真空科學的應用領域
真空科學的應用領域很廣,目前已經滲透到車輛、土木建筑工程、機械、包裝、環境保護、醫藥及醫療器械、石油、化工、食品、光學、電氣、電子、原子能、半導體、航空航天、低溫、專用機械、紡織、造紙、農業以及民用工業等工業部門和科學研究工作中。現就其主要的幾個領域簡述如下:
1、真空在輸運、吸引、起吊及真空造型等設備中的應用
真空輸運、真空吸盤及起吊設備、都是利用真空與大氣間存在壓力差所產生的力來做功的。由于這種機械能存在著壓強處處均勻的特點,因此可絕對密接地施加到任何形狀的平面上。目前、這些真空設備大多用在吸魚、糧食、面粉、煤粉、煙草、水泥、泥漿、紙漿、粉狀礦物粉狀化工產品,水泥地板,預制板、機場及公路水泥跑的快速吸干、車間起吊、機床夾具,玻璃裝運,吸乳、吸塵。人工流產吸引胎兒:吸痰、吸胸膜積水、膿液、吸腸以及吸引原子彈爆炸所產生的輻射塵埃等生產作業中。這些設備均具有結構簡單,易于操作維護、運輸、起吊吸引過程中無震動、生產效率高、運送易損壞物件安全可靠、對環境無污染等特點。因此具有廣闊的應用范圍和前景。
真空造型也是利用壓差力的一個重要方面,近年來在立體軍用地圖、盲人書籍、示數摸型、高級陶瓷、混凝土予制件、電冰箱洗衣機板件、玩具、復制浮雕和文物、行波管和返波管中的細旋支柱成形、質譜儀中分析室以及微波系統的波導制作方面、都廣泛的采用了這一技術。
真空力學應用的另一個領域是真空過濾和真空浸漬。目前化工,制糖,水泥等工業部門已開始大量采用的連續真空過濾、很容易將粘度大的懸浮液利用壓差力的作用、通過微細篩孔而將其懸浮液中的液體與固體分離。在染料工業中利用真空過濾法可以大量節省棉布。真空浸漬是把片狀或纖維狀的疏松物質,進行先抽真空,再在液體中浸漬充填一些新的物質的一種新型工藝。這種工藝用在含油軸承、魚網纖維、皮革、非電解電容,變壓器、電動機定子線圈等產品上已經顯著的提高了產品質量。此外這種工藝對疏松劣質木材進行聚脂樹脂浸,對鉛筆木進行蠟類浸漬使其改變原有的天然性能達到化劣質為優質的目的、并已達到了予期的效果。
2、真空在電真空器件中的應用
由于各種電真空器件的工作原理是基于電場、磁場來控制電子在空間的運動借以達到放大、振蕩、顯示圖象等目的。因此避免電子與氣體分子間的碰撞,保證電子在空間的運動規律,防止發射熱電子的陰極氧化中毒,把電子器件內抽成不同電真空器件所要求的不同真空度、保證電子器件的正常工作,是絕對必要的。目前電真空工業中所生產的電真空器件主要有各種真空斷路器、真空管 ( 整流管、發射管、收信管、速調管、行波管、磁控管、光電管等 ) ;各種離子管 ( 泵弧整流管、引燃管、計數管、閘流管、噪音管、雷達電線開關等 ) ;各種電子束管 ( 示波管、攝象管、顯象管、 x 光管、變象管等 ) ;各種電光源管 ( 照明燈,光譜燈、儀器用燈等 ) 以及中子管、電子衍射儀、電子顯微鏡、 x 光顯微鏡,各種粒子加速器、質譜儀、核輻射譜儀、氣體激光器以及利用真空中電子束進行除氣、熔煉、區域提純、難熔金屬和介質的熔化和鉆孔,開槽切割、放射性同位素的蒸發,難熔金屬的焊接等許多方面。這些電子器件及工藝,在近代科學和近代大工業生產中所起的作用是不言而喻的。這里不再贅述。
3、直空在冶金工業中的應用
在真空中對金屬及其合金進行真空冶金范圍很廣,包括真空蒸餾、礦石及其半產品的真空分離,金屬化合物真空還原、鋼液爐外真空脫氣和精煉、金屬真空熔鑄、真空燒結,真空熱處理、真空釬焊及真空固態接合等多種工藝方法。真空冶金工業自二十世紀五十年代發展以來之所以得到極為廣泛地應用,是因為真空環境在冶金過程中具有一系列的特點所致。首先是真空環境中物質與殘余氣體分子間的化學作用十分微弱,因此非常適宜對黑色金屬、稀有金屬,超純金屬及其合金、半導體材料的熔煉和精制。其次,在真空環境中可通過降低單一氣體分子的分壓強、達到鋼液脫氣精煉、真空碳脫氧的目的。真空環境的另一個特點還在于它在較低的溫度下、具有進行一定反應的能力,例如在同樣溫度下,有些反應過程在大氣中則難以進行,但是在低壓下就十分容易。這就是真空化合物分解和有色金屬冶煉的基本原理。表 4 給出了各種不同真空冶金領域中所采用的各種工藝方法和它們的適用范圍。供讀者參閱。表 4 中給出的真空冶金中,尚應包括真空鍍膜工藝,但是由于這一領域,目前已成為真空表面處理技術中的一個重要組成部分,因此我們將在下一節中詳述。
表5 真空冶金的主要領域、工藝方法及其適用范圍
領域 |
工藝方法 |
運用范圍 |
真 空 熔 煉 |
真空感應熔煉 |
鐵鎳鈷銅鈹鈾系金屬及其合金 鈦鈹系金屬及其合金、鐵鎳鈷系高級合金鋼、鈾系合金、硅、鋯、鐵、鈮、鉑的區域精煉 |
自耗電極真空弧熔煉 |
鐵鎳鈷系高級合金鋼及低合金鋼,高級合金鎢鋁銠鉭鈦系金屬及其合金 |
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非 耗電極真空電弧熔煉 |
鈾鈦鋯及碳化鈾熔煉 |
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真空弧熱源在水冷銅坩堝中精煉及鑄造 |
鈦鋯鉬鈮鎢鉭及鈾等金屬合金 |
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真空電子束熔煉同時在水冷銅坩堝中凝固成錠 |
鎢、鉬、鈮、鉭、鉿、鈹等爾難熔金屬及全金高級合金鋼、超級合金、起純金屬 |
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電子束熱源在水冷 銅坩堝中皮殼精練然后進行離子鑄造或精密鑄造 |
鋁、鉬、鈮、鉭、鋯、鈦等,滾球軸承鋼等,高級合金鋼 |
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溢流法電子束多重熔床熔煉及冷凝成錠 |
高純金屬、高純合金及高級合金鋼 |
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等離子弧熔煉 |
