Ricottura. rimozione degli sforzi residui. genesi di sforzi residui. coeff. di dilatazione termica. temperatura media

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1 Ricottura rimozione degli sforzi residui coeff. di dilatazione termica genesi di sforzi residui raffreddamento Fig.1 riscaldamento Fig.2 temperatura media Introduction to ceramics, W. D. Kingery, H. K. Bowen and D. R. Uhlmann, J. Wiley & Sons, 1975 Gli sforzi residui nascono quando si raffredda in maniera differenziata il componente; questo accade praticamente sempre, per esempio, nel processo float o nella fase di stampaggio delle bottiglie. Tutti i prodotti in vetro (ad eccezione delle fibre) dopo la formatura sono quindi soggetti a ricottura per ridurne o eliminarne gli sforzi residui. Questi si generano in fase di raffreddamento e sono di trazione sulla superficie (vedi Fig.1). Perciò possono causare la rottura del componente. In fase di riscaldamento si ha invece il cuore del componente in tensione e la sua superficie in compressione (Fig.2). La fase più critica, quindi, rimane quella del raffreddamento. Il caso estremo è quello dello shock termico quando un oggetto caldo viene bruscamente raffreddato. La distribuzione degli sforzi dipende dalla forma del componente, dal rapporto di Poisson (µ), dal coefficiente di dilatazione termica lineare (a), dal modulo elastico (E) e dalla velocità di raffreddamento (che influenza la differenza di temperatura tra superficie e cuore, T s - T c ). 1

2 per velocità di riscaldamento / raffreddamento costanti (φ): " s = E a ( 1# µ T c #T s ) dove: viscosità alle varie temperature T c - T a = 1/3 (T c - T s ) T c T a T s Fig.1 Introduction to ceramics, W. D. Kingery, H. K. Bowen and D. R. Uhlmann, J. Wiley & Sons, 1975 L entità degli sforzi residui, in ultima analisi, dipende solo dalla velocità di raffreddamento. Parametro importante è ovviamente anche la viscosità al variare della temperatura. E chiaro quindi che nell intervallo di lavorazione il tempo di rilassamento è tale da creare un minimo accumulo di sforzi. Questi ultimi vengono comunque poi eliminati in fase di ricottura. 2

3 rilassamento degli sforzi fase 1.: isoterma Modello di Maxwell: d" dt = # 1 " T rit $ " = " 0 exp # t ' & ) % ( T rit T rit = " G Modello di Adams e Williamson (empirico): d" dt = 1 #A"2 " # 1 = At " 0 A = A a exp( 0.07(T "T a )) A a = 4.76 x /MPa s T T a σ 0» σ t " exp ( 0.07(T a #T) ) 4.76x10 #4 $ se σ = 2.5 MPa, T = T a t = 14 min Tempertura di ricottura (T g,dil - 10 C) La ricottura avviene in due fasi successive: isoterma e raffreddamento controllato. Essa può essere in cascata al processo produttivo (situazione migliore) oppure può essere una fase a sé stante. Per calcolare il rilassamento degli sforzi durante la fase isoterma si può far riferimento al modello di Maxwell (che è il più semplice). In questo la velocità di rilassamento degli sforzi è proporzionale allo sforzo stesso, attraverso il parametro T rit. Questo modello in genere però sottostima il tempo necessario a rilassare gli sforzi residui. Maggiormente usato è il modello empirico di Adams e Williamson. In questo la velocità di rilassamento è legata al quadrato dello sforzo. L ipotesi che si fa è che lo sforzo iniziale da rimuovere sia molto maggiore dello sforzo a fine isoterma. Il tempo necessario alla riduzione dello sforzo dipende dalla temperatura di isoterma (T) inferiore alla temperatura di ricottura (T a η = Pa s, T a 550 C per il vetro sodico-calcico). In genere, la ricottura di un vetro viene fatta ad una temperatura di C inferiore alla sua T g. 3

