真空系统设计（金属密封结构）

　　真空系统是指由真空泵、真空计及各种零件通过管道以适当的方式联接，组合成能达到一定真空度要求的装置。真空系统的基本要求是都有哪些？
　　3。3。1。4金属密封结构
　　A金属密封的特性及密封材料
　　橡胶密封圈的主要缺点是不耐烘烤且放气量较大，所以许多要求高温烘烤（大于200C）和只准使用低蒸气压（室温时燕气压小于1010Pa）材料的超高真空系统装置，不能使用橡胶密封，而需用金属密封圈密封。金属密封圈有两个突出的优点：（1）放气远比橡胶少；（2）用它密封的系统和装置可以在高温下烘烤除气，因此能满足超高真空的要求。金属密封的缺点如下：
　　图338带有弹簧补偿器和橡胶内芯的氟塑料垫圈
　　图339氟塑料的各种密封形式
　　（1）金属密封圈弹性差，需要很大的密封力才能保障可靠的真空密封。
　　（2）需要有较大的压紧力，重复使用性差，有些金属密封圈只能使用一次。
　　（3）法兰密封面和刀口的粗糙度及精度要求高，很小的伤痕都能破坏密封。
　　（4）密封圈和法材料的线膨胀系数相差较大，加热不均匀或密封结构设计不正确，会引起局部变形而造成漏气。
　　金属密封结构常用的密封材料有铝、铜和金。铝丝材料的纯度般为9999。铝丝0型密封圈熔接后需要进行350C退火1h，使用前要用NaOH或稀硝酸清洗。s60。92mm的铝丝压缩到0。28mm时须施加1600MPa的压力，在这种情况下可以和不锈钢形成冷焊，并能耐250。370心的高温烘烤。铝丝0型密封圈的价格虽然便宜，但只能使用次。另外，铝丝表面有一一层氧化膜，因而焊接困难，为了避免铝的氧化，可在铝表面镀钢或改用AlSi合金（Si35）。AISi合金垫圈不仅能耐400500C高温，而且不与水银反应。
　　铜密封圈材料为无氧高导铜（OFHC）。铜0型密封圈的常用直径为1。5mm，通常可在氢气中熔焊后，放入温度为950C烧氢炉中进行烧氢处理。铜密封圈能耐450C高温烘烤，但铜在高温烘烤中容易产生硬的氧化层。铜圈表而镀银（银层厚度不小于5m）就可以避免氧化。铜比铝和金的硬度大，需要的密封力更大，为了克服这一缺点可以做成特殊形状的垫圈。
　　金密封圈材料般为99。7以上的纯金，多采用0型密封圈形式。黄金的突出优点是化学稳定性好，耐腐蚀，长期暴露在空气中不氧化，质软容易加工，延展性特别好。用过的金丝可回收重新拉丝使用，损耗少。缺点是价格昂贵。常用的金丝直径为0。52mm，压缩量为50左右，按20MPa的压紧力来确定螺栓数目。
　　B常用金属法兰密封形式
　　a平面法兰金属丝密封
　　平面法兰是金属密封法兰形式中最简单的一种，如图340所示，其密封没有配合问题，容易达到表面粗糙度（1。60。25）的要求。主要缺点是密封圈的定位问题不易解决，另外由于接触面较大，需要很大的密封力。一般只适用于小直径的法兰连接密封。
　　b直角L形密封
　　图341为直角L形密封结构。密封台阶间院0。025mm，以保证密封圈受压后
　　呈L形。下法兰台阶利于0型密封圈定位，表面粗糙度小于1。6。0型密封圈压缩量为50，常用0型密封金属丝圈直径为0。5mm、0。6mm、0。8mm、1mm、
　　1。Smm五种，。般情况下密封圈只能使用一次。图342所示的法兰角密封结构适用于可重复烘烤到450C温度的金属丝密封垫圈。
　　图340圆截面金属丝密封圈平面法兰密封结构
　　图341L形密封法兰结构
　　图342金属丝垫圈法兰角密封形式
　　C刀口密封与斜楔密封
　　刀口密封结构中所用的密封圈为0。S5mm的环形铜皮或铝片，密封力为280MPa，能耐450个烘烤，可承受多次加热冷却循环而不漏气。刀口密封结构的配合精度要求高，只用于小尺寸法兰密封。刀口密封结构如图343（a）所示。
　　斜楔密封结构如图343（b）所示。斜楔密封结构的刀口角度一般为70，刀口高度为1。2mm，深度公差为土（0。0750。1）mm，刀尖圆角半径为0。lmm，刀口直径误差为0。05mm，垫圈材料为厚2mm的无氧铜。采用这种密封结构的真空系统，经250C、sSh高温烘烤后，能使真空系统获得2。6x10Pa的真空度。采用金属斜楔密封的法兰结构如图344所示。
　　一般情况下，刀口和斜楔密封结构中的金属密封圈可以重复使用。
　　图343金属刀口与斜楔密封结构
　　（a）刀口密封结构；（b）斜楔密封结构
　　图344金属斜楔密封法兰结构
　　d台阶密封
　　如图345所示台阶密封是利用两直角的剪切力剪切出新鲜金属面形成密封的。两直角的剪切有两种基本形式，即相叠阶形结构密封（图345b左）和交错阶形结构密封（图345b右），两者的区别在于法兰盘的边缘一个是重叠、个是交错。垫圈材料是无氧铜，厚度12mm。制作时在950的烧氢炉中退火处理，可在450温度下反复烘烤使用。上下两直角的公差较大，没有配合问题，因此加工比较容易。
　　图345台阶法兰密封结构
　　e铝箔密封
　　铝箔密封法兰结构如图346所示，A部放大图所示为压紧后的剖面形状。当上、下法兰密封面以相同的压缩量（30）压紧时，中间铝箱被封人，两端保持很大的压力，形成密封。加工的挠曲角比螺栓所引起的角度要大。挠曲角0和最大应力可由下式求出：
　　式中，M为锁紧螺栓引起的挠矩，N。E为弹性模量，Pa：1为截面惯性矩，m；z为截面模量，m；R为法兰半径，m。
　　图346铝箔密封法兰
　　一般铝箔密封所需的锁紧力矩为4050N。m。当密封面的粗糙度在0。54。4m范围内、垫片厚度为40100um时，铝箔密封能承受250350C的反复烘烤。当锁紧力矩为45N，m，烘烤温度为300C以上时，铝箔垫圈会熔结在密封面上，可得到更好的真空密封性能，但下次使用时要将熔化的铝箔清除干净。