15.9. Стеклометаллические зеркала

Характеристики деталей. В ряде устройств применяют оптические зеркала, которые в процессе эксплуатации подвергаются воздействию значительных нагрузок от действия как центробежных, так и других динамических сил. Конструкция таких деталей должна сочетать высокие оптические свойства отражающих поверхностей с высокой прочностью материала на разрыв.

Первому условию удовлетворяют такие традиционные оптические материалы, как оптическое и кварцевое стекла, ситаллы. Однако вследствие малой прочности на разрыв эти материалы не выдерживают необходимых нагрузок и разрушаются.

Второму условию отвечают металлы, но вследствие большой пористости, неоднородности и других специфических свойств металлов получение на них оптических поверхностей высокого качества в настоящее время невозможно.

Кроме того, оптические зеркала из стекла имеют большую массу и не обеспечивают высокой стабильности формы отражающей поверхности при градиентах температуры окружающей среды и других изменениях условий работы. Первое обстоятельство вызвано необходимостью выполнения условия оптимальной жесткости конструкции зеркала, которое обеспечивается при d ≥ (1/5 – 1/8) ℓ, где d – толщина зеркала; ℓ – наибольший размер. Большую массу и габаритные размеры имеют также и оправы зеркал. Таким образом, узлы зеркал в оправах представляют собой сравнительно материалоемкие конструкции.

Большое различие в температурном коэффициенте линейного расширения стеклянного зеркала и металлической оправы требует применения температурных компенсаторов, что приводит к дополнительному увеличению габаритных размеров и массы приборов.

Наиболее полно отвечают предъявляемым требованиям стеклометаллические зеркала, разработанные И. А. Крыжановским, которые соединяют в себе высокие конструкционные свойства и технологичность изготовления. Сочетание прочной оптической детали и удобной оправы в одной конструкции позволяет снизить массу узла в 3 – 4 раза.

Конструкция. Основание детали изготовляют из металла в виде плоского (рис. 15.18, а), сферического или асферического (рис. 15.18, б) зеркала, усеченной пирамиды (рис. 15.18, в) или другой формы, обусловленной ее функциональным назначением, удобством сборки, юстировки и закрепления. Для снижения массы при сохранении достаточной жесткости конструкции предусматривают глухие облегчающие ячейки в форме треугольников (рис. 15.18, а), шестиугольников, цилиндров (рис. 15.18, б) и других фигур.

Рис.15.18. Конструкции стеклометаллических зеркал:

а – плоского; б – сферического; в – призматического

Рабочей поверхностью детали является тонкий слой стекла (t₂ = 0,2 – 0,3 мм), нанесенный методом спекания. Такое конструктивное решение позволяет изготовлять различные детали, хорошо работающие в экстремальных условиях. В зависимости от габаритных размеров и массы, вида рабочей поверхности и точности ее формы, а также условий эксплуатации выбирают металлическое основание зеркала соответствующей марки, форму и размеры облегчающих и крепежных элементов, материал спекаемой пластины.

Материалы. В качестве материала основания зеркал применяю титановые сплавы, которые, имея относительно низкую плотность, высокую механическую прочность и низкий коэффициент линейного расширения, хорошо спекаются со стеклом. Вследствие хорошей адгезии пленок окислов титана к стеклу прочность сцепления стекла с титаном превышает прочность сцепления стекла со сплавом типа ковар, считавшуюся до сих пор наилучшей. Кроме того, применяют сплавы алюминия, бериллия, коррозионно-стойкой стали 12Х18Н9Т. В качестве напекаемого слоя используют оптические стекла К8, ЖЗС18, фотостекло и др. Заготовки стеклянных пластин не должны иметь свилей и пузырей. В зависимости от условий работы зеркал к ним можно предъявлять дополнительные требования, например, по устойчивости к воздействию влажной атмосферы (группа А), устойчивости к воздействию пятнающих агентов (группы I – IV) и др. (ГОСТ 13659-78). При разнице коэффициентов линейного расширения стекла и металла не более 1∙10^-7 образуется соединение, внутренние напряжения которого практически не оказывают заметного влияния на технологию дальнейшей обработки и эксплуатационные свойства детали; при разнице (1 – 5) 10^-7 можно получить изделие удовлетворительного качества, а при разнице (6 – 10) 10^-7 возникают критические напряжения.

