第十一講:真空材料（2）
第十一講：真空材料 張以忱(東北大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110006)
2.2材料的其它性能
①機(jī)械強(qiáng)度如上所述，系統(tǒng)的器壁必須承受得住大氣的壓力。因此它必須滿足z*低機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求，應(yīng)考慮相應(yīng)尺寸的結(jié)構(gòu)所能承受的總壓力(當(dāng)然，容器結(jié)構(gòu)形狀也有較大的影響。例如，圓柱形和球面形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就大于平面形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度)。
②熱學(xué)性能許多真空系統(tǒng)要承受溫度的變化，如加熱和冷卻或二者兼?zhèn)洹Ｒ蚨仨殞?duì)所用材料的熱學(xué)性能十分熟悉。不僅要考慮到熔點(diǎn)，還要考慮到強(qiáng)度隨溫度的變化。例如，銅的機(jī)械性能遠(yuǎn)在低于熔點(diǎn)溫度之前就開始下降，因而不宜用銅制做真空容器的承壓器壁。另外，真空系統(tǒng)的材料除了受到溫度緩慢變化的影響外，還會(huì)受到溫度突變的影響。因此，還要考慮材料的抗熱沖擊的特性。
③電磁性能許多真空系統(tǒng)中的部件必須具備能完成某項(xiàng)功能或工序所要求的電性能，同時(shí)這些性能又不能與真空系統(tǒng)的要求相矛盾。例如，元件在真空室中工作，是靠輻射放熱冷卻的，因此元件的工作溫度將會(huì)很高，使得元件的電性能可能受到影響，因此在選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮工作部件的耐高溫及冷卻問題。 在許多真空系統(tǒng)中，往往要應(yīng)用帶電粒子束。但這些帶電粒子束往往容易受到某些不必要磁場(chǎng)的干擾。因此在有電子束或離子束的系統(tǒng)中，必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)材料的磁性能，在某些情況下，即使很小的磁場(chǎng)也可能造成很嚴(yán)重的問題。因此必須考慮用非磁性材料。
④其它性能光學(xué)性能(例觀察窗)、硬度、抗腐蝕性、熱導(dǎo)率和熱膨脹等性能也常常起著十分重要的作用。
2.3真空材料的選材原則
2.3.1對(duì)真空容器殼體及內(nèi)部零件材料的要求
①有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度來(lái)保證殼體的承壓能力。
②氣密性好。要保持一個(gè)完好的真空環(huán)境，器壁材料不應(yīng)存在多孔結(jié)構(gòu)、裂紋或形成滲漏的其它缺陷。有較低的滲透速率和出氣速率。
③在工作溫度和烘烤溫度下的飽和蒸氣壓要足夠低(對(duì)超高真空系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要)。
④化學(xué)穩(wěn)定性好。不易氧化和腐蝕，不與真空系統(tǒng)中的工作介質(zhì)及工藝過程中的放氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
⑤熱穩(wěn)定性好。在系統(tǒng)的工作溫度(高溫與低溫)范圍內(nèi)，保持良好的真空性能和機(jī)械性能。
⑥在工作真空度及工作溫度下，真空容器內(nèi)部器件應(yīng)保持良好的工作性能，滿足作業(yè)工藝的要求。
