1、第一章第一章 真空冶金理论与技术基础真空冶金理论与技术基础真空的概念真空的概念： “真空”是一种不存在任何物质的空间状态。现实中的真空是针对大气而言，将某一特定空间内的部份物质排出，使其压强小于一个标准大气压，则称此空间为真空或真空状态。“声音声音”如何传播？电磁波如何传播？如何传播？电磁波如何传播？ 工业上的真空是一种程度上的区别：即当容器内没有压力（绝对压力等于零）时，称完全真空；而把低于大气压力的部分叫做真空，即处在不完全真空状态。1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况1643意大利数学家托里拆利进行的大气压力试验意大利数学家托里拆利进行的大气压力试验1654德国葛利克进行的马德堡半
2、球试验德国葛利克进行的马德堡半球试验真空的形成：真空的形成：1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况真空的获得：真空的获得：活塞泵葛利克最早获得了真空水环泵、旋片泵、滑阀泵、罗茨泵可以方便地获得真空分子泵、扩散泵、多级喷射泵进一步提高了真空度钛泵、冷凝泵即可获得高真空，系统内又保持无油，降低了污染1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况真空的测量：真空的测量：U形水银真空计测量310-1乇以上的粗真空麦氏真空计可以测量1.3310-4Pa的低真空，由1874年麦克劳发明热偶真空计可测量的压力范围在1300Pa之间 电阻真空计、电离真空计可测量更高的真空度（10-5）1.1真空冶金的发展概况
3、真空冶金的发展概况真空理论的发展：真空理论的发展：理想气体的压力-体积定律1662年波义耳提出伯努利气体方程1783年伯努利提出气体温度-体积定律1802年查理兹提出 气体分子速度分布定律1895年麦克斯韦提出1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况真空技术的应用：真空技术的应用：与现代科技的结合：与现代科技的结合：真空中的放电和粒子运动电子管、电子枪、电镜现代粒子加速器整个系统放在真空度极高的真空室内 人造卫星的环境模拟室残余压力达到10-7Pa拉单晶、半导体掺杂技术必须在超高真空下进行与人们日常生活的结合：与人们日常生活的结合：物质运输、保存储藏、干燥脱水、绝缘、制冷(Vacuum Co
4、oling)、热处理、蒸发、镀膜等。与冶金技术的结合：与冶金技术的结合：难熔金属的熔铸、稀有金属的生产（真空蒸馏、还原、烧结)和高纯金属的制备（区熔、提纯精炼）。1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况真空技术对传统工艺的改造：真空技术对传统工艺的改造：铅中杂质锌的去除：氧化脱锌法真空脱锌法铅锡合金的分离：氯化物溶液电解法真空蒸铅法真空技术的发展：真空技术的发展：电子束轰击固态金属加热熔炼1905年皮拉尼钢水脱气1920年前苏联真空感应熔炼1923年德国 水冷铜坩埚自耗真空电弧熔炼1935年荷普金斯真空中碘化法提纯V、Nb、Ta、U、Cr、Th、Ti、Hf1939年博尔1.1真空冶金的发展概
5、况真空冶金的发展概况1、有利于一切增容反应，例如：、有利于一切增容反应，例如：（1）物质的气化： M凝聚态M气态，金属的气化、蒸发，在真空中物质的沸点降低。（2）氧化物MO被还原剂还原：R+MO凝聚态M凝聚态+RO气态，金属氧化物还原成固态或液态金属。（3）金属氧化物被还原成气态金属：R+MO凝聚态M气态+RO气态。（4）溶解了气体G的金属放出气体：G金属G（5）金属与气体生成的化合物分解出气体：MGM+G，金属化合物的热分解。 真空对上述过程都有利，或是加快了反应进行的速度或是降低反应进行的温度。真空冶金的特点：真空冶金的特点：1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况2、真空中气体稀薄，很
6、少有气体参加反应、真空中气体稀薄，很少有气体参加反应 金属在真空中溶化时不会溶解气体；金属在真空中加热到较高温度时不会氧化，即无论金属呈固体或液体都极少在真空中氧化；气体遵循理想气体方程。真空冶金的特点：真空冶金的特点：3、可控制系统内外物质流动、可控制系统内外物质流动 真空系统是一个较为密闭的体系，与大气基本隔开，只通过管道和泵将真空系统中的残余气体送入大气，大气不能经泵进入真空系统，系统内外的物质流动完全处于控制之下。真空系统由容器（体积为V)、管道和泵组成。在真空条件下烧结不仅致密化效果好，而且可以起到净化和还原作用并降低烧结温度。分子入射率：单位时间内向单位面积的器壁上碰撞的分子数目。
