真空技术相关知识

1、真空技术相关知识,制作人：郭永鸿，吴红川,真空技术,真空技术是建立低于大气压力的物理环境，以及在此环境中进行工艺制作、物理测量和科学试验等所需的技术。 真空技术主要包括真空获得、真空测量、真空检漏和真空应用四个方面。在真空技术发展中，这四个方面的技术是相互促进的。,真空简介,真空是指低于大气压力的气体的给定空间，即每立方厘米空间中气体分子数大约少于两千五百亿亿个的给定空间。真空是相对于大气压来说的，并非空间没有物质存在。用现代抽气方法获得的最低压力，每立方厘米的空间里仍然会有数百个分子存在。 气体稀薄程度是对真空的一种客观量度 ，最直接的物理量度是单位体积中的气体分子数。气体分子密度越小，气体

2、压力越低，真空就越高。但由于历史原因，量度真空通常都用压力表示。1真空常用帕斯卡（Pascal）或托尔（Torr）做为压力的单位。,真空发展历史,远在1643年，意大利物理学家托里拆利发现，真空和自然空间有大气和大气压力存在。他将一根一端封闭的长玻璃管灌满汞，并倒立于汞槽中时，发现管中汞面下降，直至与管外的汞面相差76厘米时为止。托里拆利认为，玻璃管汞面上的空间是真空，76厘米高的汞柱是因为存在大气压力的缘故。 1650年，德国的奥托冯格里克制成活塞真空泵。1654年，他在马德堡进行了著名的马德堡半球试验：用真空泵将两个合在一起的、直径为14英寸(35.5厘米)的铜半球抽成真空，然后用两组各八

3、匹马以相反方向拉拽铜球，始终未能将两半球分开。这个著名的试验又一次证明，空间有大气存在，且大气有巨大的压力。为了纪念托里拆利在科学上的重大发现和贡献，以往习用的真空压力单位就是用他的名字命名的。,19世纪中后期，英国工业革命的成功，促进了生产力和科学实验发展，同时也推动了真空技术的发展。1850年和1865年，先后发明了汞柱真空泵和汞滴真空泵，从而研制成了白炽灯泡(1879)、阴极射线管(1879)、杜瓦瓶(1893)和压缩式真空计(1874)。压缩式真空计的应用首次使低压力的测量成为可能。 20世纪初，真空电子管出现，促使真空技术向高真空发展。19351937年发明了气镇真空泵、油扩散泵和冷

4、阴极电离计。这些成果和1906年制成的皮拉尼真空计至今仍为大多数真空系统所常用。 1940年以后，真空应用扩大到核研究(回旋加速器和同位素分离等)、真空冶金、真空镀膜和冷冻干燥等方面，真空技术开始成为一个独立的学科。第二次世界大战期间，原子物理试验的需要和通信对高质量电真空器件的需要，又进一步促进了真空技术的发展。,应用领域,地球上的真空环境 在地球上，通常是对特定的封闭空间抽气来获得真空，用来抽气的设备称为真空泵。早先制成的真空泵，抽气速度不大，极限真空低，很难满足生产和科学试验的需要。后来相继制成一系列抽气机理不同的真空泵，抽速和极限真空都得到不断的提高。如低温泵的抽气速率可达60000升

5、/秒，极限真空可达千亿分之一帕数量级。,真空应用注意,为了保证真空系统能达到和保持工作需要的真空，除需要配备合适的、抽气性能良好的真空泵以外，真空系统或其零部件还必须经过严格的检漏，以便消除破坏真空的漏孔。低(粗)真空、中真空和高真空系统一般用气压检漏 ；对于超高真空系统，在采用一般检漏法粗检以后，还要采用灵敏度较高的检漏仪，如卤素检漏仪和质谱检漏仪来检漏。,真空的应用,随着真空获得技术的发展，真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面。真空应用是指利用稀薄气体的物理环境完成某些特定任务。有些是利用这种环境制造产品或设备，如灯泡、电子管和加速器等。 这些产品在使用期间始终保持真空；而另一些则仅

6、把真空当作生产中的一个步骤，最后产品在大气环境下使用，如真空镀膜、真空干燥和真空浸渍等。 真空的应用范围极广，主要分为低真空、中真空、高真空和超高真空应用。低真空是利用低(粗)真空获得的压力差来夹持、提升和运输物料，以及吸尘和过滤，如吸尘器、真空吸盘 。,中真空一般用于排除物料中吸留或溶解的气体或水分、制造灯泡、真空冶金和用作热绝缘。如真空浓缩生产炼乳，不需加热就能蒸发乳品中的水分。 真空冶金可以保护活性金属，使其在熔化、浇铸和烧结等过程中不致氧化，如活性难熔金属钨、钼、钽、铌、钛和锆等的真空熔炼；真空炼钢可以避免加入的一些少量元素在高温中烧掉和有害气体杂质等的渗入，可以提高钢的质量。 高真空

