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热膨胀系数


热膨胀量=温度差 X 热胀系数 X 长度=5.802X 长度 (mm) 长度单位: m 参考资料:GB/T20801.2-2006 表 B.1

(东北大学,辽宁 沈阳 110006) 2.2 材料的其它性能 ①机械强度 如上所述,系统的器壁必须承受得住大气的压力。因此它必须满足最低机械强度和刚度的 要求,应考虑相应尺寸的结构所能承受的总压力(当然,容器结构形

状也有较大的影响。例如,圆柱形和球 面形结构的强度就大于平面形结构的强度)。 ②热学性能 许多真空系统要承受温度的变化,如加热和冷却或二者兼备。因而必须对所用材料的热学 性能十分熟悉。不仅要考虑到熔点,还要考虑到强度随温度的变化。例如,铜的机械性能远在低于熔点温 度之前就开始下降,因而不宜用铜制做真空容器的承压器壁。另外,真空系统的材料除了受到温度缓慢变 化的影响外,还会受到温度突变的影响。因此,还要考虑材料的抗热冲击的特性。 ③电磁性能 许多真空系统中的部件必须具备能完成某项功能或工序所要求的电性能,同时这些性能又 不能与真空系统的要求相矛盾。例如,元件在真空室中工作,是靠辐射放热冷却的,因此元件的工作温度 将会很高,使得元件的电性能可能受到影响,因此在选材及结构设计上要考虑工作部件的耐高温及冷却问 题。 在许多真空系统中,往往要应用带电粒子束。但这些带电粒子束往往容易受到某些不必要磁场的干 扰。因此在有电子束或离子束的系统中,必须认真考虑系统材料的磁性能,在某些情况下,即使很小的磁 场也可能造成很严重的问题。因此必须考虑用非磁性材料。 ④其它性能 光学性能(例观察窗)、 硬度、 抗腐蚀性、 热导率和热膨胀等性能也常常起着十分重要的作用。 2.3 真空材料的选材原则 2.3.1 对真空容器壳体及内部零件材料的要求 ①有足够的机械强度和刚度来保证壳体的承压能力。 ②气密性好。要保持一个完好的真空环境,器壁材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其它缺陷。 有较低的渗透速率和出气速率。 ③在工作温度和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低(对超高真空系统来说尤其重要)。 ④化学稳定性好。不易氧化和腐蚀,不与真空系统中的工作介质及工艺过程中的放气发生化学反应。 ⑤热稳定性好。在系统的工作温度(高温与低温)范围内,保持良好的真空性能和机械性能。 ⑥在工作真空度及工作温度下,真空容器内部器件应保持良好的工作性能,满足作业工艺的要求。 ⑦有较好机械加工性能及焊接性能。 2.3.2 对密封材料的要求 ①有足够低的饱和蒸气压。一般低真空时,其室温下的饱和蒸气压力应小于 1.3×10 ~1.3×10 Pa。 高真空时,应小于 1.3×10 ~1.3×10 Pa。 ②化学及热稳定性好。在密封部位,不因合理的温升雨发生软化,发生化学反应或挥发,甚至被大气冲 破。 ③有一定的机械及物理性能。冷却后硬化的固态密封材料、可塑密封材料或干燥后硬化的封蜡等,要能 够平滑地紧贴密封表面,无气泡、无皱纹。当温度变化时,不应变脆或裂开。液态或胶态密封材料应保持 原有粘性。 ④某些密封材料应能溶于某些溶剂中,以便更换时易于清洗掉。 对真空中应用的材料除上述要求外,在某些情况下还必须考虑其电学性能、绝缘性能、光学性能、磁性 能和导热性能等等。 当然,除了材料的以上性能外,还要考虑材料的成本、利用率及选购的可能性等。
-3 -5 -1 -2

3.

