特殊熱處理技術(shù)24學(xué)時-1全解主要現(xiàn)代熱處理技術(shù)真空熱處理的發(fā)展可控氣氛熱處理的發(fā)展及重要方面計算機熱處理控制技術(shù)感應(yīng)熱處理及表面熱處理2可控氣氛熱處理主要發(fā)展制備氣氛的氣源能源消耗爐溫及氣氛的均勻性設(shè)備可靠性高溫滲碳及碳氮3熱處理冷卻技術(shù)進展熱處理產(chǎn)生的應(yīng)力熱應(yīng)力及相變應(yīng)力冷卻介質(zhì)的應(yīng)用發(fā)展液體介質(zhì)氣體介質(zhì)氣液混合介質(zhì)4未來熱處理技術(shù)的發(fā)展點氣氛和真空熱處理動向精密熱處理技術(shù)節(jié)能熱處理技術(shù)復(fù)合熱處理技術(shù)修復(fù)熱處理技術(shù)流態(tài)床熱處理技術(shù)5特殊熱處理技術(shù)真空熱處理（16－18課時）特殊氣氛熱處理（2－4課時）有色金屬熱處理（2－4課時）6真空熱處理技術(shù)

－原理真空熱處理的發(fā)展（1）50年代末--70年代末需求動力：隨著航空工業(yè)的發(fā)展,要求零部件具有高精度、高質(zhì)量和可靠性,一般傳統(tǒng)熱處理已不能滿足要求,發(fā)展真空熱處理。主要特點：主要有低壓真空氣淬、真空油淬、真空退火等,廣泛用于多種材料和零件的熱處理。真空爐均為冷壁單室真空爐。

典型成果:

低壓真空氣冷爐(如美國易卜生公司的VFC型)、真空油淬爐、真空退火爐等。8真空熱處理的發(fā)展（2）80年代初--至今需求動力：航空和航天工業(yè)迅速發(fā)展,對各種零件如齒輪、軸等提出更高的要求,真空滲碳工藝應(yīng)運而生。真空淬火介質(zhì)和高壓氣體的發(fā)展,促進了真空氣淬工藝發(fā)展。主要特點：發(fā)展了真空化學(xué)熱處理和真空氣淬熱處理。真空化學(xué)熱處理達到了實用水平。真空氣淬工藝受到重視,相繼研制出了一些新爐型。真空氣淬工藝冷卻速度快。典型成果：高壓真空氣淬爐:美國Abar-Ipsen公司的VTTC型、CTL型,德國Degussa公司的VKSQ型;高流率氣淬爐:美國Abar-Ipsen公司的HFQ型、VTL型和Turbo-Treater型;高壓高流率氣淬爐:美國Abar-Ipsen公司的Turbo-Treater型。

9真空熱處理原理真空的基礎(chǔ)知識低壓下的氣體真空的獲得與度量真空系統(tǒng)及設(shè)計簡介10真空基礎(chǔ)知識真空的概念真空的度量單位真空區(qū)域的劃分真空是熱處理的一種氣氛真空熱處理爐中殘存的氣體成分11真空簡介絕對真空：完全不存在氣體和蒸汽分子的空間。工程真空：存在一定量的氣體或蒸汽、低于一個大氣壓的稀薄氣體狀態(tài)。

12真空度單位及區(qū)域的劃分真空度：真空狀態(tài)下氣體的稀薄程度。以真空容器中殘存的氣體的絕對壓力來定量表示真空度的高低。區(qū)域的劃分（Pa）：低真空：105~102中真空：102~10-1

