真空技術(shù)相關(guān)知識(shí)

1、真空技術(shù)相關(guān)知識(shí)制作人：郭永鴻，吳紅川真空技術(shù)真空技術(shù)是建立低于大氣壓力的物理環(huán)境，以及在此環(huán)境中進(jìn)行工藝制作、物理測(cè)量和科學(xué)試驗(yàn)等所需的技術(shù)。真空技術(shù)主要包括真空獲得、真空測(cè)量、真空檢漏和真空應(yīng)用四個(gè)方面。在真空技術(shù)發(fā)展中，這四個(gè)方面的技術(shù)是相互促進(jìn)的。真空簡(jiǎn)介真空是指低于大氣壓力的氣體的給定空間，即每立方厘米空間中氣體分子數(shù)大約少于兩千五百億億個(gè)的給定空間。真空是相對(duì)于大氣壓來說的，并非空間沒有物質(zhì)存在。用現(xiàn)代抽氣方法獲得的最低壓力，每立方厘米的空間里仍然會(huì)有數(shù)百個(gè)分子存在。氣體稀薄程度是對(duì)真空的一種客觀量度 ，最直接的物理量度是單位體積中的氣體分子數(shù)。氣體分子密度越小，氣體壓力越低，真空

2、就越高。但由于歷史原因，量度真空通常都用壓力表示。1真空常用帕斯卡（Pascal）或托爾（Torr）做為壓力的單位。真空發(fā)展歷史遠(yuǎn)在1643年，意大利物理學(xué)家托里拆利發(fā)現(xiàn)，真空和自然空間有大氣和大氣壓力存在。他將一根一端封閉的長(zhǎng)玻璃管灌滿汞，并倒立于汞槽中時(shí)，發(fā)現(xiàn)管中汞面下降，直至與管外的汞面相差76厘米時(shí)為止。托里拆利認(rèn)為，玻璃管汞面上的空間是真空，76厘米高的汞柱是因?yàn)榇嬖诖髿鈮毫Φ木壒省?650年，德國(guó)的奧托馮格里克制成活塞真空泵。1654年，他在馬德堡進(jìn)行了著名的馬德堡半球試驗(yàn)：用真空泵將兩個(gè)合在一起的、直徑為14英寸(35.5厘米)的銅半球抽成真空，然后用兩組各八匹馬以相反方向拉拽銅

3、球，始終未能將兩半球分開。這個(gè)著名的試驗(yàn)又一次證明，空間有大氣存在，且大氣有巨大的壓力。為了紀(jì)念托里拆利在科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)和貢獻(xiàn)，以往習(xí)用的真空壓力單位就是用他的名字命名的。19世紀(jì)中后期，英國(guó)工業(yè)革命的成功，促進(jìn)了生產(chǎn)力和科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展，同時(shí)也推動(dòng)了真空技術(shù)的發(fā)展。1850年和1865年，先后發(fā)明了汞柱真空泵和汞滴真空泵，從而研制成了白熾燈泡(1879)、陰極射線管(1879)、杜瓦瓶(1893)和壓縮式真空計(jì)(1874)。壓縮式真空計(jì)的應(yīng)用首次使低壓力的測(cè)量成為可能。20世紀(jì)初，真空電子管出現(xiàn)，促使真空技術(shù)向高真空發(fā)展。19351937年發(fā)明了氣鎮(zhèn)真空泵、油擴(kuò)散泵和冷陰極電離計(jì)。這些成果和1

4、906年制成的皮拉尼真空計(jì)至今仍為大多數(shù)真空系統(tǒng)所常用。1940年以后，真空應(yīng)用擴(kuò)大到核研究(回旋加速器和同位素分離等)、真空冶金、真空鍍膜和冷凍干燥等方面，真空技術(shù)開始成為一個(gè)獨(dú)立的學(xué)科。第二次世界大戰(zhàn)期間，原子物理試驗(yàn)的需要和通信對(duì)高質(zhì)量電真空器件的需要，又進(jìn)一步促進(jìn)了真空技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域地球上的真空環(huán)境地球上的真空環(huán)境在地球上，通常是對(duì)特定的封閉空間抽氣來獲得真空，用來抽氣的設(shè)備稱為真空泵。早先制成的真空泵，抽氣速度不大，極限真空低，很難滿足生產(chǎn)和科學(xué)試驗(yàn)的需要。后來相繼制成一系列抽氣機(jī)理不同的真空泵，抽速和極限真空都得到不斷的提高。如低溫泵的抽氣速率可達(dá)60000升/秒，極限真空可