金属材料

在真空系统设计与制造中常用的金属及其合金材料主要有:低碳钢、不锈钢、铜、铝、镍、金、银、钨、 钼、钽、铌、钛、铟、镓、可伐合金、镍铬(铁)合金、磁性合金、铜合金、铸铁、铸铜、铸铝等。 3.1 铸件 金属铸件由于表面粗糙,微孔较多,很少用于制造高真空系统零件。高级铸铁及有色金属铸件大多用于 制造各种机械真空泵。要求铸件具有较高的致密性,通常采用的铸铁牌号有 HT200、HT250、HT300 等。 铸造铝合金牌号有 ZLl09(AI,Si,Cu,Mg,Ni)、ZL203(AI,Cu)、ZL301(AI,Mg)等。 当工作温度较高时,不应选用含有磷、锌、镉等元素的铜合金铸件。 3.2 钢及不锈钢 3.2.1 钢 碳钢在低真空工作范围内的应用较为普遍。通常根据工艺要求,碳钢制造的真空室内表面需要镀层涂覆 或裸露抛光。除了镀层表面以外,碳钢表面放气速率比不锈钢大的多,尤其是锈蚀表面放气量更大,表面 状态的好坏,是影响碳钢真空性能的主要因素。所以,应尽量使其内表面光滑、无锈。一般情况下工作真 空度越高,则对内表面的要求也越严格。实践表明:室温时由大气渗透到真空中去的气体是很少的。然而, 随着温度的升高,这种渗透量将急剧增加。在室温常压下氢气渗透过低碳钢钢板的速率要比低碳钢的表面 放气率小几个数量级。在室温下氮渗透过低碳钢的速率远低于氨,但是在高温下则相反,故在设计热态工 作真空系统时必须注意。 在真空系统设计中,从材质的综合性能(真空、物理机械性能)考虑,大多采用低碳钢(软钢)为宜。特别是 真空容器的壳体、阀、管道及蒸气流泵的泵体或导流管等往往采用 10#、15#、20#钢及普通碳素结构钢(例 Q235A)。 其特点是韧性良好, 机械强度适中, 具有极好的机械加工性能和焊接性能(这点尤其重要)。 Q235A 属于低碳钢(含碳量≤0.22%),价格便宜,品种规管齐全,容易选购。其主要缺点是;不能用热处理的方法 提高硬度及改善机械性能(可以用渗碳的方法提高表面硬度);抗腐蚀性较差。45#钢则主要用于制造轴类、 杆件、螺纹类零件以及重负荷的传动机件等。另外,低碳钢(特别是 Q235A)具有良好的导磁性,在避免磁 效应干扰的场合,如在离子泵、磁质谱计或含有磁分析器的任何系统结构中都不适用。但特别适用于需要 良好导磁性的结构中,例如磁控溅射靶的磁极靴等。 3.2.2 不锈钢 在真空工程中常用的不锈钢主要有奥氏体型不锈钢和马氏体型不锈钢两种类型。奥氏体型不锈钢中应用 最多的牌号主要有 0Crl8Ni9(304)、lCrl8Ni9Ti 等,它们属于耐热、耐蚀无磁不锈钢,大量应用于真空室壳 体、管路、阀体等;常用的马氏体型不锈钢主要有 0Crl3、lCrl3、2Crl3、3Crl3 等,主要用于具有较高韧 性及受冲击负荷的零件,如耐蚀真空泵叶片、轴类、喷嘴、阀座、阀片等需要一定硬度及耐腐蚀的场合。 真空度在 1.3×10 Pa 以上的高真空和超高真空系统中,最好选用奥氏体无磁不锈钢[例如 lCrl8Ni9Ti, 0Crl8Ni9(304)等]制造真空容器的壳体、管道或其它零部件。这种不锈钢具有优良的抗腐蚀性、放气率低、 无磁性、焊接性好,其导电率及导率较低,能够在-270 C~900 C 范围内工作。并具有高的强度、塑性及 韧性。是目前金属超高真空系统中所应用的主要结构材料。 奥氏体不锈钢可以采用电弧焊、钎焊和氩弧焊的方法进行焊接加工。表 3 给出最常用的奥氏体型不锈钢 (304 型)的性质,304 不锈钢与 lCrl8Ni9Ti 不锈钢的性质相近,其抗腐蚀性能非常好,蒸气压很低、导热率 低,并且是非磁性的。这些性质使得奥氏体不锈钢成为超高真空室、工件架、支架、法兰、螺栓螺母及超 高真空泵(离子泵、低温泵、吸附泵等)等最常用的材料。 不锈钢就其磁性而言,分为有磁性的和无磁性的。通常含有镍元素成份的都是无磁性的。应注意的是, 不锈钢并非绝对非磁性的,而是导磁率很小。而且,冷加工能够增加不锈钢的导磁性。 当需要耐高温、抗腐蚀或需要热处理(淬火或调质等)时,如轴、阀盖、封口等,则采用 2Crl3、3Crl3、 4Crl3 等马氏体不锈钢为宜。但此类不锈钢的防锈性能不如奥氏体不锈钢好。 常用的无磁性不锈钢的主要缺点是抗晶界间腐蚀不稳定,尤其是在焊接时,受热在 450~750 C 的地方,
o o o -4

