气体的运动是一个重要而有趣的课题,但常常被认为最好留给科学家去研究。然而,热处理机需要了解气体的基本性质(理论),特别是它们在真空中的行为。主要的困难是太多的理论往往会分散注意力。我们在这里的重点将是更好地理解真空炉内部发生了什么(图1)。
气体的一个定义是,它只是不断运动的分子的集合(图2)。温度越高,这些分子运动得越快,正如人们可能预期的那样,气体分子的运动在绝对零度或接近绝对零度(0°K)时停止或急剧减速。
当分子随着温度的升高而加速时,它们的动能(或运动能量)也会增加。分子之间发生碰撞,如果被容纳,这些分子在容器壁上的碰撞会导致压力上升(当气体被加热时,这种情况总是发生在封闭容器中)。换句话说,压强就是单位面积上气体施加在容器壁上的力。
在大气压下,一立方厘米(1cc)的空气含有2.69 x 1019分子都在随机运动。这就导致了大量的碰撞。分子之间的平均自由路径(或一个分子在与另一个分子碰撞之前可以运动的平均距离)是2.6 x 106英寸。如果我们把一个1立方厘米的体积压缩到1 x 103托尔(1微米),这是许多热处理操作中常用的真空水平,我们仍然有一个巨大的4 x 1013分子剩余!
那么这怎么可能是一个可接受的热处理条件呢,尤其是当剩下的分子中有20%是氧的时候?答案是,平均自由程极大地增加,从而降低了分子相互碰撞的概率,并且由于分子的数量(密度)降低了,与工件表面的碰撞减少了。这使得氧分子与工作表面的碰撞更少,也没有可见的氧化形式。
例如,如果我们泵到1 × 109Torr,或百万分之一微米,每立方厘米的分子数减少到4 x 107平均自由路径是500万厘米(超过30英里!)分子的路径现在受到血管壁的限制而不是分子之间的碰撞。正如我们所知,心流并不存在。这就是扩散泵系统使用相对较大的开口和管道的原因。如果扩散泵的开口不是那么大,任何进入泵吸入流的分子都会反弹并移动到腔室的其他部分。
气体定律简介
事实证明,任何气体都可以完全用以下基本值来描述:
- 压力(P)
- 体积(V)
- 温度T)
- 分子数(n)
因此,气体定律是一些简单的公式,可以让我们把一个基本量的值与其他基本量联系起来(或计算出来)。让我们简要回顾一下它们。
(1)波义耳定律:P1V1= P2V2
这个公式告诉我们,如果温度保持不变,压力的增加与体积的减少成正比。
(2)查尔斯定律:P1/ T1= P2/ T2
这个公式告诉我们,如果体积保持不变,压强的增加与绝对温度的增加成正比。
(3)阿伏伽德罗定律:P1/ n1= P2/ n2
这个公式告诉我们,在相同的温度和压力下,相同体积的任何气体都含有相同数量的分子。
完整描述气体状态所需的所有四个量的公式是
理想气体定律:PV = nRT
这里R是一个被称为通用气体常数的常数,其值为62.4托升/摩尔-°K。
另一个有用的气体定律是分压定律
(5)道尔顿定律:PTOTAL = P1+ P2+…n
这个公式告诉我们,在不发生化学反应的气体混合物中,每一种气体都独立地施加自己的压力,就好像没有其他气体存在一样。
有助于描述气体在真空环境中的行为的其他特征包括:
- 气体的动力学理论
- 分子的平均自由程
- 相变
- 蒸发
- 冷凝
- (动态)平衡
- 蒸汽(分)压
- 气体流量
- 气体流动阻力
- 气体导
让我们简单地谈谈每一个。
气体的动力学理论
这个理论是用来解释气体的行为,根据个别气体分子的行为。气体是不断运动的,因此讨论它们的动力学性质是有意义的。还要记住,气体可以自由地在它们可用的空间内游荡。所以,气体的温度只是粒子动能的一种度量,也就是它们的动能;温度越高,分子运动越快,动能越大。相比之下,压强与分子撞击容器壁的次数有关。温度的升高导致分子碰撞更猛烈更频繁,从而产生更高的压力(根据查尔斯定律)。同样,温度的降低会导致分子碰撞的力度和频率降低,从而导致压力降低。
如果你要从真空容器中移除一些气体,那么与壁面接触的分子就会减少,压力也会降低(符合阿伏伽德罗定律和理想气体定律)。气体体积的减小(在恒定温度下)导致原来分子数目撞击的面积减小,从而导致压力增加(根据波义耳定律)。
平均自由程
平均自由程,即分子之间的距离,可以根据动力学理论计算如下:
在哪里?是平均自由程,单位是厘米,D是气体分子的直径,单位是厘米,n是每立方厘米气体分子的数量。
重要的是,这个公式告诉我们,压力与单位体积的分子数成正比(根据理想气体定律),与平均自由程成反比,即随着压力的降低,分子之间的平均自由程增加。
相变
如果我们通过改变温度或压力(或两者都改变)来改变物质的状态,我们就改变了物质存在的相。在真空中,当我们向下泵时,我们会降低压力和温度,并将空气中的一些水分转化为冰晶。
动态平衡和蒸汽压
当离开某一零件表面的分子数等于返回该零件表面的分子数时(即蒸发速率等于凝结速率),系统即处于动态平衡状态。它发生时蒸汽的分压就是材料的蒸汽压。
气体流量
气体流经真空容器进入泵的速率在真空系统中很重要。这决定了达到工作压力所需的时间,并可能最终决定系统对泄漏和放气的容忍度。
当我们泵入容器时会发生什么?