⑦有較好機(jī)械加工性能及焊接性能。
2.3.2對(duì)密封材料的要求
①有足夠低的飽和蒸氣壓。一般低真空時(shí)，其室溫下的飽和蒸氣壓力應(yīng)小于1.3×10-1～1.3×10-2Pa。 高真空時(shí)，應(yīng)小于1.3×10-3~1.3×10-5Pa。
②化學(xué)及熱穩(wěn)定性好。在密封部位，不因合理的溫升雨發(fā)生軟化，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或揮發(fā)，甚至被大氣沖破。
③有一定的機(jī)械及物理性能。冷卻后硬化的固態(tài)密封材料、可塑密封材料或干燥后硬化的封蠟等，要能夠平滑地緊貼密封表面，無(wú)氣泡、無(wú)皺紋。當(dāng)溫度變化時(shí)，不應(yīng)變脆或裂開。液態(tài)或膠態(tài)密封材料應(yīng)保持原有粘性。
④某些密封材料應(yīng)能溶于某些溶劑中，以便更換時(shí)易于清洗掉。 對(duì)真空中應(yīng)用的材料除上述要求外，在某些情況下還必須考慮其電學(xué)性能、絕緣性能、光學(xué)性能、磁性能和導(dǎo)熱性能等等。 當(dāng)然，除了材料的以上性能外，還要考慮材料的成本、利用率及選購(gòu)的可能性等。
3.1鑄件 金屬鑄件由于表面粗糙，微孔較多，很少用于制造高真空系統(tǒng)零件。高級(jí)鑄鐵及有色金屬鑄件大多用于制造各種機(jī)械真空泵。要求鑄件具有較高的致密性，通常采用的鑄鐵牌號(hào)有HT200、HT250、HT300等。鑄造鋁合金牌號(hào)有ZLl09(AI，Si，Cu，Mg，Ni)、ZL203(AI，Cu)、ZL301(AI，Mg)等。 當(dāng)工作溫度較高時(shí)，不應(yīng)選用含有磷、鋅、鎘等元素的銅合金鑄件。
3.2鋼及不銹鋼
3.2.1鋼 碳鋼在低真空工作范圍內(nèi)的應(yīng)用較為普遍。通常根據(jù)工藝要求，碳鋼制造的真空室內(nèi)表面需要鍍層涂覆或裸露拋光。除了鍍層表面以外，碳鋼表面放氣速率比不銹鋼大的多，尤其是銹蝕表面放氣量更大，表面狀態(tài)的好壞，是影響碳鋼真空性能的主要因素。所以，應(yīng)盡量使其內(nèi)表面光滑、無(wú)銹。一般情況下工作真空度越高，則對(duì)內(nèi)表面的要求也越嚴(yán)格。實(shí)踐表明：室溫時(shí)由大氣滲透到真空中去的氣體是很少的。然而，隨著溫度的升高，這種滲透量將急劇增加。在室溫常壓下氫氣滲透過低碳鋼鋼板的速率要比低碳鋼的表面放氣率小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在室溫下氮滲透過低碳鋼的速率遠(yuǎn)低于氨，但是在高溫下則相反，故在設(shè)計(jì)熱態(tài)工作真空系統(tǒng)時(shí)必須注意。 在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從材質(zhì)的綜合性能(真空、物理機(jī)械性能)考慮，大多采用低碳鋼(軟鋼)為宜。特別是真空容器的殼體、閥、管道及蒸氣流泵的泵體或?qū)Я鞴艿韧捎?0#、15#、20#鋼及普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(例Q235A)。其特點(diǎn)是韌性良好，機(jī)械強(qiáng)度適中，具有極好的機(jī)械加工性能和焊接性能(這點(diǎn)尤其重要)。Q235A屬于低碳鋼(含碳量≤0.22％)，價(jià)格便宜，品種規(guī)管齊全，容易選購(gòu)。其主要缺點(diǎn)是；不能用熱處理的方法提高硬度及改善機(jī)械性能(可以用滲碳的方法提高表面硬度)；抗腐蝕性較差。45#鋼則主要用于制造軸類、桿件、螺紋類零件以及重負(fù)荷的傳動(dòng)機(jī)件等。另外，低碳鋼(特別是Q235A)具有良好的導(dǎo)磁性，在避免磁效應(yīng)干擾的場(chǎng)合，如在離子泵、磁質(zhì)譜計(jì)或含有磁分析器的任何系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中都不適用。但特別適用于需要良好導(dǎo)磁性的結(jié)構(gòu)中，例如磁控濺射靶的磁極靴等。