高真空：10-1~10-5超高真空：<10-513表1-1工程壓力單位換算表14真空區(qū)域的劃分表1－215壓強與氣體分子數(shù)的關(guān)系p=nkTp：壓強，n：氣體分子數(shù)，T：絕對溫度；

k-玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）。16p=nkT標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0°C,1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓≈105Pa）下，任何一摩爾氣體含有6.025×1023個氣體分子（2.69×1019cm-3）。真空熱處理的低壓下，單位體積的氣體分子數(shù)少很多。102Pa氣壓下，n=3.5×1016cm-310-1Pa氣壓下，n=3.5×1013cm-310-4Pa氣壓下，n=3.5×1010cm-317真空氣氛的純度真空度與相對雜質(zhì)表1－3表1－4真空狀態(tài)下的氣體成分18低壓下的氣體理想氣體的基本定律氣體分子運動論在真空技術(shù)中的應(yīng)用氣體在管道中的流動低壓氣體放電現(xiàn)象19理想氣體的基本定律理想氣體：符合下列假定的氣體氣體分子是球體；氣體分子所占的體積與其所占有的空間相比是很小的，可視為幾何點；分子間不產(chǎn)生相互作用力；氣體分子之間的碰撞純粹是彈性的；氣體分子是沿直線運動的，方向是任意的。20理想氣體的基本定律波意爾定律：pV=C蓋·呂薩克定律：Vt=V0（1+apt)查理定律：pt=p0（1+avt)p-氣體壓力，V-氣體體積，ap-膨脹系數(shù)，av-壓力系數(shù)，下標(biāo)t與0分別表示溫度為t及0°C的值。21理想氣體的基本定律氣體狀態(tài)方程：pV=m/MR0Tm-給定氣體質(zhì)量（g）；

M-氣體分子量（g/mol）；

R0-氣體常數(shù)=8.31J/(mol·K)。阿伏加德羅定律：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1mol氣體的分子數(shù)為NA=6.02×1023/mol，1mol任何氣體體積為22.4L。道爾頓分壓力定律：混合氣體的總壓力為p=p1+p2+p3+…+pn（pn為第n種氣體的分壓）22氣體分子運動論在真空技術(shù)的應(yīng)用氣體的壓力與平均分子動能分子運動速度麥克斯韋-波爾茲曼速度分布定律分子速率的統(tǒng)計平均值23px＝（N/V）m＝nmp＝

px＋py＋pz＝1/3nmp＝nkTpx是n個氣體分子對垂直于X軸容器壁產(chǎn)生的壓力；為n個分子的的平均值氣體壓力及分子的平均動能與絕對溫度成比例平均分子動能VXYZ2vx2vxv2vx2vx2E=3/2kT24平均分子動能32221vvv===zy2vx由于氣體處于平衡狀態(tài)時，氣體分子沿各個方向運動的概率相等，故有

平衡態(tài)下氣體分子速度分量平方的統(tǒng)計平均值為

25麥克斯韋-波爾茲曼速度分布定律理想氣體在平衡態(tài)下分子的速率分布函數(shù)(1/n)*(dn/dv)=f(v)=4/π1/2(m/2kT)3/2V2e-mv2/2kT式中m為分子質(zhì)量，T為氣體熱力學(xué)溫度，k為玻耳茲曼常量。f(v)

稱為速率分布函數(shù)設(shè)某系統(tǒng)處于平衡態(tài)下，總分子數(shù)為N

，則在v～v+

dv

區(qū)間內(nèi)分子數(shù)的比率為NNd=vvd)(f26分子速率的三種統(tǒng)計平均值平均速率方均根速率最概然速率

式中M為氣體的摩爾質(zhì)量，R為摩爾氣體常量27速率分布曲線vONNd=vvd)(fvv＋dv··v1v2Tf(v)由圖可見，氣體中速率很小、速率很大的分子數(shù)都很少。在dv間隔內(nèi),曲線下的面積表示速率分布在v～v+dv中的分子數(shù)與總分子數(shù)的比率在v1～v2

區(qū)間內(nèi),曲線下的面積表示速率分布在v1～v2之間的分子數(shù)與總分子數(shù)的比率

28低壓下的氣體理想氣體的基本定律氣體分子運動論在真空技術(shù)中的應(yīng)用氣體在管道中的流動低壓氣體放電現(xiàn)象29氣體分子運動論在真空技術(shù)的應(yīng)用