Соотношение ТКЛР стекла и металла должно быть а_ст < а_мет, ; тогда в условиях эксплуатации при более низких температурах слой стекла испытывает усилия сжатия, что обеспечивает высокую прочность детали.

Физика процесса спекания. Спекание разнородных твердых тел – процесс существенно более сложный, чем спекание однородных тел. Спекание взаимно нерастворимых тел, например А и В, обусловлено происходящим уменьшением свободной поверхностной энергии u_л и u_в. Рост поверхности контакта тел А и В энергетически целесообразен, если возникающая новая граница А – В имеет поверхностную энергию u_АВ, меньшую суммы поверхностных энергии каждой из них: u_AB< u_A+u_B.

Невыполнение этого условия означает принципиальную невозможность спекания взаимно нерастворимых тел.

Взаимное спекание твердых тел может происходить в условиях, когда в месте контакта между ними появляется жидкая фаза, которая может возникнуть или при температуре более высокой, чем температура плавления более легкоплавкого компонента, или при температуре более низкой вследствие так называемого контактного плавления.

В значительной степени на кинетику процесса переноса одного вещества на другое влияет упругость паров газовой фазы.

В большинстве случаев спекание тел сопровождается химической реакцией. При этом уменьшение свободной энергии системы вследствие реакции зависит от соотношения количества ионов металла и кислорода в соответствующем окисле. Необходимым условием образования прочного соединения при спекании является насыщение окислами металла поверхности подложки, граничащей со стеклом.

Технология изготовления. Технология изготовления стеклометаллических зеркал состоит из нескольких операций. Обработку основания зеркала выполняют в две операции. Первая операция – предварительная механическая обработка всех элементов основания зеркала с шероховатостью поверхности, спекаемой со стеклом, не грубее R_z = 20 мкм, так как чистка более грубых поверхностей затруднительна. Оставшиеся направленные следы обработки приводят к неплотному сцеплению металла со стеклом на месте микропустот. Вторая операция – нормализующий отжиг основания зеркала для снятия внутренних напряжений, возникших после механической обработки.

Обработку заготовки стеклянной пластины осуществляют в две операции. Первая операция – грубое шлифование поверхностей до толщины 2 – 3 мм и боковых поверхностей с выдерживанием тех же габаритных размеров, что и у основания зеркала. Вторая операция – тонкое шлифование и полирование обеих поверхностей до шероховатости не грубее R_z = 0,1 мкм. После обработки контролируют свили и пузыри в проходящем свете. Точность формы и чистоту не нормируют. Изготовление детали включает семь операций:

1. чистку и обезжиривание спекаемых поверхностей;

2. нагревание в электрической печи заготовок в наложенном одна на другую состоянии до температуры спекания с отступлениями не более Т_си ±5 °С, выдерживание при этой температуре и охлаждение вместе с печью;

3. предварительное шлифование до толщины слоя стекла 0,5 – 0,6 мм при шероховатости поверхности не грубее R_z = 20 мкм;

4. термоциклическая обработка заготовки зеркала в целях стабилизации ее размеров и снятия остаточных напряжений в слое стекло – металл. Эта операция состоит из трех циклов попеременного нагрева и охлаждения. Затем стабилизирующее старение заготовки с нагревом, выдерживанием и охлаждением на воздухе;

5. окончательная обработка посадочных мест под подшипники и других, элементов конструкции. Если в процессе эксплуатации зеркало подвергается значительным центробежным нагрузкам, то осуществляется балансировка;

6. тонкое шлифование до толщины слоя стекла 0,2 – 0,3 мм и полирование с погрешностью поверхности N = 1 и ΔN = 0,3 и чистотой III класса;

7. нанесение отражающего покрытия в вакууме.