淺析真空系統(tǒng)中的幾種金屬材料

一 、不銹鋼

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不銹鋼概述

在真空技術(shù)中，不銹鋼是構(gòu)造腔室或部件的優(yōu)先材料。不銹鋼在法蘭連接處具有的足夠強(qiáng)度—即使在烘烤過(guò)程中也不會(huì)對(duì)其硬度造成影響。它可以進(jìn)行焊接，以保證其真空密封，其表面已充分鈍化，從而為許多應(yīng)用提供了足夠的保護(hù)。

下表列出了真空技術(shù)中常用不銹鋼的化學(xué)組成和性能。

注：依據(jù)EN100881第1部分、歐洲材料命名標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

依據(jù)AISI（美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)）、材料命名標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

歐洲常用鋼號(hào)可與AISI（美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)）類似材料名稱通用，如1.4301對(duì)應(yīng)304、1.4307和1.4306對(duì)應(yīng)304L、1.4404和1.4435對(duì)應(yīng)316L以及1.4429對(duì)應(yīng)316LN。不過(guò)，材料只是大約類似。真空應(yīng)用的差異大多是非常微小的。然而，對(duì)于特殊要求，必須針對(duì)個(gè)別情況單獨(dú)評(píng)估通用性。示例：如果某個(gè)部件需要材料1.4301，一般必須有相關(guān)材料證書(shū)。如果證書(shū)只顯示材料304，則未滿足要求。此時(shí)，證書(shū)中的名稱很重要。如果滿足相應(yīng)的材料規(guī)格，制造商也可證明半成品具有幾個(gè)名稱。例如，如果材料被證明為1.4301、1.4307、304和304L，用途則會(huì)更加多樣化。

為避免出現(xiàn)問(wèn)題，例如在系統(tǒng)驗(yàn)收過(guò)程中，在驗(yàn)收半成品或部件時(shí)，必須預(yù)先明確規(guī)定材料及其證書(shū)的要求。后續(xù)證明通常是不可能的，特別是針對(duì)特殊要求：例如，由于特殊機(jī)械性能，根據(jù)AD2000W2（壓力容器工作組，2000時(shí)間表W2，“壓力容器的材料”）或ASME（美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)），在化學(xué)組成或證明中的限制。

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不銹鋼型號(hào)

1）、不銹鋼1.4301：

最常用的鉻鎳鋼。優(yōu)良的冷成型、焊接和拋光性。較強(qiáng)的的抗腐蝕性，適用于很多應(yīng)用。適合于真空應(yīng)用。例如，用于法蘭、管件和腔室。

2）、不銹鋼1.4305:

1.4301的變體，含硫，以改善機(jī)械加工性（易切削鋼）。耐腐蝕性低于1.4301。不可焊接。非常適用于真空應(yīng)用。用于車床部件和銑削零件的一部分，如定心環(huán)。

3）、不銹鋼1.4307,1.4306:

1.4301的低碳變體。由于碳含量低，所以可焊接，而不易被晶間腐蝕。強(qiáng)度略低于1.4301。非常適合于真空應(yīng)用。應(yīng)用要求非常低的碳含量，例如，用于CF法蘭。1.4307逐漸取代1.4306，因?yàn)楦吆康你t和鎳帶來(lái)的利益與其如此高的購(gòu)買成本不匹配。

4）、不銹鋼1.4401：

優(yōu)良的冷成型性能。良好的焊接性和拋光性能。由于鉬添加劑，它比1.4301更耐非氧化酸和含氯離子的介質(zhì)。非常適用于真空應(yīng)用。例如，用于閥門外殼、用在要求更多防腐保護(hù)的區(qū)域或用于家庭飲用水系統(tǒng)。

5）不銹鋼1.4404:

1.4401的低碳變體。由于碳含量低，所以可焊接，而不易被晶間腐蝕。非常適合于真空應(yīng)用。在要求具有非常低的碳含量或較高的耐腐蝕性時(shí)使用，例如，用于半導(dǎo)體行業(yè)中的管件和法蘭部件。

