НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТОК ПОВЕРХНОСТИ СИЛИКАТНОГО СТЕКЛА

Волков Петр Вячеславович

аспирант, ЧГПУ, г. Челябинск

E-mail: peter-007@mail.ru

Брызгалов Александр Николаевич

д-р ф.-м. наук, профессор, ЧГПУ, г. Челябинск

E-mail: brizgalovan@cspu.ru

Живулин Дмитрий Евгеньевич

аспирант, ЧГПУ, г. Челябинск

E-mail: zhivulin-74@mail.ru

Кварцевое стекло — композиционный материал, обладающий уникальными свойствами. Он не растрескивается при резком перепаде температур, как кристаллический кварц, имеет чрезвычайно низкий коэффициент температурного расширения и теплопроводности, обла­дает широким спектром пропускания, малым поглощением света, низ­ким коэффициентом температурного расширения, высокой рабочей температурой и т. д. Всё это обуславливает широкое применение кварцевого стекла во многих отраслях промышленности.

Целью работы является выявление некоторых возможных дефек­тов стекла и результатов его механической обработки, влияющих на оптические свойства изготовляемых из него изделий.

Исследования совершенства кварцевых стекол марки КУ-1 про­водились методами оптической микроскопии и химическим травле­нием для выявления газовых пузырей, макровключений, нарушений поверхности абразивным инструментом и т. п.

Основной задачей технологии формообразования деталей опти­ческих приборов является получение окончательных геометрических параметров и качества поверхности, которая обеспечивает их функ­циональное назначение. Кварцевое стекло относится к хрупким мате­риалам, и потому механическое удаление технологических припусков происходит в результате взаимодействия абразивных зерен с обраба­тываемой поверхностью, которая сопровождается зарождением, разви­тием трещин и откалыванием микрочастиц обрабатываемого материа­ла. Для уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности после каждой операции абразивной обработки последовательно необ­ходимо уменьшать размер абразивных зерен (асимптотическая обра­ботка). Таким образом, на каждой стадии обработки удаляется поверх­ностный слой, затронутый на предыдущей операции, и формируется слой, характерный для данной стадии обработки с меньшим размером абразивных зерен [4].

На рис.1 представлена примерная структура поверхностного слоя стекла [3]:

Рис.1. Структура поверхностного слоя кварцевого стекла:
1 — адсорбционный слой; 2 — вязкая зона, возникающая при полировке; 3 — микрорельеф; 4 — глубокие трещины;
5 — деформированная зона; 6 — ненарушенный материал.

Качество рельефа, геометрия изделий и шероховатость поверх­ности зависит от выбора инструмента (алмазные диски и трубки), подготовки поверхности режущего инструмента, количества снимаемого материала, очередности выполнения операций обработки, вибрации станка и т. д. (рис. 2)

 Рис.2. Результаты механической обработки силикатного стекла:
а — качественная асимптотическая обработка; б, в — следы абразивных зерен; г — качественная обработка торца;
д — скол на торце от инструмента.

После механической обработки следует химическая, которая выявляет субструктуру кварцевого стекла. Травление проводилось 10 % фторидом аммония NH₄F при температуре 40 ºС в течение 15 минут с применением ультразвуковой ванны для ускорения процесса и удаления продуктов травления. Результаты представлены на рис.3. Определяющим фактором качества стекла является субструктура, на фоне которой обнаружены дефекты поверхности [1]:

Рис.3. Дефекты стекла: а — непроплав, б — газовые пузыри.

Субструктура образуется в результате распределения энергии, излучаемой в процессе стеклования расплава. Часть энергии (диссипа­тивная) рассеивается на дефектах и в окружающую среду, а другая часть — в результате низкой теплопроводности материала, сохраняет­ся и распределяется внутри расплава, образуя ячеистость.

Технология получения однородной мелкоячеистой субструктуры предлагает режим стеклования, исходя из начальной температуры (до 1000ºС) и времени охлаждения расплава [2]:

Таким образом, при повышении температуры увеличивается скорость стеклования и уменьшается диаметр ячеек, а, значит, качество стекла повышается.

На рис. 4 представлены начальная и конечная стадии хими­ческого травления. Критерием качества поверхности стекла является однородная мелкоячеистая субструктура (рис. 4б).

Рис.4. Процесс травления стекла в NH₄F для выявления субструктуры: а — начальная стадия, б — конечная стадия.

Выводы:

1. Механическая обработка изделий должна производиться асимптотически: сначала крупнозернистым абразивом, затем постепенно переходить к мелкозернистому.
2. В качестве травильного раствора должен выступать NH₄F с применением ультразвуковой ванны.
3. Отсутствие свилей, непроплавов, глубоких трещин и других дефектов.
4. Рекомендуется выбирать высокую температуру стеклования (~1600 ºС) с быстрым охлаждением (~1 час) для получения однородной мелкоячеистой субструктуры, т. к. с уменьшением размера ячеек возрастает прочность поверхности материала.

Список литературы:

1. Волков П. В., Брызгалов А. Н. О совершенстве кварцевого стекла // Тези­сы докладов Двенадцатой Всероссийской молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-12) / Екатеринбург: Типогр. «Уральский центр академического обслужи­вания», 2011. С. 106.
2. Леко В. К., Мазурин О. В. Свойства кварцевого стекла. М.: Наука, 1985. 168 с.
3. Лунин Б. С. Физико-химические основы разработки полусферических резонаторов волновых твердотельных гироскопов. М.: Изд-во МАИ, 2005. С. 111.
4. Маслов В. П. Микро- и нанотехнологии соединения прецизионных дета­лей оптико-электронных приборов // Доклады участников V Международ­ной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии произ­водства и утилизации изделий», Вiсник УМТ № 1 (2). — респ. Крым, Украина. — 2009. — С. 18-35.