易在晶界上形成铬的碳化物而降低材料应有的气密性。试验证明:含铬 18%~20%,含镍 10%以下,含 碳低于 0.2%的不锈钢,经过 1050~1150 C 高温处理,可消除上述晶界间不稳定的缺点。 表 3 奥氏体不锈钢的性质 性 质 密度 熔点 比热 热导率 线热膨胀系数 100 500 0~93 0~316 0~538 抗拉强度 杨氏摸量 弹性极限 电阻率 退火 25 700 退火 冷轧 温度(oC)或成形 数 值 7.9 1427 0.12 0.039 0.051 1.59×10
-4 -4 -4 o o





g·cm
o

-3

C
-1 -1 -1 o

cal·g · C
-1

-1 o

cal·cm ·s · C
-1

1.720×10 1.800×10 65 240 19.000 26.5 72.0 110

C

kg·mm

-2

kg·mm kg·mm

-2 -2

? ·cm

3.2.3 不锈复合钢板 不锈复合钢板是以碳钢为基体,以不锈钢为复层经热迭轧制而成的复合钢板。它即满足了真空性能的要 求,又节省了大量不锈钢板,是制造大型真空设备的一种好的代用钢板。其规格、品种和使用温度范围如 表 4、表 5、表 6。 真空设备常用的复合钢板为 lCrl8Ni9Ti 与 Q235A 和 0Crl8Ni9Ti 与 Q235A 的复合板。内径小于 600 mm 的真空装置最好不用复合钢板,因为单面焊接不易保证复层焊接质量,且不易检查。在选择复层厚度时, 除考虑材质的使用年限和加工要求外,还要考虑复合钢板在热迭轧制过程中,当复层厚度为 2~4 mm 时, 复层交界处约有 1/3 复层厚度的增碳层以及复层的负公差等因素。 若仅根据焊接或机械加工的要求, 则简 体复层最小厚度应≥1 mm,封头复层厚度应≥1.5 mm。 表 4 复合钢板规格 厂家 厚度(mm) 6~32 (复层厚 2~4) 4~32 (复层厚 2~3) 宽度(mm) 700,1000,1300, 1400,1500,1600,1700 长度(mm) 2000,2800,3200, 3500,4500,5000

重钢

上钢三厂

1000

1000~2000

表 5 复合钢板品种 复层钢号 基 体 钢 号

A3 1Crl8Ni9Ti 0Crl8Ni9Ti 0Cr18Ni12Mo2Ti 00Cr18Ni9 00Cr18Ni12Mo2 0Cr13 0Cr17Ti 0Cr17Mo2Ti + + + + + +