7、系统检漏：充气法、抽气法因而它是改善钢材质量、提高钢材的机械性能和物理性能的重要手段。级间加喷水冷凝器，使蒸气冷凝成水，减少气量，减轻下一级的负担。p1、 p2-容器、泵入口处的压强g / (cm2s)规管安装要保持垂直，防止造成误差。蒸气喷射泵：单级喷射泵的降低压强的能力不大，一般要多级串联使用。但在降低容器内压强，抽速急剧下降。72，此类表达式仅在最初的10h内与实际抽气曲线相符。2、处理工艺的发展概况013105Pa=760mmHg当t=0时，初始压强0.1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况4、没有污染、没有污染 如果冶金过程需要较高的温度，则加热系统一般用电在炉内加热，因而真空系
8、统没有燃料燃烧所带来的问题。如含SO2气体的排放对环境的污染等问题。真空冶金的特点：真空冶金的特点：5、气体分子小、气体分子小 金属或氧化物在真空中形成气体之后，气体分子很小或很分散。在真空中多原子分子倾向于分解成较少原子组成的分子，形成的气体分子很小，粒径一般在10-10米。1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况1、真空还原、真空还原 在真空下用在真空下用C、Al、Si等还原剂还原金属氧化物或化合物制取金属。真等还原剂还原金属氧化物或化合物制取金属。真空还原可以大大降低还原温度，完成一些常压下无法完成的作业。空还原可以大大降低还原温度，完成一些常压下无法完成的作业。 以以C还原五氧化二铌
9、为例：常压下还原五氧化二铌为例：常压下C不能全部还原铌，而是生成各种碳不能全部还原铌，而是生成各种碳化铌，最高还原温度达到化铌，最高还原温度达到2834K 。但当真空度达到。但当真空度达到 10-2Pa时，其开始还原时，其开始还原温度降至温度降至1956K，当在，当在10-4帕时降至帕时降至1694K。其它钒、钽、钛、锆、钨、。其它钒、钽、钛、锆、钨、钼的情况也类似。真空条件下还可用碳或碳化物还原碱金属和碱土金属。钼的情况也类似。真空条件下还可用碳或碳化物还原碱金属和碱土金属。主要的真空冶金方法：主要的真空冶金方法：2、真空镀膜、真空镀膜 真空镀膜是在真空下（真空镀膜是在真空下（1 10-8帕
10、）利用金属蒸气或溅射使金属的原子帕）利用金属蒸气或溅射使金属的原子或离子凝结在其它金属或材料上，形成所需要的金属膜或覆盖层。冶金工或离子凝结在其它金属或材料上，形成所需要的金属膜或覆盖层。冶金工业常用的有真空镀铝或锡，真空镀镉、镍、锆或不锈钢。业常用的有真空镀铝或锡，真空镀镉、镍、锆或不锈钢。1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况3、真空熔炼、真空熔炼（1）真空感应熔炼：用处于真空室内的高频感应炉或中频感应炉熔炼金属。主）真空感应熔炼：用处于真空室内的高频感应炉或中频感应炉熔炼金属。主要用于熔炼高温合金、高强度钢和超高强度钢。要用于熔炼高温合金、高强度钢和超高强度钢。（2）真空电弧熔炼：在
11、真空条件下通过低电压、大电流来加热熔化金属。电极）真空电弧熔炼：在真空条件下通过低电压、大电流来加热熔化金属。电极可以是自耗的，也可以是不损耗的。主要用于钨、钼、钽、铌、钛等的熔炼。可以是自耗的，也可以是不损耗的。主要用于钨、钼、钽、铌、钛等的熔炼。（3）电渣熔炼：在真空条件下以电流通过作为电阻体的电渣使电能转化为热能）电渣熔炼：在真空条件下以电流通过作为电阻体的电渣使电能转化为热能来熔炼金属或合金的火法精炼方法。一般采用经电弧炉、感应炉及其他熔炼炉来熔炼金属或合金的火法精炼方法。一般采用经电弧炉、感应炉及其他熔炼炉熔铸的锭坯为自耗电极，或其碎块废料作炉料，以熔铸的锭坯为自耗电极，或其碎块废料
12、作炉料，以CaF2-Al2O3基电渣为熔剂，基电渣为熔剂，在水冷铜质坩埚中和电渣保护下进行金属或合金的重熔。在水冷铜质坩埚中和电渣保护下进行金属或合金的重熔。（4）电）电 子子 束束 熔熔 炼（也称炼（也称 电电 子子 轰击轰击 熔熔 炼）：在炼）：在 较较 高高 真真 空空 下下(1.3310-2 1.3310-6Pa)用一个或数个阴极电子枪发射出高能电子束，轰击作为阳极的被用一个或数个阴极电子枪发射出高能电子束，轰击作为阳极的被熔物料，使电子动能转化为热能而把炉料熔化，并滴入水冷铜结晶器而凝固成熔物料，使电子动能转化为热能而把炉料熔化，并滴入水冷铜结晶器而凝固成锭坯。锭坯。主要的真空冶金方
