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合金鋼 在普通碳素鋼基礎上添加適量的一種或多種合金元素而構成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當?shù)募庸すに嚕色@得高強度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。 合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在適當條件下，就能形成各自的碳化物，當缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進入固溶體中；錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態(tài)進入固溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體；鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子狀態(tài)存在于固溶體中。 合金鋼種類很多，通常按合金元素含量多少分為低合金鋼（含量＜5％），中合金鋼（含量5％～10％），高合金鋼（含量＞10％）；按質量分為優(yōu)質合金鋼、特質合金鋼；按特性和用途又分為合金結構鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、滾動軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼（如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼）等。 在鋼中除含鐵、碳和少量不可避免的硅、錳、磷、硫元素以外，還含有一定量的合金元素，鋼中的合金元素有硅、錳、鉬、鎳、硌、礬、鈦、鈮、硼、鉛、稀土等其中的一種或幾種，這種鋼叫合金鋼 各的合金鋼系統(tǒng)，隨各自的資源情況、生產(chǎn)和使用條件不同而不同，國外以往曾發(fā)展鎳、硌鋼系統(tǒng)，我國則發(fā)現(xiàn)以硅、錳、釩、鈦、鈮、硼、鉛、稀土為主的合金鋼系統(tǒng) 合金鋼在鋼的總產(chǎn)量中約占百分之十幾，一般是在電爐中冶煉的按用途可以把合金鋼分為8大類，它們是：合金結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、不銹鋼、耐熱不起皮鋼，電工用硅鋼。 合金工具鋼 　合金工具鋼具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、熱硬性和回火穩(wěn)定性等。因而可以制造模具、量具和其它工具。 1、低合金工具鋼 低合金工具鋼是在碳素工具鋼的基礎上，加入少量的合金元素Cr、Mn、Si、W、V等 ，提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，因而提高鋼的強度、耐磨性和熱硬性。在230 ～260℃回火后硬度仍保持HRC60以上，從而保證一定的熱硬性。常用的低合金工具鋼有9SiCr、CrWMn等。 低合金工具鋼的熱處理為球化退火、淬火和低溫回火。最后組織為回火馬氏體、合金碳化物和少量殘余奧氏體。 2、高速鋼 高速鋼是一種高碳合金工具鋼，用高速鋼制的刀具，可以進行高速切削，具有良好的熱硬性。當切削溫度高達600℃左右時硬度仍無明顯下降。 高速鋼中含有大量的合金元素W、Mo、Cr、V等，使鋼具有高的硬度和耐磨性，較高的熱硬性，足夠的強度和韌性等。這些性能當然也要通過適當?shù)臒崽幚聿拍鼙ＷC。 高速鋼的鑄態(tài)組織中有粗大的魚骨狀合金碳化物，使鋼的機械性能降低，但不能用熱處理來消除，只有采用反復鍛擊的辦法將其擊碎，并均勻分布在基體上。高速鋼鍛造之后，要進行退火，以消除應力，降低硬度，為以后的淬火作組織上的準備。 高速鋼只有通過正確的淬火和回火才能使性能充分發(fā)揮出來。W18Cr4V鋼的最終熱處理工藝曲線如圖所示。淬火溫度較高的目的是使大量的合金碳化物溶入奧氏體中，以得到良好的紅硬性。高速鋼淬火后，還保留一部分殘余奧氏體，一次回火難以全部消除，影響鋼的硬度和耐磨性，故必須經(jīng)多次回火使其全部轉變，一般常采用560℃三次回火，每次保溫1小時。 3、硬質合金 硬質合金是將特制的高熔點、高硬度的金屬碳化物粉末和粘結劑混合，壓制成型，再經(jīng)燒結而成的一種粉末冶金材料。 硬質合金的性能特點是：硬度高HRA(86～93)，相當于HRC(69～81)。熱硬性好(可達900℃～1100℃)，耐磨性優(yōu)良。因此硬質合金主要用做切削工具。其刀具的切削速度比高速鋼可提高4～7倍，壽命提高5～80倍，制造模具、量具壽命可提高20～150倍。有的金屬材料如奧氏體耐熱鋼和不銹鋼等用高速鋼無法切削加工，若用含WC的硬質合金就可以切削加工。 合金模具鋼 用于制作冷、熱模具的鋼種為模具鋼 1.冷模具鋼 包括冷鐓模、拉絲模、滾絲模等，屬于接近室溫狀態(tài)下對金屬進行變形加工的一種模具。要求有高的硬度和良好的耐磨性，以及足夠的強度和韌性，熱處理變形要小。小模具用CrWMn來制造，大型模具采用淬透性高、抗磨性高的Cr12鋼來制造。 這類鋼熱處理過程是球化退火，淬火，低溫回火。回火后組織是回火馬氏體，合金碳化物和少量的殘余奧氏體。 2.熱模具鋼 在高溫下工作的模具鋼如熱鍛模。要求在高溫下有高的強度及足夠的耐磨性和韌性，良好的抗熱疲勞性，為使整體性能一致，還需有良好的淬透性。 合金量具鋼 合金量具鋼用于制造各種測量工具，如千分尺、量規(guī)、塊規(guī)等。 常用量具 為了保證量具的精確度，制造量具的鋼應具有良好的尺寸穩(wěn)定性、較高的硬度及耐磨性。 量具鋼沒有專用鋼。尺寸小、形狀簡單、精度較低的量具，用高碳鋼制造；復雜的精密量具用低合金刃具鋼制造。 