Оптическое стекло марки К8 широко применяется в производстве линз, призм, объективов и других компонентов для видимой и ближней ИК области спектра. Ключевым параметром, определяющим функциональные характеристики таких элементов — светопропускание, рассеяние, контраст и разрешающую способность, — является качество их поверхности после финишной полировки [2].

Традиционным и наиболее эффективным материалом для полировки силикатных стекол является оксид церия CeO₂. Его высокая эффективность обусловлена уникальным сочетанием химической активности по отношению к диоксиду кремния и определенных механических свойств. Однако результат полировки в решающей степени зависит не только от химического состава, но и от физических характеристик абразивного порошка, среди которых гранулометрический состав занимает центральное место [3]. Гранулометрический состав определяет количество и характер контактов частицы с обрабатываемой поверхностью, влияя как на скорость съема материала, так и на формирование микрорельефа.

Несмотря на существование обширной практики применения CeO₂, в научно-технической литературе наблюдается дефицит систематических исследований, устанавливающих четкую количественную зависимость между дисперсностью абразива и измеримыми параметрами шероховатости для конкретных марок стекла.

Целью данной работы является проведение сравнительного анализа влияния контролируемого гранулометрического состава оксида церия на шероховатость поверхности оптического стекла К8 и установление оптимального диапазона размеров частиц для достижения нанометрического качества поверхности.

В качестве объектов исследования использовались заготовки из оптического стекла К8 диаметром 30 мм и толщиной 5 мм. Все образцы перед серией экспериментов проходили идентичную подготовку: шлифовку микропорошком М10 до получения однородной матовой поверхности с приблизительной шероховатостью R _z ≈ 3 мкм.

Были подготовлены пять вариантов полирующей суспензии на основе оксида церия различного гранулометрического состава. Основные характеристики абразивов представлены в Таблице 1. Концентрация твердой фазы во всех суспензиях составляла 20 % в деионизированной воде. Для предотвращения агломерации суспензии подвергались ультразвуковой обработке в течение 10 минут непосредственно перед применением.

Полировка осуществлялась на одностороннем полировальном станке с использованием жесткого войлочного полировальника. Для обеспечения сопоставимости результатов были строго зафиксированы технологические параметры: давление на образец — 30 г/см², скорость вращения полировальника — 60 об/мин, время полировки — 30 минут. Подача суспензии была непрерывной.

Таблица 1

Характеристики абразивных суспензий

Гранулометрический состав исходных порошков контролировался методом лазерной дифракции на анализаторе частиц. Для оценки шероховатости применялся комплексный подход:

Контроль параметров R _z и R _a проводился с помощью контактного профилометра. Длина базовой линии — 4.8 мм, скорость сканирования — 0.5 мм/с. Для каждого образца снималось 5 профилей в различных направлениях.

Так же выполнялся на атомно-силовом микроскопе в полуконтактном режиме. На основе полученных АСМ-изображений определялся ареальный параметр шероховатости Sa (среднее арифметическое отклонение поверхности), а также строились карты распределения высот и 3D-модели поверхности.

Оценка скорости съема материала определялась путем десятикратного взвешивания образцов на аналитических весах до и после полировки с пересчетом на удаленный объем.

Результаты

Результаты измерений параметров шероховатости и скорости съема материала сведены в Таблицу 2. Данные наглядно демонстрируют наличие выраженного минимума в зависимости качества поверхности от размера частиц абразива.

Таблица 2

Параметры процесса и результаты полировки

Выводы

1. Методами профилометрии и АСМ установлена и количественно оценена сильная зависимость шероховатости поверхности оптического стекла К8 от среднего размера частиц полирующего оксида церия. Наилучший результат R _a =1.0±0.2 нм, S _a =1.3±0.3 нм достигается при использовании абразива с d₅₀ = 1.5 мкм и узким фракционным распределением d₉₀/d₁₀ ≈ 2.2.
2. Обнаружен и объяснен отрицательный эффект применения субмикронных порошков CeO₂ d₅₀ = 0.8 мкм, заключающийся в увеличении шероховатости на 50–80 % относительно оптимального значения из-за явления агломерации частиц в рабочей суспензии.
3. Установлено, что использование абразивов с d₅₀> 3 мкм переводит процесс из режима полировки в режим тонкого шлифования, что приводит к формированию дефектного микрорельефа с высокой величиной R _z >45 нм, неприемлемого для точной оптики.

Полученные результаты носят практико-ориентированный характер и могут служить основой для выбора гранулометрического состава оксида церия на различных стадиях технологического процесса изготовления оптических деталей из стекла К8, направленного на достижение требуемого качества поверхности при оптимальной производительности.

Литература:

1. ГОСТ 2789–73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристик. — М.: Издательство стандартов, 1974.
2. Семибратов М. Н. Технология обработки оптических деталей. — М.: Машиностроение, 1975.
3. Ходаков Г. С. Физико-химические процессы полирования оптического стекла. — М.: Машиностроение, 1985.