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#必备真空泵原理其特点

一．原理

CG-17玻璃三级高真空油扩散泵GG－17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10-２Pa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2000~4000Pa，串联大气喷射器可达270~670Pa。

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1~2×105Pa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。

因为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。

因为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，因为离心力的作用，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。

因为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。

因为转子的不断旋转，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。

因为吸气后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，因为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101325~1.33×10-2

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1.33×10-1

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。

因为空间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<℃）

10-2Pa

10-1Pa

1Pa

10Pa

133Pa

1035

1141

1273

1422

1628

1038

848

936

1047

1184

1353

961

1029

1130

1246

1395

1582

1284

301

331

343

515

605

651

463

528

605

700

817

851

406

546

629

730

858

717

248

292

323

405

419

180

220

264

321

-5.5

126

-38.9

808

889

996

1123

1179

660

377

439

514

607

725

179

195

238

291

356

437

123

161

207

265

338

746

840

952

1088

1260

157

2288

2471

2681

2926

3214

1116

1223

1343

1485

1670

1410

1249

1384

1546

1742

1721

1660

1861

2001

2212

2549

1830

922

1042

1189

1373

1609

232

548

625

718

832

975

328

1586

1726

1888

2079

2207

1697

2355

2539

2415

2599

2820

2996

536

609

693

802

934

271

992

1090

1205

1342

1504

1890

2095

2290

2533

2625

791

873

980

1103

1251

1244

1195

1330

1447

1602

1783

1535

2767

3016

3309

3410

1257

1371

1510

1679

1884

1455

1744

1904

2090

2313

2582

1774

1190

1316

1465

1646

1867

1063

<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：

Mo≒2M+2O2O→O2↑

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

1.33×104

1.33×103

1.33×102

1.33×10

1.33

1.33×10-1

1.33×10-2

1.33×10-3

托

100

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

相对杂质含量

13.2

1.32

0.132

1.32×10-2

1.32×10-3

1.32×10-4

1.32×10-5

1.32×10-6

PPM（百万分比>

1320

132

13.2

1.32

0.132

0.0132

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

退火温度<℃）

冷却方式

QSn4-3

13.3~1.33

600

炉冷

QSn4-4-2.5

QSn6.5-0.4

600~650

QSn4-0.3

QAl9-2

13.3~1.33

600~750

QAl9-4

700~750

QAl10-3-1.5

650~750

QAl10-4-4

650~750

QAl10-5

600~700

QAl10-7

650~750

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

冷却方式

紫铜T1、T2T3、T4

600~700

133~13.3

炉冷或惰性气体冷

黄铜H96

H90

H80

H70

H68H62

H59-1

200

260

260~270

270~300

540~600

650~720

600~700

520~650

600~700

600~670

13.3~1.33

HSn70-1

HSn62-1

HAl77-2

HAl59-3-2

HMn58-2

HFe59-1-1

HPb74-3

HPb64-3

HPb63-3

HPb60-1

300~350

350~370

300~350

350~400

560~580

550~650

600~650

620~670

620~650

600~650

133~13.3

13.3~1.33

表十五铍青铜时效工艺参数

材料牌号

时效温度<℃）

真空度

时间<小时）

QBe2

QBe2.5

300

285

320

1~10-2

3~5

3~4

<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

铜

800

2.7×10-3

镍

800~950

1.3×10-3

铁与铁合金，硅钢，不锈钢

＞900

4×10-2

钼

＞1450

6.7×10-3

钨

＞1400

6.7×10-3

钛

810

1.3×10-3

钽

900~950

1.3×10-3

<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Hc＜10奥斯特为软磁，Hc=10-300奥斯特为半硬磁，Hc＞300奥斯特为硬磁。

