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第十二講:真空工藝(1)
標(biāo)簽: 真空工藝
2005-10-31  閱讀

來(lái)源:張以忱  作者:張以忱

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       第十二講:真空工藝   
  
        張以忱 (東北大學(xué),遼寧沈陽(yáng)110006) 中圖分類號(hào):TB743;TB79 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:E 文章編號(hào):1002-0322(2003)02-0063-04

       1 真空材料的清洗

       1.1 概述 清洗一般定義為在真空工藝進(jìn)行前,先從工件或系統(tǒng)材料表面清除所不期望的物質(zhì)的過(guò)程。真空零部件的表面清洗處理是很必要的,因?yàn)橛晌廴疚锼斐傻臍怏w、蒸氣源會(huì)使真空系統(tǒng)不能獲得所要求的真空度。此外,由于污染物的存在,還會(huì)影響真空部件連接處的強(qiáng)度和密封性能。 暴露于大氣中的表面普遍受到污染,表面上任何一種無(wú)用的物質(zhì)或能量都是污染物。表面污染就其物理狀態(tài)來(lái)看可以是氣體,也可以是液體或固體,它們以膜或散粒形式存在。就其化學(xué)特征來(lái)看,它可以處于離子態(tài)或共價(jià)態(tài),可以是無(wú)機(jī)物或有機(jī)物。污染的來(lái)源有多種,z*初的污染常常是表面本身形成過(guò)程中的一部分。吸附現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、浸析和干燥過(guò)程、機(jī)械處理以及擴(kuò)散和離析過(guò)程都使各種成分的表面污染物增加。比較常見(jiàn)的真空材料表面上的污染物具體有以下幾種類型。
 
       ①油脂:加工、裝配、操作時(shí)沾染上的潤(rùn)滑劑、切削液、真空油脂等;
 
       ②水基類:操作時(shí)的手汗、吹氣時(shí)的水汽、唾液等;

       ③表面氧化物:材料長(zhǎng)期放置在空氣中或放置在潮濕空氣中所形成的表面氧化物;
 
       ④酸、堿、鹽類物質(zhì):清洗時(shí)的殘余物質(zhì)、手汗、水中的礦物質(zhì)等; 
 
       ⑤拋光殘?jiān)碍h(huán)境空氣中的塵埃和其它有機(jī)物等。 清洗的目的是為了改進(jìn)真空系統(tǒng)中所有器壁和其它組件表面在各工作條件下的工作穩(wěn)定性。這些工作條件包括:高溫、低溫、以及電子、離子、光子或重粒子的發(fā)射和轟擊。 清洗后要求得到的表面可分為兩類:原子級(jí)清潔表面和工藝技術(shù)上的清潔表面。 原子級(jí)清潔表面僅能在超高真空下實(shí)現(xiàn)。它需要在嚴(yán)格控制的環(huán)境條件下進(jìn)行,一般通過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程,采用如加熱、粒子轟擊、濺射、氣體反應(yīng)等技術(shù)手段在特定的表面區(qū)域獲得原子級(jí)清潔表面。通常的實(shí)際應(yīng)用一般并不要求獲得原子級(jí)清潔表面,僅要求工藝技術(shù)上的清潔或較好的表面質(zhì)量,即保證所有的表面盡可能沒(méi)有微觀結(jié)構(gòu)物質(zhì),并且使清洗后表面的各種分子約束得更緊密,在基體相上沒(méi)有明顯的化學(xué)物質(zhì)。 一般情況下,在一切需要使用溶劑的清洗工作都不能在真空中進(jìn)行。如果在真空中進(jìn)行清洗(通常采用加熱、轟擊等手段),那么清洗通常是在真空工藝系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行的(如鍍膜室、分析室等)。

       1.2 表面清洗的基本方法 

       1.2.1 溶劑清洗 用溶劑清洗是一種應(yīng)用z*普遍的方法。在該方法中使用各種清洗液,它們分為:

       ①軟化水或含水系統(tǒng):例含洗滌劑的水,稀酸或堿;

       ②無(wú)水有機(jī)溶劑:如乙醇、乙二醇、異丙醇、甲酮、丙酮等;

       ③石油分餾物、氯化或氟化碳?xì)浠铮?br />  
       ④乳狀液或溶劑蒸氣。

       ⑤金屬清洗劑(市售商品):這種清洗劑分為酸性、堿性和中性偏堿等三類。其用途分別為:

