CC BY
30
УДК 531.717.8 : 537.533.2
ЗМІНА СТАНУ ПОВЕРХНІ МЕТАЛЕВИХ ДЗЕРКАЛ У ПРОЦЕСІ ОБРОБКИ
В.В. Тихоненко, аспірант, УІПА, Ю.Ф. Назаров, професор, д.т.н., МДВУ, А.М. Шкілько, пр.-професор, к. ф.-м. н., УІПА
Анотація. Запропоновано для діагностики та контролю метод контактної різниці потенціалів, що дозволяє оцінити вплив механічної обробки на якість та фізико-хімічний стан поверхні конструкційних матеріалів. Встановлено взаємозв ’язок між експлуатаційними характеристиками деталей та технологічними параметрами процесів обробки.
Ключові слова: лазерні дзеркала, контактна різниця потенціалів, шорсткість, відбивана здатність.
Вступ
До номенклатури деталей, застосовуваних у машинобудуванні, для обробки яких можна використовувати методи нанотехнології, входять деталі лазерної та обчислювальної техніки, елементи пар тертя в автомобільній промисловості та ін. Найбільш високі вимоги щодо якості поверхні і точності форми пред’являються до лазерних металевих дзеркал. Вимоги до відбиваної здатності елементів дзеркал (0,85...0,87 світлового потоку), великі питомі теплові навантаження та жорсткі вимоги до паралельності відображених променів визначають технічні параметри до якості виготовлення віддзеркалювальних поверхонь, зокрема параметр шорсткості Яа не може бути більшим за 0,032 мкм.
Аналіз публікацій
На сьогодні питання достовірності оцінки шорсткості вивчено недостатньо, а визначення існуючих стандартних і нестандартних критеріїв шорсткості є достатньо трудомісткими і саме тому в умовах виробництва не завжди можуть використовуватись для вирішення багатьох завдань [1]. З достатнім для практики ступенем точності шорсткість поверхні можна оцінити одним параметром (Яа або Яд) лише при її випадковому характері і нормальному розподілі відхилень профілю від середньої лінії. У решті випадків для оцінки шорсткості поверхні необхідна велика кількість різних параметрів.
Для успішного вирішення проблем нанооб-робки деталей запропоновано ув’ язати експлуатаційні характеристики деталей з технологічними параметрами процесів обробки і таким чином керувати досягненням заданих експлуатаційних характеристик [2]. Отже, необхідно мати такі інтегральні параметри поверхневого шару, які дозволили б встановити такий взаємозв’язок і керувати експлуатаційними властивостями безпосередньо при обробці деталей технологічної лінії.
Мета і постановка задачі
Метою роботи є дослідження особливостей обробки віддзеркалювальної поверхні металевих дзеркал і оцінка її якості методом контактної різниці потенціалів (КРП).
Матеріали та методика досліджень
Матеріал лазерних дзеркал (^ =10,6 мкм) повинен задовольняти таким вимогам: висока відбивана здатність, модуль пружності, теплопровідність та добра оброблювальність різанням. Проведені дослідження (металографія, контактна різниця потенціалів, рент-геноструктурний аналіз, мікротвердість) показали, що найбільш прийнятним матеріалом є безкиснева мідь марки Моб. Це обумовлено такими перевагами міді марки Моб у порівнянні з міддю марки М1, М2, М3, як більш стабільна структура внаслідок малої кількості включень другої фази Си2О і рівномірний розмір зерен (близько 70 мкм) за об’ємом [3].
Для подальших досліджень були виготовлені мідні зразки з холоднокатаної стрічки завтовшки 3 - 5 мм, відпалені при 673 К протягом 1 год.
Для встановлення впливу структурних викривлень поверхні на відбивану здатність було досліджено стан поверхневого шару металу в процесі його формування при обробці за наступною схемою: початковий стан (прокат); попередня токарна обробка; алмазне точіння; абразивне полірування.
При встановленні взаємозв’язків експлуатаційних характеристик і технологічних параметрів як геометричні параметри було обрано хвилястість, шорсткість і параметр фактора шорсткості, а параметрами фізико-хімічного стану поверхні прийнято: структуру, фазовий стан, хімічний склад фаз і товщину неметалічної плівки. Інтегральними параметрами розбалансування було обрано: для геометричних характеристик - фактор шорсткості ^, для фізико-хімічних - величину роботи виходу електрона, яка визначається за допомогою методу КРП. Фактор шорсткості показує відношення площі гладкої замикаючої частини западини до площини шорсткої частини западини та враховує не лише висоту шорсткості і субмікрошорсткості, але й повноту западин (виступів) шорсткості. На практиці цей фактор визначається з профіог-рам та електронних знімків. Аналіз значень фактора шорсткості на поверхнях деталей після різної обробки показав, що за висоти шорсткості Яа< 0,1 мкм його величина практично дорівнює одиниці. Тому за зменшення висоти шорсткості менше 0,1 мкм інтегральним параметром розбалансування прийнято величину КРП [4].
Результати досліджень та їх обговорення
Параметри поверхневого шару після механічної обробки зразків наведено в табл. 1.
