«Супертонкое магнитно-абразивное полирование прецизионных поверхностей»

Хомич Николай Степанович, Луговик Алексей Юрьевич

Источник:http://rusnanotech09.rusnanoforum.ru

Библиотека

       Проблема формирования нанорельефа поверхности и приповерхностного слоя с опти- мальными функциональными свойствами актуальна для многих задач в различных областях техники и может быть решена при помощи метода магнитно-абразивного полирования (МАП)

      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).

      Рисунок 1 – Интерферограммы поверхности оптического стекла до (а) и после (б) МАП

      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.

      Рисунок 2 – Шероховатость поверхности Si – пластины d = 150 мм после МАП (Ra = 0,51 …1,57 нм)

      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. На рисунке 3 представлены результаты измерений и значения TTV < 2,9 мкм для пластины кремния диаметром 150 мм после МАП.

      Рисунок 3 – Неплоскостность поверхности Si-пластины d = 150 мм после МАП ( TTY = 679,62 – 676,72 = 2,9 мкм)

      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/.

      гНакоплен 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.


Список литературы

  1. Хомич Н.С. Магнитно-абразивная обработка изделий. – Минск: БНТУ, 2006. – 218 с.

  2. Khomich M., Aliakseyev Y., Demmert A., Pahler D., Dambon O. and Schneider U. – Magneticabrasive machining оf silicon wafers – a novel approach // Industrial Diamond Review, 2004, № 3. – pp. 45 – 48.

  3. Хомич Н.С., Шелег В.К., Корзун А.Е., Луговик А.Ю., Федорцев Р.В.Возможности и перспективы применения технологии магнитно-абразивного полирования кремниевых пластин/Сборник материалов V Международной научно-технической конференции «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств», 29 – 30 мая 2008 г., г. Новополоцк, том 2, с. –79 82.

  4. Хомич Н.С., Луговик А.Ю., Федорцев Р.В., Корзун А.Е., Кухто П.В. Моделирование кинематики процесса магнитно-абразивного полирования кремниевых пластин/Вестник Белорусского национального технического университета, 2009, № 1, с. 32 – 38.

  5. Wantuch E., Zutze H. Magnet- abrasive Bearbeitung// Neue Fertigungstechnologien,2002, №5, s. 232 – 237.