Влияние термической обработки на микротвердость кварцевых стекол марки КУ-1

Известно, что кварцевое стекло обладает комплексом уникальных физико-химических свойств и широко применяется в таких отраслях, как светотехника, радиоэлектроника, химическое производство, авиационная, космическая техника и многих других. В настоящее время к характеристикам кварцевых стекол, применяемых для изготовления различных устройств прецизионного приборостроения, предъявляются все более жесткие требования, и одной из основных проблем является повышение прочностных характеристик и улучшение качественных показателей материала [1]. В процессе производства подобных устройств стекло подвергают термической обработке для повышения однородности и снятия внутренних напряжений, возникающих как в процессе стеклования, так и при механической обработке.

Стекло марки КУ-1 в промышленных масштабах синтезируют высокотемпературным гидролизом летучего SiCl 4 в водородно-кислородном пламени [2], получая при 1710 °C расплав:

SiCl 4 +2H 2 O = SiO 2 +4HCl.

Такие стекла характеризуются большим (~0,5 мол. %) содержанием гидроксильных групп OH, ухудшающих как оптические, так и механические свойства [3, 4]. При механической обработке из-за неоднородности, «рыхлости» стекла происходит скалывание и растрескивание обрабатываемой поверхности.

Целью данной работы является изучение влияние термической обработки на микротвердость кварцевого стекла для повышения прочности материала, необходимой при механической обработке.

Методика эксперимента

Образцы для исследования изготавливались в виде плоскопараллельных пластин размером 40 X 30 X 3 мм и порошка, растертого в агатовой ступке до размеров зерна 0,1 мкм.

Термическая обработка проводилась при трех различных температурах: 900 °С, 1000 °Си 1100 °С с изотермической выдержкой 5 ч. Для измерения и регулирования температуры применяли высокоточный регулятор температуры с погрешностью измерения и регулирования ±1 °С.

Измерения микротвердости проводились по стандартной методике ГОСТ 9450-76 на микротвердомере ПМТ–3 с четырехгранной пирамидой Виккерса. Количество измерений для каждого образца составляло не менее 90 раз. Относительная погрешность измерения не превышала 10 %.

Исследование фазового состава проводилось на рентгеновском дифрактометре ДРОН-3М с Co Kα-излучением. Съемка осуществлялась в угловом интервале 18°–48° со скоростью 1 град/мин в непрерывном режиме. Перед съемкой образцы вновь растирали в агатовой ступке, так как в результате термической обработки происходило их спекание.

При обработке полученных рентгенограмм применялась программа автоматизированного комплекса «Difwin». Расчет и индицирование рентгенограмм проводили, используя стандартную электронную базу данных порошковой дифрактометрии ICSD.

Результаты эксперимента и его обсуждение

В таблице представлены результаты изменения микротвердости образцов, обработанных при различных температурах. Измерения проводились от края пластины к центру с интервалом 100 мкм. Исследуемая область составила 9 мм. На рис. 1 представлены зависимости изменений микротвердости по поверхности исследуемых образцов.

Микротвердость образцов, обработанных при различных температурах

Образец	Т , °С	H , кГс/мм2
№1	900	1017 ± 95
№2	1000	1028 ± 99
№3	1100	1043 ± 83
№4 исходный	–	1008 ± 81

-1000

a )

б )

Рис. 1. Распределения микротвердости образцов, обработанных при температурах а ) 900 °С, б ) 1000 °С, в ) 1100 °С, г ) исходный

г )

Значение квадрата смешанной корреляции для каждого образца рассчитывалось по формуле:

R2 = 1 -

I ( H i - H i )

∑ H i ²

-

H i

n

Брызгалов A.H., Волков П.В.

где H_i – микротвердость, H_i – среднее значение микротвердости, n – количество итераций.

Данный параметр позволяет судить о степени рыхлости поверхности и его механических свойствах. Для образца, обработанного при температуре 900 °С (рис. 2, а ), наблюдаем достаточно большое отклонение R ² = 0,1103 от средней линии, что является признаком высокой рыхлости поверхности. При термической обработке образца 1000 °С (рис. 1, б ) и исходного образца (рис. 1, г ) отклонение составило R ² = 0,0177 и R ² = 0,0552 соответственно. Для образца, обработанного при 1100 °С, значение отклонения составило R ² = 0,0025 (рис. 1, в ).

При увеличении температуры отжига повышается микротвердость и уменьшается значение квадрата смешанной корреляции. Отсюда следует, что с увлечением температуры отжига поверхность образцов становится более однородной.

Для выяснения причины повышения микротвердости был проведен рентгенофазовый анализ [5]. На рис. 2 представлен график сравнения полученных рентгенограмм. Образец на рис. 2, г не подвергался термической обработке и являлся исходным. На рентгенограммах рис. 2, б, в, г наблюдается один рефлекс, характеризующийся межплоскостным расстоянием d = 3,34 Å. Отметим, что с увеличением температуры интенсивность данного рефлекса возрастает. Для образца, отожженного при 1100 °С (рис. 2, а ), наблюдается дополнительный рефлекс, принадлежащий одной из модификаций SiO 2 – кристобалиту. Кристаллизация поверхности происходит за счет разрыва силанольных групп ≡ Si–O–H [6], образовавшихся преимущественно во время выплавки кварцевого стекла. Поверхностный атом Si, имеющий одну разорванную связь, стремится к законченной тетраэдрической конфигурации, которая под воздействием температуры замыкается в силоксановый мостик Si–O–Si.

Рис. 2. График сравнени^ рентгенограмм исхо^ного и термообработанных образцов

Отметим, что появление рефлекса относящегося к фазе кристобалита ярко выражено на образцах, приготовленных в виде порошка, в то время как на пластинах этот эффект проявляется слабо. Это связано с увеличением поверхности образцов при их измельчении. Данный факт свидетельствует о том, что процесс кристаллизации происходит преимущественно на поверхности.

Выводы

В работе исследовано влияние термической обработки на микротвердость стекла марки КУ-1. Установлено, что в результате отжига при температуре 1100 °С на поверхности происходит изменение фазового состава. В результате данного процесса увеличивается микротвердость и повышается однородность поверхности. Термическая обработка при 1100 °С может служить способом улучшения механических характеристик кварцевого стекла – увеличения его твердости и однородности, необходимого для качественной обработки изделий.