张以忱
（东北大学，辽宁  沈阳  110006）

1. 真空材料的种类

    真空工程的用材范围包括：真空设备的壳体，真空规管，置放于真空容器内的各种固定、活动、可拆卸机构及部件，各类密封材料，各类真空获得手段的工作物质等等。真空系统中所用的材料大致可分为两类。
1．1结构材料
    是构成真空系统主体的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力。这类材料主要是各种金属和非金属材料，包括可拆卸连接处的密封垫圈材料。
1．2辅助材料
    系统中某些零件连接处或系统漏气处的辅助密封用的真空封脂、真空封蜡、装配时用的粘接剂、焊剂、真空泵及系统中用的真空油、吸气剂、工作气体及系统中所用的加热元件材料等。
    随着真空科学技术的进展，新工艺、新材料肯定将不断出现。常用的真空系统材料见表1。

表1  真空系统中的真空元件的常用材料

零部件名称	低真空及高真空	超高真空
壳体、管路、阀、内部零件	普通碳素钢、不锈钢	不锈钢、钛
密封垫圈	丁基橡胶、氟塑料	氟橡胶、氟塑料、铜、金、银、铟
导电体	铜、不锈钢、铝	铜、不锈钢
绝缘体	酚醛、氟塑料、玻璃、陶瓷	玻璃、致密高铝瓷等
视窗	玻璃	硼硅玻璃、透明石英玻璃
润滑剂	低蒸气压的油及脂	二硫化钼、镀银或金
加热元件	镍铬铁合金、钨、钼、钽、碳布	钨、钼、钽、钨—铼合金、石墨碳纤维

2. 真空材料的性能与选材基本原则

2．1材料的真空性能
    在真空工程领域中，不仅要对材料的物理、化学和机械性能有所要求，而且对这些材料的真空性能还有特殊要求。可以用任何一个最简单的真空系统为例，该真空系统的抽气方程(动态平衡方程)为

V·dP/dt=-P·Se+Q

(1)

式中    V——被抽真空容器的容积
        P——气体压力
        S_e——对真空容器的有效抽速
        Q——气源的出气量
    dP/dt=0时，即真空系统处于抽气与气源达到动平衡状态时，式(1)变为

Po=Q/Se

(2)

    从式(2)可见，该系统所能达到的极限压力P_o，主要取决于气源的出气量Q_oQ一般由下面几部分组成：①漏孔的漏气量；②大气通过真空室器壁材料渗透入内的气体量；③真空容器内表面材料的蒸发、升华、分解等放出的气体量；④材料的出气；⑤抽气系统的返流，例如扩散泵(机械泵)的反扩散气体、返流油蒸气、溅射离子泵或低温吸附(冷凝)泵中气体的再释放等。
    由上述可见真空系统内的气源主要与材料的真空性能有关，以下对这些性能进行简单的讨论。
2．1．1材料的渗透性
    因为在真空容器器壁两侧的气体总是存在压力差，所以即使壁面固体上存在的微孔小到足以阻止正常气流通过时，但壁面材料总要或多或少地渗透一些气体。则气体从密度大的一侧向密度小的一侧渗入、扩散，通过和逸出固体阻挡层的过程称为渗透。在这种情况下的稳态流率称为渗透率。
    从微观的角度来看，渗透过程是按以下步骤进行的。
    ①首先，气体原子或分子碰撞到真空器壁的外表面；②被器壁外表面吸附；③吸附时有的气体分子能离解成原子态；④气体在入射一侧的壁面表层达到一个平衡溶解度；⑤由于浓度梯度的存在，气体向壁面的另一侧扩散；⑥气体扩散到器壁的另一面重新结合成分子态(如果存在步骤3时)后释放；或气体扩散到器壁的另一面后解吸和释出。
    一般说来，在渗透过程中，扩散这一环节是最慢最关键的一步，它与渗透气体及壁面材料的种类和性质有密切关系。对于金属材料来说，例如氢气通过钢铁材料的渗透过程，是先以分子态吸附在材料的表面上。然后由铁表面的亲和力引起氢分子较弱的H—H键断裂，使氢离解成原子态并渗透过材料，在壁面的另一侧重新结合成分子态氢；氢气对于非金属材料，则是以分子态形式扩散渗透。
    根据扩散定律，可推导出渗透量的表达式