        ①酸性:多用于清洗氧化物、銹和腐蝕物;
        ②堿性:含有表面活性劑,用于清除輕質(zhì)油污; 
        ③中性偏堿:可避免酸堿對(duì)表面的損傷。 所采用的溶劑類型取決于污染物的本質(zhì)。例如:表面上的動(dòng)植物類油可用堿溶液化學(xué)去油;礦物油類可用有機(jī)溶劑去除。但實(shí)際上兩類油脂經(jīng)常同時(shí)存在,所以在清洗時(shí)往往需要先后采用數(shù)種不同的溶劑。 

       1.2.1.1 擦洗和浸洗 除去表面污物的z*簡(jiǎn)單方法是用脫脂棉(或干凈軟紗布)浸溶劑擦拭表面。這種方法z*適宜作預(yù)清洗,即清洗程序的第一步。 浸泡清洗也是一種簡(jiǎn)單而常用的清洗技術(shù)。浸泡清洗的基本設(shè)備,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜。一個(gè)用玻璃、塑料或不銹鋼制成的開(kāi)口容器,裝滿清洗液,將被清洗的零件放入清洗液中,攪動(dòng)或不攪動(dòng)均可,浸泡短時(shí)間后,從容器中取出擦干或晾干??芍貜?fù)上述過(guò)程。 除了水基和有機(jī)溶劑清洗液外,還可以用各種強(qiáng)度的酸(從弱酸到強(qiáng)酸)及其混合物;苛性堿溶液等。下面介紹幾種常見(jiàn)的浸洗方法。
        ①堿液去油 將零件浸入堿液時(shí),由于堿液與油脂的化學(xué)作用可使動(dòng)植物油轉(zhuǎn)化為脂肪酸鹽類(皂化作用),這些鹽類能溶解于水,從而能使零件除去油脂達(dá)到凈化的目的。以氫氧化鈉(苛性鈉)為例,其反應(yīng)方程如下: (C17H35COO)3C3H5+3NaOH=C3H5(OH)3+3C17H35COONa 硬脂酸酯 氫氧化鈉 甘油 硬脂酸鈉(肥皂) 礦物油與氫氧化鈉不起皂化作用,但可通過(guò)乳化作用達(dá)到部分去油的目的。其原理是因?yàn)閴A溶液對(duì)金屬表面的浸潤(rùn)力_要比礦物油強(qiáng),所以當(dāng)金屬零件浸入堿溶液時(shí),零件表面的油膜遭到破壞,而聚集形成很小的油滴,雖然不溶解于堿液,但呈懸浮在溶液中(即乳化作用)。當(dāng)然乳化作用的去油效果不如皂化作用好。 常用的堿溶液有氫氧化鈉(NaOH)或氫氧化鉀(KOH)(濃度為50~100 g/L)、碳酸鈉(Na2CO3)、碳酸鉀(K2CO3)(濃度100~150 g/L)。清洗時(shí)溶液的濃度不宜過(guò)高,濃度過(guò)高會(huì)使金屬零件表面生成氧化膜,并且使生成的肥皂不易溶解而凝聚在零件表面上。 如果將溶液加熱到70~80℃,可提高所生成肥皂的溶解度,并能促使堿液循環(huán),大大加強(qiáng)去油效果。另外攪拌也能促進(jìn)去油過(guò)程,攪拌可使圍繞金屬表面的溶液經(jīng)常更新,而且由于機(jī)械力量的作用,能從金屬表面攪去個(gè)別油滴。