Melt spinning

Archiu:MeltSpinner.png

Esquema d'un torne de fusió, el metal (A) es fon en un cresol de Foucault (K) per mig de les bobines d'inducció (I) i després és espentat per gas a pressió (P) a través d'un chicotet orifici sobre el tambor giratori (B) gelant-se a altíssima velocitat per a formar la cinta de material amorfo C.

El Melt spinning o hilado en estat de fusió és una tècnica utilisada per al refredat extremadament ràpit de líquits.

Consistix en una roda metàlica o tambor que és gelada internament, per lo general en aigua o nitrogen líquit, i girada a alta velocitat. Una prima chorrada de líquit és llavors llançat a alta pressió sobre la superfície externa de la roda i gelat, causant una solidificació extremadament ràpida. Esta tècnica s'utilisa per a produir materials que requerixen velocitats de refredat extremadament altes, tals com per eixemple els vidres metàlics. Les velocitats de refredat que es poden alcançar per esta tècnica estan entre 10⁴ i 10⁷ kelvins per segon (K/s).

La tècnica original va ser desenrollada per Robert Pond en una série de paleses relacionades registrades entre 1958-1961 (Nº de palesa de EE. UU. 2825108, 2910744, i 2976590), el concepte actual del torne de fusió va ser esbossat per Pond i Maddin en 1969, no obstant, en un primer moment, el líquit era gelat en les superfícies interiors del tambor. Liebermann i Graham varen desenrollar posteriorment l'idea (en 1976) per a permetre un procés de colada contínua, utilisant, esta volta la superfície externa del tambor. El procés actual pot produir una prima cinta contínua de material. Es poden adquirir comercialment cintes obtingudes per este procés de varis amples diferents.

Principi de funcionament

Archiu:Meltspinning2.JPG

Melt spinning.

El principi general de funcionament és conseguir un entorn de refredat ràpit, per a conseguir d'esta manera que l'aleació solidifique en el mateix estat d'ordenament que té en el líquit (amorfo). Per a poder complir en este requisit d'entorn de refredat ràpit, el mig a on es produïx la recuperació de la calor de la mescla fosa deu ser tant capaç d'absorbir molt ràpidament la calor, com de mantindre una alta diferència de temperatura sobre la mescla fosa de modo que l'aleació líquida s'exponga durant un temps molt curt per a conseguir una alta velocitat de transferència.

La velocitat de refredat es troba determinada per la fòrmula:

$R_C=\frac{T_m-T_c}{\Delta t}$

en $T_m,T_c$, respectivament temperatura de l'aleació fosa, i la temperatura del mig ambient de refrigeració, el $\Delta t$ és el diferencial de temps durant la qual es produïx la transferència de calor. L'idea és obtindre un RC tan alt com siga possible.

Per a conseguir una alta taxa de transferència de calor s'utilisa un tambor d'un metal molt bon conductor de la calor gelada internament per mig d'un refrigerante líquit (usualment nitrogen líquit, heli líquit o gas de petròleu líquit, encara que pot ser també aigua). El tambor gira a alta velocitat per a assegurar un temps de contacte extremadament curt i una alta diferència de temperatura.

Implementació tècnica

Existixen dos métodos principals el método de tambor únic i el método de dos tambors, en abdós casos l'aleació metàlica es fon en un cresol que funciona com un forn d'inducció, calfant el metal per mig d'una corrent elèctrica d'alta freqüència. Estos cresols estan dissenyats de forma tal que la filtre d'eixida es trobe prop de la superfície del tambor. Per mig d'una llínea de gas comprimit (normalment un gas inerte per a evitar l'oxidació del material) s'injecta gas a pressió dins del cresol, obligant al material fos a eixir en forma de chorrada per la filtre des d'a on és dirigit cap a la superfície de l'o dels tambors. Degut a que la filtre es coloca prop dels tambors deu estar construïda d'una aleació molt resistent per a tindre la primea suficient i la suficient resistència a la calor. Els tambors per una atra part deuen ser d'un material susceptible d'adquirir gran poliment, resistent a l'oxidació i en una alta conductivitat tèrmica. Per lo general s'utilisen tambors d'aleació de coure o molibdeno.

• En el método de tambor únic l'aleació s'injecta a través d'unes filtre que es troben casi tangentes a la superfície del tambor. Ací la gruixa de la cinta obtinguda depén de la distància entre la filtre i el tambor i de la velocitat de gir d'este últim. Este método és fàcil d'aplicar i de baix cost, pero com a desventaja resulta molt difícil conseguir un material que no present variacions en la gruixa, en l'estructura i diferències entre abdós cares de la cinta de metal.

• En el método de dos tambors, el material és impulsat entre dos tambors que giren en direccions opostes, permet obtindre una cinta de gruixa molt constant (ya que solament depén de la distància entre abdós tambors i de la velocitat de gir dels mateixos) i en una molt alta velocitat de transferència de calor. La dificultat d'este enfocament és conseguir una correcta sincronisació entre els dos tambors giratoris.

El punt crític d'abdós métodos és conseguir que els tambors giratoris giren en un eix d'alta precisió, de forma de que la superfície del tambor present una vibració molt baixa, de l'orde de solament uns micrómetros, i que la superfície dels mateixos siga molt homogénea i neta.

Bibliografia

• ^{[enllaç trencat]}
• P. Duwez et al. "Senar-crystalline Structure in Solidified Gold–Silicon Alloys", Nature 187 (1960) 869-870
• ^{[enllaç trencat]}
• ^{[enllaç trencat]}

• Pagnola, M.R. et al. "Influence of z/w relation in Chill Block Melt Spinning (CBMS) process and analysis of thickness in ribbons", Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, Vol. 11 No. 1, (2015) pp. 23-31.
• Pagnola M.R et al. "Magnetic Materials by Melt Spinning Method, Structural Characterization, and Numerical Modeling" in New Uses of Micro and Nanomaterials, Edited by  Marcelo Ruben Pagnola , Edited by  Jairo Useche Viver , Edited by  Andres Guillermo Marrugo, Intech Open (2018).