必备真空泵的原理及其特点.docx

一原理CG-17玻璃三级高真空油扩散泵 GG17玻璃膨胀系数低，能更好地耐受很高的温度差变，故该泵比同型泵能受得起高温而且使用寿命也更长。该泵适用于电子工业，如电子管。显象管。X光 管，以及半导体单晶硅的冶炼提纯，高沸点的油脂蒸馏提纯分离，日光灯，保温瓶高真空排气的仪器。 工作原理 先由转动真空泵把系统抽到10-Pa扩散泵油被加热沸腾,以高速从喷出的油蒸汽流不断将系统内气体分子带到泵的侧臂弯管球泡处集结,待气体密度达到机械 真空泵的工作范围而被抽出,从而逐渐获得高真空. 水环式真空泵/液环真空泵工作原理 水环真空泵（简称水环泵）是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为20004000Pa，串联大气喷射器可达270670Pa。水环泵也可用作压缩 机，称为水环式压缩机，是属于低压的压缩机，其压力范围为12105Pa表压力。 水环泵最初用作自吸水泵，而后逐渐用于石油、化工、机械、矿山、轻工、医药及食品等许多工业部门。在工业生产的许多工艺过程中，如真空过滤、真空引水、真 空送料、真空蒸发、真空浓缩、真空回潮和真空脱气等，水环泵得到广泛的应用。由于真空应用技术的飞跃发展，水环泵在粗真空获得方面一直被人们所重视。由于 水环泵中气体压缩是等温的，故可抽除易燃、易爆的气体，此外还可抽除含尘、含水的气体，因此，水环泵应用日益增多。 在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按图中顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭 圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成 一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0为起点，那么叶轮在旋转前180时小腔的容积由小变大，且与 端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被 排出泵外。 综上所述，水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。 罗茨泵的工作原理 罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内 壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决 于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。 罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封 闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动 时，气体排出泵外。 旋片式真空泵工作原理 旋片式真空泵（简称旋片泵）是一种油封式机械真空泵。其工作压强范围为1013251.3310-2（Pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作 为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。 旋片泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应 以及含有颗粒尘埃的气体。 旋片泵是真空技术中最基本的真空获得设备之一。旋片泵多为中小型泵。旋片泵有单级和双级两种。所谓双级，就是在结构上将两个单级泵串联起来。一般多做成双 级的，以获得较高的真空度。 旋片泵的抽速与入口压强的关系规定如下：在入口压强为1333Pa、1.33Pa和1.3310-1（Pa） 下，其抽速值分别不得低于泵的名义抽速的95%、50%和20%。 旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹 簧的二个旋片。旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。 两个旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分，当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间A的容积是逐渐增大的，正处于吸 气过程。而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的，正处于排气过程。居中的空间B的容积也是逐渐减小的，正处于压缩过程。由于空间A的容积是逐渐增大 （即膨胀），气体压强降低，泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强，因此将气体吸入。当空间A与吸气口隔绝时，即转至空间B的位置，气体开始被压缩， 容积逐渐缩小，最后与排气口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转，达到连续抽气的 目的。如果排出的气体通过气道而转入另一级（低真空级），由低真空级抽走，再经低真空级压缩后排至大气中，即组成了双级泵。这时总的压缩比由两级来负担， 因而提高了极限真空度。