零件在堿液中停留時(shí)間取決于零件表面油污情況及金屬性質(zhì)。一般為3~5 min,多的可達(dá)30~40 min。有的金屬成分容易在堿液中溶解(如鈉),因此清洗時(shí)不但時(shí)間宜短,而且溶液的濃度與溫度亦應(yīng)降低。 金屬零件從堿液中取出后應(yīng)立即在溫水中徹底清洗,洗凈堿液,然后再用冷水清洗。若清洗后金屬表面不全被水浸潤(rùn)(表面有水滴),則表示油污尚未除凈,應(yīng)再次進(jìn)行處理。去油后的零件不能在空氣中露置時(shí)間過(guò)長(zhǎng),以免表面氧化。 目前已普遍采用合成洗凈劑去油。用合成洗凈劑與水以一定比例配成溶液,將待去油的零件放入溶液中加熱到沸騰,煮10~15 min(或用超聲波振動(dòng)20~30 min),可獲得良好的去油效果。
       ②有機(jī)溶劑去油 有機(jī)溶劑能夠溶解礦物油和動(dòng)植物油,通常可與堿液去油配合使用。用有機(jī)溶劑去油法,經(jīng)常用來(lái)第一次去油,然后再用堿溶液去油,這樣可以縮短零件在堿液中的去油時(shí)間。也有在堿液去油后重新用有機(jī)溶劑去油的,使礦物油經(jīng)乳化后更徹底地去除。 常用的有機(jī)溶劑有:三氯乙烯(C2HCL3)、四氯化碳(CCL4)、丙酮(C3H6O)、乙醇(C2H5OH)、汽油、苯等。
        ③化學(xué)侵蝕 一般在去油后進(jìn)行化學(xué)浸蝕,浸蝕的溶液通常用酸堿,目的是去除金屬表面的氧化物。浸蝕的原理為:大多數(shù)金屬的氧化物以及金屬本身能被適當(dāng)?shù)乃釅A溶液所溶解(起化學(xué)反應(yīng))。浸蝕溶液的選擇需根據(jù)金屬材料的性質(zhì)決定。大多數(shù)的金屬浸蝕處理在酸性溶液中進(jìn)行,但是某些金屬材料則適用堿性溶液進(jìn)行浸蝕處理。氧化物與酸反應(yīng)生成鹽和水,金屬與酸作用生成鹽與氫氣。在處理中為了避免金屬表面吸收氫氣變脆和過(guò)度腐蝕,浸蝕時(shí)溶液的濃度、溫度以及浸蝕時(shí)間都需要作適當(dāng)?shù)目刂啤?o:p> 根據(jù)浸蝕的程度,浸蝕可分為兩種:
①弱浸蝕:多數(shù)在稀溶液中進(jìn)行。主要溶去的是金屬表面的氧化物,而金屬本身浸蝕很少。因此金屬表面結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變,去掉雜質(zhì)后就可以顯露出光潔的表面。②強(qiáng)浸蝕:多數(shù)在濃溶液中進(jìn)行。浸蝕時(shí),除了金屬表面的氧化物外,還可將金屬表面層溶解掉,因此浸蝕后金屬表面比較粗糙而無(wú)光澤。在工件表面進(jìn)行表面涂覆處理時(shí),一般用強(qiáng)浸蝕處理,因?yàn)闈崈舻拇植诒砻婵梢栽黾油繉拥母街浴?o:p> 配制化學(xué)浸蝕溶液的幾種常用的酸有:鹽酸、硫酸及硝酸等,它們都具有強(qiáng)氧化性和強(qiáng)酸性。