Q=K·A·Δp1/j/h

(3)

式中    Q——气体透过固体壁面的渗透速率
        K——某种气体对某种固体的渗透系数
        A——壁的面积
        Δp——器壁两侧的气体压力差
        J——溶解常数，对金属中的双原子气体j=2，对非金属中的气体j=1
        h——壁厚
    其中K值与气体一固体配偶的性质有关。只要知道渗透系数K，就可以根据该材料的壁厚h、壁的面积A、壁两侧的气压差Δp，由式(3)求得渗透速率。K的意义是：器壁两侧的压力差为一个大气压下，温度为0℃(即在标准状态下)渗透过单位厚度(cm)的单位面积(cm)壁面的气体量。所以K的单位常用制外单位表示：如使用[cm²／s]则与扩散系数的单位一致，形式简单，但物理意义不够明确；而使用[cm³(STP)／(cm²·s·Pa·mm^-1)]表示每mm厚的材料，在每Pa的压差下，每秒通过每cm²面积的渗透气体量(以标准状态下的cm³计)。此单位形式比较复杂，但物理意义比较明确。
    渗透系数K、扩散系数D、溶解度S之间存在以下关系

K=DS

(4)

式中    D——气体在固体中的扩散系数，cm²/s
        S——气体在固体中的溶解度，cm³(STP)/(cm³·Pa);表示压力在大气压力的平衡条件下，单位体积的固体材料中所溶解的气体体积数
        K——渗透系数
    扩散系数、溶解度、渗透系数这三个参数都是温度的指数函数。
    由于渗透率与气体和材料的种类有关，而且在实际应用中常常要估算容器壁面一侧处于大气压力时的渗透速率，为此还应对大气成分有定量的了解。表2给出了标准状态下的大气成分。

表2  标准大气成份

成份	分子量	含  量  比  例		分  压(Pa)
		%(体积)	%(重量)
N2 O2 Ar CO2 Ne He CH4 N2O Kr H2 Xe SO2 O3 NO2 NH3 CO I2	28.0134 31.9988 39.948 44.00995 20.179 4.0026 16.04303 44.0128 83.80 2.01594 131.30 64.0628 47.9982 46.0055 17.03061 28.01055 253.8088	78.084 20.948 0.934 3.14×10-2 1.82×10-3 5.24×10-4 2.0×10-4 5.0×10-5 1.14×10-4 5.0×10-5 8.70×10-6 0~1×10-4 夏：0~7×10-6 冬：0~2×10-6 0~2×10-6 0~微量 0~微量 0~1×10-6	75.520 23.142 1.288 4.8×10-2 1.3×10-3 6.9×10-5 1.0×10-4 8.0×10-4 3.3×10-4 3.5×10-6 3.9×10-5 0~2×10-4 0~1×10-5 0~3×10-6 0~3×10-6 0~微量 0~微量 0~9×10-6	7.91×104 2.12×104 946.43 31.99* 1.87 5.3×10-1 2.0×10-1 5.33×10-1 1.16×10-1 5.33×10-2 8.80×10-3 0~8×10-4* 0~5×10-5* 0~1.5×10-5* 0~1.5×10-5* 0~微量 0~微量 0~8×10-6*

