3.2 材料

在真空技术中，材料的要求各不相同。根据应用、环境条件 以及要实现的真空度，必须对材料进行测试以满足相关的要 求。

下面列出了必须考虑的几个重要条件：

在整个操作温度范围内要保证足够的机械强度：
除了要保证其结构的完整性，还必须确保功能表面的变形 不会对其功能特性造成影响。示例：真空室部件上的大气 压力大约为 10 N/cm²。在面积为 1 m²的表面上，将产生 100,000 N 的压力。

高气密性：
每种材料基本上都是气体可渗透的。气体渗透的整个过程 被称为渗透。渗透的快慢取决于材料、气体类型以及环境 条件—特别是温度。使用弹性体密封件的情况下，其渗透 性必须予以考虑。示例：对于 DN 500 ISO-K 的 FKM （氟橡胶）密封件，在湿度为 60% 的空气中，渗透率大 约为 4 · 10^-7 Pa · m³/s。因此，带有 FKM 密封件的真空系 统工作压力很少会超过 1 · 10^-8 hPa。


低固有蒸气压、高熔沸点：
固有蒸气压太高会限制最终的真空度。除了油和润滑脂的 真空兼容性，在合金中，必须考虑金属固有的蒸气压或其 在合金中的分压。示例：对于含锌的黄铜制品，锌在高真 空中的分压被限制在最高允许温度大约为 100°C。

清洁表面、低杂质气体含量、易脱气：
清洁表面是先决条件。但是，任何暴露于环境空气中的表 面都会覆盖上一层吸附层。以化学或物理形式吸附在材料 表面或材料间隙内的气体分子，一旦解吸（当在它们从表 面分离时）也是气体来源的一部分。要实现高的极限压 力，必须使用具有低解吸率的材料。示例：单层吸附气体 约等于 4 · 10^-2 Pa · m³/m² 的气量。设想一根直径为 50 cm ，长度为 100 cm 的管子，两端封闭（表面积大约为 2 m²，体积大约为 200 l ），单层释放导致压力上升大约 0.4 Pa or 4 · 10^-3 hPa。这并没有考虑管道的实际表面积 总是大于其几何面积这一实际情况。

抗热冲击性能好、膨胀率适应性好：
示例：不同热膨胀将铝密封件与不锈钢法兰组合的最高允 许温度限制在 150°C 左右。经常在过高温度之后，在冷却 过程中发生密封效果恶化的情况。

耐腐蚀性、耐化学性：
示例：很多真空镀膜过程需要化学性质活泼的过程气体。 因此，有必要考虑所使用的流体是否会影响到部件或密封 件。尤其是薄壁部件，如金属波纹管，容易受到腐蚀。如 有必要，应该通过测试来确定其使用寿命。
对于特殊的应用，可能还会对材料有更多要求。
一般的规则是：所需工作压力越低，对材料的要求越高，可使 用的材料选择性越小。因此，特别在 UHV（超高真空）技术 中，材料的选择非常重要。

3.2.1 金属材料

许多金属和金属合金具有高强度、易于加工和清洁、耐高温、 对机械作用的敏感度低于玻璃。经济方面的考虑，如材料价格 或购买难度，从根本上导致人们选择使用不锈钢、碳钢和铝合 金作为机械部件材料。

3.2.1.1 不锈钢

在真空技术中，不锈钢是构造腔室或部件的优先材料。不锈 钢在法兰连接处具有的足够强度—即使在烘烤过程中也不会 对其硬度造成影响。它可以进行焊接，以保证其真空密封， 其表面已充分钝化，从而为许多应用提供了足够的保护。下 表列出了真空技术中常用不锈钢的化学组成和性能。

