真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:表面燒氬凈化

真空基礎 admin 未知

  氬是惰性氣體,其原子量比氫大40倍。這使得燒氬具有如下特點:

  (1)能有效地去除金屬表面氧化物及體內雜質。金屬燒氬時,金屬中的雜質將向氬中蒸發。因為金屬中的任何雜質都有力圖與外部同種物質達到平衡的傾向。在大氣壓下、800℃時,Ar的平均自由程(12.6×10-6cm)比雜質原子直徑大500多倍,故雜質原子能順利脫附到氬氣流中。

  脫附原子離開的速度受氣體互擴散定律限制,顯然要低于在真空中流走的速率。但由于雜質原子從體內向表面擴散的速率遠小于它們從表面向氬中擴散的速率,故零件除氣速率不受影響,這一點與燒H2基本相同。Ar雖然不能像H2那樣迅速還原金屬氧化物,但因為在相同溫度下,Ar的動能比H2大得多,與零件表面碰撞時也可以使氧化膜很快地分解并脫附。

  氧化膜分解時,只要氧在金屬中的溶解度沒有達到飽和,則大部分氧將溶于金屬體內。進入體內的氧對材料的真空性能幾乎沒有影響。例如,面積1cm2、厚1mm的無氧銅片(含氧量為3ppm(重量)),含有1017個氧原子。在銅片表面厚為40nm的氧化膜中也含有同樣數目的氧原子,當它們全部溶于銅片中時,含氧量只不過增大到4ppm,而且銅片在真空中加熱時,溶解的氧也不會放出,因此不影響材料的真空性能。

  (2)零件燒氬不會被氬飽和。因為在實際應用的除氣溫度下,氬原子的能量E不足以使它侵入到金屬晶格內。理論上,Ar侵入銅晶格結點和空位所需的能量分別為11.9eV和3.5eV。根據E=3kT/2(k—玻爾茲曼常數,等于8.6×10-5eV/K),可求出Ar具有該能量時的溫度分別為92000K和27000K,而在零件的燒氬工藝中是不可能達到這個溫度的。所以,零件燒氬不會產生氬大量侵入的問題。實際上,在真空技術中的某些利用Ar進行的工序,例如離子濺射凈化、鍍膜、氬弧焊等,倒可能會使Ar侵入到固體內部或被禁錮在表面上。

  由于燒氬既不會造成金屬材料的顯著蒸發(與真空除氣相比),也不會被氣體飽和(與燒氫相比),更不會形成任何化合物。因此,燒氬適用于任何材料,而且其溫度可以比燒氫及真空除氣更高。

  表3中列出了幾種金屬在純度為 99.999%的Ar中和在10-4~10-5Pa無油清潔真空中退火后的出氣實驗數據?梢,燒氬優于真空退火,不僅生產效率高,放出的含氧氣體少,而且材料的機械性能也有改善。燒氬的最大缺點在于Ar的價格較貴,燒氬爐必須裝置Ar循環再生系統,讓燒過的Ar除盡雜質后重復利用。

表3 金屬在Ar與清潔真空下退火30min后在真空中的出氣

表面燒氬凈化