele din sticlă de cuarț este în general inițiată de contaminarea
la suprafată cu elemente alcaline și alte metale. Această nucleație eterogenă este mai înceată în
sticla de cuarț nestoichiometrică decat materialele din cuarț stoichiometrice.
Rata creșterii cristobaltice de la locul nucleației depinde de anumiți factori de mediu
și de caracteristicile materialului. Temperature și vâscozitatea cuarțului sunt cei mai importanți
factori dar presiunile oxigenului și a vaporilor de apa de asemenea influențează rata creșterii
cristalului. În consecință rata devitrificări crește odata cu creșterea conținutului de hidroxil (OH),
cu scăderea vâscozității și cu creșterea temperaturii.
Figura 2.3 Vâscozitatea [3]
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
19
Figura 2.4 Mărimea cristobalitei in funcție de temperatură si timp [3]
Transformarea de fază în cristobalite Beta nu se întâmplă în general sub 1000⁰C.
Această transformare poate fi în detrimentul integrității strucurale a sticlei de cuarț dacă se aplică
un tratament termic ciclic în jurul temperaturi de 250⁰C. În acest caz poate exista o schimbare
masivă în densitate și poate cauza fărâmițarea și insuficiențaă mecanică.
În anumite aplicații ,devitrificarea poate fi avantajoasă.De exemplu , daca un cuptor
sub formă de tub se folosește la temperaturi înalte pe o perioadă lungă de timp și nu este supus
ciclurilor termice sub transformarea ciclobalitică din stadiul ß în stadiul ɑ atunci procedurile de
rotație sunt o alternativă benefică.
Contaminarea de orice formă are efecte negative .Soluțiile alcaline, sărurile sau
vaporii sunt în special de evitat. Manipularea sticlei de cuarț cu mâinile goale înseamnă
depunerea de soluții alcaline suficiente pentru a lăs amprente foarte bine definite asupra
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
20
devitrificării. Picăturile de apă lăsate să stea un timp indelungat pe suprafața materialului în
contact cu aerul vor crea pete devitrificate și urme de apă.
Contaminarea suprafeței afectează devitrificarea în doua feluri . primul:contaminantul
favorizează nucleația cristobalitei. A doua: acționează ca un flux de amplificare a cristobalitei
spre o transformare beta tridimitică. În unele condiții devintrificarea tridimitică se amplifică
foarte rapid în interiorul sticlei de cuarț.
Figura 2.5 Proprietăți termice[3]
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
21
Încălzirea sticlei de cuarț la temperaturi înalte (circa 2000 ⁰C). Determina SiO₂ să se
disocieze sau să se sublimeze: SiO₂→SiO +1/2 O₂. În cosecință când prelucrarea sticlei se
realizează cu flacără apare o bandă de brumă sau de fum care se fomează chiar în afara regiunii
intens încalzite.această brumă, se presupune că se formează datorită recombinării SiO cu
oxigenul din aer(sau apă) și condensării acestuia sub forma de particule amorfe de SIO₂ extrem
de mici. Bruma poate fi îndepartat-ă de pe suprafața cu o incălzire cu ajutorul, flăcării
oxihidrogenice.
Disociația este amplificat-o foarte tare atunci când încălzirea sticlei de cuarț se face în
condiții de reducere. De exemplu apropierea sau contactul cu graficul în timpul încălzirii
cauzează disocierea rapidă a SiO2.
2.2 Tehnologia prelucrarii cuarţului
La baza oricarui proces stau etapele principale de realizare a unui produs, acestea
pentru prelucrarea sticlei sunt:
a) Alegerea de materii prime pentru obţinerea sticlei
b) Topirea sticlei
c) Fasonarea
d) Tratamentul termic
e) Finisarea
a) Materii prime.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
22
In compoziţia amestecului pentru fabricarea sticlei intra o serie de materii prime ca
de exemplu nisip, sodă, potasă, sulfaţi, azotaţi, coloranţi, opacizanţ.
După rolul pe care îl au în fabricarea sticlei, materiile prime se impart în:
Materii prime principale sau de bază care formează masa de sticla , prin
intermediul cărora se introduce oxizi vitrifianţi (nisip, sodă).
Materii auxiliare care confera sticlei proprietăţi special. Astfel ele se
impart în: substanţele de limpezire (afinaţi), decoloranţi, coloranţi,opacizanţi.
În afara acestor materii în amestecul pentru fabricarea sticlei se mai introduce:
cioburi de sticla (in scopul recuperării rebuturilor de la fabricarea sticlei), unele roci alcaline,
pegmatite, caolin, feldspat, deşeuri de silicaţi de sodiu, zgură, deşeuri industrial
b) Topirea sticlei.
În procesul de topire a sticlei au loc o serie de fenomene fizico-chimice, care conduc
la transformarea amesteculului de materii prime într-o topitura fluidă, care reprezintă masa
sticlei. Cu ridicarea temperature, între componenţii amesteculului se produc reacţii , care se
iniţiază încă din faza solidă şi care apoi continuă mai energetic, din momentul în care masa
amestecului se transformă într-o topitură. Se poate considera că topitura amestecului începe din
momentul în care acesta este introdus în cuptor şi se termină atunci când tot amestecul este
topit , adica în momentul când probele scoase din cuptor şi examinate la microscop nu mai
conţin particule netopite.
Faza I: formarea silicaţilor. În această fază se termină reacţiile în faza slidă şi se
elimină substanţele volatile. Sfârsitul acestei faze corespunde pentru majoritatea sticlelor
industrial temperaturii de 800-900 ⁰C când materiile prime din compoziţia amesteculului se
transformă într-o masă vitrifiantă constituită din silicaţi şi silice.
Faza a II-a: formarea sticlei. Începe topirea masei vitrifiante şi dizolvarea silicaţilor
şi a bioxidului de siliciu unii in alţii. Către sfârşitul fazei toate particulele amesteculului au
reacţionat şi masa devine transparentă. Totuşi în masa sticlei există încă multe bule de gaze,
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
23
incluziuni filiforme şi încă nu a devenit omogenă din punct de vedere al proprietăţilor. Sfârsitul
acestei faze corespunde în general temperaturii de 1260 ⁰C.
Faza a III-a: afinarea sticlei. Temperatura fiind ridicată vâscozitatea sticlei scade
pâna la 10² poise , creându-se condiţii pentru eliminarea bulelor de gaz vizibile. Sfârşitul acestei
faze corespunde in general temperaturii de 1400-1500 ⁰C
Faza a IV-a: omogenizarea sticlei.În această fază sticla se menţine un timp mai
îndelungat la temperatură ridicată, cea ce favorizează fenomenul difuziunii reciproce a
componenţilor formaţi şi al omogenizării sticlei. Valoarea constantelor optice este aceeaşi pentru
oricare porţiune din masa de sticla.
Faza a V-a: răcirea sticlei. Masa din sticla este răcită la 200-300 ⁰C asigurându-se
condițiile de vâscozitate in care sticla poate fi fasonată.
c) Fasonarea sticlei.
Sticla reprezintă materialul care poate fi fasonat prin cele mai multe metode, iar
produsele obținute prin fasonare au forme si dimensiuni extrem de variate. Fasonarea sticlei se
executa în intervalul de temperatura în care sticla este plasticată, iar operatiile care intervin în
procesul fasonării sunt simple și se pot executa rapid.
Sticla poate fi fasonată prin următoarele metode:
Tragerea, constă în ridicarea benzii de geam, tuburilor, baghetelor direct
din masa topită.
Presarea, reprezintă cea mai veche metodă de fasonare.Sticla în stare
plastică este introdusă intr-o forma (matriță) și este presată cu ajutorul unui poanson. Produsul
fasonat primește foema exterioară de la pereții interiori ai formei, iar foema pereților interiori de
la poansonul de presare.
Suflarea, este metoda care indică cel mai simplu utilaj pentru fasonare.
Prin suflarea aerului in sticla de la capătul țevii de suflat, sticla se modeleaza ca produs . Forma
produsului poate fi obținuta fără intermediul altui utilaj, iar în cazul când sticla se suflă intr-o
formă (matriță) atunci forma pereților exteriori ai produsului sunt dați de pereții interiori ai
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
24
fomei. Fasonarea după această metodă reclamă mâna de lucru calificată si efort fizic mare din
partea muncitorului de țeavă.
Laminarea, se aplica la fasonarea benzilor de sticla. Sticla in stare plastică
este adusă între doua valțuri sau mai multe perechi de valțuri, sau între un valț și o masă de
turnare, iar după trecerea prin aceste dispozitive, primește forma de foaie sau placa. Fasonarea
sticlei se poate executa manual, semiautomat sau automat.
d) Tratamente termice aplicate sticlei.
Detensionarea produselor fasonate se face în cuptoare de recoacere, în care
acestea sunt supuse unui tratament termic,.După regimul de funcționare cuptoarele de recoacere
se clasifică în:
cuptoare de recoacere cu regin de funcționare periodic.
cuptoare de recoacere cu regim de funcționare continuu.
Sticla din cuarț la fel ca și alte materiale vitroase ( sticloase) pot avea tensiuni
după tratamentul termic. Pentru a evita acete tensiuni sticla trebuie sa fie răcită după anumiți
parametri.
Principiile călirii sunt:
creșterea temperaturii sticlei la punctul în care tensiunile sunt eliberate.
menținerea sticlei la temperatura prescrisă până ce întreaga masă a sticlei
ajunge la aceeași temperatură.
răcirea sticlei se realizează încet pâna ce se ajunge la temperatura de
solidificare.
Se folosesc diferiți termeni pentru a exprima stadiul de călire.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
25
Călire optică ( cel mai înalt stadiu de călire) - inseamnă un program de
călire care elimină toate tensiunile ce pot avea impact asupra transmiterii undelor de lumină.