*随时间和地点的变动而变动

    在真空工程领域中所用的金属、玻璃、橡胶及塑料等，对气体来说或多或少都可以渗透。其渗透量随不同的气体和材料而异，而且差异较大。
    对金属来说，有些金属(如：不锈钢、铜、铝、钼等)的气体渗透系数就很小，在大多数实际应用中可以忽略不计。但对某些金属(如：铁、镍等)，氢气对它们就具有较高的渗透率。氢气对钢的渗透率随含碳量的增加而增加，所以选择低碳钢做真空室材料为好；另外有些金属对气体的渗透具有选择性，如氢气就极容易渗透过钯，氧气易透过银等。可以利用这个性质对气体进行提纯和真空检漏。
    气体对玻璃、陶瓷等的渗透，一般是以分子态的形式进行的。渗透过程和气体分子的体积及材料内部微孔大小有关。含纯二氧化硅的石英玻璃的微孔孔径约为4A，其它玻璃因碱金属离子(钾、纳、钡等)填充于微孔之中，使其有效孔径变小，所以各种气体对石英玻璃的渗透性大，而对其它玻璃的渗透性就小。而氦分子的直径在各种气体分子中最小，所以氦对石英玻璃的渗透在气体一固体配偶中是最大的。
    气体对有机材料(如橡胶、塑料)的渗透过程一般是以分子态进行的。由于有机材料的微孔比较大，因此气体对有机材料的渗透能力比玻璃、金属要大的多。
2．1．2材料的出气
    任何固体材料在大气环境下都能溶解、吸附一些气体。当材料置于真空中时，就会因解溶、解吸而出气。对一般真空设备来说，材料的出气是真空系统中最主要的气源。常用的出气速率单位有：Pa·L／s·cm²。
    出气速率通常与材料中的气体含量和温度成正比。所以有时(如电真空器件)也用高温下材料的出气总量作为选材依据。出气总量的单位：考虑体积含量为主时可用Pa·L／g；考虑表面含量为主时则用Pa·L／cm²。
    材料的出气速率除了与材料性质有关外，还和材料的制造工艺，储存情况等有关。另外，材料的预处理工艺(如：清洗、烘烤、气体放电轰击、表面处理等)对材料的出气速率影响也很大。因此选用材料出气速率的数据时必须考虑这些情况。
    材料出气速率是温度的函数，表示为

q=qoexp(-E/RT)

(5)

则单位时间内容器器壁表面出气量为

Qm=A·q

(6)

式中    q——出气速率
        q_o——常数
        E——出气活化能
        R——气体普适常数
        T——绝对温度
        Q_m——器壁表面出气量
        A——出气表面的面积
    因为出气速率与温度有关，所以在设计真空系统时必须选用实际使用时的温度数据。如无此数据，则可根据两个不同温度下的数值按式(5)进行估算。另外从式中也可以看出，出气速率按指数变化，所以出气量是时间的慢变化函数(即时间延长一个数量级，出气速率降低较慢)。已经出过气(经除气后)的材料经长时间暴露大气后，能重新吸气并恢复到原来的情况。因此，对真空系统来说，为了降低出气率，缩短抽空时间，应该经常保持在真空状态。例如，经常运转的真空系统，如果只是在两次运转之间短时间暴露大气的话(如1 h以内)，则大约等效为材料已在真空中进行了10 h的出气时间；对于经常运转而只暴露于低真空的材料，则可等效于已经历了lOO h的出气时间。
    另外，材料的出气速率不仅和所经历的出气时间有关，而且和材料的表面预处理方法、表面状况有很大关系。例如：对于清洁的表面来说，表面的光洁度越高，吸附的水气就越少；在干燥氮气或空气中烘烤，可使不锈钢表面形成一层密实的淡黄色氧化膜，也可以减少出气，而且可以将表面的污染物氧化成气体或烧掉；用有机溶剂去脂时，表面的单分子层污染是无法除掉的，只能靠在真空下烘烤来除掉。例如，温度在200℃以上的真空环境下的烘烤可有效地除掉水气，但要有效地除掉氢，则必须在400℃以上的温度下进行真空烘烤。
    对真空系统设计来说，仅有材料出气速率的数据还是不够的，因为有许多真空泵的抽气能力是有选择性的，所以如果能进一步知道材料出气中的各种气体成分的比例，就能有针对性的选配合适的真空泵，得到更合理的设计。
    各种材料的出气率都是用实验方法(如动态法或静态法测量)测得的，数据存在较大差异。各种数据可查阅有关手册。
2．1．3材料的蒸发、升华、蒸气压
    物质通常有三种不同状态，即气态、液态和固态。它们依据一定的条件而相互转化。液态转化成气态的过程称为蒸发，固态转化成气态的过程称为升华。
    在一定的温度下，在封闭的真空空间中，由于液体(或固体)气化的结果，使空间的蒸气密度逐渐增加，当达到一定的蒸气压力之后，单位时间内脱离液体(或固体)表面的分子数与从空间返回液体(或固体)表面的再凝结分子数相等，即蒸发(或升华)速率与凝结速率达到动态平衡，这时可认为气化停止，此时的蒸气压力称为该温度下该液体(或固体)的饱和蒸气压。
     饱和蒸气压与温度之间有如下近似关系