30氣體分子運動論在真空技術(shù)的應(yīng)用通過孔洞的漏氣速度q/n=3.64＊103(T/M)1/2A(cm3/s)氣體分子平均自由程λ=1/(21/2πnξ2)=kT/(21/2πnξ2p)p氣體的輸運過程沿X軸有線性變化的物理量B在X軸的輸運方程氣體的沖量輸運（內(nèi)摩擦）能量輸運（熱傳導(dǎo)）31輸運方程氣體的某以物理量的B（熱傳導(dǎo)中的能量、內(nèi)摩擦中的沖量、擴散中的質(zhì)量等）的熱力學(xué)平衡收到干擾，則此物理量將出現(xiàn)輸運過程，即在空間的移動AnVavdt/6[B(x)-?B/?x)λ]-AnVavdt/6[B(x)+?B/?x)λ]=AnVavdt/3?B/?xλn為單位體積中的氣體分子數(shù)，Vav為氣體分子的平均速度；λ是氣體分子平均自由程，t為時間X1-λX1+λX1B(X1+λ)B(X1-λ)AAnVavdt/6AnVavdt/6B(x)沿X軸具有線形變化的物理量B的輸運現(xiàn)象輸運量與nVavλ以及在X方向上B物理量的梯度成正比。n與壓強成正比，λ以壓強成反比，其乘積所決定的輸運量與壓強無關(guān)。32沖量的輸運（粘滯性）對面積為A的相鄰氣流層之間產(chǎn)生的切向力:F=ηA(v/y)據(jù)分子運動論導(dǎo)出:F＝1/3nmλVavAv/y據(jù)定義η粘滯系數(shù)在數(shù)值上等于單位面積上的切向力與速度梯度的商可導(dǎo)出:η＝1/3nmλVav

氣體密度ρ＝nmη＝1/3ρλVav[泊（P）]考慮速度分布定律及平均自由程的分布等因素導(dǎo)出：η＝0.499ρλVav

加上Vav及λ推導(dǎo)式可得：η

＝0.998/πξ2(mkT/

π)1/2AfVλλ粘滯性造成的二平板內(nèi)的速度分布在相當(dāng)大的溫度與壓力范圍內(nèi)：η與氣體分子量m的平方根成正比；隨溫度升高而增大；與氣體壓強無關(guān)。y33能量的輸運熱傳導(dǎo)是真空中熱能的輸運現(xiàn)象，是通過氣體分子的熱運動是氣體的各部分溫度趨于均勻的過程H＝－kdT/dsH：s方向上每秒通過1cm2的熱流量[cal/(s·cm2)],k是導(dǎo)熱系數(shù)高壓強（粘滯態(tài)）下熱傳導(dǎo)（與壓強無關(guān)）k＝1/4（9γ

－5）ηcv其中γ=cv+cp低壓強（分子態(tài)）下熱傳導(dǎo)（與壓力成正比）E0＝(α/2)/(pvi/Ti)(TA-Ti)(eg.單原子氣體）34氣體在管道中的流動粘滯流Pd>66.7Pa?cmorλ/d<1/100紊流與層流分子流Pd>1.995Pa?cmorλ/d>1/3粘滯-分子流流量、流導(dǎo)和流阻Q=c(p1-p2);R=1/c圓斷面長導(dǎo)管的流導(dǎo)管道并聯(lián)與串聯(lián)時的總流導(dǎo)Da粘滯態(tài)層流分子態(tài)流動35真空的獲得真空是由真空泵及其他真空元件、真空管路構(gòu)成的泵送系統(tǒng)獲得的。泵的性能參數(shù)：抽氣速率s，氣體流量Q，極限真空；泵的分類變?nèi)荼妙?；蒸汽流泵?6旋片式真空泵旋片式真空泵工作過程旋片式真空泵工作原理37旋片式真空泵38羅茨泵39擴散泵擴散真空泵工作原理多級噴嘴擴散真空泵工作原理40真空的度量以真空規(guī)或真空計度量利用氣體壓力進行度量：機械力式、液柱式、壓縮式;據(jù)熱傳導(dǎo)原理設(shè)計;放射能電離真空計；熱陰極電離真空計；復(fù)合真空計。41真空計工作范圍1200652994911643.pdf42利用氣體壓力度量的真空計靜態(tài)變形（Bourdon）真空計截面為橢圓形的薄壁金屬彎管，一端封閉，另一端與真空室相通，當(dāng)管內(nèi)壓強變化時，該彎管在內(nèi)外壓強差作用下發(fā)生彈性變形，這一變形傳送給指示器，由刻度讀出。如指針式壓力真空表，這一類真空計適用于測量粗真空。靜態(tài)液體真空計如所示，也稱“U”形管壓差計，它一端通大氣，一端通真空系統(tǒng)，利用兩管液面（如擴散泵油等）高度差表示系統(tǒng)的壓強。若用汞ρ

