CC BY
15
УДК 533.9.01
Д. А. Зинатуллин, И. Ш. Абдуллин, Р. К. Нургалиев
МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ БЕЛОГО МРАМОРА ВЧ-РАЗРЯДАМИ ПОНИЖЕННОГО
ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: белый мрамор, ВЧ-разряды пониженного давления, нанополировка поверхности, лазерный конфокальный
микроскоп OLYMPUS LEXT 4100.
Проработаны методы обработки поверхности белого мрамора. Определены режимы нанополировки поверхности мрамора и вытравливания поверхностного трещиноватого слоя с последующим развитием исходной естественной поверхности.
Keywords: white marble, high-frequency discharges reduced pressure, nanopolish surface, laser confocal microscope OLYMPUS
LEXT 4100.
Methods of surface treatment of white marble had been elaborated. Defined modes of nano polish surface of marble and etched surface cracked layer with the subsequent development of the original natural surface.
Неизменность прочностных характеристик и эстетики в процессе эксплуатации природного камня является приоритетным фактором в сфере широкого использования в строительстве, архитектуре и скульптуре. Такие материалы как мрамор и гранит в условиях службы в конструкциях и сооружениях могут подвергаться медленному разрушению под действием внешних механических воздействий и терять декоративный вид. Разрушение в большей степени зависит от природных условий, в которых они эксплуатируются. Минералы на основе кальцита (мрамор, доломит, гранит) разрушаются под действием «кислотных» дождей, щелочей, образуя водорастворимые соединения. Резкие изменения температур приводят к появлению на поверхности минерала микротрещин. Замерзание воды в порах и трещинах сопровождается появлением в материале больших внутренних напряжений. Архитектурные, монументально-декоративные, парковые и мемориальные изделия из мрамора подвергаются также биологическим поражениям, вызываемые микроорганизмами и лишайниками [1]. Проблема по созданию перспективных методов защиты поверхности камня вследствие химических и механических разрушений является актуальной, так как современные методы имеют существенные недостатки и требуют дорогостоящий уход на поддержание и восстановление декоративного вида.
Улучшить и сохранить декоративный вид мрамора возможно, применив современные плазменные технологии в обработке камня, а также повысить прочностные характеристики (микротвердость, снижение пористости) поверхностного слоя камня, повысить химическую и биологическую стойкость за счет улучшения качества и чистоты поверхности.
Проработаны новые методы обработки поверхности образцов. В частности, экспериментальные исследования использования плазмы емкостного высокочастотного разряда для полировки и нано-полировки поверхности минералов на основе кальцита в атмосфере инертного газа при пониженных давлениях. В качестве плазмообразующего газа использовался аргон. Результаты показали, что обра-
ботка в высокочастотной (ВЧ) плазме приводит к уменьшению шероховатости на 40% - 50%. Снижение шероховатости поверхности образцов преимущественно зависит от расхода плазмообразующего газа, давления, мощности разряда, длительности обработки, вида плазмообразующего газа, природы и структуры материала, расстояния от среза плазмотрона [2 - 4]. Режимы обработки в потоке ВЧ плазмы емкостного типа приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Режимы обработки мрамора ВЧ-разрядами пониженного давления
Показатели Значения 1-ой Значения 2-ой
обработки обработки
Напряжение анодное, стабилизированное 6 кВ 5 кВ
Анодный ток 0,5 А 0,4 А
Расход газа 0,053 г/с 0,0445 г/с
Рабочее давление в разрядной камере 22-25 Па 20-24,5 Па
Рабочий газ Аг Аг
Тип разряда Емкостной Емкостной
Время обработки 30 мин 30 мин
Образцы мрамора исследовались при помощи лазерного конфокального микроскопа OLYMPUS LEXT 4100. Был проведен анализ поверхности до и после обработок в плазме: измерение шероховатости поверхности, сканирование рельефа поверхности. Результаты исследований приведены на рисунках 1, 2.
а б в
Рис. 1 - Снимки поверхности образца белого мрамора, снятые на микроскопе OLYMPUS LEXT 4100 при увеличении х20: а - до обработки, б - после первой обработки в плазме, в - после второй обработки в плазме
Результаты исследований на микроскопе свидетельствуют о развитии поверхности мрамора после обработки в плазме пониженного давления в выбранных режимах. Режимы обработки были подобраны таким образом, что в результате была достигнута избирательная обработка поверхности камня (при энергиях от 10 эВ до 100 эВ) и происходит нанополировка поверхности [5, 6].