7、可用于热绝缘、电绝缘和避免分子电子、离子碰撞的场合。高真空中分子自由程大于容器的线性尺寸，因此高真空可用于电子管、光电管、阴极射线管、X 射线管、加速器、质谱仪和电子显微镜等器件中，以避免分子、电子和离子之间的碰撞。这个特性还可应用于真空镀膜 ，以供光学、电学或镀制装饰品等方面使用。,外层空间的能量传输与超高真空中的能量传输相似，故超高真空可用作空间模拟。在超高真空条件下，单分子层形成的时间长(以小时计)，这就可以在一个表面尚未被气体污染前 ，利用这段充分长的时间来研究其表面特性，如摩擦、粘附和发射等。,真空热处理技术应用概况,真空技术在金属热处理中的应用,最初只限 于纯铁和铜等非铁合金的脱气

8、或光亮退火以及在 可控气氛中处理有困难的高熔点活性金属钛、锆等的处理,后来,随着真空技术的发展,到20世纪50年代末,由于在真空炉中安装惰性气体预制冷却机构的成功,使其应用范围迅速扩大。20世纪70年代是我国发展真空热处理技术的初期阶段, 人们主要研究真空热处理的基本性质、基本规律、加热特点,金属在真空下加热的规律和变形问题。70年代主要进行了真空油淬和真空气淬的工艺研究和应用。,进入80年代,真空热处理技术在我国得到了迅速发展,高压气淬工艺、真空渗碳技术、真空烧结、真空钎焊、真空离子渗碳技术的研究和应用相继展开,真空热处理技术开始从研究试验阶段跨入工业生产领域。90年代以来,相继出现了高压气

9、淬、超高压气淬等新技术,真空清洗、真空渗氮、真空离子渗碳等技术也得到了蓬勃发展。下面介绍几种真空热处理工艺。,1.1真空退火,由于在真空中加热有脱气、脱脂、清除锈迹的作用,所以真空退火后的零件表面清洁、光亮、溶解于金属中的气体易排除出去。真空退火时经过压力加工变形的晶粒得到恢复,同时形成新的晶粒,组织均匀化,因而改善了力学性能。真空退火后的零件可以不经过酸洗或喷砂的清理工序就可进行电镀,从而可以缩短工艺流程,提高质量,真空度、加热温度和出炉温度对光亮度均有影响,要获得满意的光亮度,必须正确选择适宜的真空度、退火温度和出炉温度。我们把抛光的标准试样的光亮度作为100%,以此为基准光亮度进行对比,

10、在工业生产中一般认为光亮度达到下限(60%)即可,对某些碳素结构钢和合金结构钢而言(例如:50钢),当压力为10-2托,退火温度在700800范围内,平均光亮度可达60%以上, 将真空度提高到10-310-4托,此时可达到7080%光亮度。但对碳素工具钢及合金工具钢、不锈 钢而言,欲获得满意的光亮度,需提高真空度至10-310-4托。,实验证明： 真空退火时的出炉温度 是影响光亮度的一个重要因素,除抗氧化性能好的高合金钢(如不锈钢)外,真空退火出炉温度一般均应选在200以下。目前,真空退火可用于难熔金属、软磁合金、硅钢片、铁镍合金和铁硅合金、电工钢、不锈钢、结构钢等材料,1.2真空淬火,作为真

11、空热处理,淬火应该是它的主要功能,在真空淬火中主要应考虑淬火介质、淬透性与硬度、光亮度以及变形等因素。当前,真空淬火发展较快,例如真空高压气淬和真空超高压气淬技术的应用。真空高压气冷淬火技术相继出现了负压(1000)、渗速快、渗碳层均匀、渗层浓度变化平缓、表面光洁、渗碳质量高、层深和表面深度可控、有效渗层深度与总渗层深度比高、生产环境好、周期短、效率高等特点。我国在80年代进行了研究,并也有所应用,但该技术无论在国际上,还是国内至今还没有被推广普及,主要原因是工艺过程的控制技术,炭黑污染导致维修困难和成本增加。,尽管如此,被热处理行业称为“划时代的新技术”的真空渗碳技术,国际和国内热处理行业一直在进行研究和生产上的改进。 真空渗碳后工件表面含碳量、渗碳层深度、单件的渗碳均匀性、料筐(有效区)内的均匀性等都是至关重要的,然而这些指标或参数都不能象气体渗碳那样用红外仪,氧探头来进行控制。,目前,法国ECM公司利用模拟和仿真技术开发了IN2FRACARB真空渗碳软