欧洲常用钢号可与 AISI（美国钢铁协会）类似材料名称通 用，如 1.4301 对应 304、1.4307 和 1.4306 对应304 L、1.4404 和 1.4435 对应 316 L 以及 1.4429 对应316LN。 不过，材料只是大约类似。真空应用的差异大多是非常微小 的。然而，对于特殊要求，必须针对个别情况单独评估通用 性。示例：如果某个部件需要材料 1.4301，一般必须 有相关材料证书。如果证书只显示材料 304，则未满足要 求。此时，证书的授权名称很重要。如果满足相应的材料规 范，制造商也可证明半成品具有相应的授权。例如，如果材 料被证明是 1.4301、1.4307、304 和 304L，用途则会更加 多样化。

为避免出现问题，例如在系统验收过程中，在验收半成品或 部件时，必须预先明确规定材料及其证书的要求。后续证明 通常是不可能的，特别是针对特殊要求：例如，由于特殊机 械性能，根据 AD 2000 W2（压力容器工作组，2000 时间表 W2，“压力容器的材料”）或 ASME（美国机械工程师学会） ，化学组成必须满足。

不锈钢 1.4301 ：最常用的铬镍钢。优良的冷成型、焊接和抛 光性。较强的的抗腐蚀性，适用于很多应用。适合于真空应 用。例如，用于法兰、管件和腔室。

不锈钢 1.4305 : 1.4301 的变体，含硫，以改善机械加工性 （ 易切削钢）。耐腐蚀性低于 1.4301。不可焊接。非常适用 于真空应用。用于车削和铣削加工的零部件的，如同心环。

不锈钢 1.4307, 1.4306 : 1.4301 的低碳变体。由于碳含量 低，所以可焊接，而不易被晶间腐蚀。强度略低于 1.4301。 非常适合于真空应用。用于要求碳含量非常低的部件，例 如， CF 法兰。1.4307 正逐渐取代 1.4306，因为高含量的铬 和镍带来的利益与其如此高的购买成本不匹配。

不锈钢 1.4401 ：优良的冷成型性能。良好的焊接性和抛光性 能。由于钼添加剂，它比 1.4301 更耐非氧化酸和含氯离子的 介质。非常适用于真空应用。例如，用于阀门外壳、用在要 求更多防腐保护的区域或用于家庭饮用水系统。

不锈钢 1.4404 : 1.4401 的低碳变体。由于碳含量低，所以可 焊接，而不易被晶间腐蚀。非常适合于真空应用。在要求具 有非常低的碳含量或较高的耐腐蚀性时使用，例如，用于半 导体行业中的管件和法兰部件。

不锈钢 1.4435 ：与 1.4404 相比，较高的镍含量稳定了奥氏 体结构，降低δ铁素体的形成，因此即使在焊缝区域中， 也 几乎没有磁性。由于添加了钼添加剂，它比 1.4404 更耐非氧 化酸和含氯离子的介质。非常适合于真空应用，也经常用于 制药行业，是得到受同样受巴塞尔标准 2 (BN2)批准的，该标 准设定了更严格的分析限制并限定了允许的铁素体含量。

不锈钢 1.4429 ：特点类似于 1.4435，但是，由于氮含量高， 它的强度更大。这也稳定了奥氏体结构，从而最大限度地减 少 δ铁素体的形成，从而减少磁化。非常适合于真空应用。 用于 CF 法兰，尤其是为了清洁和消磁而在高温下进行真空 退火时。1.4429 的管材和板材很少。因此，制作腔室和部件 时，由 1.4429 制成的法兰通常与 1.4404或 1.4307 制成的半 成品结合使用。

不锈钢 1.4429 ESR ：性能与 1.4429 相同，但由于 ESR（电 渣重熔法）处理，其微观结构得到了改善并且具有较高的纯 度。非常适用于真空应用。它被用作一种优质的 CF 法兰， 表现出很大的强度和最小的可磁化性，并结合了较高的化学 纯度和结构的均一性。

不锈钢 1.4571：经典的“V4A”钢，具有高可用性。使用钛做 稳定剂，因此可焊接，而不易被晶间腐蚀。性能与 1.4401 类 似，但是由于结构中的钛碳化物，它仅可适度抛光而不适合 于电抛光。非常适用于真空应用。例如，用于对耐腐蚀性有 更高要求的管道和设备的构建。