（1）金属在真空状态下的相变特点。在与大气压只差0.1MPa范围内的真空下，固态相变热力学、动力学不产生什么变化。在制订真空热处理工艺规程时，完全可以依据在常压下固态相变的原理。完全可以参考常压下各种类型组织转变的数据。（2）真空脱气作用，提高金属材料的物理性能和力学性能。（3）真空脱脂作用。（4）金属的蒸发：在真空状态下加热，工件表面元素会发生蒸发现象。表一 各种金属的蒸气压金属达到下列蒸气压的平衡温度（）熔点（）10-2Pa10-1Pa1Pa10Pa133PaCu103511411273142216281038Ag848936104711841353961Be102911301246139515821284Mg301331343515605651Ca463528605700817851Ba406546629730858717Zn248292323405-419Cd180220264321-321Hg-5.5134882126-38.9Ae80888999611231179660Li377439514607725179Na19523829135643798K12316120726533864In74684095210881260157C22882471268129263214-Si111612231343148516701410Ti1249138415461742-1721Zr166018612001221225491830Sn9221042118913731609232Pb548625718832975328V158617261888207922071697Nb23552539-2415Ta25992820-2996Bi536609693802934271Cr99210901205134215041890Mo209522902533-2625Mn791873980110312511244Fe119513301447160217831535W276730163309-3410Ni125713711510167918841455Pt174419042090231325821774Au119013161465164618671063（5）表面净化作用，实现少无氧化和少无脱碳加热。图一 各种金属氧化物的分解压力金属的氧化反应是可逆的：Mo2M+2O 2OO2取决于气氛中氧的分压和金属氧化物的分压的大小。当氧分压大于金属氧化物的分压时，反应向左进行，金属表面产生氧化。反之，如氧化物的分解压大于氧的分压，反应向右进行，其结果是氧化物分解。亚氧化物理论和真空炉中碳元素存在，使炉内氧的分压低于金属氧化物的分压，使金属不会氧化。表二 真空度和相对杂质及相对露点关系真空度Pa1.331041.331031.331021.33101.331.3310-11.3310-21.3310-3托10010110-110-210-310-410-5相对杂质含量%13.21.320.1321.3210-21.3210-31.3210-41.3210-51.3210-6PPM(百万分比)132013213.21.320.1320.0132相对露点（）+11-18-40-59-74-88-101（6）金属实现无氧化加热所需的真空度。图二 为不同金属无氧化加热温度和真空度的关系曲线二特点(1)严格的真空密封：众历周知，金属零件进行真空热处理均在密闭的真空炉内进行，因此，获得和维持炉子原定的漏气率，保证真空炉的工作真空度，对确保零 件真空热处理的质量有着非常重要的意义。所以真空热处理炉的一个关键问题，就是要有可靠的真空密封结构。为了保证真空炉的真空性能，在真空热处理炉结构设 计中必须道循一个基本原则，就是炉体要采用气密焊接，同时在炉体上尽量少开或者不开孔，少采用或者避免采用动密封结构，以尽量减少真空泄漏的机会。安装在 真空炉体上的部件、附件等如水冷电极、热电偶导出装置也都必须设计密封结构。 (2)大部分加热与隔热材料只能在真空状态下使用：真空热处理 炉的加热与隔热衬料是在真空与高温下工作的，因而对这些材料提出了耐高温，蒸汽压低，辐射效果好，导热系数小等要求。对抗氧化性能要求不高。所以，真空热 处理炉广泛采用了钽、钨、钼和石墨等作加热与隔热构料。这些材料在大气状态下极易氧化，因此，常规热处理炉不能采用这些加热与隔热材料。 (3)水冷装置，真空热处理炉的炉壳、炉盖、电热元件导别处置(水冷电极)、中间真空隔热门等部件，均在真空、受热状态下工作。在这种极为不利的条件下工 作，必须保证各部件的结构不变形、不损坏，真空密封圈不过热、不烧毁。因此，各部件应该根据不同的情况设置水冷装置，以保证真空热处理炉能够正常运行并有 足够的使用寿命。 (4)采用低电压大电流：在真空容器内，当真空空度为几托一lxlo-1托的范围内时，真空容器内的通电导体在较高的电压 下，会产生光放电现象。在真空热处理炉内，严重的会产生弧光放电，烧毁电热元件、隔热层等，造成重大事故和损失。因此，真空热处理炉的电热元件的工作电 压，一般都不超过80一100伏。同时在电热元件结构设计时要采取有效措施，如尽量避免有尖端的部件，电极间的间距不能太小窄，以防止辉光放电或者弧光放 电的发生。 (5)自动化程度高：真空热处理炉的自动化程度之所以较高，是因为金属工件的加热、冷却等操作，需要十几个甚至几十个动作来完 成。这些动作内在真空热处理炉内进行，操作人员无法接近。同时，有些动作如加热保温结束后，金属工件进行淬火工序须六、六个动作并且要在15秒钟以内完 成。