3.2.2不銹鋼 在真空工程中常用的不銹鋼主要有奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼兩種類型。奧氏體型不銹鋼中應(yīng)用z*多的牌號(hào)主要有0Crl8Ni9(304)、lCrl8Ni9Ti等，它們屬于耐熱、耐蝕無(wú)磁不銹鋼，大量應(yīng)用于真空室殼體、管路、閥體等；常用的馬氏體型不銹鋼主要有0Crl3、lCrl3、2Crl3、3Crl3等，主要用于具有較高韌性及受沖擊負(fù)荷的零件，如耐蝕真空泵葉片、軸類、噴嘴、閥座、閥片等需要一定硬度及耐腐蝕的場(chǎng)合。
真空度在1.3×10-4Pa以上的高真空和超高真空系統(tǒng)中，z*好選用奧氏體無(wú)磁不銹鋼[例如lCrl8Ni9Ti，0Crl8Ni9(304)等]制造真空容器的殼體、管道或其它零部件。這種不銹鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性、放氣率低、無(wú)磁性、焊接性好，其導(dǎo)電率及導(dǎo)率較低，能夠在-270oC～900oC范圍內(nèi)工作。并具有高的強(qiáng)度、塑性及韌性。是目前金屬超高真空系統(tǒng)中所應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)材料。 奧氏體不銹鋼可以采用電弧焊、釬焊和氬弧焊的方法進(jìn)行焊接加工。表3給出z*常用的奧氏體型不銹鋼(304型)的性質(zhì)，304不銹鋼與lCrl8Ni9Ti不銹鋼的性質(zhì)相近，其抗腐蝕性能非常好，蒸氣壓很低、導(dǎo)熱率低，并且是非磁性的。這些性質(zhì)使得奧氏體不銹鋼成為超高真空室、工件架、支架、法蘭、螺栓螺母及超高真空泵(離子泵、低溫泵、吸附泵等)等z*常用的材料。 不銹鋼就其磁性而言，分為有磁性的和無(wú)磁性的。通常含有鎳元素成份的都是無(wú)磁性的。應(yīng)注意的是，不銹鋼并非絕對(duì)非磁性的，而是導(dǎo)磁率很小。而且，冷加工能夠增加不銹鋼的導(dǎo)磁性。 當(dāng)需要耐高溫、抗腐蝕或需要熱處理(淬火或調(diào)質(zhì)等)時(shí)，如軸、閥蓋、封口等，則采用2Crl3、3Crl3、4Crl3等馬氏體不銹鋼為宜。但此類不銹鋼的防銹性能不如奧氏體不銹鋼好。 常用的無(wú)磁性不銹鋼的主要缺點(diǎn)是抗晶界間腐蝕不穩(wěn)定，尤其是在焊接時(shí)，受熱在450～750oC的地方，易在晶界上形成鉻的碳化物而降低材料應(yīng)有的氣密性。
試驗(yàn)證明：含鉻18％～20％，含鎳10％以下，含碳低于0.2％的不銹鋼，經(jīng)過1050～1150oC高溫處理，可消除上述晶界間不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。
3.3有色金屬