在760到1托的范围内
任何真空炉的初始泵送阶段都是从大气压到1托左右。在这一点上,容器中最初的空气具有相对较高的相对湿度,并开始被去除。当压力降低时,水蒸气凝结(由于压力突然下降带来的冷却效应)。因此形成了“雾”,即一团气体云在内部旋转,具有高压和高流速下气体流动的特征。最终结果是泵送效率的损失。这是一个原因,我们不应该保持真空炉打开的时间超过绝对必要的装卸时,机械泵和鼓风机的尺寸是重要的,以减轻这种现象。
随着时间的推移,残留在容器中的气体的成分发生了(缓慢的)变化。最初,空气是气体的主要成分。某些油、油脂和水通常存在于容器的两侧。最终,几乎所有的空气都被抽走了——油脂和水将继续蒸发,它们的分压将占总压的更大比例。此阶段的主要关注点是由于杂质造成的工作负载污染。
快速泵送的额外危险之一是水蒸气转化为冰晶。一旦形成固体,水就不能再被去除。这是加热开始时真空水平上升的原因之一。缓解这种现象的一种方法是在加热前进行两次泵送,即将腔室泵至-28”Hg左右,隔离泵并将腔室回填至- 5”Hg左右,然后再次泵送。通常情况下,特别是在极端潮湿的条件下,这种技术实际上可以更快地发现腔室泵到最终真空。
取值范围为1 ~ 1 × 104托
随着我们继续降低真空度,从1torr到1x103或者1 x 104托尔,留在容器中的气体传导热量的能力开始迅速下降。气体的电气特性也发生了变化,启动(辉光)放电所需的电压也降低了。
取值范围为1 × 104到1 x 106托
随着我们继续将真空度降低到1 x 106托尔,我们看到分子密度减小了滑动摩擦力增大了。在这个真空范围内,分子与容器两侧碰撞的频率与相互碰撞的频率一样多。
总之
所以你知道了!足够的理论来理解真空炉内发生的各种相互作用,但又不至于让人不知所措或感到困惑。如果你有兴趣了解更多,有很多教科书(见参考资料),这些教科书对气体理论的推进远远超出了这个暴露。
参考文献
1.鲱鱼,丹尼尔H.,真空热处理,BNP媒体集团,2012。
2.金博尔,威廉·H,真空,真的没什么吗?C. I. Hayes公司,1977年。
3.小布伦纳,威廉F.和巴茨,托马斯H.,实用真空技术,罗伯特E.克里格出版公司,1974年。
4.duhman, Sual,真空技术的科学基础,第二版,John Wiley & Sons, 1966。
5.《真空科学与技术手册》,多萝西·m·霍夫曼,巴瓦·辛格和约翰·h·托马斯三世(编),学术出版社,1998年。
Daniel H. Herring /电话:(630)834-3017)/电子邮件:dherring@heat-treat-doctor.com
Dan Herring是鲱鱼集团公司,专门提供咨询服务(热处理和冶金)和技术服务(工业教育/培训和工艺/设备援助)。他还是伊利诺伊理工学院/热加工技术中心的研究副教授。2022世界杯抽签完整视频