Călire comercială - implică un stadiu de călire care sunt realizate pentru
aplicațiile comerciale.
Călire mecanică – este un stadiu de călire foarte des folosit pentru
aplicațiile sticlei de cuarț din industria semiconductoare.
e) Finisarea sticlei.
Finisarea sticlei reprezintă ansamblul operațiilor prin care semifabricatul obținut prin
prelucrarea mesei de sticlă , este adus în stare de produs finit.
Finisarea sticlei cuprinde una sau mai multe faze, în functie de natura produsului și se
aplică în general produselor fasonate prin suflare la țeava , unor articole de menaj fasonate prin
presare în forme . Finisarea constă intr=o serie de operații executate în scopul de a termina
produsul pentru a-l aduce la forma lui definitivă (decalotarea articolelor suflate, slefuirea și
polizarea), precum și în operațiile pentru decorarea produsului, adica în scopul de a-i
înfrumusețea aspectul (sculptare, gravare, cementare, pictare , metalizare)
Principalele operații practicate la finisarea sticlei sunt următoarele: tăierea, șlefuirea și
polizarea, prelucrarea chimică a suprafetei sticlei gravarea si pictarea.
2.3 Prelucrarea creuzetului prin fasonare
2.3.1 Generalități
Tehnologia fabricării sticlei de cuarț prezintă o serie de dificultăți din urmatoarele motive:
Sticla de cuart are vâscozitate ridicată chiar si la temperature ridicate, ceea
ce face dificilă omogenizarea și afinarea masei de topitură. Din cauza vâscozitații ridicate,
afinarea topiturii este dificilă chiar peste 2000 ⁰C. Vâscozitatea sticlei opace este de 3-5 ori mai
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
26
mică decat a sticlei de cuarț transparent, ceea ce explică prin prezența impuritaților in sticla de
cuarț opaca.
La temperature ridicate sticla de cuarț se evaporă. Evaporarea sticlei de
cuarț se observă incă de la 1600 C si devine importantă la peste 2000 ⁰C când devine posibilă
evaporarea întregii mase de topitură.
Temperatura ridicată de topire și de afinare impune ca materialele
refractare care se întrebuințeaza la constrcția oalelor sa fie de cea mai buna calitate. Aceste
proprietați ale topiturii de cuarț au determinat alegerea unor regimuri de topire, mult diferite de a
sticlelor obișnuite cu mai mulți componenți (topire sub vid si sub presiune),cuptoare de topire
speciale, precum și alegerea unor metode de fasonare cât mai rapide ( la 1850-2000 ⁰C
tensiunea superficial a sticlei de cuarț transparente este de 260-320 dyne/cm).
În continuare vom prezenta tehnologia pentru sticla de cuarț transparent, deoarece
ea are o puritate ridicată fată de cea opacă și se comport mult mai bine ca material refractor
(figura 2.6).
Figura 2.6 Tehnologia realizare a creuzetelor din cuarț [3]
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
27
2.3.2 Obtinerea sticlei de cuarț transparentă.
Pentru fabricarea sticlei din cuarț transparent se folosește ca materie prima cuarțul
cristalizat (cristal de stînca). Dintre modelele folosite pentru topirea materiei prime, cele mai
bune rezultate s-au obținut prin topirea sub vid și sub presiune și prin topirea în flacără de
hidrogen și oxygen. Topirea dupa prima metodă se face realizînd în spațiul cuptorului vid, ceea
ce permite o afinare rapidă, apoi în ultima parte a elaborării sticlei se introduce un gaz inert în
spațiul de topire, continuând topirea sub presiune. Topirea sticlei sub presiune determină
dizolvarea în masade sticlă a bulelor neeliminate. Rezultatele bune se obțin și dacă în faza a II-a
a topiturii sticla se ține la presiunea atmosferică. Topirea sticlei durează 1-5 ore și se face în
creuzete introduse în cuptoare lectrice cu inducție sau în cuptoare electrice cu rezistență. Materia
primă are conținutul de SiO₂ de 99,96-99,98% și de obicei este mărunțită până la o mărime a
granulelor de 0,1-0,4 mm, Cuptoarele pentru topire pot fi cu funcționare periodică și cu
funcționare continuă. Deoarece cuptoarele cu funcționare continuă li s epot adapta un duspozitiv
de tragere pentru fabricarea țevilor , în cazul nostrum pentru fabricarea creuzetelor, vom purcede
la alegerea unui astfel de cuptor, unde dispozitivul se montează sub cuptor.
Duzele pentru tragerea țevilor trebuie sa fie din material de ea mai bună calitate,
indicate fiind cele din molibden. Cuptoarele electrice cu rezistențăpentru topirea sticlei din cuarț
pentru țevi pot funcționa fără întrerupere 15-20 de zile.
2.3.3 Fabicarea tevilor din cuarț
Țevile de cuarț sunt semifabricate care sunt utilizate pentru realizarea creuzetelor.
Deoarece această tehnologie provine din tragerea țevilor de sticlă ea este utilizată și la obținerea
conductelor, sau pot constitui semifabricate care pot servi la construcția altor piese sau aparate
din sticlă, cum ar fi construcția termometrelor, aparaturi de laborator, tuburi electrice, becuri
electrice. Țevile de sticlă pot avea o gamă foarte largă de diameter începând de la diameter foarte
mici cum este cazul tuburilor capilare, până la țevi de sticlă cu diameter de câțiva zeci de
centimetri. De asemenea secțiunea tuburilor poate fi foarte variată (ovală, rotundă.,
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
28
triunghiulară). Profilul țevii va fi de formă rotundă cu un diametru de 18 mm, iar gaura cu
diametru de 15 mm.pentru aceste tipuri de țevi deoarece sunt folosite pentru topirea prealiajului
din care se obține metalul amorf se impune semifabricatului sa fie rezistent la temperature înalte
(1200 ⁰C), sa reziste la șocuri termice, să aibe stabilitate chimică, să fie transparent (pentru că se
poate observa mai ușor comportarea materialului topit și se poate măsura temperatura cu ajutorul
luminii infraroșii).
Frecarea topiturii de pereții creuzetului din cuarț este mult mai mica decât în cazul
țevilor metalice sau din alumină , de aici rezultând o consumare a energiei mai mică, decât la
celalte materiale.Tragerea se poate realize manual și acest lucru constă în scoaterea din cuptor a
unei prize de sticlă din care apoi se fasonează prin suflare o bășică. Forma bășicii este aceea a
unui cilindru gol. La extremitatea opusă țevii cu care s-a fasonat cilindrul, se lipște un disc
metallic care se găsește la partea terminal a unui pivot mecanic. Muncitorul care poartă pivotal
cu disc metallic, dupa ce a lipit dicul de cilindrul de sticlă, se îndepărtează de muncitorul care
poartă șeava de suflat, întinzând în acest fel țeava de sticlă.
Alungirea țevii de sticlă trebuie făcută cu viteza constant. În timpul alungirii țevii de
sticlă muncitorul care poată țeava de suflat , din timp în timp suflă aer în țeava care se fasonează
și în același timp se îndepărtează de muncitorul care se găsește la extrmitatea opusă a țevii de
sticlă, accelerând în felul acesta alungirea țevii.
Productiviteatea metodei este mică și astfel rezultă multe rebuturi , aproape 75% din
cantitatea de țevi fasonate sunt necorespunzătoare. Muncitorii care fasonează manual țevile de
sticlă trebuie să aibă o experiență îndelungată și o calificare superioară.
Din motivele enumerate metoda de fabricare manual a fost înlocuită cu metoda de
fabricare mecanică.
Fabricarea mecanică a țevilor de sticlă se realizează cu ajutorul instalațiilor pentru
tragerea verticală și cu ajutorul instalațiilor pentru tragerea orizontală. Productivitatea cea mai
ridicată o are instalația de tragere verticală. Tragerea se realizează cu o instalație de tipul Wood.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
29
Mașina Wood este alcătuită din următoarele parți componente: chiuveta 1, capacul
chiuvetei 2, duză 3, dispozitiv de suflare 4, gaură pentru arzător 5, țeavă trasă 6, manșon de
șamotă 7 și manșon de răcire cu apă 8. (figura 2.7)
Figura 2.7 Dispozitiv de tras tuburi de cuarț [3]
Cuarțul topit se scurge din cuptorul de topit prin intermediul unui jgheab în chiuveta
mașinii. Chiuveta este prevăzută cu două orificii, unul prin care se scurge topitura de cuarț din
cuptor în chiuvetă și în partea opusă, se găsește un alt orificiu prin care se scurge din chiuvetă
eventualul surplus de topitură din cuarț. În partea inferioară a chiuvetei se gasește o duză
prevăzută cu un dispozitiv pentru insuflarea aerului necesar fasonării.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
30
Chiuveta este prevăzută cu un capac, care o acoperă și cu un manșon din șamotă, prin
interiorul căruia țeava de cuarț se deplasează spre dispozitivul de tras. Diametrul tuburilor este
reglat prin intermediul unei duze instalată în partea centrală a chiuvetei.
Tragerea tuburilor de cuarț se execută cu ajutorul unor valțuri de tragere, iar mișcările
oscilatorii ale tubului de cuarț sunt împiedicate de o pereche de valțuri de ghidare, care sunt
situate în apropierea chiuvetei. După ce a fost tras din masa de cuarț aflată deasupra duzei, tubul
de cuarț este ridicat printr-un manșon de șamotă, în interiorul căreia se găsește un răcitor metalic
cu apă. La această mașină se pot trage țevi cu diametrul între 14-29 mm.
Viteza de tragere depinde de diametrul tamburului, aerul pentru suflarea țevilor având
o presiune de 500-600 mm col H₂O.
2.3.4 Gâtuirea țevii din cuarț
Producerea creuzetelor se poate realize prin procedeul manual sau mecanizat de
gâtuire.
