Способ электрополировки металлов в газовой среде

Использование: сглаживание поверхности металлических деталей вакуумных и высоковольтных устройств. Сущность изобретения: способ электрополировки металлов в газовой среде предусматривает помещение обрабатываемой детали в вакуумную камеру и создание высокой напряженности электрического поля у ее обрабатываемой поверхности. При этом в вакуумную камеру вводят дополнительное вещество-посредник, в частности воду, облегчающее удаление атомов, выступающих над поверхностью. Ведут процесс полировки, поддерживая напряженность электрического поля у обрабатываемой поверхности на уровне 10⁸-5·10⁹ В/м, т.е. меньше, чем требуется для полевого испарения материала. Техническим результатом изобретения является возможность снижения на порядок величины электрического напряжения, необходимого для получения атомарно-гладкой поверхности. 1 ил.

 

Изобретение относится к области разработки оптимальных методов сглаживания (полировки) металлических поверхностей и решает задачу повышения скорости обработки и снижения величины рабочего электрического напряжения.

Актуальность этой задачи определяется тем, что полировка поверхности металлов является одной из важнейших технологических операций, позволяющих повысить прочность, создать условия для достижения высокого вакуума и снизить вероятность возникновения нежелательных электрических разрядов [1].

Использование электрических полей позволяет существенно интенсифицировать процесс полировки и достичь высокой управляемости процессом. Наиболее распространенным в технике (базовым объектом) можно признать способ электрохимической полировки [2], предусматривающий помещение обрабатываемой детали в электролит и подведение к ней определенного электрического потенциала относительно противоположного электрода.

Недостатками способа являются сложность подбора электролита и условий полировки для новых веществ и сплавов, а также наличие пленок из продуктов реакции на поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является решение [3], в котором для получения атомарно-гладкой поверхности металлических материалов используется полевое испарение выступающих над поверхностью атомов под действием сильного электрического поля Е=10¹⁰-10¹¹ В/м. При этом обрабатываемый объект помещают в вакуум, а затем прикладывают к нему высокий электрический потенциал.

Недостатками этого решения являются необходимость применения повышенных электрических напряжений (несколько десятков киловольт). Это представляет опасность для персонала (поражение электрическим током, рентгеновское излучение), вызывает необходимость в наличии соответствующей высоковольтной изоляции, высоковольтных преобразователей и способствует ускоренному выходу из строя элементов оборудования за счет катодного распыления ионами остаточных газов.

Кроме того, в материале возникают механические напряжения σ, величина которых квадратично зависит от напряженности поля: σ=ε₀Е²/2.

Цель настоящего изобретения - снижение величины электрического напряжения, необходимого для полировки поверхности металлических материалов.

Поставленная задача решается за счет использования физических эффектов, происходящих при взаимодействии металлической поверхности с парами воды в электрическом поле высокой напряженности. Еще на раннем этапе развития автоионной микроскопии было обнаружено, что увеличение давления остаточных газов в микроскопе до 10^-6 Торр приводит к ускоренной эрозии металлических образцов [4]. Позднее это было связано с присутствием паров воды [5]. Микромеханизм этого явления до сих пор полностью не выяснен, однако установлены некоторые основные его особенности.

Способ пооперационно осуществляется следующим образом:

В вакуумную камеру помещают деталь и запускают пары воды до давления 10^-6-10^-3 Торр. На деталь подают высокий электрический потенциал (положительный относительно экрана). При этом молекулы воды за счет своего высокого дипольного момента и неоднородности поля притягиваются к выступам на поверхности детали, выталкивают оттуда другие молекулы остаточных газов и образуют устойчивую жидкую пленку. Ведут процесс полировки, поддерживая напряженность электрического поля у обрабатываемой поверхности на уровне 10⁸-5·10⁹ В/м (т.е. на порядок меньше, чем требуется для полевого испарения материала) и регулируя скорость процесса путем изменения величины потенциала и температуры.

Причина устойчивости этой пленки может быть объяснена тем, что поляризованные молекулы, приблизившиеся к заряженной проводящей поверхности ближе критического расстояния, не могут ионизоваться даже в сильном электрическом поле по той причине, что верхний электронный энергетический уровень у них оказывается ниже уровня Ферми в проводнике [3]. В результате исследований с помощью атомного зонда обнаружено, что пары воды в электрическом поле имеют тенденцию к образованию молекулярных ионов с различньми металлами, причем такие молекулярные ионы десорбируются при полях, существенно более низких, чем поля испарения чистых металлов (так, на вольфраме отмечено образование WO³⁺ ₃. [3]).