6）不銹鋼1.4435：

與1.4404相比，較高的鎳含量穩(wěn)定了奧氏體結(jié)構(gòu)，降低delta鐵素體的形成，因此即使在焊縫區(qū)域中，也幾乎沒(méi)有磁性。由于增添加了鉬添加劑，它比1.4404更耐非氧化酸和含氯離子的介質(zhì)。非常適合于真空應(yīng)用。經(jīng)常用于制藥行業(yè)，同樣受巴塞爾標(biāo)準(zhǔn)2(BN2)的限制，該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了更嚴(yán)格的分析限制并限定了允許的鐵素體含量。

7）不銹鋼1.4429：

特點(diǎn)類似于1.4435，但是，由于氮含量高，它的強(qiáng)度更大。這也穩(wěn)定了奧氏體結(jié)構(gòu)，從而最大限度地減少delta鐵素體的形成，從而減少磁化。非常適合于真空應(yīng)用。用于CF法蘭，尤其是在高溫下發(fā)生針對(duì)清潔和消磁的真空退火時(shí)。1.4429在管和金屬薄板方面的可用性很低。因此，用于腔室和部件、由1.4429制成的法蘭通常與1.4404或1.4307制成的半成品結(jié)合。

8）不銹鋼1.4429ESR：

性能與1.4429相同，但由于ESR（電渣重熔法）處理，其微觀結(jié)構(gòu)得到了改善并且具有較高的純度。非常適用于真空應(yīng)用。它被用作一種優(yōu)質(zhì)的CF法蘭，表現(xiàn)出很大的強(qiáng)度和最小的可磁化性，并結(jié)合了較高的化學(xué)純度和結(jié)構(gòu)的均一性。

9）不銹鋼1.4571：

經(jīng)典的“V4A”鋼，具有高可用性。使用鈦穩(wěn)定，因此可焊接，而不易被晶間腐蝕。性能類與1.4401類似，但是由于結(jié)構(gòu)中的鈦碳化物，它僅可中度拋光而不適合于電拋光。非常適用于真空應(yīng)用。例如，用于對(duì)耐腐蝕性有更高要求的管道和設(shè)備的構(gòu)建。

奧氏體不銹鋼彈性模量的溫度依賴性

0.2%屈服點(diǎn)奧氏體不銹鋼的溫度依賴性

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不銹鋼構(gòu)成工藝

ESR（電渣重熔法）：通過(guò)ESR工藝，在可控制、可重復(fù)的條件下生產(chǎn)具有較高化學(xué)和結(jié)構(gòu)純度的低偏析致密不銹鋼。主熔體塊在ESR爐中進(jìn)行電重熔。一電極在主塊上，另一反向電極在水冷坩堝的底部。熔渣位于兩極之間，由電阻加熱到不銹鋼熔化溫度以上。金屬液滴在與液態(tài)熔渣接觸時(shí)，可對(duì)上面的非金屬雜質(zhì)進(jìn)行清除，使其不斷從主塊底部釋放出來(lái)。當(dāng)通過(guò)熔渣時(shí)，粗大雜質(zhì)幾乎完全消失。剩下的是小雜質(zhì)，幾乎均勻地分布在次級(jí)塊上。通過(guò)ESR工藝凈化的不銹鋼具有極高密度和同質(zhì)性的特點(diǎn)。

奧氏體鋼具有良好的可焊性，并且是非磁性的全奧氏體。在退火狀態(tài)下，它們的特點(diǎn)是，即使在極低的溫度下仍保持非常高的韌性值。它們往往具有高加工硬化能力，特別是具有較高的碳含量。部分微觀結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為變形馬氏體。全奧氏體鋼在焊接過(guò)程中易于產(chǎn)生熱裂紋。在許多奧氏體材料中，其化學(xué)成分往往被調(diào)整為將焊接金屬內(nèi)的delta鐵素體含量提高至10%，這樣則減少了熱裂紋的形成。因此，許多稱為奧氏體的鋼可在其結(jié)構(gòu)種包含鐵素體或馬氏體含量，這取決于它們的機(jī)械或熱處理方式。