       1.2.1.2 噴射(淋)清洗 噴射清洗過(guò)程利用運(yùn)動(dòng)流體施加于小粒子上的剪切力來(lái)破壞粒子與表面間的粘附力,粒子懸浮于湍流流體中,被流體從表面帶走。通常用于浸泡清洗的溶劑也可用于噴射清洗。增加清洗介質(zhì)的噴射壓力和相應(yīng)的液流速度則使清洗效率提高,所用的噴射壓力約350 kPa。高壓液體噴射對(duì)清除小到5μm的粒子是非常有效的方法。在某些情況下,高壓空氣或氣體的噴射也很有效。 

       1.2.1.3 超聲波清洗 超聲波清洗提供了一種清除較強(qiáng)粘附污染的技術(shù)方法。這種清洗工藝可產(chǎn)生很強(qiáng)的物理清洗作用,因而是振松與表面強(qiáng)粘合污染物的非常有效的技術(shù)。在超聲清洗工藝中,可以根據(jù)污染物種類的不同,選擇純水、有機(jī)溶劑清洗液或無(wú)機(jī)酸性,堿性和中性清洗液作為清洗介質(zhì)。為了強(qiáng)化清洗效果,有時(shí)還在清洗液中加入金剛砂研磨劑。清洗液可按以下原則選?。孩俦砻鎻埩π?,②對(duì)聲波的衰減小,③對(duì)油脂的溶解能力大,④無(wú)毒、無(wú)害物質(zhì)。 超聲波清洗設(shè)備由超聲波發(fā)生器(換能器)和清洗槽組成。超聲清洗是在盛有清洗液的不銹鋼槽中進(jìn)行的,清洗槽底部或側(cè)壁裝有換能器,這些換能器將輸入的電振蕩轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)輸出。清洗用超聲波的工作頻率一般在20~40 kHz之間。 a.超聲波用于清洗的主要原理是:超聲空隙作用。由于彈性介質(zhì)的機(jī)械振動(dòng),超聲波在清洗介質(zhì)中傳播時(shí)使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相互交替的疏密的分布變化,介質(zhì)中的壓力也交替變化。介質(zhì)液體在稀疏處受到拉力而形成大量瞬時(shí)的空隙氣泡,介質(zhì)液體在稠密處受到壓力使氣泡閉合,由于振動(dòng)的頻率很高,壓密和拉疏過(guò)程在極快地變動(dòng),使得大量空隙氣泡在瞬間破碎,產(chǎn)生很強(qiáng)的爆破沖擊波,波譜為連續(xù)譜加上離散譜。這由小的內(nèi)向爆裂氣泡所產(chǎn)生的瞬時(shí)壓力可大到幾個(gè)大氣壓甚至幾十個(gè)大氣壓。正是利用這個(gè)巨大的瞬時(shí)壓力產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力量及氣泡瞬時(shí)閉合所產(chǎn)生的局部高溫作用,破壞工件表面的油膜等污染物,使之脫離表面被沖落到清洗溶液中,從而使工件表面達(dá)到凈化。 由于聲波本身具有能進(jìn)入復(fù)雜構(gòu)造異形孔道的特點(diǎn),所以超聲波清洗可以清除復(fù)雜有孔零件內(nèi)部的污染物,這是一般清洗方法所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 b.超聲清洗的功率:超聲空化作用在物理本質(zhì)上是聲場(chǎng)中產(chǎn)生的空波的非線性振動(dòng)以及破滅的二次輻射沖擊波。從宏觀的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)說(shuō),換能器系統(tǒng)將吸收的電功率,轉(zhuǎn)換成清洗介質(zhì)中的聲功率,如圖1所示。 從圖中可以看出,在一定范圍內(nèi),聲功率WT隨著輸入電功率Wd的增加而增加,即輸入功率的增加將在清洗介質(zhì)中(界面處)產(chǎn)生較高的氣泡成穴密度,這反過(guò)來(lái)又提高了清潔效率。但是在聲空化達(dá)到一定程度(WC)時(shí),電功率再增加,聲功率也不再增加,而且還有下降的趨勢(shì)。因此,在同樣規(guī)格的清洗槽中,使用相同的清洗介質(zhì)時(shí),并非超聲輸入功率越大,清洗效果就越好,而是應(yīng)該選擇一個(gè)合適的功率。 c.超聲波頻率:在超聲波清洗設(shè)備中,工作頻率的選擇會(huì)直接影響到清洗效果。從超聲清洗機(jī)理而言,所選擇的頻率要有利于氣泡的產(chǎn)生、發(fā)育和破滅,保證一定的空化效應(yīng)。從聲場(chǎng)而言,必須保證獲得均勻聲場(chǎng)。如果選擇的工作頻率過(guò)高,則不利于絕大多數(shù)氣泡的形成發(fā)育,氣泡不破滅或雖破滅但產(chǎn)生的沖擊波太小;但是如果工作頻率選的過(guò)低時(shí),雖然低頻產(chǎn)生的氣泡及沖擊波大,但是噪聲也大,對(duì)工作環(huán)境有較大影響。常用的工作頻率為4~10 MHz。

      1.2.1.4 蒸氣脫脂清洗 蒸氣脫脂主要適用于清除基片表面油脂膜和類脂膜等碳?xì)浠铮瑢?duì)于帶有牢固附著污染物和污染的很嚴(yán)重的基片,當(dāng)用擦洗和浸洗或超聲波清洗方法清洗以后,再用蒸汽清洗會(huì)得到很好的清洗效果。這種方法經(jīng)常用于玻璃的清洗工序的z*后一步。蒸氣脫脂設(shè)備基本上是由底部具有加熱元件和頂部周圍繞有水冷蛇形管的開(kāi)口容器組成。清洗液可以是異丙基乙醇、三氯乙烯或某種氟化的碳水化合物。溶劑被加熱蒸發(fā),形成熱的高密度蒸氣,頂部的水冷管用來(lái)阻止和減少蒸氣損失。 蒸氣脫脂清洗操作方法簡(jiǎn)單??纱笈壳逑?,是得到高質(zhì)量清潔表面的好方法。其清洗效率可用測(cè)定摩擦系數(shù)的方法來(lái)檢驗(yàn)。另外還有暗場(chǎng)檢驗(yàn)、接觸角和薄膜附著力測(cè)量等方法,這些值越高,清潔表面越好。