3.3.1鎳 鎳是真空技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一種金屬。在許多真空應(yīng)用中常可以見到鎳作為電真空器件中的陰極、柵極、陽(yáng)極、吸氣劑和熱屏蔽罩以及許多其它機(jī)械構(gòu)件中的基體材料。鎳本身可用作基體材料或其它材料的鍍層或許多鎳合金中的一種組分。鎳比其它普通有色金屬的熔點(diǎn)高，蒸氣壓低，抗拉強(qiáng)度很高，機(jī)械加工性很好，容易成形、除氣和點(diǎn)焊，而且價(jià)格相對(duì)便宜。 鎳對(duì)各種腐蝕都具有相當(dāng)好的抵抗能力。另外，Ni沉積薄膜、Ni電鍍層或Ni涂層可使其它材料表面具有所期望的抗腐蝕性。鎳不僅對(duì)大氣，而且對(duì)水、鹽水、堿以及大多數(shù)的有機(jī)酸都具有抗腐蝕性。但鎳在次氯酸、硝酸以及象氯氣(T>580oC時(shí))、溴氣、SO2和N2+H2+NH3的混合氣體那樣的潮濕氣體中很容易被腐蝕。 鎳具有鐵磁性，它的磁化強(qiáng)度很強(qiáng)，但是它的居里點(diǎn)溫度較低，僅為350oC左右(見圖2)。可采用向鎳中加鈷的方法來(lái)提高鎳的居里溫度。由于鎳導(dǎo)磁性好，故在需要避免磁效應(yīng)的場(chǎng)合應(yīng)禁止使用。 鎳對(duì)氫具有很高的可滲透率和溶解度。氫可在鎳中形成固溶體。H2、O2、CO、BO2都能在Ni中擴(kuò)散，但是惰性氣體卻不能透過Ni。當(dāng)加熱到400～500oC時(shí)，大部分氫氣可從Ni中排出，而且Ni的硬度變化不大。但是當(dāng)加熱到T＞600oC時(shí)，雖然可使大量溶解在Ni中的CO放出，卻會(huì)使Ni變脆。
3.3.2銅 銅具有很高的塑性，良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，常用于導(dǎo)電材料。常用的銅類材料有紫銅(純銅)及銅合金。 黃銅具有較高的塑性，在機(jī)械加工和壓力加工下可制成形狀復(fù)雜的零件。但由于其含鋅量高，在加熱時(shí)會(huì)放氣影響真空、污染設(shè)備，因此其使用溫度一般不超過150oC，多用于低真空中。由于青銅的機(jī)械強(qiáng)度較大，因此多用不含有錫和鋅的鋁青銅或鈹青銅制造真空設(shè)備中所用的彈性元件、波紋管、電觸點(diǎn)和渦輪等。 紫銅是真空技術(shù)中應(yīng)用較多的材料，由于普通的紫銅放氣困難，普通銅中溶解的氧氣在低于銅的軟化點(diǎn)溫度下不能釋放出來(lái)，所以在高真空及超高真空中z*常用的是無(wú)氧銅，如用作蒸氣流泵的噴嘴、障板、冷阱、密封、電極等。無(wú)氧銅是紫銅的一種，表7列出了它的某些性質(zhì)。
3.3.3鋁 鋁是一種重量輕、延展性相當(dāng)好的金屬。由于鋁易于壓制成形，且其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好(稍次于銅)，又是非磁性材料，故常用作真空室內(nèi)的輕型支架、放電電極、擴(kuò)散泵的噴嘴、導(dǎo)流管、擋油障板、分子泵中的葉片及耐腐蝕鍍層等。表8給出了鋁的某些性質(zhì)。
3.3.4鈦 鈦的強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕，是真空工程中特別有用的金屬。表9給出了Ti的物理性質(zhì)。鈦可以加工成形，而且沒有磁性，因而是理想的結(jié)構(gòu)材料，適合用做鍍膜設(shè)備中的磁控濺射靶、濺射離子泵的陰極等。
3.3.5鋯 純鋯是一種特別活潑的金屬，可以用來(lái)作吸氣劑(如鋯鋁吸氣泵)，它特別對(duì)氫氣及氫的同位素氘、氚等有較強(qiáng)的吸附能力。表10給出了Zr的某些性質(zhì)。
3.3.6鎘、鋅 鎘與鋅常用做螺栓、螺母和其它零件的防銹鍍層。但由于它們的蒸氣壓很高(如鎘在150oC時(shí)為10-3Pa；300oC時(shí)為10 Pa)，因此有鎘及鋅鍍層的零件應(yīng)避免在高真空中使用，尤其應(yīng)避免在烘烤系統(tǒng)中使用。 (未完待續(xù))