目前广泛应用于氢气退火和真空退火。

①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

②硅钢片的真空退火见图八。

图八硅钢片真空退火工艺曲线

③Fe-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

冷却方式

1J46

随炉升温1050~1150

3~6

10-1~10-3

100~200℃/h冷至300℃后快冷＜100℃出炉

1J50

1J79

1J51

1~2

1J54

随炉升温1100~1150

8~6

1~10-1

100℃/h冷至300℃移至冷却室，冷至100℃以下出炉

1J80

100~200℃/h冷至400℃移至冷却室冷至100℃以下出炉

1J85

随炉升温1100~1200

10-1~10-3

100~200℃/小时冷至480℃后快冷至100℃以下出炉

1J77

1~10-1

100~150℃/h冷至500℃后，以30~50℃/h冷至300℃，再快冷到100℃出炉。

1J76

随炉升温1100~1150

100℃/h冷至500℃后，以10~50℃/h冷至300℃，再快冷到＜100℃出炉。

1J52

随炉升温1050~1150

1~2

10-1~10-3

100~200℃/h冷至600℃快冷至300℃，＜100℃出炉

1J83

3~5

100~200℃/h冷至600℃再稍快冷至100℃以下出炉

1J86

随炉升温1100~1200

8~6

100℃/h冷至600℃后以30~100℃/h冷至300℃，＜100℃出炉

1J41

随炉升温1100~1150

2~4

1~10-1

100℃/h冷至600℃稍快冷至300℃，100℃以下出炉

1J42

1J47

1~2

10-1~10-3

150℃/h冷至300~400℃后快冷至＜100℃出炉

④Fe-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

冷却方式

1J16

缓慢升温950~1150

10-1~10-3

200~150℃/h炉冷，100℃以下出炉

1J13

随炉升温900~950

100℃/h冷至600℃，60℃/h冷至200℃，＜100℃出炉。

1J12

随炉升温1050~1200

2~3

100~150℃/h冷至500℃快冷至200℃，＜100℃出炉

1J6

100~150℃/h冷至250℃，＜100℃出炉

1J8

随炉升温

700℃以后

50~200℃/h升至1200~1220

50~150℃/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；

①钢铁材料：

表十九钢的真空退火工艺参数

材料

真空度

退火温度<℃）

冷却方式

1.3~1.3×10-1

850~870

炉冷或气冷，≈300℃出炉

0.35~0.6卷钢丝

1.3×10-1

750~800

炉冷或气冷，=200℃出炉

40Cr

1.3×10-1

890~910

缓冷，≈300℃出炉

Cr12MO

1.3×10-1以上

850~870

720~750℃，等温4~5小时炉冷

W18Cr4V

1.3×10-1

870~890

720~750℃，等温4~5小时炉冷

空冷低合金模具钢

1.3

780~870

缓冷

高碳铬冷作模具钢

1.3

870~900

缓冷

W9~18热模具钢

1.3

815~900

缓冷

②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

热变形后去氧化皮代替酸洗退火

900~1050

13.3~1.3

退火

1100

1050~1150

1.3×10-1~0.7×10-2

1.3~1.3×10-1

电真空零件退火

950~1000

1.3~4×10-3

带料在电子束设备中退火

1050~1150

1.3×10-2~1.3×10-3

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

铁素体类

Cr12~14，CO.08<最多）

630~830

1.3~1.3×10-1

马氏体类

Cr14，C0.4，Cr16~18，C0.9

830~900

1.3~1.3×10-1

奥氏体类<未稳定化）

Cr18，Ni8

1010~1120

1.3~1.3×10-1

奥氏体类<稳定化）

Cr18，Ni8，N61或Ti

950~1120

1.3×10-2~1.3×10-3

2、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1~1×10-2Pa时开始加热，当保温结束，升压到0.8×105Pa，工件油淬或回填到5×105Pa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

<美）S-2

<美）S-3

<美）S-4

<美）S-5

油淬火钢

<美）0-1

<美）0-2<9Mn2v）

<美）0-6

<美）0-7

<美）4140<40CrMnMo）

<美）4340

<美）52100

空气淬火钢

<美>A-2

<美>A-6

<美>A-7

<美>D-1

<美>D-2

<美>D-4

<美>D-5

<美>D-7

<美>H-11

<美>H-14

<美>H-21

<美>H-22

高速钢W系

<美>T-1

<美>T-2

<美>T-3

<美>T-4

<美>T-5

<美>T-15

高速钢Mo系

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