ESR（电渣重熔法）：通过 ESR 工艺，在可控制、可重复的 条件下生产具有较高化学和结构纯度的低偏析致密不锈钢。 主熔体块在 ESR 炉中进行电重熔。一电极在主块上，另一反 向电极在水冷坩埚的底部。熔渣位于两极之间，由电阻加热 到不锈钢熔化温度以上。金属液滴不断地从主块底部落下， 在与液态熔渣接触时，可对内部的非金属杂质进行清除。当 通过熔渣时，粗大杂质几乎完全消失。剩下的是小杂质，几 乎均匀地分布在次级块上。通过 ESR 工艺净化的不锈钢具有 极高密度和同质性的特点。

奥氏体钢具有良好的可焊性，并且是非磁性的全奥氏体。在 退火状态下，它们的特点是，即使在极低的温度下仍保持非 常高的韧性值。它们往往具有很强的加工硬化性质，特别是 具有较高碳含量时，部分微观结构可以转化为变形马氏体。 全奥氏体钢在焊接过程中易于产生热裂纹。在许多奥氏体材 料中，其化学成分往往被调整为将焊接金属内的 δ铁素体含 量提高至 10%，这样则减少了热裂纹的形成。因此，许多称 为奥氏体的钢可在其结构中包含铁素体或马氏体含量，这取 决于它们的机械加工或热处理方式。

可磁化性: 全奥氏体微观结构是没有磁性的。通过先前描述 的将微观结构组成部分转变为变形马氏体或 δ 铁素体，即使 被指定为奥氏体的钢也会变得略带磁性。对于马氏体和铁素 体，两者都是可磁化的。通过溶液使冷加工硬化退火，从而 使马氏体减少，甚至逆转。在微观结构中，δ 铁素体的组成 部分基本上取决于铁素体形成元素铬、钼、硅和铌与奥氏体 形成元素镍、碳、氮和锰之比。铁素体含量部分可通过热处 理降低，从而降低可磁化性。由于具有相同材料名称的不锈 钢可在所允许的范围内具有不同的化学组成，其可磁化性不 是定量的。根据通过在DeLong图上标定奥氏体形成元素镍当 量与铁素体形成元素铬当量，可看出奥氏体和铁素体的含 量。

在图 3.3 中，对于某些不锈钢，显示了铬当量和镍当量区域 （彩色矩形），并以图标给出其平均当量。。

稳定钢含有钛和铌，二者吸附在焊接过程中排出的碳，从而 防止碳化铬的形成。碳化铬的形成将导致晶界处的铬减损， 并可使该材料易受晶间腐蚀。对于板材厚度在6mm及以上的 焊接结构，应使用低碳 (C ≤ 0.03 %) 或稳定的不锈钢。碳化 钛会严重影响抛光性。

热处理: 对于奥氏体不锈钢，固溶退火温度大约为1,050°C。 由于在 600°C 和 800°C 之间的温度范围内存在形成碳化铬 的风险，以及相比于晶间腐蚀造成的损害，因此必须快速通 过 900°C 和 500°C 之间的温度范围。成品真空部件可在真 空环境下，在 950°C 到 1,100°C 的温度范围内退火。退火 时，伴随着困在晶格间隙中的氢脱气（低氢退火）以及可磁 化性减少（消磁退火），还使得表面的杂质，特别是残余的 碳氢化合物，得以清除（净化退火）。此外，任何原有的碳 化铬会溶解（固溶退火），以及因加工产生的材料应力会消 失（消应力退火）。然而，热处理也会减少有益处的加工硬 化。比如金属密封法兰，退火时可导致不希望发生的刀口处 材料硬度降低。在使用金属密封件时会发生刀刃损坏和密封 件功能失效。因此，我们建议法采用兰材料 1.4429 ESR 适 用于退火处理。其硬度非常强，能够确保刀刃足够坚韧。

