真空工藝 | 表面凈化處理的基本方法：表面燒氬凈化

　　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(diǎn)：

　　(1)能有效地去除金屬表面氧化物及體內雜質(zhì)。金屬燒氬時(shí)，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(shí)，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(kāi)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(diǎn)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(dòng)能比H2大得多，與零件表面碰撞時(shí)也可以使氧化膜很快地分解并脫附。

　　氧化膜分解時(shí)，只要氧在金屬中的溶解度沒(méi)有達到飽和，則大部分氧將溶于金屬體內。進(jìn)入體內的氧對材料的真空性能幾乎沒(méi)有影響。例如，面積1cm2、厚1mm的無(wú)氧銅片(含氧量為3ppm(重量))，含有1017個(gè)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(shí)，含氧量只不過(guò)增大到4ppm，而且銅片在真空中加熱時(shí)，溶解的氧也不會(huì )放出，因此不影響材料的真空性能。

　　(2)零件燒氬不會(huì )被氬飽和。因為在實(shí)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(diǎn)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(shí)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(gè)溫度的。所以，零件燒氬不會(huì )產(chǎn)生氬大量侵入的問(wèn)題。實(shí)際上，在真空技術(shù)中的某些利用Ar進(jìn)行的工序，例如離子濺射凈化、鍍膜、氬弧焊等，倒可能會(huì )使Ar侵入到固體內部或被禁錮在表面上。

　　由于燒氬既不會(huì )造成金屬材料的顯著(zhù)蒸發(fā)(與真空除氣相比)，也不會(huì )被氣體飽和(與燒氫相比)，更不會(huì )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(wú)油清潔真空中退火后的出氣實(shí)驗數據�？梢�(jiàn)，燒氬優(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(diǎn)在于A(yíng)r的價(jià)格較貴，燒氬爐必須裝置Ar循環(huán)再生系統，讓燒過(guò)的Ar除盡雜質(zhì)后重復利用。

表3 金屬在A(yíng)r與清潔真空下退火30min后在真空中的出氣