alloy steel In the ordinary carbon steel on the basis of adding some one or more alloying elements which constitute the iron-carbon alloy. According to the different elements added, and take appropriate processing technology.Will be high-intensity, high toughness, wear resistance, corrosion resistance, low temperature resistance, high temperature, non-magnetic, and other special properties. Steel is the main alloying elements silicon, manganese, chromium, nickel, molybdenum, tungsten, vanadium, titanium, niobium, zirconium, cobalt, aluminum, copper, boron, such as rare earth. Including vanadium, titanium, niobium, zirconium, such as in steel is strong carbide forming elements. As long as there is sufficient carbon, under appropriate conditions, will be able to form their own carbide; When carbon or missing in the high-temperature conditions, while atomic enter solid solution. Manganese, chromium, tungsten, molybdenum carbide formation of the elements. Atomic part of the state to enter solid solution, another part of a replacement alloy cementite; Aluminum, copper, nickel, cobalt, silicon carbide forming elements is not, to the general state of atoms in solid solution in existence. There are many kinds of steel, normally divided into the number of alloy elements in low alloy steel (content <5%).In steel (in 5% to 10%),high-alloy steel (content> 10%);By mass into high-quality steel, alloy steel qualities; According to characteristics and uses are divided into alloy structural steel, stainless steel, acid-proof steel, wear-resistant steel, heat-resistant steel, alloy tool steel, rolling bearing steel, spring steel and special alloy steel performance (such as soft magnets, permanent magnet steel, non-magnetic Steel). In steel, in addition to iron, carbon and a small amount of the inevitable silicon, manganese, phosphorus, sulfur, also contain a certain amount of alloying elements. Alloy elements in steel with silicon, manganese, molybdenum, nickel, Ge, alumina, titanium, niobium, boron, lead, rare earth, and so one or several of them,Steel is the steel that the steel system.With their resources, the production and use of different conditions and different. Foreign previous development nickel, steel Ge system, China was found to silicon, manganese, vanadium, titanium, niobium, boron, lead, rare earth-based steel alloy steel in the steel system in the total output of about 10 per cent. Generally in the smelting furnace by the use of the steel can be divided into eight major categories.They are: alloy structural steel, spring steel, bearing steel, alloy tool steel, high speed tool steel, stainless steel, heat-resistant skin can not afford steel, silicon steel electrician. Alloy tool steel The alloy tool steel has a higher degree of hardness, the resistance to wear, better hardenability, hot rigidity and tempering stable and so on. Thus may make the mold, the measuring instrument and other tools. 