Большинство имеющихся экспериментальных данных указывают на то, что вода адсорбируется на вольфраме в частично диссоциированной форме (Н₂О→ОН+Н), причем связь осуществляется преимущественно посредством атома кислорода [6]. (Однако наши наблюдения за поведением единичных осевших молекул не позволяют сделать вывод об их диссоциации.) Кроме того, единичные молекулы “сидят” на поверхности, не проявляя “агрессивности”. Полирующими свойствами обладают только скопления молекул. (Но это, возможно, связано просто с повышением напряженности поля).

От метода полевого испарения [3], который также позволяет получать атомарно-гладкую поверхность, данный процесс выгодно отличается тем, что здесь используется по крайней мере на порядок меньшая напряженность электрического поля. Поэтому гораздо ниже вероятность механического разрушения или возникновения микроскопических разрядов в процессе полировки, которые сами в свою очередь приводят к появлению на поверхности либо бугорков, либо микрократеров. Тяким образом, добавка паров воды существенно интенсифицирует этот процесс.

ПРИМЕР:

Было произведено сглаживание торцевой поверхности вольфрамового острия, которое образовано путем механического обрыва проволоки (предварительно на проволоке была создана “шейка” путем электрополировки). Острие было расположено в вакуумной камере на расстоянии 4 см от микроканального усилителя яркости изображений и экрана таким образом, чтобы ось острия была перпендикулярна плоскости экрана.

Испытания показали, что при напряженности поля у поверхности ≈5·10⁹ В/м образуется устойчивая мономолекулярная пленка на поверхности, посредством которой происходит интенсивное сглаживание неровностей.

На представленных микрофотографиях (фиг.1) показаны последовательные этапы полировки поверхности материала вершины острия: А - поверхность после механического обрыва; Б - начальный этап полировки; В - завершающий этап полировки. Видно, что сначала жидкая пленка образуется на выступающих частях исходной неровной поверхности образца. Затем зародыш водяной пленки, разрастаясь, уничтожает все неровности. При этом отсутствуют какие-либо разряды или скачки напряжения и тока. Осажденная жидкая пленка имеет выраженную внутреннюю микроструктуру. Она представляет собой "гранулы", связанные друг с другом перемычками. Природа этой грануляции остается до настоящего времени не выясненной. Гранулы подвижны и не связаны с кристаллической структурой подложки. Идет постоянный процесс зарождения и распада гранул, пересоединения “нитей”, связывающих их друг с другом, миграция пленки как целого. Нагрев образца приводит к размытию изображения и испарению пленки, а охлаждение до температуры жидкого азота - к остановке процесса и разрушению упорядоченной микроструктуры пленки.

Такого рода самоорганизующаяся структура может возникать и поддерживаться только в случае значительной удельной диссипации энергии, которая приводит к локальному отрицательному производству энтропии [7]. В данном случае через пленку проходит поток электрической энергии. По-видимому, энтропия пленки снижается за счет повышения энтропии электронного потока (электроны, ранее локализованные в атомах изображающего газа, переходят через пленку в металл и “смешиваются” с электронным газом). При повышении напряженности поля пленка проходит через несколько устойчивых упорядоченных состояний.

Список использованной литературы

1. Сливков И.Н. Процессы при высоком напряжении в вакууме. М.: Энергия, 1986, 256 с.

2. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. - М.: РХТУ, 1994-190 с.

3. Миллер И. Macсe-анализ в автоионной микроскопии. М.: Мир, 1993, 230 с.

4. Мюллер Э., Цонь Т. Автоионная микроскопия М., Металлургия, 1972, 360 с.

5. Суворов А.Л., Кукавадзе Г.М. Об устойчивости изображений в ионном проекторе ПТЭ 1969, №4, с.218.

6. Кузнецов А.М. Адсорбция воды на металлических поверхностях. Соросовский образовательный журнал, 2000, т.6, №5, с.45-51.

7. Николис Г., Пригожий И. Познание сложного. М.: Мир, 1993, 344 с.

Способ электрополировки металлов в газовой среде, предусматривающий помещение обрабатываемой детали в вакуумную камеру и создание высокой напряженности электрического поля у ее обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что в вакуумную камеру вводят дополнительное вещество-посредник, в частности воду, облегчающее удаление атомов, выступающих над поверхностью, и ведут процесс полировки, поддерживая напряженность электрического поля у обрабатываемой поверхности на уровне 10⁸-5·10⁹ В/м, т.е. меньше, чем требуется для полевого испарения материала.