13、法：主要的真空冶金方法：1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况4、真空蒸馏和精炼、真空蒸馏和精炼 真空蒸馏和精炼是利用真空蒸发技术除去杂质以提纯材料的一种方法。真空蒸馏和精炼是利用真空蒸发技术除去杂质以提纯材料的一种方法。主要有两种冶金方法主要有两种冶金方法 ：一种是真空蒸馏分离，即在真空下依靠不同金属间：一种是真空蒸馏分离，即在真空下依靠不同金属间蒸气压的差别，通过挥发和冷凝过程来提纯或分离金属。工业上多在电阻蒸气压的差别，通过挥发和冷凝过程来提纯或分离金属。工业上多在电阻炉或感应炉中进行蒸馏。另一种是化学迁移反应法，即利用金属与气体物炉或感应炉中进行蒸馏。另一种是化学迁移反应法，即利用
14、金属与气体物质反应生成化合物，迁移到另外的部位后再发生逆反应，生成气体产物与质反应生成化合物，迁移到另外的部位后再发生逆反应，生成气体产物与纯金属。纯金属。主要的真空冶金方法：主要的真空冶金方法：5、真空烧结、真空烧结 真空烧结是指在真空下（真空烧结是指在真空下（10 10-3Pa）将金属、合金或金属化合物粉末）将金属、合金或金属化合物粉末在低于熔点的温度下烧结成金属制品和金属坯。在真空条件下烧结不仅致在低于熔点的温度下烧结成金属制品和金属坯。在真空条件下烧结不仅致密化效果好，而且可以起到净化和还原作用并降低烧结温度。与常温烧结密化效果好，而且可以起到净化和还原作用并降低烧结温度。与常温烧结相
15、比可降低相比可降低100150，降低能耗，可提高炉子寿命和获得高质量产品。，降低能耗，可提高炉子寿命和获得高质量产品。1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况6、真空脱气、真空脱气 真空脱气是指在真空下从液态金属或合金中脱去有害气体（氧、氢、氮真空脱气是指在真空下从液态金属或合金中脱去有害气体（氧、氢、氮等）的方法。经过脱气处理过的金属，在熔铸时不会因放出气体影响金属等）的方法。经过脱气处理过的金属，在熔铸时不会因放出气体影响金属的结构，并因减少晶粒边界的杂质而明显提高金属强度和物理性能。因而的结构，并因减少晶粒边界的杂质而明显提高金属强度和物理性能。因而它是改善钢材质量、提高钢材的机械性能
16、和物理性能的重要手段。它是改善钢材质量、提高钢材的机械性能和物理性能的重要手段。主要的真空冶金方法：主要的真空冶金方法：7、真空热处理、真空热处理 真空热处理是在真空下（真空热处理是在真空下（110-8帕）加热处理金属，使其组织结构发生帕）加热处理金属，使其组织结构发生转变，改善金属的物理、化学性能。真空热处理主要分真空淬火、真空退转变，改善金属的物理、化学性能。真空热处理主要分真空淬火、真空退火和真空化学处理三大类。真空淬火是在真空下加热，然后在不同的冷却火和真空化学处理三大类。真空淬火是在真空下加热，然后在不同的冷却介质中冷却。真空退火主要用于处理高温合金、难熔金属和合金。真空化介质中冷却
17、。真空退火主要用于处理高温合金、难熔金属和合金。真空化学热处理常用的有真空渗碳、真空碳氮共渗、真空离子渗碳、真空渗铬、学热处理常用的有真空渗碳、真空碳氮共渗、真空离子渗碳、真空渗铬、等离子渗铍等。等离子渗铍等。1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况1、真空冶金及特种熔炼技术的发展方向、真空冶金及特种熔炼技术的发展方向（1）传统冶金的某些具体过程适合于真空冶金技术的可以用真空冶金技）传统冶金的某些具体过程适合于真空冶金技术的可以用真空冶金技术代替。术代替。（2）新型真空冶金设备的研制。）新型真空冶金设备的研制。（3）对某些物料研究新的真空冶金方法、新设备及新流程。）对某些物料研究新的真空冶金
18、方法、新设备及新流程。（4）真空冶金用于新材料的研制。）真空冶金用于新材料的研制。（5）有熔渣存在条件下的真空熔炼）有熔渣存在条件下的真空熔炼( 包括重熔包括重熔 ) 技术开发。技术开发。（6）新型特种熔炼技术的发展或同一特种熔炼技术应用领域的拓宽。）新型特种熔炼技术的发展或同一特种熔炼技术应用领域的拓宽。（7）特种冶炼过程及冶金质量控制的数值模拟和计算机控制。）特种冶炼过程及冶金质量控制的数值模拟和计算机控制。（8）零夹杂物超纯高温合金及特种钢的生产。）零夹杂物超纯高温合金及特种钢的生产。真空冶金的发展方向：真空冶金的发展方向：1.1真空冶金的发展概况真空冶金的发展概况2、真空冶金新技术发展
19、方向、真空冶金新技术发展方向（1）冷坩埚熔炼：冷坩埚熔炼称为感应壳熔炼。它起源于悬浮熔炼和感应渣）冷坩埚熔炼：冷坩埚熔炼称为感应壳熔炼。它起源于悬浮熔炼和感应渣熔炼。研究这种熔炼方法的目的在于无污染地熔炼活泼金属和难熔金属。熔炼。研究这种熔炼方法的目的在于无污染地熔炼活泼金属和难熔金属。（2）真空电弧双电极重熔（）真空电弧双电极重熔（VADER）：它是一种制备等轴细晶锭的重熔方）：它是一种制备等轴细晶锭的重熔方法。相比于真空熔炼工艺更为新颖，出现于法。相比于真空熔炼工艺更为新颖，出现于20世纪世纪70年代后期。该方法的缺年代后期。该方法的缺点是存在严重的宏观和微观偏析。点是存在严重的宏观和微观