20Cr + -

16Mn + + + + -

15MnV + -

12CrMo + -

14CrMnMoVB + + -

注:+号为国内产品。

表 6 复合钢板使用温度范围 材 类 型 复 层 Cr18Ni9Ti 奥氏体 类 型复合 钢 板 0Cr17Ti 0Cr17Mo2Ti 14CrMnMoVB Cr18Ni12Mo2Ti 00Cr18Ni9 00Cr18Ni12Mo2 基 体 A3 16Mn 15MnV 09Mn2V 14MnMoVB 400 C
o



使用温 度上限

使用温 度下限 按基体 材料使 用温度 下限

铁素体 类 型复合 钢 板 0Cr13 同上 5 种(09Mn2V 除外 另加 12CrMn15CrMo)

按基体材 料使用温 度上限

按基体 材料使 用温度 下限

3.3 有色金属 3.3.1 镍 镍是真空技术中广泛应用的一种金属。 在许多真空应用中常可以见到镍作为电真空器件中的阴极、 栅极、 阳极、吸气剂和热屏蔽罩以及许多其它机械构件中的基体材料。镍本身可用作基体材料或其它材料的镀层 或许多镍合金中的一种组分。镍比其它普通有色金属的熔点高,蒸气压低,抗拉强度很高,机械加工性很 好,容易成形、除气和点焊,而且价格相对便宜。 镍对各种腐蚀都具有相当好的抵抗能力。另外,Ni 沉积薄膜、Ni 电镀层或 Ni 涂层可使其它材料表面具 有所期望的抗腐蚀性。镍不仅对大气,而且对水、盐水、碱以及大多数的有机酸都具有抗腐蚀性。但镍在 次氯酸、硝酸以及象氯气(T>580 C 时)、溴气、SO2 和 N2+H2+NH3 的混合气体那样的潮湿气体中很容易被 腐蚀。 镍具有铁磁性,它的磁化强度很强,但是它的居里点温度较低,仅为 350 C 左右(见图 2)。可采用向镍
o o

中加钴的方法来提高镍的居里温度。由于镍导磁性好,故在需要避免磁效应的场合应禁止使用。 镍对氢具有很高的可渗透率和溶解度。氢可在镍中形成固溶体。H2、O2、CO、BO2 都能在 Ni 中扩散, 但是惰性气体却不能透过 Ni。当加热到 400~500 C 时,大部分氢气可从 Ni 中排出,而且 Ni 的硬度变化 不大。但是当加热到 T>600 C 时,虽然可使大量溶解在 Ni 中的 CO 放出,却会使 Ni 变脆。 3.3.2 铜 铜具有很高的塑性,良好的导电和导热性能,常用于导电材料。常用的铜类材料有紫铜(纯铜)及铜合金。 黄铜具有较高的塑性,在机械加工和压力加工下可制成形状复杂的零件。但由于其含锌量高,在加热时 会放气影响真空、污染设备,因此其使用温度一般不超过 150 C,多用于低真空中。由于青铜的机械强度 较大,因此多用不含有锡和锌的铝青铜或铍青铜制造真空设备中所用的弹性元件、波纹管、电触点和涡轮 等。 紫铜是真空技术中应用较多的材料,由于普通的紫铜放气困难,普通铜中溶解的氧气在低于铜的软化点 温度下不能释放出来,所以在高真空及超高真空中最常用的是无氧铜,如用作蒸气流泵的喷嘴、障板、冷 阱、密封、电极等。无氧铜是紫铜的一种,表 7 列出了它的某些性质。 表 7 铜的性质 性 质 原子序数 原子量 密度 熔点 比热 热导率 20 20 100 700 线热膨胀系数 布氏(Brinell)硬度 抗拉强度 杨氏模量 刚度 电阻率 电阻率的温度系数 电子逸出功 退火温度 H2 的溶解度 450 100 0~100 铸造 退火 铸造 退火 退火 退火 20 20 温度( C)或成形
o o o o