=ρ

0

-Dh(毫米汞氣壓柱),ρ

0為大氣壓強；若用低蒸汽壓油，則:ρ

=

ρ

0–(

ρ油/ρ汞

）?D

h，ρ油、ρ汞分別為油和汞的密度。43壓縮式真空計壓縮式真空計—麥克勞壓強計A、B兩部分在N處連通，當(dāng)水銀杯R升高，水銀上升越過刻線N后，原B、C中的氣體全被壓入測量毛細管C中。在壓縮過程中氣體溫度可視為不變；又A、D部分和真空系統(tǒng)連通，系統(tǒng)容積遠大于A、D部分，故壓縮時可認為系統(tǒng)內(nèi)壓強不變。A、D；B、C兩部分氣體的壓強差可由毛細管C、D水銀柱的高度差h表示。以V表示N以上BC的總體積，VC為C管中壓縮后氣體的體積，根據(jù)玻義耳定律PV=

(P+h)Vc則P=[Vc/(V-Vc)]h因Vc<<V故近似可得到P＝hVc/V這樣就把壓強轉(zhuǎn)化為毛細管水銀柱高度差，由于待測壓強只和儀器的體積和壓縮后水銀柱高度差有關(guān)，故這種真空計是一種絕對真空計，可用它來校準(zhǔn)其它真空計。麥克勞壓強計測量范圍為10~10-6

mmHg，它的缺點是不能連續(xù)測量，使用水銀也帶來諸多不便。麥克勞壓強計44熱偶真空計熱偶真空計使用的測壓元件為熱偶規(guī)。1-2為加熱絲,3-4為熱電偶，留有管口與真空系統(tǒng)相連接。加熱絲中通以恒定電流時，其溫度取決于周圍的散熱條件。由于氣體熱導(dǎo)率隨壓強變化，所以熱絲的溫度也隨壓強而變，與加熱絲連接的熱電偶也將具有不同的熱電勢，從而建立起規(guī)管內(nèi)壓強與熱電勢之間的關(guān)系。經(jīng)校準(zhǔn)定標(biāo)后，就可通過測量熱電勢來指示測量的壓強值。熱偶真空計的測量范圍為20~10-1

帕。使用時必須按規(guī)定調(diào)節(jié)到確定的加熱電流值。熱偶真空計45電阻式真空規(guī)皮拉尼規(guī)利用電熱絲的電阻溫度特性和溫度隨壓強變化關(guān)系，將壓強變換為電阻測量。用電橋測出待測電阻。圖中Rx為電阻式規(guī)管，接入待測真空系統(tǒng)。R為與Rx結(jié)構(gòu)相同的補償管，用來抵消環(huán)境溫度的影響。Ro用于調(diào)節(jié)零點，即調(diào)電橋平衡。電阻式真空規(guī)46冷陰極電離真空計潘寧規(guī)

1937年潘寧（Penning）首先利用磁場和電場中的冷陰極放電現(xiàn)象來測量低壓強。中間電極為陽極，加電壓2Kv，兩塊平行圓板為陰極。外加400高斯的磁場，方向基本與電場方向平行。優(yōu)點：靈敏度高，沒有熱陰極，壽命長，結(jié)構(gòu)堅固，操作簡便，適于工業(yè)應(yīng)用。缺點：非線性，穩(wěn)定性較差，電極抽氣作用大，精度差，陰極要保持清潔，如被油污染，將影響工作性能量程：1~10-3

