Закалочное устройство для изготовления микропроводов

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области изготовления микропроводов и предназначена для проведения охлаждения струи расплава в стеклянной оболочке при получении быстрозакаленных протяженных микропроводов методом Улитовского-Тейлора.
Уровень техники
Из уровня техники широко известен метод Улитовского-Тейлора, применяемый при изготовлении микропроводов, который заключается в непосредственном вытягивании расплавленного металла или различных сплавов, первоначально размещенных в стеклянной емкости (например, герметичной кварцевой трубке). При соблюдении определенных условий вокруг расплава металла образуется пластичная стеклянная оболочка, а образованная таким образом структура подвергается вытягиванию с одновременной закалкой, например, потоком воды (Е.Я. Бадинтер, Литой микропровод и его свойства, Кишинев, Штиница, 1973, с. 318).
Данному способу присущи недостатки в виде сложности обеспечения равномерного охлаждения микропровода ввиду наличия турбулентностей, образующихся в потоке жидкости, что приводит к образованию в микропроводе неоднородностей, являющихся существенными дефектами.
В уровне техники также представлены решения, преимущественно характеризующие охлаждение микропровода, производимое поперечной струей жидкости с обеспечением ламинарного потока, что устраняет наличие турбулентностей в потоке охладителя.
Однако таким решениям (например, RU 2396621 C1, 10.08.2010) присущи следующие недостатки.
Для выполнении условия поддержания ламинарного потока охлаждающей струи диаметр охлаждающей струи жидкости, вытекающей свободно из круглого отверстия сопла, не должен превышать 4-5 мм. Такой малый диаметр струи охладителя при поперечном перемещении струи расплава не позволяет проводить эффективную закалку проводов, получаемых при высоких скоростях вытяжки (более 10 м/сек); проводов, вытягиваемых при температурах расплава выше 1100 С°; проводов диаметром более 100 мкм из-за недостаточного теплоотвода при коротком времени контакта.
Кроме того, вследствие цилиндрической формы струи охладителя незначительное смещение положения микропровода относительно центральной оси приводит к существенному снижению интервала контакта микропровода с охладителем и, как результат, снижению комплекса механических и физических свойств провода.
При формировании микропровода в конусной части капли расплава из-за неравномерного стекания вязкого стекла могут возникать периодические смещения провода по отношению к центральной оси струи охладителя. Смещение охлаждаемого микропровода относительно центральной оси струи охладителя может также иметь место при неточной установке охлаждающего устройства оператором или при незначительном изменении параметров процесса.
Известные способы охлаждения свободно падающей струей или струей, направленной перпендикулярно либо горизонтально, не позволяют проводить периодическое вертикальное перемещение струи вдоль конусной части капли расплава в стеклянной оболочке во время процесса охлаждения, необходимое для получения микропровода с переменным диаметром.
Кроме того, в некоторых случаях при получении микропроводов, требующих высокой температуры перегрева расплава, возможно закипание охладителя с образованием «паровой рубашки» из-за однонаправленного и близкого по скорости перемещения микропровода и охладителя.
Следовательно, известные способы имеют низкую функциональность и сложность соблюдения требований технологического процесса.
Предложенная полезная модель направлена на преодоление известных недостатков уровня техники и направлена на решение задачи повышения технологичности изготовления микропроводов различных диаметров с повышением качества их изготовления.
Раскрытие полезной модели
Предложенная полезная модель по совокупности проявляющихся при ее использовании свойств позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей изготовления микропроводов различных диаметров при одновременном улучшении их охлаждения.
Для достижения указанного технического результата предлагается закалочное устройство для изготовления микропроводов, представляющее собой полую кварцевую трубку, две части которой изогнуты под углом 90°, и выполненную так, что: внешний диаметр трубки при ее использовании меньше диаметра нижнего витка индуктора, в одной из частей выполнена сквозная продольная прорезь, проходящая от верхней кромки и заходящая за продольную ось этой части, а другая часть выполнена с возможностью фиксации на устройстве для горизонтального и вертикального перемещения трубки.
В дополнительном развивающем варианте осуществления ширина реза продольной прорези выбрана из условия обеспечения свободного горизонтального введения охлаждаемого провода внутрь вертикальной части трубки и условия полного заполнения вертикальной части трубки охладителем.
Как будет показано в нижеследующем разделе описания представленная совокупность признаков полезной модели с очевидностью позволяет обеспечить указанный выше технический результат.
Вместе с тем, в тексте описания даны некоторые пояснения в отношении использованных формулировок признаков формулы.
Осуществление полезной модели
Полезная модель предназначена для использования в составе устройства для изготовления микропроводов, которое представлено на поясняющем чертеже (фиг. 1). Под соответствующими позициями на фиг. 1 представлены:
1 - предложенное устройство для закалки.
2 - индуктор (высокочастотный).
3 - микропровод.
4 - смоточный барабан.
5 - поддон для сбора охладителя
6 - средство для слива охладителя.
7 - поток охладителя.
8 - прорезь одной из частей трубки (слив охладителя указан стрелками)
9 - капля расплава.
10 - исходное сырье.
На фиг. 1 на представлено, но предполагается к совместному использованию с предложенным решением средство, на котором фиксируется другая часть трубки (без прорези), причем такое средство позволяет обеспечить как горизонтальное, так и вертикальное перемещение предложенного устройства.
Полезная модель используется следующим образом.
Как было отмечено выше, одна из частей трубки выполнена с возможностью фиксации на устройстве для горизонтального и вертикального перемещения.