logP=A-B/T

(7)

式中    P——饱和蒸气压
        A、B——常数
        T——绝对温度
    应该注意的是，应该把材料的蒸气压力与放气压力区分开，材料的放气压力与材料对气体的解吸、放气或渗透有关。虽然有时放气或热解吸造成的气体压力比材料固有的蒸气压力要高的多，但是通过在真空下烘烤能够降低它们对气体压力的影响，但是材料的蒸气压力却是材料本身所固有的、不变的。
    在真空技术中，材料的蒸气压力和蒸发(升华)速率都是需要重视的参数。如：真空油脂、真空规管的热灯丝的饱和蒸气压均能成为影响极限真空度的气源；真空镀膜用材和吸气剂的升华速率是设计真空镀膜设备及吸气剂泵时需要考虑的参量；低温液化气体的饱和蒸气压力则是与低温冷凝泵极限压力有关的参量。
    显然，不能采用在真空系统的工作温度范围内蒸气压力很高的材料。在工作温度的范围内，所有面对真空的材料的饱和蒸气压力应该足够低，不应因为其本身的蒸气压或放气特性而使真空系统达不到所要求的工作真空度(或使真空度过度降低)。尽管室温下某些材料的蒸气压很低，甚至有时觉察不出来，但随着温度的升高，蒸气压力最终可以上升到测得出来的值。例如，某些难熔金属需要升高到1500℃以上才能测出其蒸气压力值。但是某些金属(例锌、镉、铅等)在300～500℃时的蒸气压力值就很高，超过了高真空系统所要求的压力。例如镉在300℃时的蒸气压力值为10 Pa，所以这些金属(或其合金)不能在带烘烤的高真空系统或超高真空系统中使用。其它一些材料，如某些塑料或橡胶，由于其不能加温烘烤及蒸气压过高，则根本不能在超高真空环境下使用。
    真空工程中常用材料及清洗用有机溶剂的蒸气压请查阅有关手册。

 

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^-1～1.3×10^-2Pa。
    高真空时，应小于1.3×10^-3~1.3×10^-5Pa。
    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. 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^-4Pa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^oC～900^oC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^oC的地方，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^oC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	温度(oC)或成形	数  值	单    位
密度 熔点 比热 热导率 线热膨胀系数 抗拉强度 杨氏摸量 弹性极限 电阻率	100 500 0~93 0~316 0~538 退火 冷轧 退火 25 700	7.9 1427 0.12 0.039 0.051 1.59×10-4 1.720×10-4 1.800×10-4 65 240 19.000 26.5 72.0 110	g·cm-3 oC cal·g-1·oC-1 cal·cm-1·s-1·oC-1 oC-1 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 µΩ·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)	宽度(mm)	长度(mm)
重钢	6~32 (复层厚2~4)	700,1000,1300, 1400,1500,1600,1700	2000,2800,3200, 3500,4500,5000
上钢三厂	4~32 (复层厚2~3)	1000	1000~2000