20、偏析。（3）新一代的电子束熔炼：电）新一代的电子束熔炼：电 子子 束束 连连 续续 熔熔 炼（炼（EBCHM 或或EBCHR）允）允许将熔化、精炼与最终的凝固分开。在防止熔融金属中不溶组分流入许将熔化、精炼与最终的凝固分开。在防止熔融金属中不溶组分流入铸件的同时，它提供了足够的停留时间来进行与熔化速率独立的挥发反应，铸件的同时，它提供了足够的停留时间来进行与熔化速率独立的挥发反应，可将不需要的残存物和杂质元素蒸发到几乎探测不出的水平。可将不需要的残存物和杂质元素蒸发到几乎探测不出的水平。（4）喷雾成型法：它的特点是偏析少、晶粒细，可直接成型各种形状的坯料，）喷雾成型法：它的特点是偏析少、晶粒细
21、，可直接成型各种形状的坯料，可制备复合材料。可制备复合材料。（5）高压下的电渣重熔：该方法包括钢包电渣精炼、电渣浇注、连续电渣渣）高压下的电渣重熔：该方法包括钢包电渣精炼、电渣浇注、连续电渣渣洗、电渣热封顶、电渣熔铸的新突破、电渣堆焊、电渣表面镀膜等。洗、电渣热封顶、电渣熔铸的新突破、电渣堆焊、电渣表面镀膜等。真空冶金的发展方向：真空冶金的发展方向：1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征真空度的量度：真空度的量度：不同压强单位之间的换算关系不同压强单位之间的换算关系量度单位：Pa（1Pa=1N/m2)标准大气压：1atm=1.013105Pa=760mmHg（4）溶解了气体G的金属放出气
22、体：G金属G工作原理：电加热器将泵内的油加热，油蒸气沿中心导管上升至各层的伞形喷嘴高速喷出，形成一定方向的射流。6710240Pa 五级6.实际上应用上述公式计算时采用试算法，即先假定一个压强分布来计算出各管道的流导，然后再验算比较。设P0=0, 则可解得各段分压为：真空热处理主要分真空淬火、真空退火和真空化学处理三大类。抽气时应设过滤层，防止冷凝物和尘粒粘附在转子和泵壳内表面上。平均自由程 ：一个分子连续两次碰撞之间移动的距离称为“自由程”。g / (cm2s)5、难熔金属（Mo、W）的真空烧结黏滞-分子流状态：既有气体内摩擦还有个别分子独立的热运动。真空对上述过程都有利，或是加快了反应进行
23、的速度或是降低反应进行的温度。2 真空环境的基本特征麦氏真空计：一般麦氏真空计的测量范围1021.真空系统串联管道的压强分布示意图1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征气体分子的运动：气体分子的运动：阿伏伽德罗常数阿伏伽德罗常数： 1mol物质物质 2316.023 10ANmol洛西密特数洛西密特数： 1cm3气体气体 231936.023 10/(22.4 1000)2.687 10ncm分子密度分子密度n ：理想状态下单位体积内的分子数：理想状态下单位体积内的分子数：AVpVnRTN ANWnMVApNnRT231666.023 107.248 10/8.314 10pnp TT可
24、得可得T=273.15K的的n-p关系关系：p/Pa1.01105133.31.3310-6n/cm-32.68710193.53510163.545108在在1.3310-6Pa高真空中仍有高真空中仍有3.5亿个气体分子亿个气体分子1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征气体分子的运动：气体分子的运动：气体分子之间的距离气体分子之间的距离L（cm）：）：T=273.15K时时L-p关系关系：p/Pa1.01105133.31.3310-6L/cm2.810-73.010-63.010-3分子间距比分子直径（约分子间距比分子直径（约10-8cm）大，达到）大，达到101105倍倍31Ln6
25、32.4 10/LTp1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征气体分子的运动：气体分子的运动：麦克斯韦气体分子运动速度分布律麦克斯韦气体分子运动速度分布律：421.411.28 10BRTRTTvMMM12NvvvvN最可几速度最可几速度vB：气体中具有此种速度的分子数最多：气体中具有此种速度的分子数最多方均根速度方均根速度 ：2v222212NvvvvN2431.578 10RTTvMM算术平均速度算术平均速度 ：v1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征1.128Bvv2Bvvv21.225Bvv气体分子的运动：气体分子的运动：麦克斯韦气体分子运动速度分布律麦克斯韦气体分子运动速度