5、達(dá)千億分之一帕數(shù)量級(jí)。真空應(yīng)用注意為了保證真空系統(tǒng)能達(dá)到和保持工作需要的真空，除需要配備合適的、抽氣性能良好的真空泵以外，真空系統(tǒng)或其零部件還必須經(jīng)過嚴(yán)格的檢漏，以便消除破壞真空的漏孔。低(粗)真空、中真空和高真空系統(tǒng)一般用氣壓檢漏 ；對(duì)于超高真空系統(tǒng)，在采用一般檢漏法粗檢以后，還要采用靈敏度較高的檢漏儀，如鹵素檢漏儀和質(zhì)譜檢漏儀來檢漏。真空的應(yīng)用隨著真空獲得技術(shù)的發(fā)展，真空應(yīng)用日漸擴(kuò)大到工業(yè)和科學(xué)研究的各個(gè)方面。真空應(yīng)用是指利用稀薄氣體的物理環(huán)境完成某些特定任務(wù)。有些是利用這種環(huán)境制造產(chǎn)品或設(shè)備，如燈泡、電子管和加速器等。 這些產(chǎn)品在使用期間始終保持真空；而另一些則僅把真空當(dāng)作生產(chǎn)中的一個(gè)步

6、驟，最后產(chǎn)品在大氣環(huán)境下使用，如真空鍍膜、真空干燥和真空浸漬等。真空的應(yīng)用范圍極廣，主要分為低真空、中真空、高真空和超高真空應(yīng)用。低真空是利用低(粗)真空獲得的壓力差來夾持、提升和運(yùn)輸物料，以及吸塵和過濾，如吸塵器、真空吸盤 。中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的氣體或水分、制造燈泡、真空冶金和用作熱絕緣。如真空濃縮生產(chǎn)煉乳，不需加熱就能蒸發(fā)乳品中的水分。真空冶金可以保護(hù)活性金屬，使其在熔化、澆鑄和燒結(jié)等過程中不致氧化，如活性難熔金屬鎢、鉬、鉭、鈮、鈦和鋯等的真空熔煉；真空煉鋼可以避免加入的一些少量元素在高溫中燒掉和有害氣體雜質(zhì)等的滲入，可以提高鋼的質(zhì)量。高真空可用于熱絕緣、電絕緣和避免分子電

7、子、離子碰撞的場(chǎng)合。高真空中分子自由程大于容器的線性尺寸，因此高真空可用于電子管、光電管、陰極射線管、X 射線管、加速器、質(zhì)譜儀和電子顯微鏡等器件中，以避免分子、電子和離子之間的碰撞。這個(gè)特性還可應(yīng)用于真空鍍膜 ，以供光學(xué)、電學(xué)或鍍制裝飾品等方面使用。外層空間的能量傳輸與超高真空中的能量傳輸相似，故超高真空可用作空間模擬。在超高真空條件下，單分子層形成的時(shí)間長(zhǎng)(以小時(shí)計(jì))，這就可以在一個(gè)表面尚未被氣體污染前 ，利用這段充分長(zhǎng)的時(shí)間來研究其表面特性，如摩擦、粘附和發(fā)射等。真空熱處理技術(shù)應(yīng)用概況真空技術(shù)在金屬熱處理中的應(yīng)用,最初只限 于純鐵和銅等非鐵合金的脫氣或光亮退火以及在 可控氣氛中處理有困難

8、的高熔點(diǎn)活性金屬鈦、鋯等的處理,后來,隨著真空技術(shù)的發(fā)展,到20世紀(jì)50年代末,由于在真空爐中安裝惰性氣體預(yù)制冷卻機(jī)構(gòu)的成功,使其應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。20世紀(jì)70年代是我國(guó)發(fā)展真空熱處理技術(shù)的初期階段, 人們主要研究真空熱處理的基本性質(zhì)、基本規(guī)律、加熱特點(diǎn),金屬在真空下加熱的規(guī)律和變形問題。70年代主要進(jìn)行了真空油淬和真空氣淬的工藝研究和應(yīng)用。進(jìn)入80年代,真空熱處理技術(shù)在我國(guó)得到了迅速發(fā)展,高壓氣淬工藝、真空滲碳技術(shù)、真空燒結(jié)、真空釬焊、真空離子滲碳技術(shù)的研究和應(yīng)用相繼展開,真空熱處理技術(shù)開始從研究試驗(yàn)階段跨入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。90年代以來,相繼出現(xiàn)了高壓氣淬、超高壓氣淬等新技術(shù),真空清洗、真空滲