       1.2.2 電化學(xué)清洗處理 

       1.2.2.1 電解浸蝕 采用電解浸蝕方法可以縮短浸蝕時(shí)間及減少溶液的消耗,并可以得到化學(xué)浸蝕所不易得到的浸蝕效果。如不銹鋼采用化學(xué)浸蝕方法,需用強(qiáng)硝酸和鹽酸浸蝕,所產(chǎn)生的氣體對(duì)人體有害,而用電解浸蝕則用弱酸即可。 電解浸蝕分為陽(yáng)極浸蝕和陰極浸蝕兩種。陽(yáng)極浸蝕是將被清洗的金屬零件放在某種溶液中,并將零件接在電源的正極,陰極板材料可用鉛、鋼或鐵。電解時(shí)在陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣,由于受氧氣氣泡的機(jī)械沖擊作用從而將氧化物剝離。浸蝕通常在室溫下進(jìn)行,也可加熱至50~60℃,浸蝕時(shí)間需根據(jù)工件表面狀況而定。陰極浸蝕是把工件接至陰極,用鉛、鉛銻合金或硅鐵作陽(yáng)極。浸蝕時(shí)在陰極上產(chǎn)生氫氣將氧化物還原并消除氧化層。同時(shí)也由于氫氣逸出時(shí)的機(jī)械力量使氧化層脫落。 電解浸蝕常用的是陽(yáng)極浸蝕法。陽(yáng)極浸蝕法需注意浸蝕過(guò)度及浸蝕不均勻的問(wèn)題,尤其是形狀復(fù)雜的零件。陰極浸蝕不會(huì)產(chǎn)生過(guò)度浸蝕,但零件容易產(chǎn)生滲氫發(fā)脆現(xiàn)象。電解浸蝕的效果取決于金屬表面氧化層的狀態(tài),如果氧化層厚且密集,則電解浸蝕較難去除,疏松而多孔的氧化層則容易去除。在其它條件相同的情況下,調(diào)節(jié)電解浸蝕中的電流大小,就可以調(diào)節(jié)浸蝕的強(qiáng)弱。得到不同光潔度的表面。 電解浸蝕所用的電源電壓通常為2~12 V,極間距離為50~150 mm。可通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和極間距離來(lái)達(dá)到去除金屬表面氧化層的目的。 如果用電解浸蝕方法去油,則效率比化學(xué)去油高好幾倍??梢杂脡A液作為電解液,電源可用交流或直流。直流電解的去油速率比交流快。電解去油的原理是:電解時(shí)在作為零件的電極上劇烈地產(chǎn)生氣泡(陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣,陰極產(chǎn)生氫氣),零件上附著的油脂薄層因受氣泡機(jī)械力的沖擊而破壞,同時(shí)油脂亦和堿液起皂化和乳化作用,加速了去油過(guò)程。如用直流電源進(jìn)行電解去油時(shí),常把被清洗的零件接至陰極。 電解去油常用的堿液配方如下(與堿液去油相同):燒堿(NaOH)60 g/L;純堿(Na2CO320 g/L;氰化鈉(NaCH)20 g/L;水玻璃(Na2SiO38 g/L 工藝參數(shù)為:溫度:25℃;電壓:6~10 V(零件接陰極,陽(yáng)極材料用不銹鋼);電流密度:40~80 mA/cm2;處理時(shí)間:1~2 min。 一般電解去油的時(shí)間應(yīng)短一些。對(duì)銅極其合金,只能用陰極去油,如果用陽(yáng)極去油,則銅的表面將形成厚而牢固的黑色氧化膜,不易清除。 電解去油后,零件應(yīng)先在溫水(~60℃)中洗滌,以溶解金屬表面上的所形成的肥皂,然后在冷水中沖洗。 由于在去油清洗的過(guò)程中(尤其是陰極電解),所產(chǎn)生的氫氣可溶解在工件中,成為工作中附加的放氣率。因此,在零件總裝之前,需用真空高溫烘烤(用于超高真空的不銹鋼烘烤溫度為900℃)除去大部分氫氣。 (未完待續(xù))