Например, указанная реализация предполагает, что горизонтальная часть трубки соединяется шлангом с платформой, обеспечивающей горизонтальное и вертикальное перемещение закалочного устройства и принудительную подачу в него жидкого охладителя из внешнего нагнетающего устройства. Указанная реализация также может включать размещение на части трубки переходного средства, чтобы совместно с этой частью быть зафиксированными с указанной платформой.
Для обеспечения легкого и точного горизонтального введения и выведения микропровода при запуске и остановке процесса в одной из частей трубки (вертикальной) сделана сквозная продольная прорезь, которая заканчивается сразу за центральной вертикальной осью трубки. Ширина реза выбирается из условия обеспечения свободного горизонтального введения охлаждаемого провода внутрь вертикальной части трубки и условия полного заполнения вертикальной части трубки охладителем, подаваемым принудительно с необходимым напором.
Перед началом процесса вытяжки микропровод за счет горизонтального перемещения закалочного устройства вводится в середину вертикально закрепленной части трубки. Затем вертикальная и горизонтальная части трубки полностью заполняются охладителем. При этом часть охлаждающей жидкости сливается в резервуар 5. Смоточный барабан 4 осуществляет вытяжку микропровода с заранее заданной скоростью в зависимости от параметров микропровода.
Охлаждающая жидкость принудительно непрерывно подается в изогнутую под прямым углом кварцевую трубку. Перемещение охлаждающей жидкости внутри трубки происходит навстречу раскаленной струе расплава в стеклянной оболочке, которая принудительно вытягивается вертикально вниз, что обеспечивает эффект резкого охлаждения в ламинарно перемещающемся встречном потоке охладителя.
В предложенном устройстве за счет его конструкции обеспечивается интенсивный теплообмен вертикально вниз перемещающегося микропровода с ламинарным встречным потоком жидкого охладителя. Обеспечивается сохранение ламинарного потока в устройстве, поскольку он удерживается стенками трубки. Это позволяет обеспечить необходимый контакт охладителя с микропроводом, обеспечивает эффективный теплообмен и теплоотвод за счет принудительного удаления пузырьков «паровой рубашки» с поверхности микропровода. При использовании устройства открытая часть охлаждающего устройства заканчивается формированием «неподвижного зеркала» охладителя за счет выбора необходимой величины напора, весь поток жидкости свободно перетекает через края трубки.
Внешний диаметр кварцевой трубки выбирается несколько меньше диаметра нижнего витка индуктора, чтобы обеспечить возможность перемещения трубки с жидким охладителем внутри конического индуктора. При этом, как следует из указанного выше, использование предложенного устройства возможно только в составе устройства, представленного на фиг. 1, причем только будучи расположенным строго ограниченным образом. Из этого следует, что для характеристики предложенного устройства необходимо привлечь внешние признаки (в частности, признаки, относящиеся к индуктору, но непосредственно не включенного в формулу как такового), поскольку только посредством сопоставления таких признаков представляется возможным выразить сущность полезной модели и подтвердить существенность включенных в формулу признаков.
-1
Предпочтительно скорость перемещения охладителя в кварцевой трубке поддерживается порядка 10 м/сек, т.е. скорость потока существенно выше, чем при использовании свободно падающей струи охладителя.
3
-3
Скорость вертикального перемещения охлаждаемого микропровода (скорость вытяжки) лежит в пределах (от 10 до 10 м/сек), что позволяет получать непрерывные бездефектные провода диаметром от одного до двухсот мкм с требуемым типом быстрозакаленной структуры.
Наличие вязкой стеклянной оболочки препятствует образованию стоячих волн Релея на поверхности провода, что способствует сохранению устойчивой геометрии провода.
Провод испытывает всестороннее охлаждение, т.к. охладитель выходит из трубки под напором и в сторону и вниз вдоль провода. Возможность вертикального перемещения охладителя вдоль продольной оси провода и возможность подбора трубки с более коротким вертикальным концом позволяет подобрать режим охлаждения, при котором отделение стеклянной оболочки от металлической жилы провода происходит уже после выхода из охладителя.
Откалывание кусков стеклянной оболочки при получении проводов диаметром выше 50 мкм из- за большого различия в коэффициентах линейного расширения стекла и металла не препятствует процессу закалки; куски стеклянной оболочки свободно отделяются и скапливаются на дне поддона 5.
За счет применения устройства возможно вести процесс получения бездефектных проводов в широком интервале диаметров 1-200 мкм.
Конструкция трубки позволяет устанавливать требуемый уровень вертикального положения охлаждающего устройства внутри и снаружи конического индуктора для обеспечения эффективного охлаждения провода выбранного диаметра встречным потоком охладителя; осуществлять и регулировать интенсивность охлаждения конусной части капли расплава, находящейся внутри конического индуктора, таким образом обеспечивается возможность получения провода с увеличенным диаметром при сохранении высокой скорости вытяжки.
Устройство также позволяет проводить интенсивное охлаждение струи расплава ниже нижнего витка индуктора для получения охлажденного провода меньшего диаметра.
Обеспечивается возможность получения проводов с переменным диаметром за счет возможности вертикального перемещения (знакопеременного циклирования) закалочного устройства внутри и снаружи индуктора. Обеспечивается возможность управлять скоростью знакопеременного перемещения охлаждающего устройства по выбранной программе, что позволяет получать литые провода с заданной геометрией по длине, не требующие дополнительной механической обработки.
Таким образом, из указанного выше с очевидностью следует возможность достижения технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей изготовления микропроводов различных диаметров при одновременном улучшении их охлаждения.