1st, low-alloy tool steel The low-alloy tool steel is in the ordinary tool steel foundation, joins few alloying element Cr, Mn, Si, W, V and so on, enhances the steel the hardenability and the tempering stability, thus enhances the steel the intensity, the resistance to wear and the hot rigidity. Degree of hardness still maintained above HRC60 after 230 ~ 260 ℃ tempering, thus guaranteed the certain hot rigidity. The commonly used low-alloy tool steel has 9SiCr, CrWMn and so on. Low-alloy tool steel heat treatment for , quenching and low tempering. Finally organizes for the tempered martensite, the alloy carbide and the few remaining austenite. 2nd, high-speed steel The high-speed steel is one kind of high carbon alloy tool steel, with the high-speed steel system cutting tool, may carry on the high-speed cutting, has the good hot rigidity. When the cutting temperature reached as high as 600 ℃ about degree of hardness still not obviously to drop. In the high-speed steel includes massive alloying element W, Mo, Cr, V and so on, enable the steel to have the high degree of hardness and the resistance to wear, higher hot rigidity, enough intensity and tough and so on. These performance certainly also must be able to guarantee through the suitable heat treatment. In the high-speed steel casting condition organization has the thick fish bones shape alloy carbide, causes the steel the machine capability to reduce, but cannot use the heat treatment to eliminate, only has the means which uses repeatedly hammers strikes it to crush, and evenly distributes in the substrate. After high-speed steel forging, must carry on , the stress-relieving, reduces degree of hardness, will be the later quenching makes in the organization the preparation. The high-speed steel only through correct quenching and the tempering can enable the performance fully to display. The W18Cr4V steel final heat treatment craft curve like chart shows. A hardening temperature higher goal is causes the massive alloy carbide to dissolve into in the austenite, by obtains the good red hardness. After high-speed steel quenching, but also retains part of remaining austenite, a tempering completely eliminates with difficulty, affects the steel degree of hardness and the resistance to wear, therefore must pass through the multiple tempering to cause it completely to transform, generally often uses 560 ℃ three tempering, each time keeps warm for 1 hour. 3rd, hard alloy The hard alloy is high mp, the high degree of hardness metal carbide powder and the cementing agent mix which specially makes, suppresses takes shape, again passes through one kind of powder metallurgy material which agglutinates becomes. The hard alloy performance characteristic is: Degree of hardness high HRA (86 ~ 93), is equal to HRC (69 ~ 81). The hot rigidity good (may reach 900 ℃ ~ 1,100 ℃), the resistance to wear is fine. Therefore the hard alloy mainly with makes the cutting tool. Its cutting tool cutting speed may enhance 4 ~ 7 times compared to the high-speed steel, the life enhances 5 ~ 80 