Источник:http://rusnanotech09.rusnanoforum.ru/Public/LargeDocs/theses/rus/poster/01/30_Khomich.pdf
Проблема формирования нанорельефа поверхности и приповерхностного слоя с оптимальными функциональными свойствами актуальна для многих задач в различных областях техники и может быть решена при помощи метода магнитно-абразивного полирования (МАП) [1].
Суть технологии МАП состоит в том, что ферроабразивный порошок под действием магнитного поля приобретает вид «эластичной щетки» и полирует поверхность изделия. При этом импульсное магнитное поле оказывает определяющее влияние на особенности формируемого нанорельефа и дефекты структуры приповехностного слоя. Это влияние обусловлено физико-химическими явлениями и процессами массо- и теплопереноса на атомно-молекулярном уровне, протекающими в присутствии магнитного поля при взаимодействии обрабатываемого материала и компонентов ферроабразивного порошка и применяемых технологических жидкостей.
В процессе МАП наноразмерный приповерхностный слой обрабатываемого изделия наряду
с упруго-пластической деформацией подвержен активному воздействию магнитного поля на
атомно-вакансионные связи и структуру посредством механизмов магнитострикции, магнито- и
электропластического эффектов. В совокупности эти факторы «встряхивают» структуру
материала и выводит на поверхность слабозакрепленные дефекты (дислокации, дисклинации и
др.). В результате МАП формируются приповерхностный слой с минимумом дефектов
структуры и нанорельеф поверхности с высотой неровностей менее 20-и ангстрем.
Для финишной обработки прецизионных оптических поверхностей создан не дорогой программно-управляемый комплекс МАП. С предварительно механически отполированной поверхности детали снимается интерферограмма, ее цифровая версия вводится в компьютер, управляющий процессом полирования. За одну итерацию уменьшается общая ошибка формы поверхности в 3…4 раза и шероховатость нанорельефа в 8…10 раз. На рисунке 1 показаны интерферограммы поверхности образца оптического стекла предварительно механически
отполированного (рис.1а) и после МАП (рис.1б).
Разработаны технологические основы МАP прецизионных поверхностей оптически
активных элементов лазерных устройств (монокристаллы фторидов, сапфира и др.). МАП
повышает лучевую прочность монокристаллов на 1 -2 порядка по сравнению с технологией
механического полирования.
Имеется опыт МАП пластин монокристаллов кремния – подложек интегральных схем.
После полирования в магнитном поле показатель Ra шероховатости поверхности кремниевой
пластины диаметром 150 мм составляет 0,51…1,57 нм (рисунок 2). Первые результаты по МАП
кремниевых пластин представлены в работе [2].
Одним из важнейших показателей процесса финишной обработки прецизионных
поверхностей является параметр TTV – отклонение от идеальной плоскости. В целях
обеспечения минимальных значений параметра TTV выполнен комплекс исследований,
включающий разработку методики расчета кинематики процесса МАП пластин, машинные и
натурные эксперименты и оптимизацию технологических факторов [3,4].
На рисунке 3 представлены результаты измерений и значения TTV<2,9 мкм для пластины кремния диаметром 150 мм после МАП.
Перспективно также использование МАП для подготовки поверхностей перед нанесением различных покрытий. Представляется возможным создать условия, при которых в процессе МАП можно модифицировать обрабатываемую поверхность. Инициируется диффузия атомов материала ферроабразивного порошка (железо, никель и др.) в приповерхностный слой полируемого изделия. В результате формируется своеобразный переходный слой между основным материалом изделия и наносимым покрытием. Как итог, существенно повышаются функциональные свойства покрытий – сопротивление износу и коррозии, механическая прочность и др.
Экспериментально подтверждено, что процесс МАП значительно (в 1,5…3 раза повышает износостойкость, контактную и усталостную прочность деталей по сравнению с операцией шлифования [1,5].
Накоплен значительный опыт по применению метода МАП для повышения коррозионной стойкости поверхностей изделий из алюминиевых и циркониевых сплавов, сталей и других материалов. Эффективно использование МАП и для подготовки поверхностей перед операциями сварки или пайки путем удаления окисных пленок и формирования поверхности с минимумом дефектов – потенциальных очагов коррозии и механического разрушения.
Большие перспективы имеет применение МАП в области нанотехнологий. Например, для реализации метода создания наноматериалов с использованием квантов, как элементов самоорганизующихся структурообразующих систем, требуется решение сложной задачи – формирование сверхгладких бездефектных поверхностей основ-подложек, на которых выращиваются наноструктуры в виде конечного изделия.
Большой технологический потенциал метода МАП только начинает раскрываться. Широкий диапазон возможностей, экологическая чистота, малая энергоемкость и экономичность служат гарантией применения технологий magnetic-abrasive polishing в производствах будущего в различных областях техники.
В качестве примера на рисунке 4 представлены модели оборудования для реализации процессов МАП. Более подробная информация приведена на сайтах www.polimag.icm.by и www.polimag.eu.