26、分布律：三种速度的大小顺序三种速度的大小顺序： 与T、M的关系2v气体分子都以不同的速度在运动，运动的速度与每个分子的质量和分子的温度有关。气体分子都以不同的速度在运动，运动的速度与每个分子的质量和分子的温度有关。选取不同的分子运动速度取决于其在所研究过程所起的作用。如研究气体选取不同的分子运动速度取决于其在所研究过程所起的作用。如研究气体流动时流动时用算用算术平均速度，讨论分子术平均速度，讨论分子运动时运动时用方均根速度。用方均根速度。气体气体MH2N2O2Hg /cms-10183849346118420 19045114781912v1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征气体分子自
27、由程和真空度划分：气体分子自由程和真空度划分：l2r平均自由程平均自由程 ：一个分子连续两次碰撞之间移动的距离称为一个分子连续两次碰撞之间移动的距离称为“自由程自由程”。在此距离。在此距离内分子自由运动，没有发生碰撞。众多分子自由程的平均值被称作内分子自由运动，没有发生碰撞。众多分子自由程的平均值被称作“平均自由程平均自由程”。气体分子自由程由气体分子速度和分子间的碰撞数来确定。气体分子自由程由气体分子速度和分子间的碰撞数来确定。若气体分子直径为若气体分子直径为d, 半径为半径为r, 分子密度为分子密度为n，则其运动时就要与半径为，则其运动时就要与半径为2r、长度为、长度为l的的圆筒中的分子碰
28、撞，那么单位时间内平均碰撞数圆筒中的分子碰撞，那么单位时间内平均碰撞数 ：Z22(2 )Zrl nd l n若气体分子移动了若气体分子移动了l 距离，碰撞了距离，碰撞了 次，则平均自由程为次，则平均自由程为：Z21()ld nZ1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征气体分子自由程和真空度划分：气体分子自由程和真空度划分：由于圆筒中的分子都在运动，碰撞次数要大于由于圆筒中的分子都在运动，碰撞次数要大于 次，那么次，那么：Z212 d n代入代入 ，得：，得：molAANWRTRpTnkTMVVN22kTd p201822()()2.33 103.111 10torrPaTTd pd p整理
29、：1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征pK3()()5 10/0.66/torrPapp 气体分子自由程和真空度划分：气体分子自由程和真空度划分：空气在空气在20时时：122211pnpn即即：其中：其中：K为常数，对于一定气体，压强由为常数，对于一定气体，压强由P1变得变得P2，相应的分子密度为，相应的分子密度为n1和和n2, 则：则：空气在室温下空气在室温下 的数值关系：的数值关系：pp /Pa1.01105133.31.3310-11.3310-4/cm710-6510-3551031.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征 与温度的关系与温度的关系（sutherland)：T
30、TCT气体分子自由程和真空度划分：气体分子自由程和真空度划分：A、B两种气体混合后的平均自由程两种气体混合后的平均自由程：式中：式中： 为不考虑温度影响时计算得到的为不考虑温度影响时计算得到的 ，温度为，温度为T时的时的 之值为之值为 ；C为为Sutherland常数。常数。T22121AAAABA BBmn dn dm22121BBBBAA BAmn dn dm式中式中: mA和和mB分别为气体分别为气体A和和B的单个分子的质量；的单个分子的质量；dA-B是两种分子的平均直径。是两种分子的平均直径。气体分子在平均自由程中持续的时间气体分子在平均自由程中持续的时间t：/tl1.2 真空环境的基
31、本特征真空环境的基本特征气体分子自由程和真空度划分：气体分子自由程和真空度划分：真空度的划分真空度的划分容器内气体分子之间会发生碰撞，气体分子还会与器壁碰撞，两种碰撞以哪一种为主，视容器内气体分子之间会发生碰撞，气体分子还会与器壁碰撞，两种碰撞以哪一种为主，视 和容器的有效尺寸和容器的有效尺寸D而定。而定。DD 、D与气体分子运动路径的关系与气体分子运动路径的关系（a） D; （b） D真空度压强/Pa/D气体性质低真空1.01105 133.3D黏滞流中真空133.3 1.3310-1 与D相近黏滞-分子流高真空1.3310-1 1.3310-5 D分子流超高真空1.3310-6 1.331