在这样迅速的条件来完成许多动作，是很容易造成操作人员的紧张而构成误操作。因此，只有较高的目动化才能准确、及时按程序协调动。三.真空退火、真空淬火、真空回火及常用金属材料的真空淬火、回火工艺规范。1、真空退火目的：获得洁净光亮的表面，省去或减少加工工序；使金属材料软化，消除内应力和改变结构，提高材料性能。（1）铜及其合金 表十三 青铜真空热处理参数材料号真空度（Pa）退火温度（）冷却方式QSn4-313.31.33600炉冷QSn4-4-2.5QSn6.5-0.4600650QSn4-0.3QAl9-213.31.33600750QAl9-4700750QAl10-3-1.5650750QAl10-4-4650750QAl10-5600700QAl10-7650750表十四 紫铜和黄铜真空热处理参数材料牌号消除应力退火温度（）再结晶退火温度（）真空度（Pa）冷却方式紫铜T1、T2T3、T460070060070013313.3炉冷或惰性气体冷黄铜H96H90H80H70H68H62H59-120026026027026027027030054060065072060070052065052065060070060067013.31.33HSn70-1HSn62-1HAl77-2HAl59-3-2HMn58-2HFe59-1-1HPb74-3HPb64-3HPb63-3HPb60-130035035037030035035040056058055065060065060065060065060065060065062067062065060065013313.313.31.3313.31.33表十五 铍青铜时效工艺参数材料牌号时效温度（）真空度（Pa）时间（小时）QBe2QBe2.5300285320110-235342（2）金属和合金的除气处理。应用于加速器、宇宙模拟设备、电子管材料和高温活性金属。表十六 金属及合金真空除气的温度及真空度金属及合金除气温度（）真空度（Pa）铜8002.710-3镍8009501.310-3铁与铁合金，硅钢，不锈钢900410-2钼14506.710-3钨14006.710-3钛8101.310-3钽9009501.310-3（3）软磁材料的真空退火软磁材料与硬磁材料的区别是磁性不同。矫顽力Hc10奥斯特为软磁，Hc=10-300奥斯特为半硬磁，Hc300奥斯特为硬磁。目前广泛应用于氢气退火和真空退火。电工纯铁的真空退火，见图七。图七 电工钢真空退火工艺曲线硅钢片的真空退火见图八。图八 硅钢片真空退火工艺曲线Fe-Ni系合金真空退火。表十七 常用Fe-Ni软磁材料的真空退火规范合金牌号退火温度（）保温时间（小时）真空度（Pa）冷却方式1J46随炉升温105011503610-110-3100200/h冷至300后快冷100出炉1J501J791J51121J54随炉升温1100115086110-1100/h冷至300移至冷却室，冷至100以下出炉1J80100200/h冷至400移至冷却室冷至100以下出炉1J85随炉升温1100120010-110-3100200/小时冷至480后快冷至100以下出炉1J77110-1100150/h冷至500后，以3050/h冷至300，再快冷到100出炉。1J76随炉升温11001150100/h冷至500后，以1050/h冷至300，再快冷到100出炉。1J52随炉升温105011501210-110-3100200/h冷至600快冷至300，100出炉1J8335100200/h冷至600再稍快冷至100以下出炉1J86随炉升温1100120086100/h冷至600后以30100/h冷至300，100出炉1J41随炉升温1100115024110-1100/h冷至600稍快冷至300，100以下出炉1J421J471210-110-3150/h冷至300400后快冷至100出炉Fe-Al系合金真空退火表十八 常用Fe-Al系软磁合金真空退火规范合金牌号退火温度（）保温时间（小时）真空度（Pa）冷却方式1J16缓慢升温9501150210-110-3200150/h炉冷，100以下出炉1J13随炉升温9009502100/h冷至600，60/h冷至200，100出炉。1J12随炉升温1050120023100150/h冷至500快冷至200，100出炉1J6100150/h冷至250，100出炉1J8随炉升温700以后50200/h升至1200122050150/h冷至250以下，100出炉软磁合金退火时注意：a）在高温退火时必须防止工件叠片间和卡具粘合，可以在其间撒布工业氢氧化镁或滑石粉，或经高温下除过气的氧化铝粉撒布其间。b）工件不能与石墨接触，最好不用石墨纤维的真空炉中处理。