9、氮、真空離子滲碳等技術(shù)也得到了蓬勃發(fā)展。下面介紹幾種真空熱處理工藝。1.1真空真空退火退火由于在真空中加熱有脫氣、脫脂、清除銹跡的作用,所以真空退火后的零件表面清潔、光亮、溶解于金屬中的氣體易排除出去。真空退火時(shí)經(jīng)過壓力加工變形的晶粒得到恢復(fù),同時(shí)形成新的晶粒,組織均勻化,因而改善了力學(xué)性能。真空退火后的零件可以不經(jīng)過酸洗或噴砂的清理工序就可進(jìn)行電鍍,從而可以縮短工藝流程,提高質(zhì)量真空度、加熱溫度和出爐溫度對(duì)光亮度均有影響,要獲得滿意的光亮度,必須正確選擇適宜的真空度、退火溫度和出爐溫度。我們把拋光的標(biāo)準(zhǔn)試樣的光亮度作為100%,以此為基準(zhǔn)光亮度進(jìn)行對(duì)比,在工業(yè)生產(chǎn)中一般認(rèn)為光亮度達(dá)到下限(6

10、0%)即可,對(duì)某些碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼而言(例如:50鋼),當(dāng)壓力為10-2托,退火溫度在700800范圍內(nèi),平均光亮度可達(dá)60%以上, 將真空度提高到10-310-4托,此時(shí)可達(dá)到7080%光亮度。但對(duì)碳素工具鋼及合金工具鋼、不銹 鋼而言,欲獲得滿意的光亮度,需提高真空度至10-310-4托。實(shí)驗(yàn)證明： 真空退火時(shí)的出爐溫度 是影響光亮度的一個(gè)重要因素,除抗氧化性能好的高合金鋼(如不銹鋼)外,真空退火出爐溫度一般均應(yīng)選在200以下。目前,真空退火可用于難熔金屬、軟磁合金、硅鋼片、鐵鎳合金和鐵硅合金、電工鋼、不銹鋼、結(jié)構(gòu)鋼等材料1.2真空淬火作為真空熱處理,淬火應(yīng)該是它的主要功能,在真空淬火

11、中主要應(yīng)考慮淬火介質(zhì)、淬透性與硬度、光亮度以及變形等因素。當(dāng)前,真空淬火發(fā)展較快,例如真空高壓氣淬和真空超高壓氣淬技術(shù)的應(yīng)用。真空高壓氣冷淬火技術(shù)相繼出現(xiàn)了負(fù)壓(1000)、滲速快、滲碳層均勻、滲層濃度變化平緩、表面光潔、滲碳質(zhì)量高、層深和表面深度可控、有效滲層深度與總滲層深度比高、生產(chǎn)環(huán)境好、周期短、效率高等特點(diǎn)。我國(guó)在80年代進(jìn)行了研究,并也有所應(yīng)用,但該技術(shù)無論在國(guó)際上,還是國(guó)內(nèi)至今還沒有被推廣普及,主要原因是工藝過程的控制技術(shù),炭黑污染導(dǎo)致維修困難和成本增加。盡管如此,被熱處理行業(yè)稱為“劃時(shí)代的新技術(shù)”的真空滲碳技術(shù),國(guó)際和國(guó)內(nèi)熱處理行業(yè)一直在進(jìn)行研究和生產(chǎn)上的改進(jìn)。真空滲碳后工件表面含碳量、滲碳層深度、單件的滲碳均勻性、料筐(有效區(qū))內(nèi)的均勻性等都是至關(guān)重要的,然而這些指標(biāo)或參數(shù)都不能象氣體滲碳那樣用紅外儀,氧探頭來進(jìn)行控制。目前,法國(guó)ECM公司利用模擬和仿真技術(shù)開發(fā)了IN2FRACARB真空滲碳