Procedeul manual constă din următoarele faze: gâtuirea și funduire, prelucrari
executate la flacără. Creuzetele astfel obținute sunt la un nivel calitativ necorespunzător
cerințelor actiale pentru urmatoarele considerente: nu sunt uniforme, duzele au diameter diferite
și nu sunt coaxial, capacitatea lor variază în limite prea mari. La acestea se mai adaugă și
productivitatea mică. Pentru aceste motive fabricația manuală a creuzetelor este aproape părăsită.
Mașinile automate de fabricat creuzete sunt de diverse tipuri constructive al căror
numar numar de posture a crescut de la 8 la 16, iar ultimele modele produse au ajuns la 24 și 36
de posture. Ele sunt rotative cu funcționare continuă fiecare post executând toate fazele de
prelucrare.
Funcționarea mașinii se desfașoară în modul următor: țeava lungă de 1,5-1,6 m este
introdusă de alimentator în capul liber ,unde mandrina postului o primește, fixând-o cu un capăt
pe suportul care limitează lungimea necesară pentru producerea creuzetului. Postl de lucru se
rotește atât in jurul axei cât și în jurul axului central al mașinii pentru ca țeava să fie uniform
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
31
încălzită pe toata circumferința. Postul de lucru prin învârtirea mesei rotative a mașinii adduce
țeava în drepul arzătoarelor care execută operațiile de tragre, gâtuirea și funduirea. Creuzetul
terminat est eliberat și trece la instalația care execută tăierea.
2.3.5 Debitare țevii din cuarț
Tăierea țevii se poate executa fie cu ajutorul încalzirii, unde este folosită o flacără(cât
mai ascuțită și cu o putere caloric cât mai ridicată) , fie prin procedee mecanice (cu un disc
abraziv sau cu o sârmă din Cr-Ni). Pentru taierea țevilor se folosește un procedeu foarte eficace
care constă în zgârierea țevi în locul unde trebuie debitat, apoi pe această urmă se aplica un inel
de sârma de Cr-Ni care prin intermediul conductorilor este alimentat cu un curent de 10 V și 20
A. Inelul este prins de două mânere de material izolant, la capătul carora este fixat arcul.
Inelul de Cr-Ni ( rezistența) se așează pe locul unde trebuie tăiată țeava . Se
încălzește inelul până la roșu. lasându-l în această situație un timp până se încălzește și cuarțul .
Apoi se întrerupe curentul și firul se va răci . Printr-o restabilire a curenului firul se încălzește din
nou și din cauza șocului termic țeava se va tăia dupa urma avută.
2.3.6 Calirea sticlei de cuarț.
Sticla de cuarț la fel ca și alte material vitroase poate avea tensiuni dupa prelucrarea
termică. Pentru a evita aceste tensiuni sticla trebuie sa fie răcită dupa anumiți parametri.
Principiile călirii sunt:
creșterea temperaturii sticlei la punctul în care tensiunile sunt eliberate.
menținerea sticlei la temperature prescrisă până ce întreaga masa a sticlei
ajunge la aceeasi temperatură.
răcirea sticeli se realizează încet până ce se ajunge la temperature de
solidificare.
Atunci când cuarțul este prelucrat cu flacără muncitorul poate induce tensiuni termice
în fabricat. Ca și în cazul metalelor și a altor material sticloase aceste tensiuni termice sunt
eliberate prin călire. Se folosesc diferiți termini pentru a exprima stadiul de călire. Călire optică ,
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
32
cel mai înalt stadiu de călire înseamnă un program de călire care elimină toate tensiunile ce pot
avea impact asupra transmiterii undelor de lumină. Călire comercială implică un stadiu de călire
care sunt realizate pentru aplicțiile comerciale. Călire mecanică este un stadiu de călire fparte
des întâlnit pentru aplicațiile sticlei de cuarț din industria semiconductoare. Acest stadiu de
călire satisface nevoia părților favricate de a fi stabilite dimensional și de a nu se sparge datorită
tensiunilor termice. Principiile aceste căliri sunt simple dar pot fi neîntelese ușor având ca
rezultat posibile spargeri ale componentelor în timpul folosirii. Înaintea de a înțelege principiile
călirii trebuie înteleși unii termini folosiți pentru a descrie proprietațile termice ale sticlei.
Proprietațile termice care au legatură cu procesul de călire sunt:
coeficientul termic de expansiune
punctul de tensiune
punct de călire
Coeficientul termic de expansiune este cunoscut și sub numele de “expansiune” a
sticlei. Mai simplu cele mai multe materiale se dilată când sunt încălzite și se contractă când sunt
răcite. Această proprietate este o importantă deoarece nu toate materialele au aceeași expansiune
termică. Expansiunea termică se exprimă ca DL/L/ ⁰C. Cu alte cuvinte schimbarea în lungime
pe fiecare grad de schimbare termică. Unitațile tipice sunt in/in/ C sau cm/cm/ C. Trebuie spus
ca sticla de cuarț are un coeficient de expansiune extrem de scazut : 0,55 x 10 -6 cm/cm/ ⁰C
(20-300 ⁰C). Deși această proprietate se exprimă sub formă de expansiune , într-un proces de
călire contracția cuarțului la răcire trebuie controlată.
Vâscozitatea este masura rezistenței la curgere a materialului atunci când este expus
la o forță de forfecare . Deoarece intervalul de “ vărsare” este extreme de larg, scara vâscozitații
este în general exprimată logaritmic. Câțiva termini uzuali pentru exprimarea vâscozității sunt:
puncte de tensiune, punct de călire si punctul de înmuiere.
Punctul de tensiune – temperatura la care la care tensiunile interioare sunt eliberate în
4 ore. Acest punct a fost definit ca avînd o vâscozitate de 10 14.5
poise und e poise înseamnă
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
33
dyne/cm²·sec (1dyne = 0,01 milinewton) la această vâscozitate sticla este substanțial de rigidă.
Punctul de tensiune pentru materialul GE 214/124 este de 1120 ⁰C.
Punctul de călire – temperatura la care forțele interioare sunt eliberate în 15 min; o
vâscozitate de 10 13.2
poise. Punctual de cîlire pentru GE 214/124 este de 1215⁰C. Acest punct
de călire nu trebuie confundat cu temperatura necesară călirii ( temperatura călirii). Pentru mai
multe sticle din comerț temperature de călire este cu 35 – 40 ⁰C mai ridicată decat a punctului de
tensiune. Pentru sticla de cuarț a lui GE temperature de călire este în mod normal de 1150 ⁰C.
Punct de înmuiere – temperature la care sticla se va deforma sub propria greutate; o
vîscozitate de aproximativ 107.6
poise. Punctul de înmuiere a sticlei de cuarț a fost evaluat de la
1500 ⁰C la 1680 ⁰C. Acest interval rezultă din variațiile în conținut ale hidroxilului și a altor
urme de impuritați. Punctul de înmuiere pentru GE 214/ 124 este 1683 ⁰C.
Călirea se face pentru a elimina tensiunile din sticlă. Pentru a înțelege cum
funcționează călirea trebuie înțeles de ce sticla are tensiuni. Existența tensiunilor are legătură cu
expansiunea termică.
Tensiuni temporare datorită incălzirii și răcirii. Când un muncitor încalzește sticla
aceasta se va dilate datorită proprietății de expansiune termică. Bineînțeles suprafața sticlei se va
încălzi prima, deci aceasta se va dilata prima . Acest lucru creează o tensiune în sticlă între
interior și suprafața dilatată .Pe măsură ce suprafața crește ea se dilată. Figura 2.8 arată suprafața
în tensiune și interiorul în tensiune.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
34
Figura 2.8 Tensiuni la suprafață și în interior la cuarț [3]
Dacă muncitorul încălzește sticla prea repede tensiunea dintre suprafață și interior
poate depăși tensiunea de rupere a sticlei. Totuși tensiunile datorate încălzirii sunt doar
temporare. Dacă suprafața și interiorul ajung la aceeași temperatură atunci se ajunge la o stare de
echilibru și nu mai există tensiuni.
La răcire fenomenul este invers. Pe măsură ce la suprafață apare răcirea, suprafețele
se contact apărînd forțe de compresiune în interior. Acest lucru creează tensiuni în suprafața
sticlei . Din moment ce sticla are o rezistență scăzută la tensiune acest timp de răcire când
suprafața se află în tensiune, este critic în timpul tratamentului termic. Dacă răcirea se întâmplă
prea repede tensiunea de la suprafață împreună cu posibilele imperfecțiuni cauzează o cedare a
sticlei. Și în acest caz datorate răcirii sunt temporare.
Totuși dacă principiile călirii nu sunt aplicate în urma răcirii pot rezulta tensiuni
permanente.
Tensiuni permanente ( răcire prin interval de tranziție) – În timpul răciri când sticla
devine rigidă pot apărea tensiuni permanente. Acest lucru se întâmplă în intervalul de
temperatură dintre punctul de călire si punctul de tensiune. Din moment ce suprafețele se răcesc
primele acestea devin rigide primele. Din moment ce suprafața piesei este în compresie,
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
35
interiorul sticlei este în tensiune. Astfel există tensiune permanent în sticlă, compresiune la
suprafață și tensiune în interior. (figura 2.9)
Figura 2.9 Tensiune permanentă în sticlă [3]
În realitate , răcirea care cauzează tensiuni permanente poate varia din loc în loc într-
un prosus. De exemplu răcirea poate fi diferită în interiorul unui tub față de exteriorul
acestuia.secțiunile subțiri se vor răci mai repede decat cele groase. Totuși tensiunile permanente
pot fi controlate și minimalizate dacă se urmează un ciclu de răcire numit ciclu de călire.