32、0-10 极高真空1.3310-101.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征气体分子与容器壁的碰撞：气体分子与容器壁的碰撞：计算可知计算可知25时空气的时空气的-p对应值为：对应值为：分子入射率分子入射率：单位时间内向单位面积的器壁上碰撞的分子数目。：单位时间内向单位面积的器壁上碰撞的分子数目。14nv代入：代入： 和和 /()AnpNRT12(8/)vRTM20()12.6 10PapMT12AN pRMT整理整理：p /Pa1.01105133.31.3310/(cm2s)-12.8810233.7810203.781017真空系统的抽气方程：即任意时刻容器中气体量的瞬时净增量为：2
33、真空环境的基本特征2 真空环境的基本特征活塞泵葛利克最早获得了真空实际上应用上述公式计算时采用试算法，即先假定一个压强分布来计算出各管道的流导，然后再验算比较。2 真空环境的基本特征气体温度-体积定律1802年查理兹提出当真空系统抽至某一稳定压强时，即dp/dt=0，此时 Q(t) Qconst ，则Q(t) 可以忽略，则：2、真空冶金新技术发展方向真空化学热处理常用的有真空渗碳、真空碳氮共渗、真空离子渗碳、真空渗铬、等离子渗铍等。代入 ，得：3、真空处理依据的原理（热力学判据、动力学条件）4、工艺流程和技术特点系统漏气：各部件、管道接头处可能存在缝隙，部件焊缝处存在孔和缝，部件材料本身可能有
34、微小孔隙。漏气速率：在环境温度为233条件下漏孔一端为1个标准大气压，另一端为真空状态时单位时间内漏过的干燥空气量。在真空中（分子流的条件下），物质表面的分子飞向空间形成的蒸发（由液相变为气相）在真空中（分子流的条件下），物质表面的分子飞向空间形成的蒸发（由液相变为气相）或升华（由固体变成气体），达到平衡时飞出的分子数等于分子入射率，即为物质的蒸发或升华（由固体变成气体），达到平衡时飞出的分子数等于分子入射率，即为物质的蒸发速率。速率。1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征物质的蒸发速率：物质的蒸发速率：式中：式中：为适应系数或蒸发系数，为适应系数或蒸发系数，m为每个分子的摩尔质量。进一
35、步整理得：为每个分子的摩尔质量。进一步整理得：m 122AAMMN ppNRMTRT进一步整理：进一步整理：4()4.37 10aPMpTg / (cm2s)该公式由该公式由朗格缪尔朗格缪尔推导，用以计算分子蒸馏时的蒸发速率。近期研究认为：推导，用以计算分子蒸馏时的蒸发速率。近期研究认为： 与温度、金与温度、金属种类有关。属种类有关。表面吸附表面吸附：当气体分子碰撞固体表面时，就可能被该表面所当气体分子碰撞固体表面时，就可能被该表面所“捕获捕获”，暂时停留在其上面，暂时停留在其上面。吸附热吸附热：1mol气体被吸附时放出的热量称为吸附热，气体被吸附时放出的热量称为吸附热，kJ/mol。1.2
36、真空环境的基本特征真空环境的基本特征固体物质对气体的吸附和解吸：固体物质对气体的吸附和解吸：表面吸附的应用：抽真空时炉内部件要除气，高真空时更要进一步除气。表面吸附的应用：抽真空时炉内部件要除气，高真空时更要进一步除气。影响气体被固体吸附的因素：温度、气体的种类和压强、固体物质的种类和表面结构等。影响气体被固体吸附的因素：温度、气体的种类和压强、固体物质的种类和表面结构等。物理吸附：在一个原子距离内气体分子受到固体离子电场吸引的结果。物理吸附：在一个原子距离内气体分子受到固体离子电场吸引的结果。化学吸附：由表面剩余价键力所引起，与气体种类、温度等有关。化学吸附：由表面剩余价键力所引起，与气体种
37、类、温度等有关。吸收吸收：气体分子吸附在固体表面后，通过气体分子的热运动进到固体内部，均匀地扩散到：气体分子吸附在固体表面后，通过气体分子的热运动进到固体内部，均匀地扩散到固体内各个部分。固体内各个部分。固体物质表面吸附的气体量与温度和气体压强的关系（固体物质表面吸附的气体量与温度和气体压强的关系（图中T2T1; P2 P1）气体压强p1p2T1T2吸附气体的量abc气体解吸（脱附）气体解吸（脱附）：吸附在固体表面上的气体分子释放出来的过程。吸附在固体表面上的气体分子释放出来的过程。出气出气：解吸时放出的气体。：解吸时放出的气体。影响解吸的因素是气体种类、压强、固体种类、温度和表面状况等。通常