表5  复合钢板品种

复层钢号	基  体  钢  号
	A3	20Cr	16Mn	15MnV	12CrMo	14CrMnMoVB
1Crl8Ni9Ti 0Crl8Ni9Ti 0Cr18Ni12Mo2Ti 00Cr18Ni9 00Cr18Ni12Mo2 0Cr13 0Cr17Ti 0Cr17Mo2Ti	+ + + - - + + +	- + - - - - - -	+ - + + + - - -	- - + - - - - -	- - - - - + - -	+ - - - + - - -

    注：+号为国内产品。

表6  复合钢板使用温度范围

类  型	材    料		使用温 度上限	使用温 度下限
	复  层	基  体
奥氏体类 型复合钢 板 铁素体类 型复合钢 板	Cr18Ni9Ti  Cr18Ni12Mo2Ti  00Cr18Ni9  00Cr18Ni12Mo2  0Cr17Ti  0Cr17Mo2Ti	A3  16Mn  15MnV  09Mn2V  14MnMoVB  14CrMnMoVB	400oC	按基体材料使用温度下限
	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^oC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^oC左右(见图2)。可采用向镍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^oC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^oC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^oC，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	温度(oC)或成形	数    值	单    位
原子序数  原子量  密度  熔点  比热  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  退火温度  H2的溶解度	20 20 100 700 0~100 铸造 退火 铸造 退火 退火 退火 20 20 450 100	29 63.54 8.3~8.96 1083±0.1 0.092 0.941 0.90 0.84 165×10-7 36 45~50 16~20 20~25 11700~12600 3900~4800 0.017~0.017 6.8×10-3 4.46 450~600 6×10-2 2.5	g·cm-3 oC cal·g-1·oC-1 cal·m-1·s-1·oC-1 oC-1 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 Ω·mm-2m-1 oC-1 eV oC cm3(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^oC以上时Cu的抗拉强度陡降；当温度超过500^oC时，Cu的蒸气压比Ni的蒸气压大约高一个数量级。无氧铜会被氧腐蚀，并在200^oC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	温度(oC)或成形	数    值	单    位
原子序数  原子量  密度  熔点  比热  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	20 100 20 200 20~100 20~300 软化 冷轧 软化 冷轧 20 300 20 250 580	13 26.97 2.70 646~657 0.214 0.225 0.52 0.475 24.0×10-6 26.7×10-6 15~25 35~70 7~11 5800~7000 2760 2750 2.8 6.0 4.08×10-3 4.25×10-3 4.08 0.65×10-6 200~450 2×10-2	g·cm-3 oC cal·g-1·oC-1 cal·m-1·s-1·oC-1 oC-1 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 µΩ·cm oC-1 eV cgs oC cm3(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^oC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^oC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
    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	温度(oC)或成形	数    值	单    位
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	0~100 20 软化退火 冷轧 退火 软化退火 20 1 h	22 47.90 4.51~4.54 1725 0.127 55~61 8.5×10-6 185 260 52~73 11700 3.0 50 600~800	g·cm-3 oC cal·g-1·oC-1 cal·g-1·oC-1 oC-1 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 eV µΩ·cm oC

    钛对活性气体(如O₂、N₂、CO、CO₂以及650^oC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	温度(oC)或成形	数    值	单    位
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  电阻率  电阻率的温度系数  电子逸出功  退火温度  H2的溶解度	20 25 125 20~200 20~400 退火 硬化 退火 退火 20 0~100 30 min 375	40 91.22 6.52 1857 0.07 0.035±5% 5.4×10-6 6.9×10-6 67 150 65 8000 40 0.0044 4.1~4.2 527 2.4×10-2	g·cm-3 oC cal·g-1·oC-1 cal·m-1·s-1·oC-1 oC-1 kg·mm-2 kg·mm-2 kg·mm-2 µΩ·cm oC-1 eV oC cm3(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。Zr对HCl、HNO2、稀H2SO4、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时为10 Pa)，因此有镉及锌镀层的零件应避免在高真空中使用，尤其应避免在烘烤系统中使用。

锆在什么情况下二次电子发射产额低