帕。

。潘寧規(guī)47潘寧規(guī)工作原理由宇宙射線或場致發(fā)射所產(chǎn)生的初始電子在強電場和磁場作用下，在兩片陰極之間作螺旋形運動，不斷和氣體分子碰撞并使其電離。電子與氣體分子經(jīng)過多次碰撞后，再被陽極吸收；離子質(zhì)量大，基本上沿直線達到陰極上，并使陰極發(fā)射出二次電子。電離過程中所產(chǎn)生的二次電子和陰極發(fā)射的二次電子又參加到電離氣體分子的過程中來。如此不斷發(fā)展，建立起一定壓強下的自持放電。測量回路中的電流I為離子流I+和陰極二次電子流Is之和：I=I+

+IsCpn

式中：C為常數(shù)，n在1～2間（與電極結(jié)構(gòu)有關(guān)），可看出潘寧規(guī)是非線性的。潘寧規(guī)48電離真空計電離規(guī)陰極發(fā)射的電子在柵極電場作用下得到加速和氣體分子碰撞，并使它電離，正離子飛向帶負電位的收集極，離子流的大小和氣體壓強成正比。

I+

=IeKP

式中Ie

為規(guī)管工作時的陰極發(fā)射電流，K為規(guī)管常數(shù)，由規(guī)管幾何結(jié)構(gòu)和電極工作電位決定，在一定壓強范圍內(nèi)，近似為常數(shù)，當(dāng)維持發(fā)射電流恒定時，離子流和壓強成線性關(guān)系。故每次使用時均要調(diào)節(jié)發(fā)射電流達到規(guī)定要求。一般電離真空計測量范圍為10-1~10-5

帕，只有系統(tǒng)真空度到達10-1

帕以后才能啟動電離規(guī)。電離真空計使用中，要真空度達10-2

帕以上對電極除氣。為了使用方便，常把熱偶真空計和電離真空計組合成復(fù)合真空計。電離規(guī)49超高真空電離規(guī)圓筒型電離規(guī)測量真空度的上限不可能低于510-6

帕，因被加速的電子被柵極吸收后，會發(fā)射軟X射線。X射線達到收集極上，產(chǎn)生光電效應(yīng)，故在收集極電路中形成與壓強無關(guān)的光電本底電流。1950年Nottingham提出了上述解釋后，Bayard和Albert提出了B-A規(guī)的結(jié)構(gòu)，如圖所示。集電極采用直徑為0.1mm的細鎢絲，置于柵極的中心，即管子的中心軸，陰極在柵極外面，此結(jié)構(gòu)的特點是集電極面積（也就是接受x射線的面積）縮小約一千倍，從而使光電流降低一千倍，B-A規(guī)的測量范圍即可延伸到10-8

帕，同時集電極和柵極構(gòu)成圓柱形電場，使柵極空間99％的范圍內(nèi)電子能產(chǎn)生電離作用，因此盡管收集極面積減小一千倍，但靈敏度基本上和圓筒形電離規(guī)相近，且因所有電極都用細絲，易加熱除氣，適用于超高真空測量。B-A規(guī)50真空熱處理爐的真空系統(tǒng)簡介真空系統(tǒng)用一句話來概括就是：用來獲得有特定要求的真空度的抽氣系統(tǒng).真空系統(tǒng)設(shè)計的基本內(nèi)容：是根據(jù)被抽容器對真空度的要求，選擇適當(dāng)?shù)恼婵障到y(tǒng)設(shè)計方案，進行選、配泵計算；確定導(dǎo)管、閥門、捕集器、真空測量元件等，進行合理配置，最后畫出真空系統(tǒng)裝配圖和零部件圖。51真空系統(tǒng)組成元件較完善真空系統(tǒng)組成元件：

1．抽氣設(shè)備：例如各種真空泵；

2．真空閥門；

3．連接管道；

4．真空測量裝置：例如真空壓力表、各種規(guī)管；

5．其它元件：例如捕集器、除塵器、真空繼電器規(guī)頭、儲氣罐等。

52真空系統(tǒng)簡圖當(dāng)串聯(lián)一個高真空泵之后，通常要在高真空泵的