times, makes the mold, the measuring instrument life may enhance 20 ~ 150 times. Some metal material like austenite high-temperature steel and the stainless steel urgently need the high-speed steel to be unable the machining, if with contains WC the hard alloy to be allowed the machining. Alloy molding tool steel Uses in coldly to manufacture, the hot mold aluminum is the molding tool steel 1. Cold molding tool steel Including Leng Duimu, the wiredrawing mold, roll the silk mold and so on, belongs approaches under the room temperature condition to carry on the distortion processing to the metal one kind of mold. The request has the high degree of hardness and the good resistance to wear, as well as the enough intensity and toughness, the heat treatment distorts must be small. The small mold makes with CrWMn, the large-scale mold uses the hardenability to be high, the abrasion resistant high Cr12 steel makes. This kind of steel heat treatment process is quenching, low tempering. After the tempering the organization is the tempered martensite, the alloy carbide and the few remaining austenite. 2. Hot molding tool steel The molding tool steel like hot forging die works which under the high temperature. The request has the high intensity and the enough resistance to wear and toughness under the high temperature, good resists heat weariness, for causes the overall performance to be consistent, but also must have the good hardenability. Alloy measuring instrument steel The alloy measuring instrument steel uses in to make each kind of measuring tool, like micrometer, gauge, slip gauge and so on. Commonly used measuring instrument In order to guarantee the measuring instrument the precision, makes the measuring instrument the steel to be supposed to have the good size stability, a higher degree of hardness and the resistance to wear. Measuring instrument steel not special-purpose steel. The size small, the shape is simple, a precision lower measuring instrument, makes with the high-carbon steel; The complex precision measuring instrument makes with the low-alloy Blades steel. 無 錫 職 業(yè) 技 術 學 院 畢 業(yè) 設 計 論 文 說 明 書 真空泵的磁性液體密封設計 孫國亮 摘要:文章介紹了磁流體密封的原理、磁流體密封的結構，通過對磁流體密封的主要元件—— 導磁套的結構形式的研究， 分析了導磁套的結構和永磁體的結構對密封性能的影響，給出了磁流體密封合理參數(shù)，及對磁流體密封各部件的材料選用。 關鍵詞: 磁流體 密封 極靴結構 永磁體 密封能力 影響 引言 隨著科技的發(fā)展和人們環(huán)境意識的日益提高，密封問題被提到很高的位置?，F(xiàn)在一般的真空泵泵使用的是橡膠密封圈和機械密封，進行軸的密封。 1、橡膠普遍存在耐磨性問題 由于旋轉軸的轉速較高，密封制品要承受很大的摩擦扭矩，尤其是在潤滑效果不良的情況下，密封區(qū)域的生熱較大，會導致膠料發(fā)粘或與金屬粘合性能提高，使密封件破壞，進而導致密封失效。從而需要定期維修、更換橡膠圈是其恢復正常工作。 2、其他密封存在的一些問題 目前，國內外采用的密封措施有許多種，大致有機械密封、石棉盤密封、碗形密封和反螺旋密封等。機械密封結構復雜、成本高；帶加強環(huán)的碗形密封，密封消耗功率稍大一些；石棉盤根密封需要冷卻潤滑，否則由于摩擦發(fā)熱產(chǎn)生的高溫使軸燒損；反螺旋密封結構要求在軸達到一定轉速時，才能顯示出它的密封作用，而在靜止時將完全不起作用，因此，對靜止狀態(tài)時也要求密封的地方，這種方法不宜采用。因而尋求一種工作壽命長、密封性能好并且和運動軸之間摩檫系數(shù)小的密封件是生產(chǎn)廠家和用戶的一種期望。 磁流體密封作為一種新型密封方式。