Преимущество данного метода полировки перед механической - в отсутствии трещиноватого слоя при сохранении истиной поверхности камня, образованной в естественных условиях. Плазменная обработка ВЧ-разрядами исключает разрушение кристаллов в поверхностном слое, что повышает оптические свойства мрамора и придает поверхности естественный вид, а следовательно, улучшает декоративные свойства.
Гистограммы профиля поверхности одного и того же участка камня (рис. 2) перед обработкой в низкотемпературной плазме и после обработки изображены на рис. 2.
происходит полировка поверхности, что подтверждается результатами первой обработки (рис 1б, 2б) и параметрами шероховатости (табл. 2).
Таблица 2 - Параметры шероховатости поверхности минералов, измеренные на конфокальном микроскопе OLYMPUS LEXT 4100 при увеличении х20
Параметр шероховатости Значение перед обработкой Значение 1-ой обработки Значение 2-ой обработки
Rz, мкм 6,078 1,535 1,578
Ra, мкм 0,616 0,214 0,246
230.5 ЖА
366-8 414.9 J61.0 Ö7J S5Î.2
в
Рис. 2 - Гистограммы рельефа поверхности образца белого мрамора, полученные при помощи микроскопа OLYMPUS LEXT 4100 при увеличении х20: а - до обработки, б - после первой обработки в плазме, в - после второй обработки в плазме
На снимках с микроскопа явно наблюдается постепенное удаление следов механической полировки и проявление структурного рисунка мрамора после первой обработки в плазме. Энергия ионизированных частиц аргона достаточна для распыления экстремумов участков поверхности, в которых плотность зарядов выше и воздействие плазмы в них максимально. При распылении активных центров происходит «залечивание» микротрещин. При этом
© Д. А. Зинатуллин - асп. каф. ПНТВМ КНИТУ, damir.zinatullin@gmail.com; И. Ш. Абдуллин ■ ПНТВМ КНИТУ; Р. К. Нургалиев - директор ИУАИТ КНИТУ.
Результаты второй обработки объясняют избирательное вытравливание слабосвязанных частиц с поверхности мрамора при воздействии ВЧ-разрядов, сопровождаемое более четким проявлением однонаправленной структуры. Это подверждает-ся снимками параметрами шероховатости, полученными при помощи конфокального микроскопа.
После вытравливания трещиноватого слоя и дальнейшего удаления с поверхности слабосвязанных частиц можно получить поверхность с повышенными прочностными характеристиками и улучшенными декоративными свойствами, достичь которых известными механическими методами обработки невозможно. Данный метод предпочтителен для финишной обработки поверхности после механической обработки камня.
Варируя режимами обработки в плазме, является возможным получить поверхность мрамора с необходимыми свойствами, в зависимости от целей обработки. Так, при определенных режимах, возможно произвести нанополировку поверхности, залечивая микротрещины, или удалить трещиноватый слой, образовавшийся после механической полировки, получив при этом камень с более прочной и эстетичной поверхностью.
Литература
1. В.Д. Пархоменко, П.Н. Цыбулев, Ю.И. Краснокут-ский. «Технология плазмо-химических производств», Киев 1991 г, стр. 156-164.
2. Ю.В. Цветков, С.А. Панфилов, «Низкотемпературная плазма в процессах восстановления», Москва, Наука, 1980 год, стр. 4-10.
3. Ph. G. Rutberg «Some plasma environmental technologies developed in Russia», Plasma Sources Science and Technology, PII: S0963-0252(02)39431-3,11(2002) pi 59-165.
4. Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, Л.М. Анищенко, «Высокотемпературные технологические процессы. Теплофи-зические основы», Москва, Наука 1986 год, стр. 150155.
5. И.Ш. Абдуллин, И.И. Васильев, Вестник Казан. Гос. Технол.. Ун-та, №5, 2013, С. 180-181.
6. И.Р. Сагбиев, Вестник Казан. Гос. Технол. Ун-та, № 3-4, 2007. С. 283-289.
д.т.н., проф., зав. каф.
© D. A Zinatullin - Post-graduate student of Department Plasma-chemical and macromolecular nanotechnology materials KNRTU, damir.zinatullin@gmail.com; I. Sh. Abdullin - Doctor of technology, Professor of Department Plasma-chemical and high-molecular nanotechnology materials KNRTU; R. K Nurgaliev - Director of Institute of control, automation and information technologies KNRTU.
