Licenta Complet

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]



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.



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



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]



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



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]



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.



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.



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


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.



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.



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



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



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]



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



16

Figura 2.2 Proprietăți electrice [3]



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



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]



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



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]



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.



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,



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



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.



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



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]



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.,



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.



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.



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



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 ,



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



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.



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,



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)



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



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-



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).



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.



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



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



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


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



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;



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)



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]



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



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



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:

http://ro.wikipedia.org/wiki/Fi%C8%99ier:Graphit_gitter.png



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.



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



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



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



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.



55

Figura 3.16 a)

Figura 3.16 b)



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



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


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



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.



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.



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



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



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



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]



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]



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



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]



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)



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.



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



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 :



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



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



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

Documents

Licenta Complet