Din prezentarea de mai sus reiese că răcirea poate cauza tensiuni permanente.Un ciclu
de călire adecvat poate minimaliza sau preveni aceste tensiuni permanente. Conceptual este de a
răci sticla destul de încet pentru a preveni aceste tensiuni. Această răcire treptată permite
suprafețelor sticlei să se răcească în același timp cu interiorul. Dacă acest lucru se întâmplă
suprafețele și interiorul se vor micșora în același timp. Așadar nu vor exista tensiuni în material
datorate diferenței de micșorare. Un ciclu de călire este format din rata încălzirii, menținerea
temperaturii/timp și rata răciri. (Figura 2.10)
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
36
Figura 2.10 Ciclu de călire pentru cuarț [3]
Încălzirea este creșterea gradulată a temperaturii pînă se ajunge la menținerea
temperaturii. Rata încălzirii nu este componenta cea mai critică din ciclul de călire. Rata depinde
de tipul de sticlă. Problema principală este evitarea încălzirii rapide ce cauzează tensiunile
temporare de s-a discutat mai înainte. Toate tipurile de sticlă pot suporta anumite tensiuni
temporare în timpul încălziri. Deoarece încălzirea produce compresie la suprafață ruperea
datorată tensiunilor temporare ale încălziri este mai puțin probabilă decât la răcire. În particular
cuarțul cu rata sa scăzută de expansiune termică poate suporta o încălzire destul de rapidă. Alte
sticle pot necesita diferite rate de încălzire. Diferența dintre sticle este legată în mod direct de
rata expansiunii termice. Sticlele cu expansiune termică mare trebuie încălzite mai încet.
Temperatura de menținere este de asemenea , legată de tipul de sticlă.obiectivul este
de a adduce întreaga masă a sticlei la o temperatură de echilibru în temperature de călire.
Temperature dorită este cea la care sticla se relaxează fără a se deforma. Literatura de
specialitate descrie temperature teoretică de călire ca fiind cu aproape 10⁰C deasupra punctului
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
37
de călire. Temperature practică de călire pentru sticla de cuarț este în jur de 1160⁰C (cu aproape
40 ⁰C peste punctual de tensiune). Această temperatură va varia în funcție de caracteristicile de
vâscozitate ale cuarțului. Sticla de cuarț (GE 214) obținută prin procedee electrice are o
temperatură de folosire mai ridicată decît sticla de cuarț obținută cu ajutorul flăcării. Așadar
cuarțul obținut prin procedee electrice are o temperatură de călire mai înaltă decat sticla de cuarț
obținută cu ajutorul flăcării.
Timpul necesar temperaturii de menșinere va depinde mărimea încărcăturii din
cuptorul de călire și de tipul produsului . De exemplu un tub cu pereți subțiri va necesita un timp
scurt de menținere în cuptor. Procesul de încălzire și faptul că tubul este încălzit și pe pereții
interior și cei exteriori face ca întreaga masă de cuarț să ajungă rapid la temperature de
menținere. Pe de altă parte o piesă cu nervuri mai groase necesită un timp îndelungat de încălzire.
Acest timp adițional este necesar întregului corp să atingă temperatura de menținere. În practică
30 de minute la temperatura de menținere sunt necesare pentru majoritatea componentelor.
De exemplu diferite companii indică folosirea urmatorilor timpi de menținere și
temperaturi de menținere:
1160 ⁰C pentru 60 până la 120 de minute, în funcție de grosimea
componentelor;
1185 ⁰C pentru 20 de minute;
1155 ⁰C pentru 30 de minute;
Aceste cicluri au ca scop realizarea unei căliri mecanice de aproximativ 200 psi
(măsurat foto-elastic).
Răcirea treptată(timpul critic pentru tensiuni permanente). Partea de răcire a ciclului
de călire este cea mai critic. În timpul răcirii vor apărea tensiuni permanente dacă aceasta nu va fi
controlată corespunzător. În particular prima parte a ciclului de răcire este cea mai critică, atunci
cuarțul devine rigid. În intervalul de la temperatura de menținere până la 10 ⁰C sub punctual de
tensiune sticla devine rigidă dacă răcirea este prea bruscă în acest interval vor apărea tensiuni.
Rata răcirii în acest interval depinde de eficiența răcirii. De exemplu dacă răcirea este doar dintr-
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
38
o parte atunci aceasta trebuie să se desfășoare mai încet decât dacă are loc din două părți. Această
răcire permite tuturor punctelor din cuarț să se răcească concomitant. Folosind informațiile din
“Handbook of Glass Engineering” de E.B. Shand, s-a dedus următoarea formulă pentru cuarț cu
scopul de a estima rata răcirii. Această rată a răciri se bazează pe următoarele valori:
Modulul lui Young (E) = 10.5 x 106 psi
Difuziunea termică (K) = 0,0014 in²/sec
Coeficientul Poisson (n) = 0.17
Expansiunea termică (a) = 0,55 x 10 -6
in/in/⁰C
Grosimea (t) = in
σ t = tensiunea în planul de mijloc
Această tensiune reziduală sau tensiune de formare care depinde de aplicație poate fi
intervalul de la 1,7 x 10⁵ Pa (25 la 300 psi). Ca o regulă generală se poate răci pana la 100⁰C/oră
o secțiune cu groasime sub un inch.
(2.1)
Graficele de mai jos arată intervalul ratelor de răcire pentru componente cu grosimi
diferite. Răcirea treptată se datorează nevoii de a menține tensiunea maximă la 25 psi. Curba de
răcire rapidă permite tensiunie maximă de 3000 psi.
Primul grafic arată răcirea din două părți , în timp ce al doilea grafic arată răcirea
dintr-o singură parte (figura 2.11). În practică tensiunea reziduală de după călire sau tensiunea de
deformare depinde de aplicație (poate fi în intervalul 25-300 psi).
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
39
Figura 2.11 Răcire a cuarțului mai inceată și mai rapidă [3]
Cănd cuarțul atinge o temperatură cu 10 grade sub punctul de tensiune răcirea poate fi
accelerată până când cuarțul atinge temperatura camerei. Tensiunile termice care rezultă din
această răcire sunt tensiuni temporare ce nu vor fi prezente atunci când cuarțul atinge
temperatura camerei.
Tensiunile rezultate din răcirea până la temperatura camerei pot fi detectate cu un
polariscop. Este un instrument care oferă o sursă de lumină polarizantă pentru examinara sticlei
de cuarț. Când sticla de cuarț conține tensiuni lumina polarizantă este încetinită în funcție de
sticla netensionată. Încetinirea acestei lumini apare sub forma diferenței de culori în polariscop.
Detaliile măsurării tensiunilor pot fi destul de complicate și nu sunt detaliate.
Datorită caracteristicilor expansiunii termice scăzute sticla de cuarț, aplicațiile din
sticla de cuarț pot suporta schimbări rapide în temperatură (șoc termic). În consecintă expansiuni
termice scăzute determină obiectele din cuarț să aibă tensiuni termice mici datorate răciri
improprii. Totuși pentru a ne asigura aceste obiecte au tensiuni între limite acceptabile este
necesară călirea părților ce au fost prelucrate cu flacără. Principiile călirii pot fi obținute ăn
diferite feluri. Producătorii de componentă din sticlă de cuarț au creat programe specifice de
călire care corespund dimensiunii și formelor componentelor; echipamentului din dotare și
gradului de călire dorit.
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
40
Un program folosit în GE pentru produsele din sticlele de cuarț include o temperatură
maximă de menținere de 1160⁰C timp de 30 de minute și o răcire treptată la 1050⁰C.
2.4 Prelucrarea duzei de ejectare a creuzetului prin eroziune ultrasonică
2.4.1 Principii de bază.
Aplicarea industrială a eroziunii abrazive ultrasonice este destinată obiectelor din
materiale fragile cu duritate ridicată, electroizolante sau electroconductoare, în general greu
prelucrabile prin alte metode și procedee.
În figura 2.12 este prezentată schema de principiu a prelucrării prin eroziune abrazivă
ultrasonică.
Figura 2.12 Schema de principiu a prelucrării prin eroziune ultrasonică [3]
Colaborarea în spațiul de lucru elementar dintre șocurile dinamice directe și indirecte
cu frecvență ultrasonică transmise de OT prin granulele abrazive OP, cu efectul de eroziune
cavitațională ultrasonică, împreună cu undele de șoc hidraulice propagate prin mediul lichid duc
în final la prelevarea de material din OP. Agenții erozivi din spațiul de lucru sunt: granulele
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
41
abrazive, bulele de cavitație ultrasonică și undele de șoc hidraulic, datorită vibrării OT în mediul
lichid.
Obiectul de transfer se execută din materiale tenace, încât materialul prelevat din
acesta sa fie minim și deci uzura OT diminuată. OT vibrează cu frecvența f = 16 – 35 kHz și
amplitudinea de A = 10 – 60 μm, asigurând o viteză medie de oscilație v = 4 f A = 0,64-8,4 m/s,
numită viteza principală, în sensul căreia se produce efectul eroziv principal. Viteza de avand vs
și forța statică Fs care asigură presiunea statică în spațiul de lucru ps = 0,1-5 daN/cm², produce
continuarea procesului eroziv și prelucrarea cavității dorite în OP. Există și un efect eroziv
secundar dar care determină interstițiul lateral , datorită circulației suspensiei abrazive și a
eventualelo oscilații transversale parazite ale OT.
Granulele abrazive cu diametrul mediu echivalet dₐ = 3 – 120 μm, obișnuit din
diamant, carbură de bor, carbură de siliciu, carborund, se găsesc în număr mare în spațiul de
lucru în medie 30000 – 100000 bucăți/cm². Sub acțiunile de șoc dinamice primite de la OT,
granulele mari se fărâmițează, muchiile active ascuțite se tocesc prin uzură și efectul de prelevare
de material din OP se diminuează, respectiv productivitatea prelucrării scade. De aceea este
necesar ca suspensia abrazivă să fie circulată în spațiul de lucru, pentru a înlocui granulele uzate
și sfărâmarea cu alte granule noi cu muchii active, cât și de a evacua produsele de eroziune
provenite din OP și OT.