腐蚀: 腐蚀取决于多种因素，因此，耐腐蚀性信息仅具有警 示值，并适用于一般信息。它本应有利于不锈钢的选择，但 并不能确保，因为它不容易适用于实际操作条件。例如，温 度和浓度的增加以及机械应力的增加和对表面的损坏，都会 加速腐蚀。而且，氧气的缺乏可防止氧化铬钝化层再生，因 此缺乏防腐蚀保护。此外，杂质的出现也可加速腐蚀。实际 上，最常出现的是氯离子和其它卤素离子引起的点蚀、缝隙 腐蚀和应力裂纹腐蚀。因此，钝化层局部破裂，且局部腐蚀 继续。尤其是薄壁部件，如金属波纹管，最容易受到此类腐 蚀。如有必要，应该通过测试确定使用寿命。此外，冷却水 对部件的危害不应低估。被水包围的表面必须充分钝化，且 冷却水必须能够满足制造商指定的要求。

3.2.1.2 碳钢

真空技术中可以使用的碳钢，只要无需创建和保持低于 1 · 10^-5 hPa的压力，且无需防腐蚀保护。与不锈钢相比，它 是价格相对低的结构材料，具有良好的可焊性，并且易于加 工。然而，在使用这种类型的钢时，必须考虑 CO 的连续出 气以及受空气腐蚀的倾向。在大气侧，防腐蚀保护可以通过 涂漆来提供，而在真空侧，这可以通过镀镍来提供。对于容 器的制造，必须慎重选择所用的钢种，特别是可焊性和气密 性方面。锅炉制造方法只可在有限的程度上转移到真空容器 制造上。在确定尺寸时，外部气压造成的应力必须予以考 虑，且焊接必须确保真空密封。此外，所使用的工具必须与 加工不锈钢所使用的工具严格分开，以避免污染不锈钢。这 对于储存和运输软钢和不锈钢同样适用。软钢通常用于法兰 连接的紧固件，其中表面往往被镀锌、镀镍或镀铬，以保护 它们免受腐蚀 。

3.2.1.3 铝

铝主要用于低、高真空范围，通常使用铝合金，特殊情况 下， 也使用纯铝。诸如 ISO-KF 快法管件之类的部件通常由 铸造铝合金制成，带有重新加工的法兰面。在选择材料时， 必须考虑收缩率和孔隙率。用于定心环和配套密封环时，部 件由棒料制成。对于用作密封垫或密封线的金属密封件，退 火的铝硅合金是首选。

铝的蒸气压很低，在熔点为 660°C 时仅为 6 · 10^-9 hPa 左 右。热膨胀系数大、导热系数高以及氧化铝层稳定使铝难以 焊接。有出现气孔和裂缝的风险，非常容易扭曲变形。焊接 前均匀加热会降低这些风险。然而，实际上，这通常是不可 能的。

铝不可磁化。在某种程度上，铝法兰连接仅可用于金属密封 的 UHV 连接，因为它们的硬度通常太低。虽然目前已经开发 出了特殊的双金属法兰，包括铝底座和不锈钢板，或具有坚 韧密封面的铝法兰，但由于价格相对较高、加工性能存在一 定风险以及应用性有限等，导致它们的应用并不成功。为了 提高它们的抗磨损性，例如，用于洁净室中，或为了增加防 腐蚀保护，铝表面往往作阳极化处理。这导致厚度增加几个 微米、且存在多孔氧化层，这在真空应用中适用性非常有 限。气体分子逐渐沉积在此类表面上，产生较高的解吸 率。 此外，表面区域的气体分子可在密封件下形成通道，造成泄 漏。有各种可用的阳极处理。在决定是否使用此类方法时， 必须考虑局限性，并权衡利益。