38、用出气常数影响解吸的因素是气体种类、压强、固体种类、温度和表面状况等。通常用出气常数K表表示出气过程的速度（即单位几何表面上的出气率）。示出气过程的速度（即单位几何表面上的出气率）。1.2 真空环境的基本特征真空环境的基本特征固体物质对气体的吸附和解吸：固体物质对气体的吸附和解吸：升高温度可以加速解吸：升高温度可以加速解吸：耐火砖：耐火砖：K=1.3310-21.3310-3PaLS-1cm-2纯氧化铝、二氧化硅：纯氧化铝、二氧化硅：K=6.6510-4PaLS-1cm-2真空脂：真空脂：K=1.3310-41.3310-5PaLS-1cm-2压延金属材料：压延金属材料： K=1.3310-6
39、 PaLS-1cm-2降低气体压强能使固体物料排气，如：降低气体压强能使固体物料排气，如：真空烘烤：光滑的压延金属材料在真空烘烤：光滑的压延金属材料在400、16h后冷却至室温的出气速率在后冷却至室温的出气速率在6.6510-12 6.6510-13PaLS-1cm-2之间。之间。真空系统：由真空泵、真空计及其他元件（如阀门、冷阱等）按一定要求组合而成，具有真空系统：由真空泵、真空计及其他元件（如阀门、冷阱等）按一定要求组合而成，具有抽气功能的装置。对真空系统的基本要求：抽气功能的装置。对真空系统的基本要求：1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备（1）在被抽器件（工作室）中获得所需的）在被抽
40、器件（工作室）中获得所需的极限真空度极限真空度和和工作真空度工作真空度。极限真空度：系器件无漏气、无放气时所能达到的真空度。极限真空度：系器件无漏气、无放气时所能达到的真空度。工作真空度：器件在进行真空处理时所能维持的真空。工作真空度：器件在进行真空处理时所能维持的真空。（2）在被抽器件（工作室）中获得所需的抽速。抽速大小取决于达到工作真空度所需的时）在被抽器件（工作室）中获得所需的抽速。抽速大小取决于达到工作真空度所需的时间。间。（3）在被抽器件（工作室）中有合适的残气成分。例如：排氧化物阴极器件的真空系统，）在被抽器件（工作室）中有合适的残气成分。例如：排氧化物阴极器件的真空系统，残气中不
41、应含有硫、氯或其化合物；排高压器件的真空系统，不应含有碳氢化合物。残气中不应含有硫、氯或其化合物；排高压器件的真空系统，不应含有碳氢化合物。此外：真空系统须满足结构简单，操作维护方便，价格便宜等要求。同时，根据要求选择泵、此外：真空系统须满足结构简单，操作维护方便，价格便宜等要求。同时，根据要求选择泵、确定管道尺寸及配置、确定装配工艺等。确定管道尺寸及配置、确定装配工艺等。抽气过程中气流的性质发生阶段性的转变，从黏滞流（湍流、层流）、黏滞抽气过程中气流的性质发生阶段性的转变，从黏滞流（湍流、层流）、黏滞-分子流（即过分子流（即过渡流）到分子流，不同性质的气流流过真空系统的阻力不同。渡流）到分子
42、流，不同性质的气流流过真空系统的阻力不同。1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备抽气过程的一些基本概念：抽气过程的一些基本概念：各种气流的界限各种气流的界限注：Q为流量，以单位时间的pV单位表示。气流状态气流性质界 限黏滞态黏滞流湍流Re2100Q 200D（空气）层流Re1100Q 100D（空气）D/ 110黏滞-分子态过渡流1 D/ 110分子态分子流D/ 1湍流状态：气体的压强和流速较高，气体的流动是惯性力起作用湍流状态：气体的压强和流速较高，气体的流动是惯性力起作用, 气体的流线不直。气体的流线不直。1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备抽气过程的一些基本概念：抽气过程的一些基本
43、概念：黏滞黏滞-分子流状态：既有气体内摩擦还有个别分子独立的热运动。分子流状态：既有气体内摩擦还有个别分子独立的热运动。层流状态：气体压强仍然较高，分子间的碰撞数多于与容器壁的碰撞数，内摩擦力起主要层流状态：气体压强仍然较高，分子间的碰撞数多于与容器壁的碰撞数，内摩擦力起主要作用，气体的流线呈直线。作用，气体的流线呈直线。分子流状态：气体压强较低，分子与容器壁碰撞为主，内摩擦力已不存在，通过管道的气分子流状态：气体压强较低，分子与容器壁碰撞为主，内摩擦力已不存在，通过管道的气体量与管道两端的压差成正比。体量与管道两端的压差成正比。体积流率体积流率：单位时间内流过管道中任一特定截面的气体体积单位
44、时间内流过管道中任一特定截面的气体体积，dV/dt。1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备抽气过程的一些基本概念：抽气过程的一些基本概念：流量流量（气体量流率）（气体量流率）：单位时间流过特定界面的气体量单位时间流过特定界面的气体量，Pam3/s。设截面处压强为设截面处压强为p，则流量，则流量Q为：为：dVQpdt()molmolWd pVRT dWpVRTMdtMdt在克拉柏龙方程两边对时间进行求导（在温度一定、摩尔质量一定条件下）：在克拉柏龙方程两边对时间进行求导（在温度一定、摩尔质量一定条件下）：稳定流动下稳定流动下p不随时间变化，则：不随时间变化，则：( )molmold VRT d