可磁化性:全奧氏體微觀結(jié)構(gòu)是沒(méi)有磁性的。通過(guò)先前描述的將微觀結(jié)構(gòu)組成部分轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃务R氏體或delta鐵素體，即使被指定為奧氏體的鋼也會(huì)變得略帶磁性。對(duì)于馬氏體和鐵素體，兩者都是可磁化的。通過(guò)溶液使冷加工硬化退火，從而使馬氏體減少，甚至逆轉(zhuǎn)。在微觀結(jié)構(gòu)種，delta鐵素體的組成部分基本上取決于鐵素體形成元素鉻、鉬、硅和鈮與奧氏體形成元素鎳、碳、氮和錳之比。鐵素體含量部分可通過(guò)熱處理降低，從而降低可磁化性。由于具有相同材料名稱的不銹鋼可在所述限制內(nèi)具有不同的化學(xué)組成，其可磁化性不是定量的。根據(jù)DeLong，通過(guò)繪制奧氏體形成元素鎳當(dāng)量與鐵素體形成元素鉻當(dāng)量的示意圖，可看出奧氏體和鐵素體含量。

在圖3.3中，對(duì)于某些不銹鋼，顯示了鉻和鎳當(dāng)量區(qū)域（彩色矩形），并以圖標(biāo)給出其平均當(dāng)量。

穩(wěn)定鋼含有鈦和鈮，二者吸附在焊接過(guò)程中排出的碳，從而防止碳化鉻的形成。碳化鉻的形成將導(dǎo)致晶界處的鉻減損，并可使該材料易受晶間腐蝕。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)使用片材厚度大約為6mm或以上、低碳(C≤0.03%)或穩(wěn)定的不銹鋼。碳化鉻嚴(yán)重限制了拋光性。

熱處理:對(duì)于奧氏體不銹鋼，固溶退火溫度大約為1,050°C。由于在600°C和800°C之間的溫度范圍內(nèi)存在形成碳化鉻的風(fēng)險(xiǎn)，以及相比于晶間腐蝕造成的損害，因此必須快速通過(guò)900°C和500°C之間的溫度范圍。成品真空部件可在真空環(huán)境下，在950°C到1,100°C的溫度范圍內(nèi)退火。當(dāng)困在空間間隙中的氫脫氣（低氫退火）以及可磁化性減少（消磁退火）時(shí)，可使得表面的雜質(zhì)特別是殘余的碳?xì)浠衔铮▋艋嘶穑┑靡郧宄４送猓魏维F(xiàn)有的碳化鉻溶解（固溶退火），以及因加工產(chǎn)生的材料應(yīng)力消失（無(wú)應(yīng)力退火）。然而，熱處理還會(huì)減少在機(jī)械上有利的硬化。使用金屬密封法蘭，退火時(shí)可導(dǎo)致切削領(lǐng)域中不期望的材料硬度減少。如果使用金屬密封件且密封件功能失效，則刀刃可能會(huì)發(fā)生斷裂。因此，我們建議法蘭材料1.4429ESR適用于退火處理。其硬度非常強(qiáng)，能夠確保刀刃足夠堅(jiān)韌。

腐蝕:腐蝕取決于各種因素，因此，耐腐蝕性信息僅具有警示值，并適用于一般信息。它本應(yīng)有利于不銹鋼的選擇，但并不能確保，因?yàn)樗蝗菀走m用于實(shí)際操作條件。例如，溫度和濃度的增加以及機(jī)械應(yīng)力的增加和對(duì)表面的損壞，都會(huì)加速腐蝕。而且，氧氣的缺乏可防止氧化鉻鈍化層再生，因此缺乏防腐蝕保護(hù)。此外，雜質(zhì)的出現(xiàn)也可加速腐蝕。實(shí)際上，最常出現(xiàn)的是氯離子和其它鹵離子引起的點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力裂紋腐蝕。因此，鈍化層局部破裂，且局部腐蝕繼續(xù)。尤其是薄壁部件，如金屬波紋管，最容易受到此類腐蝕。如有必要，應(yīng)該通過(guò)測(cè)試確定使用壽命。此外，冷卻水對(duì)部件的危害不應(yīng)低估。被水包圍的表面必須充分鈍化，且冷卻水必須能夠顯示出制造商指定的特點(diǎn)。

