4. 金属垫片密封类型与选型
超高真空系统中的金属垫片密封，本质上是利用垫片材料在受压后产生的塑性流动填充法兰密封面的微观不平度，同时依靠残余弹性变形维持接触应力。不同金属的硬度、屈服强度、再结晶温度和弹性模量差异极大，因此没有一种垫片能通吃所有工况。选型的核心，是在压缩率、回弹特性、温度上限、法兰标准与成本之间找到匹配点。
压缩率与回弹：两个必须同时看的参数
压缩率指垫片在密封螺栓预紧力下厚度减小的百分比。压缩率不足，垫片无法填满密封面刀口或凸台的微观沟槽，漏率偏高；压缩率过大，垫片被过度压扁，回弹储备耗尽，一旦系统经历温度循环或压力波动，接触应力迅速下降，密封失效。回弹特性则描述卸载后垫片恢复厚度的能力，回弹量越大，抵抗热胀冷缩和振动松弛的能力越强。
以常用的无氧铜垫片为例，在CF法兰中通常要求压缩率控制在15%～25%。假设一片初始厚度2.0 mm的无氧铜垫片，压缩后厚度为1.6 mm，则压缩率为20%，属于合理区间。若压缩到1.4 mm，压缩率30%，铜垫片已接近完全塑性，回弹量可能不足0.05 mm，温度循环后容易泄漏。铝垫片较软，压缩率可略低，约12%～20%即可有效密封；镍垫片硬度高，需要更大螺栓预紧力才能达到10%～18%的压缩率；金垫片延展性极好，压缩率通常控制在8%～15%，过压反而浪费材料；铟垫片极软，压缩率5%～12%即可在较低螺栓载荷下实现密封。
温度上限：由再结晶与蒸气压共同决定
温度上限并非简单的熔点打折，而是由再结晶温度、蒸气压和与法兰材料的反应性共同决定。无氧铜在200℃以上开始明显软化，长期使用建议不超过250℃，短时烘烤可到300℃。铝的再结晶温度更低，约150℃以上即显著软化，因此铝垫片通常只用于150℃以下的系统，或一次性烘烤后不再重复使用。镍垫片耐温能力突出，可在400℃甚至更高温度下工作，适合高温烘烤系统。金垫片化学惰性强、蒸气压极低，耐温可达400℃以上，但成本高，多用于要求极低漏率或腐蚀性气体环境。铟垫片熔点仅156.6℃，虽然蒸气压低，但温度上限通常限制在100℃～120℃，超过后机械强度急剧下降。
适用法兰标准：垫片形状与法兰刀口必须匹配
CF法兰（ConFlat）采用刀口挤压金属垫片的密封形式，常用无氧铜垫片，也有镍、铝垫片用于特定工况。CF法兰的刀口角度和垫片厚度有标准尺寸，例如DN35CF常用外径38 mm、内径16 mm、厚度2 mm的铜垫片。KF法兰通常使用弹性体O形圈，但在高温或特殊场合可改用铝或铟垫片，此时需注意KF法兰的夹紧结构能否提供足够均匀的压紧力。ISO法兰使用平面或凸面密封，金属垫片需配合定位环或凸台使用，常见铝垫片和铜垫片。VCR接头使用金或镍垫片，依靠螺母压紧两个锥面，金垫片因延展性好、无冷焊风险而广泛用于气体管路。
选型决策：从工况反推材料
实际选型时，建议按以下顺序判断。第一步，确定系统最高烘烤温度。若烘烤温度超过250℃，无氧铜和铝基本出局，应优先考虑镍或金。第二步，确认法兰标准。CF法兰刀口对垫片硬度有要求，铝垫片在CF法兰上可能因太软而被刀口切穿，需谨慎使用；VCR接头则优先选金或镍垫片。第三步，校核压缩率与回弹量。对于需要经历多次热循环的系统，回弹量应至少覆盖法兰和螺栓的热膨胀差。例如不锈钢法兰与螺栓在200℃温差下的热膨胀差约为0.02～0.04 mm，若垫片回弹量低于此值，冷却后接触应力可能归零。
实操示例：CF63法兰铜垫片更换与压缩率控制
以DN63CF法兰为例，标准无氧铜垫片外径约82 mm、内径约63 mm、厚度2.0 mm。更换时，先用无纺布蘸丙酮清洁两侧刀口，去除旧垫片残留的铜屑和真空脂。将新垫片放入法兰定位槽，确认垫片居中、无偏斜。螺栓采用对角交替拧紧，分三轮：第一轮手拧至接触，第二轮用扳手拧至约30%额定扭矩，第三轮按对角线顺序拧至额定扭矩。CF63法兰的推荐扭矩约为15～20 N·m，具体以法兰厂商数据为准。拧紧后测量垫片厚度，若从2.0 mm压缩至1.6～1.7 mm，压缩率15%～20%，属于合理范围。若压缩后厚度低于1.5 mm，说明过压，应检查扭矩是否过大或垫片是否重复使用。
对于镍垫片，由于硬度较高，达到相同压缩率需要更大扭矩，通常比铜垫片高30%～50%。铝垫片则相反，扭矩应适当降低，避免垫片被刀口切穿。铟垫片在VCR接头中使用时，通常只需手拧加轻微扳手力即可，过度拧紧会导致铟从接头缝隙挤出。
常见误区与判断依据
一个常见误区是认为“越软的垫片密封越好”。实际上，软垫片虽然容易压缩，但回弹量往往不足，热循环后容易泄漏。另一个误区是忽略法兰刀口状态。刀口若有划痕、锈蚀或旧垫片残留，即使使用金垫片也无法保证密封。判断密封是否成功，不能只看静态漏率，还应关注系统经历一次完整烘烤循环后的漏率变化。若烘烤后漏率上升一个数量级，通常说明垫片回弹不足或螺栓预紧力松弛，需要更换更高回弹的垫片或重新校核扭矩。
总结来说，无氧铜是通用首选，铝适合低温一次性场景，镍适合高温可重复使用，金适合腐蚀性气体和极低漏率要求，铟适合低温低载荷密封。选型时把温度上限作为第一道筛子，再用压缩率和回弹量做定量校核，最后结合法兰标准确认几何匹配，就能在大多数超高真空系统中做出可靠选择。