Cel mai eficint lichid purtător al granulelor abrazive s-a dovedit a fi apa, care are
proprietăți bune de umectare, densitate suficientă pentru a susține în suspensie granulele
abrazive, vâscozitate mică, conductibilitate termică mare, deci bune proprietăți de răcire; nu este
toxică și este ieftină. Concentrația abrazivului în apă este de 25-40%. Lichidul suspensiei asigură
totodată mediul de legătură acustică intre OZT, GA, OP, cât și o transmitere ușoară a undelor de
șoc în spațiul de lucru.
Efectul de eroziune din spațiul elementar, extins pe întreaga suprafață frontală a OT,
dă o eroziune macroscopică, generând prin copiere spațială suprafața piesei. Purtătorul de
informație al coordonatelor spațiale ale supafeței generate este OT, a cărei formă se reproduce cu
un anumit grad de precizie. Continuarea procesului de eroziune macroscopică este asigurată atât
Capitolul II - Creuzetele din cuarț utilizate la elaborarea aliajelor amorfe prin răcire ultrarapidă
2012 Broicea Ionuț Alexandru
42
de înlocuirea abrazivului uzat cu altul proaspăt, cît și prin evacuarea produselor de eroziune din
spațiul d elucru prin circularea forțată a suspensiei abrazive.
Generarea suprafeței piesei la prelucrarea prin eroziune abrazivă ultrasonică se
realizează în principal prin copierea spațială a formei OT și mai rar prin generare cinematică prin
deplasarea în spațiu a curbei generatoare după o anumită traiectorie a curbei directoare.
Caracteristicile tehnologice ale procedeului sunt: productivitatea, precizia
dimensională, precizia formei geometrice, calitatea suprafeței cât și uzura OT, care depinde de
factorii acustici și tehnologici. Cei mai importanți factori acustici sunt: amplitudinea și frecvența
oscilațiilor, iar dintre tehnologici: proprietățile fizico-mecanice ale OP, tenacitatea și rezistența la
uzură și oboseală a OT, proprietățile și dimensiunile granulelor abrazive ca agent eroziv,
eficacitatea circulației suspensiei abrazive, schemele cinematice de generare a suprafeței. Mulți
dintre acești factori sunt intedependenți.
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
43
Cap. III Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea
creuzetelor din cuarț
3.1 Instalația
La baza instalației de închidere și recondiționare a creuzetelor stă ideea unei încălziri
rapide a tubului de cuarț pentru reducerea semnificativă a timpului de încălzire și creșterea
productivității. La ora actuală sistemul de încălzire se bazează pe incălzirea cu flacară oxigaz, ele
prezentând ca principale dezavantaje duratele mari de încălzire și incălzirea nesemnificativă a
tubului.
Cunoscându-se faptul că încălzirea prin inducție asigură o încălzire locală, uniform și
rapidă a materialelor, sistemul de încălzire pentru instalația de închidere și recondiționare a
creuzetelor va fi bazat pe incălzirea prin inducție incluzând curenți de înaltă frecventă.
Figura 3.1 Ansamblul instalației
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
44
3.1.1 Generalități despre încălzirea cu inducție
Încălzirea electrică reprezintă una din cele mai vechi și importante utilizări a energiei
electromagnetice. Creșterea producției de energie electrică a contribuit la dezvoltarea impetuasă a
procedeelor de încălzire electrică, aceasta luând locul altor procedee de încălzire în numeroase
ramuri ale industriei. S-a ajuns ca energia electrică produsă să fie utilizată în procedee
electrotermice.
În industria modernă, procesele eletrotermice sunt utilizate într-o măsură din ce în ce
mai mare. Astfel cuptoarele electrice sunt folosite la elaborarea metalelor și aliajelor, în industria
chimică, în industria alimentară. În industria construcțiilor de mașini,încălzirea metalelor în
vederea tratamentelor termice sau a prelucrării la cald, se realizează tot mai frecvent în instalații
electrotermice. Sudarea electrică este preferată altor procedee în tot mai multe cazuri.
În condițiile actuale, de scădere a energiei clasice, principala problemă care se pune
în proiectarea instalațiilor electrotermice este cea a economiei de energie, a sporirii
randamentului, în condițiile asigurării unei calități corespunzătoare a produselor. Aceasta se poate
realiza numai prin cunoașterea aprofundată a fenomenelor care au loc în instalațiile
electrotermice.
În lucrarea de fața se va vorbi despre unul dintre procedeele de bază de încălzire
directă din cadrul metodelor electrotermice de încălzire și anume despre încălzirea prin inducție.
La încălzirea prin inducție, o bobină –inductorul de încălzire , fiind parcurs de un
curent electric alternativ, produce un câmp magnetic variabil în timp. Introducând în inductor un
corp conductor din punct de vedere electric, în acesta se vor induce curenți turbionari, care prin
efect Joule, vor determina încălzirea directă sau topirea corpului respectiv. În sistemul inductor –
piesă, curenții turbionari sunt refulați spre exteriorul conductoarelor – efect pelicular și suportă
influența curenților din conductoarele învecinate – efect de proximitate.
Avantajele încălzirii prin inducție, încomparație cu alte metode de ăncălzire sunt
următoarele:
căldura se dezvoltă în metalul ce urmează a fi încălzit, cu o densitate mare
de putere ( 1000 kW/m), rezultând o viteză de încălzire mai ridicată ( 1000 K/s) fața de cea
obținută în cuptoarele cu încălzire indirectă;
construcția instalațiilor de încălzire este mai simplă, permițând utilizarea
vidului sau a atmosferelor de protecție și automatizarea funcționării în condițiile producției în
flux;
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
45
condițiile de lucru sunt mult îmbunătățite, poluarea mediului ambiant este
redusă;
Ca dezavantaj se menționează faptul ca multe dintre aplicațiile încălzirii prin inducție
necesită surse de alimentare la o frecvență diferită de 50 Hz, convertoarele și condensatoarele
necesareridicând apreciabil costul instalației.
Încălzirea prin inducție este utilizată pentru:
topirea, menținerea în stare caldă și supraîncălzirea metalelor (oțel, fontă,
cupru, aluminiu, zinc, magneziu și aliajele lor) în cuptoare de creuzet sau canal;
încălzirea în profunzime a semifabricatelor din oțel, cupru, aluminiu, sub
formă de blocuri, bolțuri, bare, table, sârme, ce urmează a fi prelucrate la caldprin forjare,
matrițare, presare, laminare;
tratamentul termic superficial al pieselor din oțel sau fontă utilizate în
construcția de mașini;
aplicații speciale- lipirea, sudarea, detensionarea sudurilor, agitarea
metalelor topite, transportul și dozarea metalelor topite, topirea fără creuzet;
Cuptoarele și instalațiile de încălzire prin inducție pot fi alimentate la frecvența
industrială ( 50 Hz), medie (100 1000hz) sau înaltă (10 kHz 10 MHz). Frecvențele joase (sub 50
Hz) sunt utilizate pentru alimentarea agitatoarelor și a transportatoarelor inductive, iar cuptoarele
cu creuzet și canal sunt alimentate cu frecvență industrială, ca și unele instalații de ăncălzire în
profunzime. Frecvențele medi au întrebuințare la alimentarea cuptoarelor cu creuzet în special
(100-2000) Hz, pentru încălzire în profunzime, tratament termic superficial și sudare, iar cele
înalte pentru tratament termic superficial și de lipire.
Cuptoarele de topire sau instalațiile de încălzire în profunzime sunt alimentate cu
frecvențe scăzute deoarece necesită o valoae ridicată pentru adâncimea de pătrundere. Spre
deosebire de acesta, instalațiile destinate tratamentelor termice superficiale sunt alimentate la
frecvențe mai ridicate
Adâncimea de pătrundere
Cu cât frecvența curentului care parcurge corpul încălzit este mai mare, cu atît
curentul are tendința să se concentreze la suprafață. Densitatea de curent scade de la suprafața
corpului spre interiorul său (efect skin sau efect pelicular).
Se poate arăta în baza legilor lui Maxwell că densitatea de cutrent J scade exponențial
spre interiorul piesei și are expresia:
J (x) = J0e –x/δ
(3.1)
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
46
, unde J(x) este densitatea de curent la distanța x de la suprafață, J0 este densitatea de curent la
suprafață ( x= 0), iar δ este o constantă care depinde în mod deosebit de frecvență și este numită
„adâncimea de pătrundere”.
Curentul l2 care parcurge piesa se poate determina ca integral a densității de current și
atunci va fie gal numeric cu suprafața 0J0D, adică:
(3.2)
De aici rezultă semnificașia lui δ: curentul total I2 este produsul dintre densitatea de
current la suprafață, J0 și adâncimea de pătrundere. Astfel, curentul indus care are o repartiție
neuniformă, poate fi înlocuit cu un current fictive echivalent, repartizat uniform într-o zonă de
grosime δ. Pentru această zonă:
(3.3)
Intensitatea curentului care parcurge zona adâncimii de pătrundere:
(3.4)
Deci 63,2 % din current este concentrate în zona adâncimii de pătrundere.
Puterea dezvoltată în aceeși zonă va fi proporțională cu pătratul densității curentului:
P(δ)= 0.865 P2 (3.5)
Concentrarea puterii în adâncimea de pătrundere condiționează cea mai mare parte a
aplicațiilor electrotermice industrial ale inducției.
Figura 3.2 Intensitatea curentului (stanga) si Puterea curentului (dreapta) [7]
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
47
3.1.2 Descrierea funcțională a instalației
Instalatia este formată din generatorul de curent de tip convertizor (figura 3.3), acesta
este legat la un transformator (figura 3.4), care are rolul de a transforma curentul în curenti de
medie și înaltă frecvență.