具有無泄漏、無摩擦、結構簡單、易維修和符合現(xiàn)代倡導的綠色生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)等特點，已受到越來越多的關注。 20世紀60年代中期出現(xiàn)了一種新型的功能材料----磁性液體,到現(xiàn)在只不過30余年的歷史，但它一經(jīng)問世，就得到許多專家學者的重視。1977年在意大利召開了磁性液體的第一屆國際學術會議，以后每三年舉行一次。 磁性液體是一種新型的功能材料,誕生于20世紀60年代。它是將納米尺度的磁性固體顆粒均勻的分散在液體介質中而形成的穩(wěn)定的膠體溶液。它將液體的流動性和磁性材料的磁性統(tǒng)一在一種物質中，使之具備了很多新的物理機能和特性，也正因如此，它的制備和理論研究都有著很重要的科學意義。它的應用是走高端產(chǎn)業(yè)，特別是在軍事方面的應用有著廣闊的前景。 1磁流體密封的原理 1.1 磁流體 磁流體顧名思義便是可以流動的磁性液體，它是由粒徑小于10nm鐵磁性微粒、載液及表面活性劑三部分組成，既有固體磁性材料的強磁性，又有液體的流動性。 它是將摻入到載液中的鐵磁性微粒(≤l0nm)用分散劑均勻地分散，使之成為某種具有流動性的懸浮狀的膠態(tài)液體。這種液體具有在通常的離心力和磁場作用下既不沉降和凝集，又能使其本身承受磁性并可被磁鐵所吸引的特性。 1.2 磁性液體的組成 液態(tài)鐵磁性是可能實現(xiàn)的,然而今日人們還不知道存在這樣的事實:在液態(tài)狀態(tài)下,原子的磁矩按鐵磁性排列從而產(chǎn)生內在的液態(tài)鐵磁性。現(xiàn)在還只能制作這樣的磁性液體,即單疇鐵磁性顆粒的高穩(wěn)定膠狀懸浮液這樣的雙相系統(tǒng)具有較高的磁化強度,也能很快對施加磁場作出反應。這里所說的磁性液體是將眾多的鐵磁性或亞鐵磁性微粒高度彌散于液態(tài)中而構成的一種高穩(wěn)定性的膠體溶液。微粒與載液通過界面活性劑渾成的這種磁液即使在重力場電場磁場作用下也能長期穩(wěn)定的存在,不產(chǎn)生沉淀與分離,因此具有實用性。如圖（1） 穩(wěn)定劑 磁性粒子 基礎液 圖（1）磁性液體的組成 可供選擇用于制備磁性液體的磁性材料通常有以下形式： ,,,Co,Ni,Fe,FeCo 和NiFe合金等, 目前常用的為粉。 作為磁性液體的基載液應滿足這樣一些條件:低蒸發(fā)率,低黏度和高度化學穩(wěn)定性以及具有耐高溫和抗輻射特性等。如表1 表1供磁性液體制備用的載液 載液名稱 所制磁液特點及用途舉例。 水 PH值可在較寬范圍內改變,價格低廉,制備工藝簡單,適用于醫(yī)療、磁性分離、選礦顯示及磁帶、磁泡檢驗。 酯及二酯 蒸汽壓較低，適用于真空及高速密封，潤滑好的磁液特別適用于要求摩擦低的裝置并可用于阻尼裝置。 精制合成油 類似于酯及二酯所制磁液，它的蒸汽壓很低。 硅酸鹽類 黏度低、耐寒性好適用于低溫場合。 碳氫化合物 適用于高速密封，各種碳氫化合物載液可互相混合。 氟碳基化合物 具有不易燃、寬溫、不溶于其它液體，在活潑性環(huán)境，如含臭氧氯 氣等環(huán)境特別適用。 聚苯基醚 蒸汽壓低，度低適用于高真空強輻射場合，輻射阻抗大于。 水銀 可作Fe、Co 、Fe-Co 、Ni磁性微粒的載液，所制磁液飽和磁化強度大、導熱性好。 酯及二酯、精制合成油和聚苯基醚的蒸汽壓較低自然不能使用，氟碳基化合物 、硅酸鹽類及水都不適用于高速泵的密封場合。水銀是重金屬，有毒，既不便安裝也不便維修?？梢娭挥刑細浠衔镆耸褂谩? 適用于碳氫化合物為載液的界面活性劑如：油酸、亞油酸、亞麻酸以及其它非離子型界面活性劑。 油酸幾乎存在于所有的脂肪食物中，是最普遍存在的不飽和脂肪酸成分。由此在價格與購買方面都比較便利，因此選用油酸碳氫化合物為載液的界面活性劑。因此圖（1）中的穩(wěn)定劑是油酸，磁性粒子是，基礎液是碳氫化合物。 1.3 密封原理 磁流體密封就是利用磁流體在外加磁場作用下具有承受壓力差的能力而實現(xiàn)的，其原理如圖（2）所示。 圖（2）磁流體密封結構 圓環(huán)形永久磁鐵1、極靴2、和旋轉軸3構成磁性回路；在永久磁鐵1產(chǎn)生的磁場作用下。把放置在旋轉軸3與極靴2頂端縫隙間的磁性流體4加以集中，使其形成一個所謂的“0”形環(huán)，將縫隙通道堵死而達到密封的目的。這種密封方式可用于轉軸是磁性體(圖2a所示)和非磁性體(圖2b所示)兩種場合。前者磁束集中于間隙處并通過轉軸而構成磁回路，后者磁束并不通過轉軸，只是通過密封間隙中的磁性流體而構成磁回路。 由于磁流體是一種既具有磁特性又具有液體特性的特殊材料，磁流體密封技術具有零泄漏、無固體摩擦、能耗小、無機械磨損、壽命長、適于傳遞高轉速(最高可達120000r／min)、可用于100M Pa以上真空度的真空設備(用低蒸氣壓的磁性流體)等一系列優(yōu)良性質。目前該技術已在密封、潤滑等技術領域中得到了非常成功的應用。并已廣泛應用于食品、醫(yī)療、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、精密儀器等行業(yè)。其中磁流體真空密封和計算機的硬盤密封業(yè)已實現(xiàn)了標準化。但需注意的是，由于磁性流體在高溫下性能不穩(wěn)定，所以磁性流體密封裝置的通常工作溫度范圍為一3O～120 攝氏度。采用磁流體密封，若轉軸在過高或過低的溫度下工作，就必須采取冷卻或升溫措施，這樣將導致密封裝置結構的復雜化。 2 磁性液體密封的優(yōu)點 2.1 嚴密的密封性 包圍著軸的磁性液體能夠對氣體、蒸汽、霧和其它污染物產(chǎn)生嚴密的密封。 2.2 不可測量的泄露率 在靜態(tài)和動態(tài)實驗下,被密封介質的泄漏率在極限為標準氦氣每秒的質譜測量法下未能檢測出,通常人們稱磁性液體的密封泄漏率為零。 2.3 長壽命 磁性液體密封是使用惰性、穩(wěn)定、低蒸汽壓的磁性液體所形成的,在些情況下,密封件能夠工作10年以上,而不需要維護。 2.4 可靠性高 磁性液體密封件包括一塊簡單的永久磁鐵、極靴和數(shù)量很少的磁性液體(通常少于5ml),唯一遭受機械磨損的部件為軸承,因而可靠性高。 2.5 沒有污染 因為沒有機械磨損,液體環(huán)密封不產(chǎn)生污染系統(tǒng)的粒子,除此以外低蒸壓的磁性液體即使在以上的高真空下仍能維持密封的完整性。 2.6 能承受高轉速 磁性液體密封功率損耗低,耐高速能力強,目前磁性液體密封技術能夠在軸的轉速超過3000r/min下,其工作性能良好。 2.7 最佳的扭拒傳遞 對穿的軸可進行扭拒傳動,并能不間斷的提供同相的旋轉。 2.8 低的黏性摩檫 磁性液體低黏度的摩檫不依耐于通過密封所加的壓力,因而運轉很平穩(wěn)。 