45、WRT dWpQdtMdtMdt式中：式中：dW/dt为单位时间流过的气体质量，即为为单位时间流过的气体质量，即为质量流量质量流量。1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备抽气过程的一些基本概念：抽气过程的一些基本概念：当管道两端存在压差（当管道两端存在压差（p1-p2）时，管道内气体便会流动。上式中的）时，管道内气体便会流动。上式中的C称为管道的称为管道的流导流导，L/s。12()QC PP对于分子流，对于分子流，C为常数；对于黏滞流，为常数；对于黏滞流，C正比于管内平均压强；并联管路的总流导等于各管正比于管内平均压强；并联管路的总流导等于各管子的流导之和子的流导之和。1niiCC总串联管路
46、的总流导的倒数等于各管子的流导的倒数之和。串联管路的总流导的倒数等于各管子的流导的倒数之和。121111nCCCC总1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备抽气过程的一些基本概念：抽气过程的一些基本概念：抽速（抽速（S）:单位时间抽入的气体体积，这个体积是在入口压强下进行量度的，单位时间抽入的气体体积，这个体积是在入口压强下进行量度的，m3/s。抽除量抽除量：入口压强乘以抽速，即单位时间内抽走的气体量，入口压强乘以抽速，即单位时间内抽走的气体量， Pam3/s。有效抽速有效抽速：由于管道系统中存在对气流的阻力，泵作用于容器的抽速一般小于其在入口处由于管道系统中存在对气流的阻力，泵作用于容器的抽
47、速一般小于其在入口处的抽速，泵对容器的抽速即为有效抽速的抽速，泵对容器的抽速即为有效抽速，Se。11220()ep SC ppp S2p1Se3Cp2So1有效抽速示意图有效抽速示意图1-泵；泵；2-容器；容器；3-管道；管道； S0 -泵的抽速；泵的抽速； Se -有效抽速；有效抽速；C-管道的流导；管道的流导；p1、 p2-容器、泵入口处的压强容器、泵入口处的压强在稳定流动条件下在稳定流动条件下：不同截面的流量彼此相等不同截面的流量彼此相等。11211()epSCpp整理整理：201211()pSCpp1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备抽气过程的一些基本概念：抽气过程的一些基本概念：
48、进一步整理可得：进一步整理可得：0111eSSC由于由于C、 S0 均为正数，所以总有均为正数，所以总有Se S0 。或者或者：00eS CSSC001eSSSC01eCSCS只有当只有当C时，才有时，才有Se S0 ，即流导很大时，有效抽速才接近泵的抽速，即流导很大时，有效抽速才接近泵的抽速。？在在C很小时，有很小时，有Se C ，这时有效抽速与泵的抽速无关，这时有效抽速与泵的抽速无关。？1.3 真空的形成与设备真空的形成与设备真空系统的计算基础：真空系统的计算基础：真空系统的抽气方程：真空系统的抽气方程：eLDPVdpVpSQQQQdt 真空系统由容器（体积为真空系统由容器（体积为V)、管
49、道和泵组成。除原有大、管道和泵组成。除原有大气外，容器中还存在以下气源气外，容器中还存在以下气源：（：（1）系统漏气；（）系统漏气；（2）容）容器壁及内部零件表面脱附的气体；（器壁及内部零件表面脱附的气体；（3）大气通过器壁的）大气通过器壁的渗透；（渗透；（4）材料的蒸气压释放量，统称为）材料的蒸气压释放量，统称为“气体负载气体负载”。简化处理：假设有效抽速为与压力无关的常数，将所有气体负载合并成两项，一项为不随时间变化的常假设有效抽速为与压力无关的常数，将所有气体负载合并成两项，一项为不随时间变化的常数项，另一项为随时间变化的项，则：数项，另一项为随时间变化的项，则：其中：其中：Qconst
50、-包括漏孔、稳态渗透及材料的蒸气压等包括漏孔、稳态渗透及材料的蒸气压等 Q(t)-主要是脱附现象，其随时间而衰减，脱附能越小，衰减越快。主要是脱附现象，其随时间而衰减，脱附能越小，衰减越快。真空系统真空系统的抽气方程抽气方程：即任意时刻容器中气体量的瞬时净增量为：即任意时刻容器中气体量的瞬时净增量为：( )econstdpVpSQQ tdt真空系统抽气示意图真空系统抽气示意图1-泵；泵；2-容器；容器；3-管道；管道； S0 -泵的抽速；泵的抽速； Se -有效抽速；有效抽速；C-管道的流导；管道的流导；P-容器内压强；容器内压强；QL-漏气量；漏气量； QP-器壁渗透量；器壁渗透量；QD-脱