Figura 3.3 Generatorul
Figura 3.4 Transformator
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
48
De transformator este prins inductorul ( figura 3.5) care este format dintr-o teavă in
formă de spirală confectionat din cupru, prin acest inductor trec cureți de înaltă frecvență
asigurând topirea tubului din cuarț până ce acesta devine vâscos.
Figura 3.5 Inductorul
Încălzirea prin inductie se bazează pe pătrunderea energiei electromagnetice într-un
conductor masiv. Datorită temperaturiilor foarte ridicate date de curenții de înaltă frecvență care
străbat inductorul, spiralele acestuia sunt prevazute cu un orificiu prin care circula apa pentru a
evita topirea acestuia. Răcirea instalației este asigurată de un rezervor cu apă legat la o pompa
care asigură recircularea apei. Deoarece cuarțul nu induce am realizat o bucșă din grafit, datorita
faprului că grafitul are bune proprietați termice si este rezistent la temperaturi ridicate. (figura
3.6)
Figura 3.6 Bucșă din grafit
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
49
Grafitul este un mineral raspândit în natură ce face parte din categoria nemetalelor,
fiind după diamante un element stabil datorită structurii simetrice de C60 cu o compoziție chimică
de Carbon pur cristalizând hexagonal, rar romboedric sau fiind sub formă amorfă.
Grafitul are în structură cristale opace de culoare neagră, hexagonale, formă tabulară,
solzoasă, sau bare. Luciul fiind metalic la formele cristaline și mat la agregatele amorfe. Duritatea
pe scara Mohs este între 1 - 2, densitatea 2,1 - 2,3 având o urmă neagră cenușie.In figura 3.7 este
prezentată structura hexagonal a cristalelor din grafit.
Figura 3.7 Structura hexagonală a cristalelor de grafit [8]
Grafitul sublimează la o temperatură de 3825 °C, fiind insolubil în acizi, devine magnetic bipolar numai după o tratare pirolitică (încălzire), are un caracter anizotropic accentuat (de ex. radiația solară este izotropă (uniformă în cele 3 dimensiuni), laserul este anizotrop) și este un bun conductor electric. - coeficientul de dilatare liniara pe °C - 7.86 - punct de fierbere °C - 4200 - căldura latentă de topire Kcal/Kg - ≈4000 - căldura specifică Kcal/Kg x °C - 1,170 - conductivitatea termică la 20 °C Kcalx0,001/°C x cm x s - 0,012 - căldura de combustie Kcal/Kg ≈7800.
Grafitul apare în natură sub formă de granule, în rocile metamorfice bogate în
carbon, și ca vinișoare sau sub formă de filon în pegmatite .
Prin încălzirea sub un curent de aer la 3000 °C a materialelor bogate în carbon cum
sunt cărbunele brun, antracitul, petrolul
În grafitul cristalin există o structură de straturi paralele (straturi bazale); aceste
straturi au legături covalente hexagonale între atomi (o legătură stabilă), în schimb două straturi
alăturate sunt legate între ele prin legături ionice. Această modificare de legături prin
schimbarea de direcție determină anizotropia grafitului, ce atrage după sine:
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
50
clivajul perfect dintre straturi
proprietățile de izolator termic și electric prin stratul bazal și conductibilitatea bună termică și electrică în lungul straturilor bazale
În așa numitele fibre de sticlă din carbon există straturi paralele, dar nu ca filele unei cărți, ci ca file îndoite, șifonate; prin tratare (piroliză) aceste straturi) vor fi netezite, rezultând fibrele de carbon care vor fi pe o anumită direcție bune conducătoare termice și electrice.
Bucșa din grafit se va monta în inductor, pentru a obține si menține temperatura necesară înmiuierii cuarțului (figura 3.8).
Figura 3.8 Bucșa introdusă în inductor
Înaite ca aceasta sa fie montată pe inductor pe suprafata exteriară a bucșei se interpune
o vată de aluminiu dupa care vine introdusă în inductor după care prin coloanele de ghidare este
introdus cilindru de cuarț. Acesta este încălzit pană ce cuarțul devine vâscos, favorabil procesului
de modelare. Când acesta este indeajuns de vâscos la unul din capete , cu dispozitivul de
închidere este prins și este înpins pe orificiul bucșei în jos, în vederea închiderii creuzetului.
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
51
Instalatia mai prevede suportul care asigură prinderea creuzetului din cuarț (figura
3.9).
Figura 3.9 Suportul de prindere a creuzetului
În figura 3.10 este prezentată coloanele de ghidare care au rolul de a prinde creuzetul
având și e rolul de a introduce creuzetul în bucșă si a dirija tubul din cuarț în vederea închiderii.
Figura 3.10 Coloanele de ghidare
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
52
3.2 Tehnologia pentru închiderea și recondiționarea creuzetelor
3.2.1 Creuztul din cuart si problemele de exploatare
Creuzetele din cuarț sunt folosite pentru calcinări de precipitate acidă . Au o rezistență
termica de la 1600 până la 1900 ⁰C, permițând topirea aliajelor primare fara a se topi creuzetul. În
figura 3.8 avem un exemplu de creuzet achiziționat de la diversi distribuitori (figura 3.11).
Figura 3.11 Creuzet nou achizitionat de la distribuitor
În urma numeroaselor turnări din cauza temperaturilor de topire ridicate a diferitelor
tipuri de aliaje primare, cuarțul se dilate si contractă inducaâd tensiuni în material, și de asemenea
orificiul de ejecatare al epruvetei ajunge să i se înfunde datorită zgurii ramase în urma turnarii,
astfel dupa un anumit ciclu de turnari epruveta ajunge sa se spargă (figura 3.12).
Figura 3.12 Creuzet spart în urma exploatării
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
53
3.2.2 Îndepartarea zonei sparte a creuzetului in vederea reconditionarii.
Operaţia de tăiere a zonei sparte a creuzetului de cuarț în vederea recondiționării se
realizează pe o masină de tăiat cu disc diamantat, după cum se poate observa in figura (figura
3.13).
Fig. 3.13 Maşină pentru debitarea probelor metalografice si a creuzetelor in vederea reconditionării [4]
În urma îndepartării porținuii sparte a creuztului din cuart, pe maşină pentru debitarea
probelor metalografice se obtine un cilindru (figura 3.14), care ulterior la unul din capete va fi
închis.
Fig. 3.14 Cilindru de cuarț
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
54
3.2.3 Închiderea creuzetelor din cuarț
La închiderea creuzelor s-a folosit procedeul de încălzire prin inducție. Acest
procedeu de închidere este un procedeu aflat în plină dezvoltare datorită productivității foarte
ridicată și a timpului de foarte scurt de lucru. (figura 3.15)
Figura 3.15 Închiderea creuzetelor prin inducție cu dispozitivul proiectat
În trecut închiderea creuzetelor se facea pe mașinile de strung, unde creuzetul era
prins de mandrină permintând o mișcare de rotație, iar în partea frontală a creuzetului era
improvizat o un sistem de încălzire prevăzu cu flacăra oxigaz.
Parametrii
Pentru închiderea tuburilor din cuarț s-a lucrat cu treapta 6, la tensiunea de 280-300V,
timpul de încălzire a tubului de cuarț fiind de 25-30 de secunde atingându-se o teperatura a
tubului în bucșa de cuarț de peste 1600 ⁰C. În figura 3.16 a,b,c sunt prezentate imagini de la
închiderea creuzetelor din cuarț.
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
55
Figura 3.16 a)
Figura 3.16 b)
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
56
Figura 3.16 c) Închiderea tuburilor de cuarț
După închiderea și recondiționarea tubului de cuarț acesta va arăta ca în figura 3.17
Figura 3.17 Tubul de cuarț după ce a fost închis
Capitolul III - Instalația și tehnologia pentru închirea și recondiționarea creuzetelor din cuarț
2012 Broicea Ionuț Alexandru
57
3.2.4 Slefuirea creuzetelor din cuarț în vederea obținerii fantei de curgere
Slefuirea creuzetelor din cuarț în vederea obținerii fantei de curgere a aliajului la
topire în inductor se execută cu ajutorul maşinilor de lustruit cu un disc rotativ pe care se fixează
o pâslă îmbibată cu o suspensie abrazivă (oxid de Al, de Mg, sau praf de diamant).
Fig. 3.18 Maşină pentru şlefuirea şi lustruirea probelor metalografic si a creuzetelor din cuart in vederea
obtinerii fantei de curgerea [4]
Pe aceasta mașină de lustruit și șlefuit, creuzetul este adus la forma sa finală după ce
acesta a fost închis. Crezetul este slefuit până ce i se va obține o fantă, orificiul pentru ejectare.
Figura 3.19 Creuzet recondiționat din cuarț
După ce acestuia i s-a obținut o fantă pentru ejectare, acestea sunt folosite la aliajele
amorfe pentru turnarea benzilor, rodurilor și bucșelor .
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
58
Cap. IV Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de
închidere a cuarțului
4.1 Proiectarea dispozitivului
Dispozitivul de închidere a creuzetelor este folosit la închiderea tuburilor din cuarț
dupa ce acestea în urma exploatărilor au fost sparte, și după ce a fost înlaturată partea spartă din
creuzet , dispozitivul de închidere are rolul de a închide tubul din cuarț la unul dintre capetele
acestuia.
Dispozitivul de închidere are forma tronconică, iar în secțiune este un trapez având
baza mica de 8 mm și baza mare de 25 mm restul cotelor fiind prezentate în anexa 1.
Cu dispozitivul se pot închide creuzete din cuarț pana la diametrul de 15 mm.
În figura 4.1 este prezentată falca dispozitivului de închidere iar in figura 4.2
dispozitivul de închidere.