2.9 磁性液體密封 磁性液體密封即使在中斷運行時,也不像彈性密封在停機期間,受增塑和弛豫的影響。 2.10 其他性能 1）在磁場的作用下，磁化強度隨外加磁場的增加而增加，直止飽和，而外磁場去除后又無任何磁滯現(xiàn)象，磁場對磁流體的作用力表現(xiàn)為體積力。 2）與一般納米粒子相同，只有小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。是動態(tài)密封理想材料。 3）磁流體密封具有能承受高轉速，即使在中斷運行時，也不像彈性密封在停機期間受增塑和弛豫的影響。 3 真空泵的磁性液體密封設計 3.1 設計真空泵的磁性液體密封背景 因為現(xiàn)在的真空泵的轉動主軸均采用傳統(tǒng)的機械密封結構，由于高速轉動軸的作用，這種以橡膠密封圈為代表的密封主機構，由于不耐磨，使用壽命短，泵體故障率比較高，從而影響整個機械系統(tǒng)的工作效率。因此，改進其密封結構，提高使用壽命，是生產(chǎn)廠家和用戶的一種期望。 3.2 設計真空泵的磁性液體密封目的 文章設計真空泵磁性密封的目的：主要是提供一種適用于真空泵的軸的磁性液體密封機構，使它不僅能有效的實現(xiàn)高速轉動主軸的密封，而且還能克服現(xiàn)有常規(guī)軸密封泵存在的機械軸密封缺陷。 3.3 真空泵的密封裝置主要部件 真空泵的密封裝置主要考慮三個部件： 如圖（3）所示： 圖（3）真空真空泵密封的原結構 其一是傳動軸軸頭部分通過真空泵蓋處的動密封； 其二是齒輪箱蓋與端蓋、端蓋與真空泵體之間的靜密封； 其三是傳動軸頭外伸部分通過真空泵蓋處即軸保護套內的密封。其中，真空泵體端面與端蓋和端蓋與齒輪箱蓋的靜密封無論采用真空耐油橡膠圈密封，還是采用有機硅室溫硫化橡膠薄膜密封，都可以得到很好的密封。軸保護套與軸的密封，由于軸保護套與軸一起旋轉，沒有相對運動，就形成了相似于靜密封的狀態(tài)。一般在保護套內壁切一至三個環(huán)形槽，裝上“0”型密封圈即可密封。傳動軸軸頭外伸部分通過真空泵蓋處的動密封很重要，如果密封不嚴，發(fā)生泄露，就會嚴重地影響真空真空泵的抽氣性能。 3.4 磁流體密封的結構 磁流體密封的整體結構如圖（4）所示。磁性流體位于兩個支撐軸承的一側，軸承可以采取潤滑措施。磁流體密封部位通常采用如圖（5）所示的幾種結構形式。由于圖（2）所示的磁流體單級極靴密封結構耐壓能力小，不能承受一個大氣壓的壓差，所以用于真空轉軸密封可以采用多級極靴結構。圖（5）(a)所示的磁流體密封采用多個永久磁鐵，每個永久磁鐵與其對應的一對極靴構成各自獨立的磁回路。各回路間采用不導磁的隔墊隔開；圖（5）(b)則沒有使用不導磁的隔墊；圖（5）(c)只使用一個磁鐵，是一種單磁路多級磁流體密封結構，這種結構性能完善，結構簡單，適用廣泛，是實踐中大量采用的結構形式。 由于我們的真空度要求不高，所以我們選用圖（5）（c）,即使用一個磁鐵。這樣會使我們的結構簡單，而且容易制造和廣用。 圖（4）磁流體密封裝置的整體結構 1- 旋轉軸 2-軸承 3-箱體 4-密封件 5-擋圈 6-極靴 7-磁性流體 8-永久磁鐵 圖（5）磁流體密封結構 1-永久磁鐵 2-極靴 3-磁性流體 4-旋轉軸 5-隔墊 3.5 導磁套的結構 3.5.1 導磁套的結構對磁流體密封能力的影響 影響磁流體密封能力的因素有以下幾個方面：導磁套(齒形和級數(shù))；永久磁體(體積和材料)；密封間隙；軸的轉速；磁極材料；工作溫度；磁流體(飽和磁化強度和用量)等。其中導磁套對密封結構起決定性的影響。 1）密封間隙是磁回路磁阻的主要來源，它決定永磁體工作點和裝置的聚磁能力，理論上密封間隙越小越好。但實際應用中，間隙受到轉軸徑向跳動的約束，密封間隙太小，在高速動密封中，可能發(fā)生導磁套“抱軸” 現(xiàn)象。因此該參數(shù)由工藝能力及軸承支承系統(tǒng)的性能來決定，可選用0．1mm的密封間隙。 2)極齒厚度是對密封能力有著顯著影響的一個設計基本量，在合理的密封結構設計過程中，需要從永磁體工作點的合理設計、減小裝置漏磁和提高設計參數(shù)穩(wěn)定性三個方面綜合分析，一般將極齒厚度設計在0.5—2mm范圍內。 3)極齒高度主要影響密封間隙兩側漏磁磁路中的磁阻，從而影響聚磁效果，當極齒高度大于一定值后，對密封能力的影響很小，一般取在0．5—2mm范圍內。 4)齒槽寬度主要影響齒間漏磁場的疊加效應，太小則降低密封能力，太大則增大密封裝置的軸向尺寸，在設計中需要與齒高相匹配，一般取在0．5—2mm之間。 5)選取較小的永磁體內徑，可以保證密封結構的緊湊性，一般取永磁體內徑比極靴內徑大2—4mm左右。 因此在選定密封間隙、齒數(shù)及以上其它結構參數(shù)的基礎上，考慮密封中結構參數(shù)的匹配關系，合理設計永磁體外徑，才能得到一個既可以滿足設計的壓力要求，又可以保證裝置周圍漏磁場很弱的密封裝置。永磁體外徑的決定應遵循磁路中磁通“所供即所需”的原則，即永磁體所提供的磁通可使密封達到所要求的密封壓力，且不會使極靴達到過飽和磁化狀態(tài)，有效的保證密封裝置的低漏磁特性。為了準確設計裝置的壓力冗余量，可根據(jù)有限差分法所建立的密封壓力和結構參數(shù)間的關系對永磁體外徑進行優(yōu)化設計，這是一個單變量優(yōu)化問題。 目前，磁流體單級密封導磁套的齒形主要有如圖（6）所示的幾種，其中圖（6）(c)的結構最佳。實際上，矩形角比銳角具有較大的磁場梯度，而結構(c)左側倒角能起到聚集齒端磁通的作用，所以其性能優(yōu)于結構(a)。當密封要求較高時可以采用多級密封， 即在磁鐵的兩側有間隙地多放幾塊極靴，這樣總的密封能力就是各級密封壓值的總和。 圖（6）單級密封極靴的齒形 對于多級密封，一般都采用矩形齒結構，因為它耐壓能力大，兩側耐壓相同，且加工工藝簡單，性能容易保證。但考慮到液體在工作時要受到重力的作用，所以通常把導磁套齒型設計成梯形結構。這種結構的磁場梯度大，磁流體界面穩(wěn)定性好，密封能力較強。 但考慮使用的真空泵的真空度不大和制造方面的問題，所以優(yōu)先選用圖（6）（a）。 3.5.2導磁套基本結構參數(shù)的確定方法 磁流體密封結構設計主要就是導磁套齒形的結構和永磁鐵的設計。如圖（7）所示，導磁套齒形的設計，主要是確定導磁套齒形參數(shù)槽寬、齒寬、槽深、間隙的最佳取值范圍，使其具有好的綜合性能，磁場強度差值大，以便獲得最大的密封能力。 圖（7）導磁套的基本參數(shù) 3.5.3 齒的參數(shù)設計 1)極齒厚度是對密封能力有著顯著影響的一個設計基本量，在合理的密封結構設計過程中，需要從永磁體工作點的合理設計、減小裝置漏磁和提高設計參數(shù)穩(wěn)定性三個方面綜合分析，一般將極齒厚度設計在=0.5-2mm范圍內。 