Аналіз залежностей показав, що за збільшення глибини поверхневого шару напівширина дифракційної лінії зменшується. При цьому полірування вносить значно менше змін у структуру металу поверхневого шару, ніж алмазне наноточіння. Зменшення зернистості абразиву при поліруванні знижує глибину дефектного шару з 60 мкм при зернистості 5/3 до 5 мкм при зернистості 3/2. Абразивне полірування приводить до збільшення відбиваної здатності у порівнянні з алмазним мік-роточінням з 97,8 до 99,3 %, що пояснюється специфікою обробки мідних поверхонь. Таким чином, для зменшення неоднорідності структури і ступеня викривлень кристалічної решітки металу після токарної обробки або алмазного точіння доцільно проводити термічну обробку у вакуумі - відпал.
КРП матеріалів, підданих обробці абразивними шкірками з різною зернистістю і однаковим матеріалом абразиву та після полірування, показує, що обробка, забезпечуючи різну шорсткість поверхні, приводить до зміни величини КРП. Після абразивної обробки значення КРП збільшується (зменшується робота виходу електрона) і з часом повертається у вихідне положення в результаті адсорбції активних речовин навколишньої атмосфери та інших фізико-хімічних процесів, що протікають на поверхні. При цьому зміні параметра шорсткості Иа відповідає значення КРП різної величини. Так, для грубої обробки значення КРП протягом перших 2 - 3 хв різко зменшується, а потім зменшення КРП відбувається поступово [5]. У випадку полірованих поверхонь (Яа - 0,040...0,050 мкм) величина КРП є мінімальною. У роботі [2] висловлено припущення, що мінімальне значення КРП полірованих поверхонь зумовлене мінімальною щільністю дислокацій в як-найтоншому поверхневому шарі з оптимальним субмікрорельєфом. Таким чином, при утворенні надгладкої поверхні фізико-хімічні параметри можуть впливати на експлуатаційні
Таблиця 1 Параметри поверхні зразків після механічної обробки
Параметри поверхні Точіння різцем зі швидкорізальної сталі Алмазне наното- чіння Полірування суспензією мазних мік абразивною на основі ал-ропорошків
АСМ5/3 АСМ3/2
Напівширина дифракційної лінії В-10-4, рад 168 160 54 30
Глибина дефектного поверхневого шару, мкм 400 300 60 6
Мікротвердість, Па 1300 930 660 570
Відбивана здатність Ях % - 97,8 98,9 99,3
Висота шорсткості поверхні Яа, мкм 1,25 0,32-0,28 0,03-0,025 0,032-0,025
властивості більшою мірою, ніж геометричні характеристики.
Як приклад на рис. 1 наведено залежності між відбиваною здатністю Я і величиною КРП поверхні мідних дзеркал після абразивного полірування та подальшої термообробки з різними режимами. З графічного зображення результатів дослідження видно, що графік емпіричної лінії регресії можна апро-ксимувати гіперболою.
а
Рис. 1. Експериментальні (а) і теоретичні (б) значення відбиваної здатності і КРП мідних дзеркал: 1 - після абразивного полірування; 2 - після абразивного полірування з подальшою термообробкою у вакуумі при 573 К протягом 1 год.; 3-5 -після абразивного полірування з подальшою термообробкою на повітрі протягом 1 год. при 373, 473, 573 К
Відмінності у граничних значеннях КРП зумовлені різним ступенем дефектності оброблюваної поверхні. Для міді КРП збільшується зі збільшенням відбиваної здатності поверхні, тому спостережуване зниження свідчить про підвищення роботи виходу електрона при термообробці у вакуумі і відпалі на повітрі при 373 К протягом однієї години. Підвищення температури відпалу на повітрі до 473 К і 573 К також приводить до змен-
шення величини Ях. Це свідчить про утворення стійкої оксидної плівки на поверхні зразків, стан і властивості якої характеризують граничні значення Я і Ут. Негативні значення вказують на якісну зміну зарядного стану віддзеркалювальної поверхні.
Висновки
1. Для мідних дзеркал встановлена кореляція між і КРП дозволяє контролювати процес виготовлення на різних етапах технологічного процессу.
2. Встановлення взаємозв’язків між експлуатаційними характеристиками деталей і технологічними параметрами процесів обробки за допомогою інтегральних параметрів поверхневого шару (шорсткості і величини КРП) дає можливість оцінювати зміну фізи-ко-хімічного стану в процесі обробки поверхні і таким чином керувати процесом досягнення заданих експлуатаційних характеристик.
Література
1. Назаров Ю.Ф., Шкилько А.М., Тихонен-
ко В.В., Компанеец И.В. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов // Фізична інженерія поверхні. - Харків. - 2007. -Т.5. - № 3 - 4. - С. 207 - 216.
2. Рубан В.М., Лурье Г.Б., Назаров Ю.Ф.,
Романова В. И. Корреляция между отражательной способностью меди и работой выхода электрона // Оптико-механическая промышленность. - 1993. - № 12. - С. 9 - 11.
3. Ковшов А.И., Назаров Ю.Ф., Ибраги-
мов И.М. Основы нанотехнологии в технике. - М.: МГОУ, 2007. - 241 с.
4. Шкилько А. М. Метод контактной разно-
сти потенциалов // Современные приборы, материалы и технологии для технической диагностики и неразрушающего контроля промышленного оборудования: Сб. научных трудов - Х: ХГТУРЭ, 1998.- С. 248 - 254.
5. Шпеньков Г.П. Физикохимия трения
(применительно к избирательному переносу и водородному износу). -
Минск: БГУ им. Ленина, 1978. - 208 с.
Рецензент: М.Г. Ілюха, професор, д.т.н., ХХПТ УІПА.
Стаття надійшла до редакції 16 квітня 2009 р.
б