4 fase 2.: raffreddamento se φ = costante il profilo di T resta costante "T = T c #T s = 1 2 $ r m 2 k / %c p T 1 t 1 σ 0 T 2 t 2 σ 0 T 3 t 3 σ 0 a =9 x 10-6 C -1 E = 70 GPa r m = 1 cm σ t = 2.5 MPa µ = 0.3 k/ρ c p = cm 2 /s φ = 0.13 C/min T 4 T amb t 4 σ 0 " t = E a 1# µ T c #T a ( ) = 1 E a 6 ( 1# µ ) $ r m 2 k / %c p Nella seconda fase si impone una velocità di raffreddamento costante. Il profilo di temperatura resta così costante (parabolico) finchè gli estremi della parabola non arrivano a temperatura ambiente. In altre parole, quando comincia il raffreddamento a causa della conducibilità termica non infinita del materiale si genera un andamento parabolico del profilo di T che trasla verso il basso inalterato fino all approssimarsi della T amb. Quando la superficie arriva a T amb si generano sforzi che dipendono dalla velocità di raffreddamento. Ciò che importa è la velocità di raffreddamento sopra lo strain point in quanto al di sotto gli sforzi anche per velocità molto limitate non sono più rimossi in corsa (il tempo di rilassamento a tale temperatura è estremamente più lungo della durata del processo). 4

5 Problema: attraversamento della T g α L 3 α S vetro sodico-calcico x 0.7 = MPa schema tipico di ricottura T g vetro sodico-calcico r m = 0.25 in Introduction to ceramics, W. D. Kingery, H. K. Bowen and D. R. Uhlmann, J. Wiley & Sons, 1975 Durante un raffreddamento da elevata temperatura sopra la T g gli sforzi sono rimossi in tempo reale; alla T g, a causa del differente coeff. di dilatazione termico lineare (che nel liquido è tre volte quello del solido), possono nascere ulteriori sforzi residui che si sommano a quelli prodotti quando la fase di raffreddamento si arresta. Un tipico schema di ricottura prevede un rapido riscaldamento, un isoterma appena sopra la T a, un raffreddamento lento ( 1 C /min) fin sotto lo strain point e quindi un raffreddamento più rapido. 5

6 Lavorazioni successive T > T soft Tempra superiori proprietà meccaniche Laminazione Stampaggio e rammollimento in stampo ( fusione ) Taglio, molatura, lucidatura e finitura superficiale utensili diamantati (resinoidi o metallici) utensili (resinoidi o metallici) diamantati feltri + CeO 2, ZrO 2, Fe 2 O 3 effetto meccanico punte o rotelline diamantate lame diamantate laser water-jet (acqua in pressione + abrasivo) effetto meccano-chimico A. Kelsall, Glass technology, 39, 1, 1998 Le lavorazioni cosiddette successive possono avvenire anche prima della ricottura. Lo stampaggio o il rammollimento in stampo vengono usati per produrre lavandini, cupole, finestrini di automobili, vetri per banchi frigo ecc. da lastre piane che vengono poste su uno stampo in refrattario a temperatura maggiore di quella di rammollimento. Il taglio e la molatura creano piccole fessure superficiali (effetto meccanico dell abrasivo). La lucidatura con ossidi vari (soprattutto ossido di cerio) miscelati con acqua determina una finitura migliore a causa di un effetto meccano-chimico. 6

7 trattamento in soluzione di HF e NH 4 F Acidatura ( ghiacciatura, satinatura ) Rivestimento (coating) Decorazione superiori proprietà ottiche e termiche spruzzatura, stampa (emulsioni di poliuretano, nylon, poliestere, ) + riscaldamento smaltatura a spruzzo, stampa o immersione (sospensione di polvere di vetro) + cottura L acidatura genera un effetto traslucido dei componenti in vetro. Il rivestimento e la decorazione possono essere prodotti con resine (plastiche) o smalti vetrosi (polvere in vetro in sospensione acquosa). 7