2)極齒高度主要影響密封間隙兩側漏磁磁路中的磁阻，從而影響聚磁效果，當極齒高度大于一定值后，對密封能力的影響很小，一般取在=0．5—2mm范圍內。 3)齒槽寬度主要影響齒間漏磁場的疊加效應，太小則降低密封能力，太大則增大密封裝置的軸向尺寸，在設計中需要與齒高相匹配，一般取在=0.5—2.5mm之間。 根據(jù)/=8，/=2，/=3.5，因為間隙取1mm,從而得出=0.8mm，=0.1mm，=0.2，=0.7，因為軸的直徑是28mm，所以導磁套的內徑為28mm。由于軸承是標準件，結合導磁套內徑28mm，選擇內徑為35mm的軸承，所以導磁套外徑為62mm。 3.6 永久磁鐵的設計 永久磁鐵的設計包括三個基本要求: 第一永磁體厚度主要影響密封裝置中永磁體的工作點。永磁體工作點接近永磁材料的剩磁點時，增加永磁體厚度對密封能力的貢獻很小。由于磁流體密封中磁回路磁阻較小，永磁體工作點很容易達到一個較高的位置。若按照永磁體體積最小來決定永磁體的工作點，則所設計的密封裝置中的永磁體只能是一個很薄的薄片，一般不能符合機械零件的強度設計要求，因此對永磁體厚度的設計主要從機械強度出發(fā)進行考慮，對于齒數(shù)為1—4的密封裝置一般可以取永磁體厚度為4mm。 第二是要保證密封工作間隙中磁場強度符合已選定的數(shù)值,即不過高也不過低; 第三是要求永久磁鐵內部的磁場強度和磁感應強度工作在材料的最大磁能積點之處,這樣才能最有效的利用它內部的磁能,這就要求永久磁鐵的軸向長度和橫截面積有一適當?shù)谋壤? 根據(jù)磁路定律,永久磁鐵自身產(chǎn)生的磁壓應等于外磁路的磁壓降,從而有 (7-30) 式中,為磁路的磁壓損失系數(shù),等于永久磁鐵產(chǎn)生的磁壓與作用在工作間隙上的有用磁壓之比.它包含了導磁極靴和轉軸上的磁壓損失,磁鐵與極靴接觸面處的氣隙磁壓損失,磁力線在工作間隙中曲線效應的磁壓損失等因素.一般取1.05~1.55,式(7-30)右側2表示磁路中有兩個間隙.工作間隙上的磁壓可由最大工作場強的表達式求得,矩形時有 (7-31) 帶入式(7-30)可解出永磁鐵計算式 2永久磁鐵產(chǎn)生的磁感應通量 應等于 外磁路中的總磁通量 (7-32) 式中,為磁路的磁流損失系數(shù),等于永久磁鐵產(chǎn)生的總磁感應通量與通過極齒有用磁感應通量之比。它考慮的影響因素有極靴轉軸側面的漏磁通,永久磁鐵側面的漏磁通極齒邊緣效應的漏磁通等。由于它不僅與和磁路的結構形狀有關,而且和磁路的材料周圍環(huán)境的材料以及加工工藝等因素有關。需要結合實際 情況,按磁路的設計經(jīng)驗選取。 每個極靴上有個矩形齒的結構中,齒型區(qū)流過的有用磁感應通亮可由下式求得: (7-33) 式中,為通過一個齒的磁通量大小。 因為導磁套與極靴的間隙為0.1毫米，所以極靴的內徑為35.2毫米。根據(jù)軸承的外徑為62毫米，所以極靴的外徑為62毫米。因為磁鐵的外徑要比極靴小1－2毫米，內徑比極大5－7毫米。磁鐵的最終永久磁鐵的方案是厚度為7毫米，直徑60毫米。內徑為41毫米。 4 材料選擇 磁流體密封裝置中的材料優(yōu)選主要指對永磁體、磁極靴、磁流體和隔磁材料的優(yōu)化選擇。為實現(xiàn)設計目標，永磁體需要選擇剩磁大、矯頑力高、磁能積大的材料。這樣，一個體積較小的永磁環(huán)可以給系統(tǒng)帶來足夠大的磁能。磁極靴和旋轉軸構成聚磁結構，為了減小磁極靴和旋轉軸中所產(chǎn)生的磁壓降，一般選用導磁性能好的電工純鐵或低碳鋼(10號鋼)作為導磁材料。磁流體是密封裝置中的功能性液體，它是密封失效的一個薄弱點，設計時選擇穩(wěn)定性好、揮發(fā)率低、飽和磁化強度高的磁流體。隔磁材料一般取磁導率接近真空磁導率且強度較高的材料，如銅、硬鋁等。 4.1 永磁體材料選擇 為實現(xiàn)設計目標，永磁體需要選擇剩磁大、矯頑力高、磁能積大的材料。這樣，一個體積較小的永磁環(huán)可以給系統(tǒng)帶來足夠大的磁能。 從表（4）中可以看出,在剩磁磁通密度矯頑力內稟矯頑力 最大磁能積 可逆磁導率等五個參數(shù)方面,釹鐵硼永磁材料具有最優(yōu)值。對于溫度系數(shù)鋁鎳鈷磁鐵最好 ,其值最小,而永磁鐵氧體最差稀土永磁居中間狀態(tài)。在比重方面,永磁鐵氧體最小,釹鐵硼尺寸也不算最大。 但釹鐵硼也有不足之處：一是熱穩(wěn)定性較差,例如居里溫度偏低()溫度系量偏高(), 矯頑力溫度系數(shù)也偏高(約0.70%/)。二是抗氧化和耐腐蝕性較差,在潮濕環(huán)境下生產(chǎn)或使用容易生銹,在不同介質中容易被腐蝕。因此要做好磁鐵的維護。 表（2） 各種永磁材料特性的比較 Nd-Fe-B 鐵氧體 AlNiCo 磁 特 性 剩磁 1.25 （12.5） 1.12 （11.2） 0.44 （4.4） 1.15 （11.5） 磁通密度 矯頑力 /(KA/m)(kOe) 915.4 （11.5） 533.32 （6.7） 222.88 （2.8） 127.36 （1.6） 內稟矯頑力 /(KA/m)(kOe) 1098.48 （13.8） 543.24 （6.9） 230.84 （2.9） 127.36 （1.6） 最大磁能積/(KJ//)(MGOe) 286.65 (36) 246.76 (31) 36.62 （4.6） 87.65 （11） 溫度系數(shù)/(%/) -0.126 -0.03 -0.18 -0.02 可逆磁導率 1.05 1.03 1.1 1.3 居里溫度 312 880 450 890 物 理 特 性 比重d/(g/) 7.4 8.4 5.0 7.3 電阻率() 144 85 45 硬度/HV 600 550 530 650 抗彎強度/MPa kgf/ 245 (25) 117.6 (12) 127.4 (13) —— 抗壓強度/MPa kgf/