2.2材料的其它性能
①機(jī)械強(qiáng)度如上所述，系統(tǒng)的器壁必須承受得住大氣的壓力。因此它必須滿足z*低機(jī)械強(qiáng)度和剛度的要求，應(yīng)考慮相應(yīng)尺寸的結(jié)構(gòu)所能承受的總壓力(當(dāng)然，容器結(jié)構(gòu)形狀也有較大的影響。例如，圓柱形和球面形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就大于平面形結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度)。
②熱學(xué)性能許多真空系統(tǒng)要承受溫度的變化，如加熱和冷卻或二者兼?zhèn)洹Ｒ蚨仨殞?duì)所用材料的熱學(xué)性能十分熟悉。不僅要考慮到熔點(diǎn)，還要考慮到強(qiáng)度隨溫度的變化。例如，銅的機(jī)械性能遠(yuǎn)在低于熔點(diǎn)溫度之前就開始下降，因而不宜用銅制做真空容器的承壓器壁。另外，真空系統(tǒng)的材料除了受到溫度緩慢變化的影響外，還會(huì)受到溫度突變的影響。因此，還要考慮材料的抗熱沖擊的特性。
③電磁性能許多真空系統(tǒng)中的部件必須具備能完成某項(xiàng)功能或工序所要求的電性能，同時(shí)這些性能又不能與真空系統(tǒng)的要求相矛盾。例如，元件在真空室中工作，是靠輻射放熱冷卻的，因此元件的工作溫度將會(huì)很高，使得元件的電性能可能受到影響，因此在選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮工作部件的耐高溫及冷卻問題。 在許多真空系統(tǒng)中，往往要應(yīng)用帶電粒子束。但這些帶電粒子束往往容易受到某些不必要磁場(chǎng)的干擾。因此在有電子束或離子束的系統(tǒng)中，必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)材料的磁性能，在某些情況下，即使很小的磁場(chǎng)也可能造成很嚴(yán)重的問題。因此必須考慮用非磁性材料。
④其它性能光學(xué)性能(例觀察窗)、硬度、抗腐蝕性、熱導(dǎo)率和熱膨脹等性能也常常起著十分重要的作用。
2.3真空材料的選材原則
2.3.1對(duì)真空容器殼體及內(nèi)部零件材料的要求
①有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度來(lái)保證殼體的承壓能力。
②氣密性好。要保持一個(gè)完好的真空環(huán)境，器壁材料不應(yīng)存在多孔結(jié)構(gòu)、裂紋或形成滲漏的其它缺陷。有較低的滲透速率和出氣速率。
③在工作溫度和烘烤溫度下的飽和蒸氣壓要足夠低(對(duì)超高真空系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤其重要)。
④化學(xué)穩(wěn)定性好。不易氧化和腐蝕，不與真空系統(tǒng)中的工作介質(zhì)及工藝過程中的放氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
⑤熱穩(wěn)定性好。在系統(tǒng)的工作溫度(高溫與低溫)范圍內(nèi)，保持良好的真空性能和機(jī)械性能。
⑥在工作真空度及工作溫度下，真空容器內(nèi)部器件應(yīng)保持良好的工作性能，滿足作業(yè)工藝的要求。
⑦有較好機(jī)械加工性能及焊接性能。
2.3.2對(duì)密封材料的要求
①有足夠低的飽和蒸氣壓。一般低真空時(shí)，其室溫下的飽和蒸氣壓力應(yīng)小于1.3×10-1～1.3×10-2Pa。 高真空時(shí)，應(yīng)小于1.3×10-3~1.3×10-5Pa。
