Финишное полирование металлов с нанодисперсными трибохимически активными абразивными материалами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Финишное полирование металлов с нанодисперсными трибохимически активными абразивными материалами

Л.Ф. Королева

Для развития прецизионного машиностроения требуется качественная обработка поверхности металлов с получением шероховатости менее 0.005 мкм, что гарантирует необходимые эксплуатационные характеристики, надежность приборов и аппаратов. Например, элементы качения в подшипниковых системах ракет для высокой надежности должны иметь наношероховатую поверхность. В электронике полирование с получением наношероховатой поверхности существенно определяет последующие процессы эпитаксии и нанесения различных слоев: диэлектрических, отражающих, пропускающих, проводящих. Переход от субмикронных к нанометрическим размерам топологических элементов в оптоэлектронике является необходимым этапом разработки новых приборов с применением поверхностных слоев толщиной 5-15 нм и минимальным геометрическим рельефом.

Для финишного полирования используют обычно абразивные нанодисперсные материалы c высокой твердостью, например, наноалмазные порошки, как природные, так и синтетические, а также карбиды бора и кремния с зернистостью от 0,01 - 0,3 мкм до 6 - 10 мкм, находят применение и ультрамикропорошки на основе корунда. При использовании этих материалов отмечается длительность и многостадийность процесса.

К производительным абразивным материалам для прецизионных доводочных операций металлоизделий относят абразивы со средней твердостью на основе оксидов переходных металлов или их твердых растворов. Применение абразивных материалов на основе нанодисперсных трибохимически активных твердых растворов оксидов алюминия и железа с кристаллической структурой корунда и гематита изменяет процесс полирования от чисто механического к механохимическому. Это дает возможность сократить количество доводочных операций, т.е. предварительную, чистовую и тонкую доводку свести к одной с получением поверхности с шероховатостью Ra 0,005 мкм.

Механохимическое полирование является многостадийным процессом, осуществляемым трением под давлением на поверхность полируемого тела в присутствии полировальной пасты или суспензии с трибохимически активными абразивными частицами. С точки зрения механики твердого тела полирование можно отнести к процессам трения пары скольжения. Сам процесс деформации при трении происходит в три стадии: на первой происходит упругопластическая; на второй - пластически-деструкционная; на третьей - появление и распространение магистральных трещин, ведущих к разрушению материала. Отмечается периодичность структурных изменений в процессе многоцикловой нагруженности.

Зарождение и развитие различных форм локальной неоднородности кристаллических материалов, приводящей в итоге к разрушению, определяется особенностями поведения поверхностных слоев в процессе пластического деформирования. Начальные акты пластического течения, как правило, связаны с поверхностными слоями. По определению Ребиндера полирование поверхностей металла относится к процессам обработки давлением, когда под воздействием внешних сил в слоях, прилегающих к поверхности, возникает течение металла, приводящее к поверхности предельной гладкости. Введение поверхностно-активных веществ, являющихся адсорбционными пластификаторами металла, способствует снижению шероховатости трущихся поверхностей, ускоряет сам процесс и повышает качество полирования, облегчая пластическое затекание металла.

В связи с этим можно выделить факторы, определяющие процесс как механический: средний размер основной фракции абразивного материала; концентрация абразивного порошка в жидкой фазе; кристаллическая форма и микротвердость абразива и полируемого металла; а также удельное давление, оказываемое на обрабатываемую поверхность; площадь контакта обрабатываемой поверхностью и рабочей поверхности полировальника; скорость полирования.

Химическая активность абразивных частиц будет определять химические превращения в приповерхностном слое металла. Применение химически активных абразивов дает возможность в результате полирования перейти от грубой поверхности к зеркальной за одну доводочную операцию. Следовательно, данный процесс обусловлен в большей степени немеханическим воздействием. Роль силового воздействия абразивных зерен может быть представлена как механохимическое активирование на контактных точках поверхности металла, приводящее к инициированию химических реакций, без которых получить минимальную шероховатость поверхности не удается. Под воздействием трения в присутствии химически активного абразивного материала и среды идет практически мгновенное окисление поверхностного слоя и образование оксидной пленки, которая разрушается и удаляется с поверхности. C точки зрения химической природы идет разупорядочение и разрыв химических связей, сопровождающиеся высокой концентрацией активных центров на поверхности металла. Реакция окисления и быстрый перенос кислорода в приповерхностный слой металла с образованием оксидной пленки обусловлены химической активностью частиц абразива и возникновением активированных комплексов оксидов с высокой окислительной способностью. Наибольшая степень окисления возможна на контактных точках, где зарождаются микротрещины. В результате окисления, разрушения и снятия пленки происходит выравнивание поверхности.