735 (75) 509.6 (52) —— —— 熱膨脹系數(shù)/() 3.4(平行度) 4.8(垂直度) 13 13(平行度) 8(垂直度) 11 總之,從綜合性能評價, 釹鐵硼永磁材料的性能是較優(yōu)異的。所以為了提高密封件的質量標準,選擇釹鐵硼作為材料的磁鐵，并且要求磁鐵沖磁后的磁積能達到45。 4.2 靜密封圈的選擇 靜密封是指連接件不能做相對運動的密封。對于低真空和高真空,可拆靜密封一般采用彈性很大的橡膠做密封材料。 真空密封用橡膠 用于真空密封的橡膠材料,除要求具有光潔表面,無劃傷、無裂紋外還要有低的出氣率、揮發(fā)率、透氣率良好的耐熱性耐油性抗老化和適宜的耐壓縮變形值及壓力松弛系數(shù)。最常用于真空密封的橡膠有下列幾種： 1）天然橡膠 天然橡膠是最早使用的一種真空用密封材料，但它的透氣率很大，耐油性抗老化性能都很差，一般只用于粗真空，低真空密封。 2）丁基橡膠 丁基橡膠的透氣率很小，可用于的密封。但在超真空環(huán)境下材料出現(xiàn)升華現(xiàn)象，其重量損失可達，因此不適用于的超高真空。 3）丁橡膠 是耐油性和其它性能都較好的一種橡膠，在高真空范圍內廣泛應用于烘烤溫度以下的各類真空密封。 4）氟橡膠 是一種具有耐高溫、各種介質的密封材料。各種氣體在維通(Viton)型氟橡膠中有較小的擴散速度和較大的溶解度,透氣率很小,與丁基橡膠相當。在高溫、真空中放氣率很低,可用于的真空密封;采用雙“O”圈密封結構,烘烤200 ,并加上冷卻措施,可達到超高真空。缺點是價格昂貴,通常只限于需要烘烤的高真空及超高真空系統(tǒng)中。 5）硅橡膠 是一種耐熱橡膠。在各種橡膠中它的工作溫度范圍最寬，即使在高溫下長期使用。缺點是氣體滲透率較普通橡膠大數(shù)十至數(shù)百倍，線膨脹系數(shù)也也比其它橡膠的大。因此設計密封槽要留有足夠的余地。 由此可見，以上各靜密封圈都有其各自的缺點，基本滿足真空密封的橡膠材料要求的靜密封圈只有丁橡膠和氟橡膠，但氟橡膠比丁橡膠有更好的密封性能，考慮到價格成本在此密封件中丁橡膠的耐油性及其它都較好的性能足以夠用。所以靜密封圈的材料選擇氟橡膠。 4.3 極靴材料的選擇 軟磁材料的品種、主要特點和應用范圍 表3 品種 主要特點 應用范圍 電工用純鐵 含碳量在0.04%以下,飽和磁感應強度高,冷加工性好;電阻率低,鐵損高,有磁時效現(xiàn)象。 一般用于直流磁場。 硅鋼片 鐵中加入的硅,就是硅鋼.它和電工 用純鐵相比,電阻率增加,鐵損降低,磁時效基本消除;導熱系數(shù)降低,硬度提高,脆性增大。 電機、變壓器、繼電器、互感器、開關等產(chǎn)品的鐵心。 鐵鎳合金 和其它軟磁材料相比,低磁場下,磁導率高,矯頑力降低,但對應力比較敏感。 頻率在1MHz以下,低磁場中工作的器件。 鐵鋁合金 和鐵鎳合金相比,電阻率高,比重小,但導磁率低。隨著含鋁量的增加,硬度和脆性增大,塑性變差。 低和高磁場下工作的器件。 軟磁鐵氧體 燒界體,電阻率非常高,但飽和磁感應強度低,溫度穩(wěn)定性也較差。 高頻或者較高頻范圍的電磁元件。 其他軟磁材料 鐵鈷合金 飽和磁感應強度特高,飽和磁致伸縮系數(shù)和居里溫度高,但電阻率低。 航空器件的鐵心、電磁鐵磁極、換能器元件。 恒導磁合金 在一定的磁感應強度、溫度和頻率范圍內,磁導率基本不變。 恒電感和脈沖變壓器等的鐵心。 磁溫度補償合金 居里溫度低、在環(huán)境溫度范圍內磁感應強度隨溫度的升高急劇地、近似線性的減少。 磁溫度補償元件。 如表3所示，相對于其他軟磁材料的品種電工用純鐵有它獨特的優(yōu)越性。特別是好的冷加工性，省去了工時與加工成本，為大批量生產(chǎn)時，效率生產(chǎn)提供了可能。因此選擇電工用純鐵為極靴的加工材料。 4.4 導磁套選材 磁極靴和導磁套構成聚磁結構，為了減小磁極靴和導磁套中所產(chǎn)生的磁壓降。一般選用電工用純鐵或低碳鋼作為導磁套的材料，不過考慮電工用純鐵的價格昂貴，所以選用一般人所熟悉的45號鋼。 4.5 殼體材料的選擇 殼體必須是不導磁體,我們常用的不導磁體有不銹鋼、銅以及硬鋁等。銅的密度大于鋁和不銹鋼,即這樣使殼體整體重量較大,并且銅的單位價格也高于銅和鋁以至成本太大而且在潮濕的環(huán)境下容易生銹，不宜取用；鋁雖然相對便宜且最大的特點是材質輕，減小了密封件的重量,但其強度不夠因此也不能使用；不銹鋼比起銅和鋁，輕而有強度,更重要的是它不會生銹。綜合這些，選擇不銹鋼作為殼體材料。最終殼體材料我們選用1Cr18Ni9Ti。 經(jīng)過設計說明如圖紙01 5 總結 1、磁流體密封技術在密封領域中具有誘人的廣闊應用前景。由于極靴結構、磁鐵的磁能積和導磁套的材料對密封能力影響很大，在設計和選用磁流體密封時尤其要注意導磁套結構形式和參數(shù)的優(yōu)化設計，以保證磁流體密封具有較長的使用壽命。在不同的密封要求和密封情況下，根據(jù)不同的需求設計不同的結構，才能使磁流體密封的特長得以充分發(fā)揮。 2、在磁流體密封中，磁流體的注入量很重要。注入的磁流體量少，則其密封能力不能得到有效的利用，磁流體注入量多時，多余的磁流體會進入真空室，引起真空室的污染。一般真空泵上的磁性液體的注射量為5毫升。 3、導磁套上面的槽的多少要進行實際壓力的計算，一個槽里的磁流體形成的O型圈的耐壓為0.2個標準大氣壓。 4、經(jīng)過實際經(jīng)濟計算，在短時間內，磁流體的密封件比橡膠等一些機械密封的成本更高，但從長遠的角度看，它將會代替機械密封和橡膠密封，引領密封的潮流。 6致謝信 通過兩個月的努力,終于完成了畢業(yè)設計。在這個過程中,離不開這些人及單位的幫助。 首先要感謝來自北方交通大學的李德才教授和我的指導老師-宋佳娜講師。李教授撰寫的《磁性液體理論及應用》是有關磁流體知識的權威教材，正是參考它我才能夠從淺嘗到深知磁流體密封件的設計。宋佳娜講師不時的關心我畢業(yè)設計的進度并且給予我設計方面的指導。她糾正了設計的不足,給予我很多好的建議。使我的設計說明書更詳細、符合邏輯。 其次，要感謝江蘇磁星科技發(fā)展有限公司。公司給予我學習與實踐的機會，在這里由理論到實物的了解，使我對這方面的設計更清晰。 最后要感謝我的同事及校友-韓衛(wèi)輔，我們彼此協(xié)助收集磁流體方面的資料，并且一起討論設計中的問題。逐一突破了各個坎，正由于我們相互的支持與鼓勵才能夠順利完成畢業(yè)設計。 參考文獻 1. 李德才.磁性液體理論及應用.北方交通大學.2003 2. 張瑗，張建斌，邵新杰．磁流體密封的磁場分析[J]．潤滑與密封出版社．2002 3. 李德才.磁性液體密封的機理及實驗研究. 流體機械出版社.1992 4. 粱志華．磁流體密封技術應用的現(xiàn)狀與展望．潤滑與密封出版社．2000 5. 董幸生． 新型密封元件的結構設計與應用. 新技術新工藝.2000 6. 李德才．干式羅茨真空泵磁流體密封的研究．真空科學與技術，2002 7. 顧 紅．旋轉速度對磁流體密封能力的影響研究．流體機械出版社，2002 8. 池長青，王之珊，趙丕智．鐵磁流體力學． 流體機械出版社.1993 9. 成大先.機械設計手冊第四版. 機械工業(yè)出版社2001 10. 李春勝 黃德擯.機械工程材料手冊.機械工業(yè)出版社2007 11. 顧紅等.旋轉速度對磁流體密封能力的影響研究 ．流體機械出版社，2 0 0 2( 1 ) 12. 李德才．北方交通大學博士論文．北方交通大學 1995 22