②化學(xué)及熱穩(wěn)定性好。在密封部位，不因合理的溫升雨發(fā)生軟化，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或揮發(fā)，甚至被大氣沖破。
③有一定的機(jī)械及物理性能。冷卻后硬化的固態(tài)密封材料、可塑密封材料或干燥后硬化的封蠟等，要能夠平滑地緊貼密封表面，無(wú)氣泡、無(wú)皺紋。當(dāng)溫度變化時(shí)，不應(yīng)變脆或裂開。液態(tài)或膠態(tài)密封材料應(yīng)保持原有粘性。
④某些密封材料應(yīng)能溶于某些溶劑中，以便更換時(shí)易于清洗掉。 對(duì)真空中應(yīng)用的材料除上述要求外，在某些情況下還必須考慮其電學(xué)性能、絕緣性能、光學(xué)性能、磁性能和導(dǎo)熱性能等等。 當(dāng)然，除了材料的以上性能外，還要考慮材料的成本、利用率及選購(gòu)的可能性等。
3. 金屬材料
在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造中常用的金屬及其合金材料主要有：低碳鋼、不銹鋼、銅、鋁、鎳、金、銀、鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、銦、鎵、可伐合金、鎳鉻(鐵)合金、磁性合金、銅合金、鑄鐵、鑄銅、鑄鋁等。3.1鑄件 金屬鑄件由于表面粗糙，微孔較多，很少用于制造高真空系統(tǒng)零件。高級(jí)鑄鐵及有色金屬鑄件大多用于制造各種機(jī)械真空泵。要求鑄件具有較高的致密性，通常采用的鑄鐵牌號(hào)有HT200、HT250、HT300等。鑄造鋁合金牌號(hào)有ZLl09(AI，Si，Cu，Mg，Ni)、ZL203(AI，Cu)、ZL301(AI，Mg)等。 當(dāng)工作溫度較高時(shí)，不應(yīng)選用含有磷、鋅、鎘等元素的銅合金鑄件。
3.2鋼及不銹鋼
3.2.1鋼 碳鋼在低真空工作范圍內(nèi)的應(yīng)用較為普遍。通常根據(jù)工藝要求，碳鋼制造的真空室內(nèi)表面需要鍍層涂覆或裸露拋光。除了鍍層表面以外，碳鋼表面放氣速率比不銹鋼大的多，尤其是銹蝕表面放氣量更大，表面狀態(tài)的好壞，是影響碳鋼真空性能的主要因素。所以，應(yīng)盡量使其內(nèi)表面光滑、無(wú)銹。一般情況下工作真空度越高，則對(duì)內(nèi)表面的要求也越嚴(yán)格。實(shí)踐表明：室溫時(shí)由大氣滲透到真空中去的氣體是很少的。然而，隨著溫度的升高，這種滲透量將急劇增加。在室溫常壓下氫氣滲透過低碳鋼鋼板的速率要比低碳鋼的表面放氣率小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在室溫下氮滲透過低碳鋼的速率遠(yuǎn)低于氨，但是在高溫下則相反，故在設(shè)計(jì)熱態(tài)工作真空系統(tǒng)時(shí)必須注意。 在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，從材質(zhì)的綜合性能(真空、物理機(jī)械性能)考慮，大多采用低碳鋼(軟鋼)為宜。特別是真空容器的殼體、閥、管道及蒸氣流泵的泵體或?qū)Я鞴艿韧捎?0#、15#、20#鋼及普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(例Q235A)。其特點(diǎn)是韌性良好，機(jī)械強(qiáng)度適中，具有極好的機(jī)械加工性能和焊接性能(這點(diǎn)尤其重要)。Q235A屬于低碳鋼(含碳量≤0.22％)，價(jià)格便宜，品種規(guī)管齊全，容易選購(gòu)。