（4）钢材料的真空退火；钢铁材料：表十九 钢的真空退火工艺参数材料真空度（Pa）退火温度（）冷却方式451.31.310-1850870炉冷或气冷，300出炉0.350.6卷钢丝1.310-1750800炉冷或气冷，=200出炉40Cr1.310-1890910缓冷，300出炉Cr12MO1.310-1 以上850870720750，等温45小时炉冷W18Cr4V1.310-1870890720750，等温45小时炉冷空冷低合金模具钢1.3780870缓冷高碳铬冷作模具钢1.3870900缓冷W918热模具钢1.3815900缓冷不锈钢、耐热钢真空退火；表二十 奥氏体不锈钢退火温度和真空度热处理温度（）真空度（Pa）热变形后去氧化皮代替酸洗退火900105013.31.3退火1100105011501.310-10.710-21.31.310-1电真空零件退火95010001.3410-3带料在电子束设备中退火105011501.310-21.310-3表二十一 一些不锈钢的退火工艺参数钢种类型主要化学成分（质量分数）分析结果（%）退火温度范围（）真空度（Pa）铁素体类Cr1214，CO.08（最多）6308301.31.310-1马氏体类Cr14，C0.4，Cr1618，C0.98309001.31.310-1奥氏体类（未稳定化）Cr18，Ni8101011201.31.310-1奥氏体类（稳定化）Cr18，Ni8，N61或Ti95011201.310-21.310-32、真空淬火：图九 真空淬火循环真空淬火操作过程见图八，先预抽真空到1110-2Pa时开始加热，当保温结束，升压到0.8105Pa，工件油淬或回填到5105Pa进行高压气淬。各种钢和合金加热时的真空度要求和淬火冷却方式见表二十二。表二十二 各种钢和合金加热时的真空度要求和淬火冷却方式材料真空度淬火方式低中高油水气耐冲击钢（美）S-1（SKS41）ABA（美）S-2（SKS4）ABA（美）S-3ABA（美）S-4ABA（美）S-5ABA油淬火钢（美）0-1（MnCrWv）ABA（美）0-2（9Mn2v）ABA（美）0-6ABA（美）0-7（WCrv）ABA（美）4140（40CrMnMo）ABA（美）4340ABA（美）52100ABA空气淬火钢（美)A-2ABCA（美)A-6ABCA（美)A-7ABCA（美)D-1ABCA（美)D-2ABCA（美)D-4ABCA（美)D-5ABCA（美)D-7ABCA（美)H-11ABCA（美)H-14ABCA（美)H-21ABCA（美)H-22ABCA高速钢 W系（美)T-1ABAE（美)T-2ABAE（美)T-3ABAE（美)T-4ABAE（美)T-5ABAE（美)T-15ABAE高速钢 Mo系（美)M-1ABAE（美)M-2ABAE（美)M-6ABAE（美)M-10ABAE（美)M-30ABAE（美)M-50ABA钛合金Ti-2Al-4MnABDATi-6Al-4VABDATi-679ABDATi-6Al-4V（低O2）ABDATi-6Al-6VZ-5Sn-1（Fe，Cu）ABDATi-7Al-4MoABDA不锈钢400ABA410ABA416ABA420ABA440ABA沉淀硬化合金Ni-spancABAAAM-350ABAAAM-355ABAA（美）17-7PHABAA（美）17-4PHABAA铁镍基合金901合金ABAAA-286ABAADiscaloyABAAUnitemp 212ABAA钴基合金Al-Risist 213ABAAH-21ABAMAR-M509ABAAW1-52，HS152ABA镍基合金T18合金ABAAHastelloy XABAInconelx750ABAAM-252-J-1500ABAARA-333ABARene41ABAARene62ABAARene63ABAATDNickel 棒ABAWaspaloy AABAAWaspaloy BABAACTreek AscaloyABA注：A-必要条件；B-需改善泵的停机时间；C-预冷至550施行油淬；D-用扩散泵排出；E-气冷至1090淬油；真空度：低-机械泵；中-增压泵；高-扩散泵。（1）真空淬火工艺操作实例： 汽车车灯反射镜凸模（图十）材料：Cr12 MOV技术要求：热处理HRc6062变形愈小愈好。图十 车灯反射镜凸模该厂引进日本加工技术，与外商协作，共同制造汽车反射镜。凸面为抛物面，热处理后无法进行加工，故要求模具变形越小越好。原采用盐浴炉淬火，变形达0.3mm，冲件不能达到聚焦反射作用。经真空热处理后变形控制在0.05mm以内，表面光亮，无氧化脱碳，硬度均匀，使用性能良好。其真空热处理工艺见图十。本凸模在ZC30型双室油淬负压真空炉内处理。图十一 车灯凸模真空热处理工艺曲线凸模在高压气淬炉内处理，气淬压为34105Pa，其效果更好。 100目不锈钢网滚模模芯（图十二）材料：Cr12 MOV技术要求：热处理HRc5862。图十二 100目不锈钢网滚模模芯此件加工六角形不锈钢网用，系出口任务，要求很高。在50mm处的六角形网眼要用放大镜才能看清楚。该厂原采用盐浴淬火，由于残盐嵌在六角形网眼中，需经放大后才能看见，再用人工方法将残盐从一个个微小的网眼内剔除，既费时有极易损坏模眼而导致报废。故用盐浴处理的模芯废品率很高。采用真空热处理后模芯表面光洁，合格率达100%，寿命也比原来提高，用户非常满意。其热处理工艺见图十三。本模芯在ZC-30型双室负压油淬炉内处理。若在加压气淬炉内处理，气淬压力23105Pa，其淬火效果更佳。图十三 不锈钢网滚模模芯 压铸模材料：H13技术要求：大型复杂模具 HRc42-44 中小型优质模具 HRc44-46 小型模块 HRc48-50设备：采用5bar以上高压气淬炉工艺：采用分级气淬工艺具体工艺曲线示意图见图十四。图十四 H13钢真空高压气淬加热冷却工艺示意图其中Ts为表面热电偶温度，Tc为心部热电偶温度，冷炉升温速度220/小时，对流加热炉压2bar，预热二次，当Tc=Ts后再升温。奥氏体化保温时间：快速升温至10305，当Ts-Tc14后，保温30分钟。回充高纯氮分压26.6Pa。从1030到540淬火冷速至少28/分，在455-400间进行分级，当Ts冷至分级温度区后30分钟继续快