数 29







63.54 8.3~8.96 1083±0.1 0.092 0.941 0.90 0.84 165×10 36 45~50 16~20 20~25 11700~12600 3900~4800 0.017~0.017 6.8×10 4.46 450~600 6×10 2.5
-2 3 -3 -7 o -1 -2 -2 -3

g·cm
o

C
-1 -1 -1 o

cal·g · C
-1

-1 o

cal·m ·s · C

C

kg·mm kg·mm

kg·mm kg·mm
-2 o -1

-2 -2 -1

·mm m C

eV
o

C

cm (NTP)/100g

无氧铜纯度高(Cu 含量≥99.98%),含氧量极低,又不含有氧化亚铜,在受热时不产生脆裂,故适合于在 超高真空中应用。无氧铜具有良好的延展性和非多孔性,且电导率和热导率极高,故又称无氧高导铜。由 于无氧铜具有良好的真空气密性,对气体的溶解度低,在室温下不渗透氢和氦,而且对氧气和水蒸气的敏 感性差、塑性又好,因此被广泛地用作金属超高真空系统中的可拆卸密封的密封垫片。通常,Cu 的使用温 度不应过高,在 200 C 以上时 Cu 的抗拉强度陡降;当温度超过 500 C 时,Cu 的蒸气压比 Ni 的蒸气压大
o o

约高一个数量级。无氧铜会被氧腐蚀,并在 200 C 以上时产生锈斑。它也会被含氧的酸腐蚀。另外,汞和 汞蒸气对 Cu 也有很强的作用,因此铜一般不应用在用水银作为工作介质的场合。 由于紫铜很软,所以不容易加工出高精度公差。一般铜很难用普通电弧焊或电阻焊接方法进行焊接,但 可以进行锡焊和钎焊(例如用 Ag-Cu 共熔合金、Au-Cu 合金、Au-Ni 共熔合金以及其它合金焊料)。 3.3.3 铝 铝是一种重量轻、延展性相当好的金属。由于铝易于压制成形,且其导电导热性能好(稍次于铜),又是 非磁性材料,故常用作真空室内的轻型支架、放电电极、扩散泵的喷嘴、导流管、挡油障板、分子泵中的 叶片及耐腐蚀镀层等。表 8 给出了铝的某些性质。 表 8 铝的性质 性 质 原子序数 原子量 密度 熔点 比热 20 热导率 线热膨胀系数 布氏(Brinell)硬度 抗拉强度 杨氏模量 刚度 电阻率 电阻率的温度系数 电子逸出功 磁化率(顺磁) 退火温度 H2 的溶解度 580 软化 冷轧 20 300 20 250 100 20 200 20~100 20~300 软化 冷轧 温度( C)或成形
o

o

数 13







26.97 2.70 646~657 0.214 0.225 0.52 0.475 24.0×10 26.7×10 15~25 35~70 7~11 5800~7000 2760 2750 2.8 6.0 4.08×10 4.25×10 4.08 0.65×10
-2 -6 -3 -3 o -6 -6 o

g·cm
o

-3

C
-1

cal·g · C
-1

-1 o

cal·m ·s · C
-1

-1 o

-1

C

kg·mm

-2

kg·mm kg·mm kg·mm

-2 -2 -2

? ·cm
-1

C

eV cgs
o 3

200~450 2×10

C

cm (NTP)/100g

铝在空气中,甚至在潮湿的空气中几乎不受腐蚀,这是因为在它的表面上有一层薄的氧化铝保护膜。铝 对 HCl 和 HNO3 都有良好的抗腐蚀能力,但是溶于 HF、浓 H2SO4、碱和 CO2 也能腐蚀铝。 由于纯铝本身很软,因而可用作密封垫片材料。铝是一种低熔点金属,它的机械强度在 200 C 左右时迅 速下降,而且铝的蒸气压相对较高,因此只能用在 300 C 以下的烘烤真空系统中。但是铝在该温度范围内, 对 H2 的溶解度很低。铝难于进行熔焊和钎焊,一般焊接铝要求特殊的条件(如真空钎焊)。 3.3.4 钛
o o