二、 碳鋼

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真空技術(shù)中使用的碳鋼，只要壓力低于10-5hPa，該壓力無(wú)需創(chuàng)建和保持，且無(wú)需防腐蝕保護(hù)。與不銹鋼相比，它是價(jià)格相對(duì)低的建筑材料，具有良好的可焊性，并且易于加工。然而，在使用這種類型的鋼時(shí)，必須考慮CO的連續(xù)出氣以及受空氣腐蝕的傾向。在大氣側(cè)，防腐蝕保護(hù)可以通過(guò)涂漆來(lái)提供，而在真空側(cè)，這可以通過(guò)鍍鎳來(lái)提供。對(duì)于容器的制造，必須慎重選擇所用的鋼種，特別是可焊性和氣密性方面。鍋爐制造方法只可在有限的程度上轉(zhuǎn)移到真空容器制造上。在標(biāo)注尺寸時(shí)，外部氣壓造成的應(yīng)力必須予以考慮，且焊接必須確保真空密封。此外，所使用的工具必須與加工不銹鋼所使用的工具嚴(yán)格分開(kāi)，以避免污染不銹鋼。這對(duì)于儲(chǔ)存和運(yùn)輸軟鋼和不銹鋼同樣適用。軟鋼通常用于法蘭連接的緊固件，其中表面往往被鍍鋅、鍍鎳或鍍鉻，以保護(hù)它們免受腐蝕。

三、鋁

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鋁主要用于低、高真空范圍，通常作為合金，特殊情況下，也作為純鋁使用。諸如ISO-KF管件之類的部件通常由鋁合金制成帶有重新加工的法蘭面。在選擇材料時(shí)，必須考慮收縮率和孔隙率。用于定心環(huán)和配套密封環(huán)時(shí)，部件由棒料制成。對(duì)于以密封墊或線型金屬密封件，退火的鋁硅合金是首選。

鋁的蒸氣壓很低，在熔點(diǎn)為660°C時(shí)僅為6·10-9hPa左右。熱膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)高以及氧化鋁層穩(wěn)定使鋁難以焊接。有出現(xiàn)氣孔和裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，非常容易扭曲變形。焊接前均勻加熱會(huì)降低這些風(fēng)險(xiǎn)。然而，實(shí)際上，這通常是不可能的。

鋁不可磁化。在有限的程度上，鋁法蘭連接僅可用于金屬密封的UHV連接，因?yàn)樗鼈兊挠捕韧ǔＬ汀ｋm然目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了特殊的雙金屬法蘭，包括鋁底座和不銹鋼板，或具有堅(jiān)韌密封面的鋁法蘭，但由于價(jià)格相對(duì)較高、加工性能存在一定風(fēng)險(xiǎn)以及應(yīng)用性有限等，導(dǎo)致它們的應(yīng)用并不成功。為了提高它們的抗磨損性，例如，用于潔凈室中，或?yàn)榱嗽黾臃栏g保護(hù)，鋁表面往往作陽(yáng)極化處理。這導(dǎo)致厚度增加幾個(gè)微米、且存在多孔氧化層，這在真空應(yīng)用中適用性非常有限。氣體分子逐漸沉積在此類表面上，產(chǎn)生較高的解吸率。此外，表面區(qū)域的氣體分子可在密封件下形成通道，造成泄漏。有各種可用的陽(yáng)極處理。在決定是否使用此類方法時(shí)，必須考慮局限性，并權(quán)衡利益。

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