3.2.2 密封材料

3.2.2.1 弹性体密封件

弹性体密封件基本上都具有透气性。气体渗透的整个过程被 称为气体渗透，而且取决于材料、气体类型和环境条件—特 别是温度。此外，弹性体受到出气的影响。在真空中的弹性 体，出气率逐渐下降，并且在足够长的排空时间后，渗透占 主导地位，并且在恒定的环境条件，有恒定的气体速率穿过 密封件。渗透和出气取决于扩散。气密性高致使出气慢，导 致渗透气流开始稳定前需要很长时间。该时间可以长达几百 个小时，这通过烘烤的方法可大大缩短。如果真空系统没有 主要气源，例如，由于解吸或泄漏，弹性密封件可在很大程 度上决定最终压力。例如：材料 FKM （含氟弹性体）对空气 具有低透气性。对具有 DN 500 ISO-K 公称通径的密封件， 湿度为 60% 的大气渗透率大约是 4 · 10^-7 Pa · m³/s。因此， 在具有 FKM 密封件的真空系统中，大约 1 · 10^-8 hPa 的工作 压力很难实现。

如使用得当，弹性体密封件可重复使用多次。它们要求几 N/ mm² 的接触力，但是对于尺寸足够大的O型圈，作用在法兰 上的大气压力，就已经超过了该值。

由于不良的贮存条件或 不当的搬运，弹性体密封件可改变其性能。必须避免的因素 有：UV 辐射、氧、臭氧、高温、水分、溶剂或过大的变形。 为维护其性能，在贮存过程中，我们推荐以下环境条件：

在使用过程中，由于周期性负载、长期在变形状态下使用、 高温或老化，它们会失去一部分弹性。如果它们使用时间过 长，甚至还可以变脆。因此，弹性体密封件必须定期更换。 由于操作条件各不相同，关于耐久性，不可作一般性说明。 如果各操作条件下使用的弹性体没有经验数据，则其使用寿 命可能需要通过实验来确定。。

3.2.2.2 金属密封件

对于具有高温或低温、较长使用寿命、高辐射负载的应用且 只要很低的渗透率很重要，必须使用金属密封件代替弹性体 密封件。经常用于金属密封件的材料有铜和铝，在某些情况 下，甚至是银和金，在冷冻技术中主要为铟。金、银和铟主 要用作线型密封件，而铝还用作成形密封垫。也有弹性金属 涂层密封件。

金属密封件需要高接触压力。在装配过程中，它们产生塑性 变形，因此只能使用一次。其硬度应小于法兰硬度，以使其 适应其微观结构，以创造金属超高真空密封连接。确定螺丝 钉或紧固件尺寸的方法是，在各种操作模式下，都必须保证 每 1 mm 的密封长度上的接触 力高达 600 N/mm。

对于不锈钢制成的 ISO-KF 和 ISO-K/ISO-F 法兰，所用的金 属密封件具有菱形截面（铝边封条）。使用退火铝硅合金制 成，将要求接触力 100 N / mm密封长度。由于铝和不锈钢的 热膨胀系数不同，最高使用温度限制在 150°C 左右。在过高 温度后，在冷却过程中会发生密封效果下降的情况。

铜与奥氏体不锈钢具有相同的热膨胀。铜垫片用作扁平密封 件（CF 法兰）或线型密封件（COF 法兰）。它们必须是无 氧铜，即使用铜的质量 OF （无 氧）或 OFHC （无氧 高电 导率）。如果不使用无氧铜，可能存在的氧会在热处理过程 中（ 如在烘烤过程中）与氢发生反应。这会导致所谓的“氢 脆”，其中所产生的水可以通过破坏微观结构来导致泄漏。CF 法兰的扁铜密封件要求接触压力至少为 200 N/mm 密封长 度。其最高允许的空气操作温度为 200°C。凭借银涂层，最 高温度可增加至 450°C。退火的铜密封件需要较低的接触压 力。它们特别适用于观察窗，以便在装配过程中保持尽可能 小的应力。