Figura 4.1 Falca dispozitivului
Figura 4.2 Dispozitivul de închidere
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
59
4.2 Metode cantitative de selecţie
4.2.1 Clasificarea cerinţelor de performanţă
I. Funcţionale.
Legate direct de caracteristicile cerute pieselor componente ale produsului; De
exemplu: dacă o piesă suportă o sarcină de tracţiune monoaxială, limita de curgere a unui
material candidat poate exprima capacitatea produsului de a prelua această sarcină.
Unele caracteristici ale pieselor sau ale produsului nu au corespondenţe simple cu
proprietăţile măsurabile ale materialelor (rezistenţa la şoc termic, rezistenţei la uzare, fiabilitatea,
etc.
Procesul de evaluare poate deveni complex şi se poate baza pe teste de simulare a
condiţiilor de exploatare sau pe proprietăţile mecanice, fizice sau chimice înrudite în cea mai
mare măsură cu caracteristica respectivă (rezistenţa la şoc termic poate fi corelată cu coeficientul
de dilataţie termică, modulul de elasticitate, tenacitatea şi rezistenţa la tracţiune);
II. Procesabilitate.
Se referă la capacitatea materialului de a putea fi prelucrat prin diferite procedee
tehnologice (turnare, sudare, aşchiere, deformare plastică, tratamente termice, etc.);
III. Costul.
Reprezintă un factor de control în evaluarea materialelor deoarece pentru multe
aplicaţii există un cost limită al materialului candidat;
Criteriile privind costurile (cheltuielile) aferente elaborării materialelor, transformării
lor în semifabricate şi prelucrării acestora pentru obţinerea produselor sunt deosebit de
importante, respectarea acestora determinând alegerea materialelor şi tehnologiilor de fabricaţie
care asigură realizarea în condiţii economice (cu cheltuieli cât mai mici) a produselor necesare
într-o aplicaţie tehnică.
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
60
Depăşirea costului limită conduce la refacerea proiectului pentru a se putea utiliza un
material mai ieftin.
IV. Fiabilitate.
Fiabilitatea unui material se poate defini ca fiind proprietatea produsului exprimată
prin probabilitatea ca acesta să-şi îndeplinească funcţiile în condiţii prescrise, în cursul unei
perioade de timp date (pe durata de viaţă prevăzută) şi fără apariţia unei avarii.
Măsurarea fiabilităţii este foarte dificilă deoarece ea nu depinde numai de proprietăţile
inerente ale materialului, ci poate fi afectată în mare măsură de istoria producerii şi procesării
acestuia (în general, materialele noi şi nestandardizate au tendinţa de a avea o fiabilitate mai
scăzută decât cea a materialelor standardizate).
V. Durabilitate.
Mediul înconjurător în care va funcţiona o piesă sau un produs joacă un rol important
în determinarea cerinţelor de performanţă ale unui material (mediul corosiv, temperatura ridicată
sau coborâtă pot influenţa negativ performanţele celor mai multe materiale);
Întotdeauna când pentru o aplicaţie dată sunt implicate mai multe materiale,
compatibilitatea dintre ele devine o problemă de selecţie (în mediile termice coeficienţii de
dilataţie termică trebuie să fie similari)
4.2.2 Metoda proprietăţilor ponderate
Metoda proprietăţilor ponderate consta in: optimizarea selecţiei materialelor când
trebuie luate în considerare mai multe proprietăţi; fiecărei cerinţe de material, sau proprietăţi îi
este conferită o anumită pondere, dependentă de importanţa ei; valoarea proprietăţilor ponderate
se obţine prin multiplicarea valorii numerice a proprietăţii cu factorul de pondere, ; pentru
fiecare material, se vor însuma valorile individuale ale proprietăţilor ponderate şi se va obţine
aşa-numitul index de performanţă, ; materialul cu indexul de performanţă cel mai ridicat va fi
considerat ca optim pentru aplicaţia respectivă.
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
61
4.3 Selecţia materialelor pentru dipozitivul de închidere a creuzetelor din
cuarț folosind metoda proprietăţilor ponderate
Figura 4.3 Dispozitiv de închidere
4.3.1 Prezentarea condițiilor de exploatare și ierarhizarea proprietăților
Condițiile de exploatare pentru dispozitivul de închidere sunt urmatoarele:
Rezistența la temperaturi ridicate
Densitatea
Rezistența la uzare
Tenacitate
Aschiabilitate
Rezistența mecanică
Conform proprietăților necesare materilului din care se va realiza dispozitivul de
închidere se va face o analiza a acestora comparândule între ele prin metoda logicii decizionale.
l=
, (4.1)unde n - numărul de proprietăți și l - numărul total de decizii.
n = 6 l =
= 15
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
62
Tabelul 4.1 Ierarhizarea proprietăților
Proprietate Numar decizie Punctaj ϒ
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Stabilitatea
termică
1 1 1 1 1 5 0.33
Duritatea 0 1 0 0 1 2 0.13
Tenacitatea 0 0 0 1 0 1 0.06
Rezistența
mecanică
0 1 1 1 1 4 0.26
Așchiabilitatea 0 1 0 0 1 2 0.13
Densitatea 0 0 1 0 1 0.06
Total 15 0.97
ϒ- factorul de pondere, ϒ=
Tabelul 4.2 Factorul de pondere
Proprietate Număr de pași Punctaj ϒ
Stabilitate termică 5 5 0.33
Duritate 5 2 0.13
Tenacitate 5 1 0.06
Rezistența mecanică 5 4 0.26
Așchiabilitatea 5 2 0.13
Densitatea 5 1 0.06
4.3.2 Prezentarea oțelurilor pentru selecția acestui dispozitiv
4.3.2.1 Prezentarea oțelul C45 (OLC45)
Conform STAS 880 – 80, compoziţia chimică a oţelului C45 (OLC45)
este indicată în tabelul următor:
Tabelul 4.3 Compoziția chimică a C45 (OLC45)
Marca
oţelului
Compoziţia chimică %
C Mn P S
CC4455
((OOLLCC4455)) 0,42 … 0,50 0,50 … 0,80 Max. 0,045 Max. 0,040
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
63
Caracteristici mecanice şi tehnologice al acestui material conform STAS 880 – 80
sunt următoarele:
Tabelul 4.4 Caracteristicile mecanice s tehnologice ale C45 (OLC45)
Marca
oţelului
16≤Ø≤40
Tratament
termic
Limita de
curgere
Rp0,2
[N/mm2]
Rezistenţa la
rupere
Rm
[N/mm2]
Alungirea la rupere
A
[%]
Rezilienţa
KCU
J/cm2
C45
(OLC45)
CR
410
700 – 840
14
39
Tabel 4.5 Unele caracteristici fizice ale C45 (OLC45)
Masa
specifică
ρ, kg/m3
Conductivitatea termică λ, W/m ⁰C,la temperatura T, ⁰C
20 200 400 600 800 1000
50.66 48.13 41.85 33.95 24.65 24.65
Caldura specifica
20 200 400 600 800 10000
7845 452 535.8 632 757.6 933.4 1000.4
Tabelul 4.6 Temperaturi critice și tratamente termice recomandate pentru oțelul C45 ( OLC45)
Temperaturi critice Tratamente termice recomandate
Ac1 Ac3 Ms Recoacere de
înmuiere
Normalizare Călire
martensitică
volumică
Revenire înaltă
⁰C ⁰C ⁰C T, ⁰C Răcire T, ⁰C Răcire T, ⁰C Răcire T, ⁰C Răcire
725 780 345 680-
700
cuptor 830-
850
aer 840-
860
apă,
ulei
550-
660
aer
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
64
Tabelul 4. 7 Caracteristicile mecanice ale oțelului C45 (OLC45) tratat termic
Tratament
termic
Grosimea sau
diametrul
piesei, mm
Rm în N/mm2 Rp0,2 în
n/mm2
(min.)
A5 în %
(min.)
KCU300/2 în J/ cm2
(min.)
Normalizare Max. 16
16-40
40-100
100-160
160-250
630-710
600-700
580-680
550-650
530-640
360
315
295
285
275
19
19
19
19
17
50
50
40
40
40
Călire
martensitică
volumică +
revenire înaltă
Max.16
16-40
40-100
100-160
160-250
700-840
660-800
620-760
570-720
540-690
480
410
370
345
325
14
16
17
18
19
60
60
60
40
40
Figura 4.4 Banda de călibilitate a oțelului C45 (OLC45) [5]
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
65
Figura 4.5 Variația unor caracteristici mecanice cu temperatura de revenire [5]
Figura 4.6 Diagrama de transformare izotermă a austenitei subrăcite la oțelul C45 (OLC45) [5]
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
66
Figura 4.7 Diagrama de transformare anizotermă a austenitei subrăcite la oțelul C45 (OLC45) [5]
4.3.2.2 Prezentarea oțelului X40Cr14 (40Cr130)
Tabelul 4.8 Compoziția chimică a oțelului X40Cr14 (40Cr130)
Marca de oțel Compoziția chimică, [%]
C Si
max.
Mn
max.
P
max.
S
max.
Cr Mo Ni Alte
elemenete
X40Cr14
(40Cr130)
0.42-
0.50
1.00 1.00 0.045 0.030 12.5-
14.5
-- -- --
Tabelul 4.9 Tratamente termice recomandate pentru oțelul X40Cr14 (40Cr130)
Recoacere Călire Revenire
T, ⁰C Răcire T, ⁰C Răcire T, ⁰C Răcire
750-800 cuptor 1000-1050 Ulei, apă 100-200 aer
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
67
Tabelul 4.10 Caracteristicile mecanice ale oțelului X40Cr14 (40Cr130) garantate la temperatura
ambiantă
Tratament
ul termic
Duritatea
HB,
daN/mm2
Limita
de
curgere,
N/mm2
(val.mini
me)
Rezisten
ța la
rupere
prin
tracțiune
statică
Rm
N/mm2
Alungirea la rupere
A5, în % (val. Min.)