Исключительно трудно количественно охарактеризовать через параметры элементарного процесса влияние механического воздействия на скорость химической реакции. Эта задача решена лишь в немногих случаях. Например, для трибохимических реакций, протекающих под действием ударных напряжений в вибрационном реакторе на зернистый материал, механическую энергию можно выразить через амплитуду и частоту вибраций реактора.

Как было установлено в нашем эксперименте в результате полирования закаленной стали нанодисперсными сложными оксидами алюминия и железа концентрация в приповерхностном слое оксида алюминия составляет 0,09-0,15 мас. %. Возможно, предположить, что происходит образование соединений по типу шпинелей в приповерхностном слое. Также было показано, что в процессе полирования образцов закаленной стали ШХ-15 на начальной стадии (в течение 15 мин) происходит увеличение массы образцов, что возможно объяснить за счет внедрения кислорода и окисления приповерхностного слоя. Не отвергается и возможное шаржирование абразивными частицами поверхности металла. Однако при дальнейшем полировании этого эффекта не отмечается, поэтому непротиворечиво принять, что идет в основном интенсивное окисление поверхности. С учетом плотности материала и полируемой площади толщина окисленного приповерхностного слоя составляет 1500-4000 нм.

На следующем этапе полирования продолжительностью 30-60 мин образуется гладкая поверхность (Ra 0,005 мкм) с получением средних и тонких оксидных пленок, экранирующих поверхность. Выявлено, что при полировании стали ШХ-15 происходит снижение микротвердости от 10300 до 9250 - 9300 МПа, что свидетельствует о незначительном уменьшении упрочнения в приповерхностном слое.

При полировании с использованием твердых абразивных материалов, например, таких как карбид бора с той же дисперсностью, что и сложные оксиды алюминия и железа, минимально достигаемая шероховатость поверхности Ra равна 0,075-0,114 мкм, причем на поверхности видны результаты скалывания поверхности. Следовательно, механизм полирования является различным, и непротиворечиво принять, что в данном случае он происходит по типу пластически-деструкционной деформации и разрушения, поэтому является механическим процессом. Для описания кинетики полирования с участием реакций в приповерхностном слое были применены уравнения [1,2]:

;

,

где - степень превращения атомов металла в оксиды и определяемая как относительная интенсивность съема металла Сi/Cmax (принимается априори, что фактор механохимического воздействия абразива является основным); n - число последовательных стадий при образовании центра новой фазы оксидов; k - константа процесса; t - продолжительность процесса полирования; Кск - константа скорости процесса окисления.

Модифицирование оксидами элементов IV, VI и VII групп твердых растворов оксидов алюминия и железа увеличивает производительность полирования таких металлов как медь, латунь, алюминий и более стойкие к окислению, как титан, и одновременно позволяет получить наношероховатую поверхность.

Рисунок. Влияние модифицирования твердого раствора различными оксидами: зависимость полирующей способности (P, мг/см2мин) от соотношения микротвердостей абразивного материала и металла (Mh/mh)

полирование металл нанодисперсный абразивный

Для финишного полирования латуни, меди, алюминия и их сплавов наблюдается более высокая производительность (в 6 -7 раз) при получении шероховатости поверхности 0,005 мкм с добавлением модифицирующей добавки оксидов элементов VI, VII групп: молибдена, марганца.

Соотношение микротвердости полируемого материала и абразивного играет существенную роль в процессах полирования. На рисунке приведена зависимость полирующей способности (P, мг/см2мин) от соотношения микротвердостей абразивного материала и металла (Mh/mh). Указаны оксиды элементов, примененные в качестве модифицирующих добавок в процессе осаждения гидроксокарбонатов алюминия и железа.

Таким образом, применение нанодисперсных трибохимически активных абразивных материалов на основе твердых растворов оксидов алюминия и железа имеет существенное преимущество перед известными абразивами, поскольку дает возможность сократить количество доводочных операций, т.е. предварительную, чистовую и тонкую доводку свести к одной с получением наношероховатой поверхности.

Литература

1. L.F. Koroleva. Final Polishing of Metals to Obtain Nanoroughened Surface. Nanotechnologies in Russia. 2012. V. 7. № 1-2, p.p. 67-75

2. L. F. Koroleva. Final Polishing of Metals to Obtain Nanoroughened Surface with nanoparticulate complex oxides of aluminum and iron. Chapter 6. In Book: Recent Advances in Abrasives Research P.286.\ Ed. Prof. Dirk Bдhre. Nova Science Publishers. 2013. p.p.173-211. ISBN: 978-1-62808-566-2. (USA).

Размещено на Allbest.ru