钛的强度高、重量轻、耐腐蚀,是真空工程中特别有用的金属。表 9 给出了 Ti 的物理性质。钛可以加工 成形,而且没有磁性,因而是理想的结构材料,适合用做镀膜设备中的磁控溅射靶、溅射离子泵的阴极等。

表 9 钛的性质 性 质 原子序数 原子量 密度 熔点 比热 热导率 线热膨胀系数 布氏硬度 抗拉强度 杨氏模量 电子逸出功 电阻率 退火温度 20 1h 软化退火 冷轧 退火 软化退火 0~100 20 温度( C)或成形
o

数 22







47.90 4.51~4.54 1725 0.127 55~61 8.5×10 185 260 52~73 11700 3.0 50 600~800 kg·mm kg·mm eV ? ·cm
o -2 -2 -6

g·cm
o

-3

C
-1 -1

cal·g · C cal·g · C
o -1 o -1

-1 o

C

kg·mm

-2

C

钛对活性气体(如 O2、N2、CO、CO2 以及 650 C 以上的水蒸气)的吸附性很强,蒸发在泵壁上的新鲜 Ti 膜形成一个高吸附能力的表面,这一性质使得 Ti 在超高真空抽气系统中作为吸气剂而得到广泛的应用,如 用在钛升华泵、溅射离子泵等。 Ti 也象 Al、zr 及不锈钢那样,表面上有氧化膜保护层,因而具有抗腐蚀性。但应避免在 H2 气氛中加热 Ti,因为这样能迅速形成 TiH。 Ti 可以用高速钢刀具进行机械加工。可以用多种焊接方法对 Ti 进行焊接,焊接一般应在保护性气体下进 行,因为吸附的各种气体会使钛脆化、形成薄膜、翘曲和变形。 3.3.5 锆 纯锆是一种特别活泼的金属,可以用来作吸气剂(如锆铝吸气泵),它特别对氢气及氢的同位素氘、氚等 有较强的吸附能力。表 10 给出了 Zr 的某些性质。 表 10 锆的性质 性 质 原子序数 原子量 密度 熔点 比热 热导率 线热膨胀系数 25 125 20~200 20~400 20 温度( C)或成形
o

o

数 40







91.22 6.52 1857 0.07 0.035±5% 5.4×10 6.9×10
-6 -6

g·cm
o

-3

C
-1 -1 -1 o

cal·g · C
-1 o -1

-1 o

cal·m ·s · C C

布氏硬度 抗拉强度 杨氏模量 电阻率 电阻率的温度系数 电子逸出功 退火温度 H2 的溶解度

退火 硬化 退火 退火 20 0~100

67 150 65 8000 40 0.0044 4.1~4.2

kg·mm

-2

kg·mm kg·mm
o -1

-2 -2

? ·cm C

eV
o

30 min 375

527 2.4×10
-2 3

C

cm (NTP)/100g

Zr 的中子截面很小,因而可用作中子窗。Zr 的二次电子发射产额低,可以将它镀在其它的基体材料上来 利用 zr 的这一特性。 因为 Zr 的表面上有一层氧化膜, 故有良好的抗腐蚀性。 对 HCl、 Zr HNO2、 H2SO4、 稀 H3PO4 以及碱都具有稳定性,但能被热的浓 H2SO4 和王水腐蚀。 Zr 的机械加工性能类似于黄铜,可与 Mo 或 W 点焊,但不能用 Ag 钎焊。可以在 Zr 中加入少量的 Mo 以增加 Zr 的强度,否则 zr 一受热便变软。 3.3.6 镉、锌 镉与锌常用做螺栓、 螺母和其它零件的防锈镀层。 但由于它们的蒸气压很高(如镉在 150oC 时为 10-3Pa; 300oC


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