Reziliența KCU300/3
J/cm2(val. min.)
Rp
0,2 Rp1,0 Longitudi
nal
Transvers
al
Longitudi
nal
Transvers
al
Recoacere 225 --- --- 800 --- --- --- ---
Îmbunătăți
re 55HRC --- --- 900 --- --- ---
Figura 4.8 Diagrama TTT pentru X40Cr14 (40Cr130) [6]
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
68
Figura 4.9 Diagrama durității în funcție de temperatură [6]
4.3.3 Calculul indicelui de performanță și a cifrei de merit
Tabelul 4.11
Nr.
crt
Proprietate Unitatea
de
măsură
C45 (OLC45) X40Cr14 (40Cr130)
Valoare
absolută
Valoare
scalată
Pondere
ϒ
Valoare
absolută
Valoare
scalară
Pondere
ϒ
1 Stabilitate
termică ⁰C 3 60 19.8 5 100 33
2 Duritatea HRC 24.8 100 13 23.1 93.14 12.10
3 Tenacitate J/cm2 60 80 4.8 75 100 6
4 Rezistanța
mecanică
N/mm2 760 97.43 25.33 780 100 26
5 Așchiabilitate m/min 60 100 13 60 100 13
6 Densitate Kg/m3 7845 100 6 7700 98.15 5.89
Total 82 96
Val scal =Val abs(mică) 100/Val abs (mare)
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
69
Prop ϒ = ϒ Val scal
Concluzii : În urma prezentării condițiilor de exploatare și ierarhizarea proprietăților
și dupa ce am calculat indicele de performanță și a cifrei de merit a celor două oțeluri selectate, a
reiesit ca oțelul X40Cr14 (40Cr130) a îndeplinit majoritatea proprietpților cerute, cea ce indică
că este materialul optim din care va fi confecționat dispozitul de închidere.
Deoarece unele proprietăți nu dispun de valori numerice date in STAS-uri sau în
diferite cataloage unde se sugerează predispozitia utilizării materialului în functie de proprietate,
convertim aceste sugestii în valori numerice printr-o scară arbitrară oferind calificative acestora
(tabelul 4.12).
Tabelul 4.12 Convertire în valori numerice (scara arbitrară).
A Excelent 5
B Foarte bine 4
C Bine 3
D Satisfăcător 2
E Slab 1
Din cauza că pentru stabilitatea termică nu am găsit o valoare absolută pentru
stabilitatea termică , prin scara arbitrară am convertit calificativele în valori numerice, așadar
pentru oțelul C45 (OLC45) iam atribuit o valoare numerică 3 semnificând prin conversie
calificativul Bine, iar pentru oțelul X40Cr14 (40Cr130) considerând si documentarea materialelor
de specialitate iam atribuit o valoare numericâ 5 reprezentând calificativul Excelent.
4.4 Proiectarea tehnologică
4.4.1 Prezentarea itinerariului tehnologic
Dispozitivul de închidere și recondiționare a creuztelor se va face din tablă groasă,
folosindu-se următorul itinerariu tehnologic prezentat in tabelul 4.13.
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
70
Tabelul 4.13 Itinerariul tehnologic
Nr. operații
Denumirea operației
MU Sculă Verificare
1 Frezare de suprafața
DMC 635 Freză Ø 63 Șubler
2 Frezare de contur
DMC 635 Freză deget Ø 10
Șubler
3 Găurire DMC 635 Burghiu Ø 6 Șubler
4 Găurire parte active
DMC 635 Burghiu Ø 8 Șubler
5 Frezare parte activă
DMC 635 Freză disc bilaterală
Șubler
4.4.2. Calculul parametrilor tehnologici la burghiere
Stabilirea regiumuli de aşchiere la burghiere şi lărgire
Adâncimea de aşchiere.
Burghierea se execută în material plin, adâncimea de aşchiere fiind:
t = D / 2 [mm]; unde D este diametrul găurii.
t = 4,37 / 2 [mm]
t = 2,18 [mm]
Avansul
Calculul avansului la burghiere se face cu relaţia:
s = kS*CS*D0,6 [rot/min]
Valorile coeficentului kS la gaurire sunt cele din tabelul 4.13:
Tabelul 4.14
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
71
Diametrul găurii D , [mm]
Raportul L/D
3-5
Sub 20 0,90
, iar valorile coeficentului CS la găurire sunt cele din tabelul 4.15 :
Tabelul 4.15
Materialul prelucrat
Duritatea
HB
Felul preluicrării
240-300
Cu precizie ridicată la găuri înfundate sau
pătrunse
X40Cr14 (40Cr130) 0,023
s = 0,90*0,023*4,37 0,6
s = 0,0207 *2,42
s = 0,050 [rot/min]
Viteza de aşchiere.
Viteza de aşchiere se calculează cu relaţia:
• La burghiere:
V = (CV * DZV
/ Tm
* sYV
) * kV [m/min]
Unde valorile coeficentului CV şi a exponenţilor sunt date în tabelul 4.16 :
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
72
Tabelul 4.16
Valorile coeficentului CV şi a exponenţilor la găurire
Materialul
prelucrat
Avansul
s[rot/min]
Găurire
CV ZV m YV
Oţel aliat
cu Ni, Cr
σr=75
daN/mm2
≤ 0,2 3,7 0,4 0,2 0,7
> 0,2 -
Durabilitatea economica T este dată în tabelul 4.16 :
Tabelul 4.17
Materialul de
prelucrat
Diametrul burghiului, D [mm]
≤ 5
Durabilitatea economică, T[min]
Oţeluri
10
, iar valorile coeficentului de corecţie kV este dat în tabeul 4.18 :
Tabelul 4.18
Valorile coeficenţilor de corecţie pentru burghie din oţel rapid
Material de prelucrat Oţel carbon şi aliat,σr=75
daN/mm2
kMv (75 / σr ) 0,9
Raportul durabilitate reala şi recomandată
Tr/T
0,2
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
73
kTv Oţel 0,87
Lungimea găurii în funcţie de diametru D5 D14
kLv 1.0
Starea oţelului Îmbunătăţit
kSv 0,80
, şi relaţia de calcul este:
kV = kMv * kTv * kLv * kSv
• La burghiere, kV = 1 * 0,87* 1,0 * 0,80 = 0,696
La burghiere,
V = (CV * DZV
/ Tm
* sYV
) * kV [m/min]
V = (3,7 * 4,370,4
/ 100,2
* 0,0500,7
) * 0,696
V = (3,7 * 1,803 / 1,584 * 0,122
) * 0,696
V = (6,671 / 1,194) * 0,696
V = 5,587 * 0,696
V = 3,8 [m/min]; se ajustează: V = 4 [m/min]
Toate operaţile se realizează pe o Masina de frezat universală, maşină care prezintă
următoarele caracteristici (tabeulul 4.19 ).
Tabelul 4.19
Caracteristici tehnice Tipo-dimensiuni FUS-200
Supragata de lucru a masei de baza, mm 200x570
Cursa longitudinală a mesei, 270
Cursa verticală a mesei 330
Numarul de avansuri ale mesei 12
Gama de avansuri, mm/min 12,5...250
Capitolul IV - Tehnologia si selecția materialelor pentru dispozitivul de închidere a cuarțului
2012 Broicea Ionuț Alexandru
74
Conul arborelui principal Morse 4
Diametrul maxim al sculei cu care se
prelucreaz (fixata cu bucsa extensibila),
mm
17,5
Numarul treptelor de turatie ale arborelui
principal orizoantal
12
Gama de turatie arborelui orizoantal,
rot/min
0...1180
Motor electric pentru actionat principal
orizoantal (Cu doua trepte de turatie ),
Kw
1,9/1,1
Capitolul V - Concluzii 2012 Broicea Ionuț Alexandru
75
Cap.V Concluzii
Tehnologia nouă si instalația pentru recondiționarea și închiderea creuzetelor din
cuarț permite o închidere a creuzetelor automatizată, timpul în care se execută procesul de
închidere este unul foarte scurt de la 25 pana la 30 de secunde, implica consturi de regie scăzute
si presupune o creșterea foarte mare a productivițății .
Tehnologia instalației proiectate pentru închiderea și recondiționarea creuzetelor este
creată pentru folosirea în laboratore, dar se poate fi adaptata in vederea folosiri și la scară
industrială prin automatizarea procesului.
Pentru materialul din care a fost confecționat dispozitivul, s-au ales doua oțeluri un
oțel oarecare si unul inoxidabil, iar în urma procedeului de selecție sa constatat că oțelul
inoxidabil este cel mai bun pentru confecționarea dispozitivului pentru că îndeplinește cerințele
cerute în exploatare.
30
25
15 15
5
25
30
bucsaWEIGHT:
GrafitA4
SHEET 1 OF 1SCALE:2:1
DWG NO.
TITLE:
REVISIONDO NOT SCALE DRAWING
MATERIAL:
DATESIGNATURENAME
DEBUR AND BREAK SHARP EDGES
FINISH:UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERSSURFACE FINISH:TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR:
Q.A
MFG
APPV'D
CHK'D
DRAWN
36.5
0
50R525
R4
R1.50
0.75
1514
1
1
12
3
ITEM NO. PART NUMBER DESCRIPTION QTY.1 D001 12 D002 13 Nit 1
C
2 31 4
B
A
D
E
F
DispozitivWEIGHT:
X40Cr14A4
SHEET 1 OF 1SCALE:1:1
DWG NO.
TITLE:
REVISIONDO NOT SCALE DRAWING
MATERIAL:
DATESIGNATURENAME
DEBUR AND BREAK SHARP EDGES
FINISH:UNLESS OTHERWISE SPECIFIED:DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERSSURFACE FINISH:TOLERANCES: LINEAR: ANGULAR:
Q.A
MFG
APPV'D
CHK'D
DRAWN
top related