合金鋼及工具材料 |
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等離子弧重熔 |
鈦及合金鋼 |
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等離子弧感應熔煉 |
耐熱鋼及耐熱合金 |
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真空精練 |
合金鋼精練及脫氣 |
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真 空 脫 氣 及 爐 外 精 煉 |
鋼包靜態真空脫氣 |
處理合金鋼 |
真空澆注 |
碳鋼合金鋼大鍛件鋼錠 |
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倒包脫氣 |
結構鋼 |
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出鋼脫氣 |
與電爐組合處理各種合金鋼 |
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出鋼脫氣加真空澆注 |
大鋼件鋼錠處理澆注 |
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出鋼脫氣加例包脫氣 |
各種鋼 |
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提升處理( DH 法) |
碳鋼、低合金錫、彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼電工鋼 |
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循環處理( RH 法) |
同上 |
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電磁攪拌真空脫氣 |
軸承鋼、超高強度鋼 |
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真空鋼包吹氬 |
低合金鋼 |
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真空電弧加熱脫氣 |
高合金鋼 |
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真空吹氧脫碳精練 |
不銹鋼及其他合金、高純鐵素體不銹鋼 |
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電弧加熱電磁攪拌真空精煉 |
合金鋼、不銹鋼、軸承鋼 |
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真空吹氧精煉 |
不銹鋼 |
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氬氧精煉 |
不銹鋼、結構鋼、軸承鋼、工具鋼 |
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水蒸氣混氧精煉 |
不銹鋼、猛鉻鋼 |
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真 空 熱 處 理 |
真空退火 |
鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、工具模具鋼、鉬、鋁、鈦、鋯、鈾、銅、鈦合金 |
真空氣體淬火真空高壓氣淬 |
高速鋼、馬氏體鉻鋼、冷作工具鋼、熱處工具鋼、鈦合金鑄件 |
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真空油淬火 |
工具鋼、高速鋇 |
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電子束淬火 |
活塞環槽脊、汽車凸輪軸及有關零件 |
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輝光離子氮化 |
鉻鋼、高速鋼、球未鑄鐵零件 |
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真空滲碳真空離子滲碳 |
軸鑿輪模具等零件 |
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真 空 接 合 |
電子束焊接 |
難熔金屬活性金屬、耐熱鋼、不銹鋼、彈簧鋼、高速鋼 |
真空釬焊 |
不銹鋼、鋁和鋁合金、鈦及其合金鈹與不銹鋼、鈹 - 鈦、鈹 - 鈮、鈹 - 陶瓷 |
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真空固態結合(擴散焊) |
鎳懸超合金,鈦合金 Cu-Ni , Ti- 鋼 Cu-Nb 、銅 - 鋼 |
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真空燒結 |
真空精類冶金 |
高純度耐熱金屬及合金,復合金屬、高磁性磁鐵、不銹鋼零件 |
真空蒸餾濃縮和結晶 |
真空蒸餾 |
有機油類、合成樹脂原料、高級酒精、高級脂肪酸、維生素 A 、 E 、苯乙烯、香乙醇、制酒、香精分離、鈦給鋯去掉鎂雜質和二氧化碳 |
真空濃縮 |
合成氨、合成尿素、制鹽糖、制酸、合成洗滌劑、制堿、浮制品、果汁、果醬 |
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真空結晶 |
氯化鉀、氯化鈉、合成尿素、合成氨 |