其主要缺點(diǎn)是；不能用熱處理的方法提高硬度及改善機(jī)械性能(可以用滲碳的方法提高表面硬度)；抗腐蝕性較差。45#鋼則主要用于制造軸類、桿件、螺紋類零件以及重負(fù)荷的傳動(dòng)機(jī)件等。另外，低碳鋼(特別是Q235A)具有良好的導(dǎo)磁性，在避免磁效應(yīng)干擾的場(chǎng)合，如在離子泵、磁質(zhì)譜計(jì)或含有磁分析器的任何系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中都不適用。但特別適用于需要良好導(dǎo)磁性的結(jié)構(gòu)中，例如磁控濺射靶的磁極靴等。
3.2.2不銹鋼 在真空工程中常用的不銹鋼主要有奧氏體型不銹鋼和馬氏體型不銹鋼兩種類型。奧氏體型不銹鋼中應(yīng)用z*多的牌號(hào)主要有0Crl8Ni9(304)、lCrl8Ni9Ti等，它們屬于耐熱、耐蝕無(wú)磁不銹鋼，大量應(yīng)用于真空室殼體、管路、閥體等；常用的馬氏體型不銹鋼主要有0Crl3、lCrl3、2Crl3、3Crl3等，主要用于具有較高韌性及受沖擊負(fù)荷的零件，如耐蝕真空泵葉片、軸類、噴嘴、閥座、閥片等需要一定硬度及耐腐蝕的場(chǎng)合。
真空度在1.3×10-4Pa以上的高真空和超高真空系統(tǒng)中，z*好選用奧氏體無(wú)磁不銹鋼[例如lCrl8Ni9Ti，0Crl8Ni9(304)等]制造真空容器的殼體、管道或其它零部件。這種不銹鋼具有優(yōu)良的抗腐蝕性、放氣率低、無(wú)磁性、焊接性好，其導(dǎo)電率及導(dǎo)率較低，能夠在-270oC～900oC范圍內(nèi)工作。并具有高的強(qiáng)度、塑性及韌性。是目前金屬超高真空系統(tǒng)中所應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)材料。 奧氏體不銹鋼可以采用電弧焊、釬焊和氬弧焊的方法進(jìn)行焊接加工。表3給出z*常用的奧氏體型不銹鋼(304型)的性質(zhì)，304不銹鋼與lCrl8Ni9Ti不銹鋼的性質(zhì)相近，其抗腐蝕性能非常好，蒸氣壓很低、導(dǎo)熱率低，并且是非磁性的。這些性質(zhì)使得奧氏體不銹鋼成為超高真空室、工件架、支架、法蘭、螺栓螺母及超高真空泵(離子泵、低溫泵、吸附泵等)等z*常用的材料。 不銹鋼就其磁性而言，分為有磁性的和無(wú)磁性的。通常含有鎳元素成份的都是無(wú)磁性的。應(yīng)注意的是，不銹鋼并非絕對(duì)非磁性的，而是導(dǎo)磁率很小。而且，冷加工能夠增加不銹鋼的導(dǎo)磁性。 當(dāng)需要耐高溫、抗腐蝕或需要熱處理(淬火或調(diào)質(zhì)等)時(shí)，如軸、閥蓋、封口等，則采用2Crl3、3Crl3、4Crl3等馬氏體不銹鋼為宜。但此類不銹鋼的防銹性能不如奧氏體不銹鋼好。 常用的無(wú)磁性不銹鋼的主要缺點(diǎn)是抗晶界間腐蝕不穩(wěn)定，尤其是在焊接時(shí)，受熱在450～750oC的地方，易在晶界上形成鉻的碳化物而降低材料應(yīng)有的氣密性。
試驗(yàn)證明：含鉻18％～20％，含鎳10％以下，含碳低于0.2％的不銹鋼，經(jīng)過1050～1150oC高溫處理，可消除上述晶界間不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。
3.3有色金屬
