真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法:表面燒氬凈化

2019-12-21 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(nèi)雜質(zhì)。金屬燒氬時,金屬中的雜質(zhì)將向氬中蒸發(fā)。因為金屬中的任何雜質(zhì)都有力圖與外部同種物質(zhì)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(zhì)原子直徑大500多倍,故雜質(zhì)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(zhì)原子從體內(nèi)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(nèi)。進入體內(nèi)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(shù)目的氧原子,當(dāng)它們?nèi)咳苡阢~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(yīng)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(nèi)。理論上,Ar侵入銅晶格結(jié)點和空位所需的能量分別為11.9eV和3.5eV。根據(jù)E=3kT/2(k—玻爾茲曼常數(shù),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(chǎn)生氬大量侵入的問題。實際上,在真空技術(shù)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(nèi)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(fā)(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(shù)據(jù)?梢姡瑹龤鍍(yōu)于真空退火,不僅生產(chǎn)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(huán)再生系統(tǒng),讓燒過的Ar除盡雜質(zhì)后重復(fù)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