3.3.1鎳 鎳是真空技術(shù)中廣泛應(yīng)用的一種金屬。在許多真空應(yīng)用中常可以見到鎳作為電真空器件中的陰極、柵極、陽(yáng)極、吸氣劑和熱屏蔽罩以及許多其它機(jī)械構(gòu)件中的基體材料。鎳本身可用作基體材料或其它材料的鍍層或許多鎳合金中的一種組分。鎳比其它普通有色金屬的熔點(diǎn)高，蒸氣壓低，抗拉強(qiáng)度很高，機(jī)械加工性很好，容易成形、除氣和點(diǎn)焊，而且價(jià)格相對(duì)便宜。 鎳對(duì)各種腐蝕都具有相當(dāng)好的抵抗能力。另外，Ni沉積薄膜、Ni電鍍層或Ni涂層可使其它材料表面具有所期望的抗腐蝕性。鎳不僅對(duì)大氣，而且對(duì)水、鹽水、堿以及大多數(shù)的有機(jī)酸都具有抗腐蝕性。但鎳在次氯酸、硝酸以及象氯氣(T>580oC時(shí))、溴氣、SO2和N2+H2+NH3的混合氣體那樣的潮濕氣體中很容易被腐蝕。 鎳具有鐵磁性，它的磁化強(qiáng)度很強(qiáng)，但是它的居里點(diǎn)溫度較低，僅為350oC左右(見圖2)。可采用向鎳中加鈷的方法來(lái)提高鎳的居里溫度。由于鎳導(dǎo)磁性好，故在需要避免磁效應(yīng)的場(chǎng)合應(yīng)禁止使用。 鎳對(duì)氫具有很高的可滲透率和溶解度。氫可在鎳中形成固溶體。H2、O2、CO、BO2都能在Ni中擴(kuò)散，但是惰性氣體卻不能透過Ni。當(dāng)加熱到400～500oC時(shí)，大部分氫氣可從Ni中排出，而且Ni的硬度變化不大。但是當(dāng)加熱到T＞600oC時(shí)，雖然可使大量溶解在Ni中的CO放出，卻會(huì)使Ni變脆。
3.3.2銅 銅具有很高的塑性，良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，常用于導(dǎo)電材料。常用的銅類材料有紫銅(純銅)及銅合金。 黃銅具有較高的塑性，在機(jī)械加工和壓力加工下可制成形狀復(fù)雜的零件。但由于其含鋅量高，在加熱時(shí)會(huì)放氣影響真空、污染設(shè)備，因此其使用溫度一般不超過150oC，多用于低真空中。由于青銅的機(jī)械強(qiáng)度較大，因此多用不含有錫和鋅的鋁青銅或鈹青銅制造真空設(shè)備中所用的彈性元件、波紋管、電觸點(diǎn)和渦輪等。 紫銅是真空技術(shù)中應(yīng)用較多的材料，由于普通的紫銅放氣困難，普通銅中溶解的氧氣在低于銅的軟化點(diǎn)溫度下不能釋放出來(lái)，所以在高真空及超高真空中z*常用的是無(wú)氧銅，如用作蒸氣流泵的噴嘴、障板、冷阱、密封、電極等。無(wú)氧銅是紫銅的一種，表7列出了它的某些性質(zhì)。
3.3.3鋁 鋁是一種重量輕、延展性相當(dāng)好的金屬。由于鋁易于壓制成形，且其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好(稍次于銅)，又是非磁性材料，故常用作真空室內(nèi)的輕型支架、放電電極、擴(kuò)散泵的噴嘴、導(dǎo)流管、擋油障板、分子泵中的葉片及耐腐蝕鍍層等。表8給出了鋁的某些性質(zhì)。
3.3.4鈦 鈦的強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕，是真空工程中特別有用的金屬。表9給出了Ti的物理性質(zhì)。鈦可以加工成形，而且沒有磁性，因而是理想的結(jié)構(gòu)材料，適合用做鍍膜設(shè)備中的磁控濺射靶、濺射離子泵的陰極等。
3.3.5鋯 純鋯是一種特別活潑的金屬，可以用來(lái)作吸氣劑(如鋯鋁吸氣泵)，它特別對(duì)氫氣及氫的同位素氘、氚等有較強(qiáng)的吸附能力。表10給出了Zr的某些性質(zhì)。
3.3.6鎘、鋅 鎘與鋅常用做螺栓、螺母和其它零件的防銹鍍層。但由于它們的蒸氣壓很高(如鎘在150oC時(shí)為10-3Pa；300oC時(shí)為10 Pa)，因此有鎘及鋅鍍層的零件應(yīng)避免在高真空中使用，尤其應(yīng)避免在烘烤系統(tǒng)中使用。 (未完待續(xù))
