КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Материалы вакуумных систем
К конструкционным относятся материалы, используемые для изготовления вакуумных систем и элементов, включая средства получения вакуума.' Для этой цели .широко используют чугуиы, углеродистые стали, легированные стали и сплавы, жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-стойкие стали и сплавы, титаи и его сплавы, цветные металлы и сплавы, стекло, керамику и ситаллы.
•Элементы конструкций, используемые в качестве тел нагрева, уплотнения и изоляторы изготовляют из специальных материалов: вакуумной резины, фторопласта, графита, тугоплавких металлов.
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в качестве припоев и уплотнителей подвижных и разъемных соединений фланцевого и клапанного типов, высоковакуумных и сверхвысоковакуумных элементов и систем.
Широкое применение стекла и керамики в качестве конструкционных материалов объясняется их способностью к формообразованию, хорошими электроизоляционными (Свойствами; низкой газопроницаемостью, химической стойкостью. Из стекла изготовляют вакуумные трубопроводы, смотровые окна, оболочки рабочих вакуумных камер и др., из керамики — изоляторы, электрические вакуумные вводы. В последнее время из керамики выполняют детали уплотняющих клапанных пар, направляющие координатные столы и др.
Большое распространение, особенно в технике низкого вакуума, получила вакуумная резина. Отличные упругие свойства вакуумной резины сделали ее· незаменимым материалом для вакуумных уплотнителей. Ее используют также в качестве мембран и гибких перегородок вводов движения в вакуум.
Резиновые вакуумные шланги применяют в качестве вакуумпр оводов форвакуумных систем.
Из фторопласта изготовляют мембраны, сильфоны, подшипники скольжения, направляющие уплотнители в разъемных и подвижных соединениях.
Вакуумные лаки применяют главным образом для устраиеиия течей в редко разбираемых нешлифованных соединениях; вакуумные смазочные материалы используют в качестве вязких уплотнителей для кранов и шлифованных соединений. Вакуумные замазки применяют для уплотнения нешлифованных соединений.
В последнее время для вакуумного уплотнения широко используют гер- ' метики, в неразъемных вакуумных соединениях — вакуумные цементы и клеи. Общее требование к материалам этой группы — низкое давление пара при нормальной температуре, малая усадка при остывании или испарении связующего вещества.
Дополнительные требования к конструкционным и специальным материалам, работающим в условиях повышенных температур: малые давление насыщенного пара и степень диссоциации при рабочих температурах, отсутствие химических реакций, протекающих с образованием газообразных продуктов или эвтектик, малая адсорбционная способность по отношению к газам и парам.
К технологическим относятся материалы, используемые при испытании, ремонте и эксплуатации вакуумных систем: лаки, клеи, герметики, замазки, смазочные материалы, материалы для очистки вакуумных аппаратов и др.
Требования ко всем материалам определяются функциональным назначением элемента или узла, в которых они применены.
В вакуумной технике чугун используют главным образом для изготовления литых корпусных деталей, работающих при низком и среднем вакууме. Эти детали должны иметь достаточную вакуумную плотность, поэтому нх изготовляют литьем под давлением.
Малоиагружеиные корпусные детали отливают нз чугунов СЧ15 и СЧ18, нагруженные детали — из чугунов СЧ20, СЧ25 и СЧЗО. Из чугуна СЧ35 отливают сложные детали повышенной плотности. Детали пар трения изготовляют из антифрикционных чугунов; детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, — из чугунов АЧС-1 и АЧС-2; детали, работающие в паре с термически t не обработанными валами, — из чугуна АЧС-3.
Высокопрочные чугуны ВЧ 45; ВЧ 50 и В Ч 60 по механическим свойствам не уступают литой углеродистой стали — имеют хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, высокую износостойкость, способны гасить вибрации. Из, отливок высокопрочного чугуна изготовляют корпуса иасосов, вентилей, переходников и др.
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
Примечание. Здесь и далее: ав — временное сопротивление; σ„ — предел прочности при изгибе НВ—, , твердость по Бринеллю.
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
Примечание. Здесь и далее: στ ·— предел текучести; δ — отиоси- . тельное удлинение. |
Легированные стали после термической обработки имеют лучшие механические свойства, чем углеродистые стали. Основные легирующие элемеи- ты ί— хром, никель, кремний и марганец. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем. Из легированных сталей изготовляют различные изделия: от крупногабаритных корпусных до малогабаритных сложной формы.
Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами, например 15Х, 40ХФА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 10Х14АГ15. Первые две цифры соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент (В — вольфрам; Г — марганец; Д — медь; Е — селен; К — кобальт; Н — никель; М — молибден; П — фосфор; Р — бор; С — кремний; Т — титан; Ф — ванадий; X — хром; Ц — цирконий; Ч — редкоземельный металл; Ю — алюминий). Буква А в середине обозначения указывает наличие азота, специально введенного в сталь. Цифры, после букв примерно соответствуют содержанию соответствующего легирующего элемента в целых единицах; отсутствие цифры означает, что в стали содержится до 1,5% этого элемента. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки добавляют букву А, для обозначения особовысококачеетвеиной стали — букву Ш (через дефис).
Жаропрочные стали и сплавы способны работать при высокой нагрузке и температуре выше 773 К. Повышение температуры влияет на механические свойства (уменьшает модуль упругости, пределы текучести и прочности).
Нагружение деталей в течение длительного времени при повышенной температуре вызывает явление ползучести. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще всего жаропрочность характеризуют условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Условный предел ползучести — напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную ско-. рость ползучести! Пример обозначения предела ползучести в соответствии с ГОСТ 3248—81: о70°^т— предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч испытания при температуре 973 К- Рабочие температуры современных жаропрочных сталей и сплавов составляют (0,45 ... 0,8) Гпл (где Гпл — температура плавления).
Для работы при температуре до 1223 К используют жаропрочные сплавы на основе железа, никеля, кобальта, при температуре до 1773 К — сплавы на основе молибдена и.других тугоплавких металлов.
Стали, содержащие более 12% хрома, относятся к коррозионно-стойким. Применяют хромистые коррозионно- стойкие стали трех типов — с содержанием хрома 13, 17 и 27%. В стали, содержащие 17 ... 18 и 25 ... 28% хрома, иногда вводят небольшие добавки титана и никеля. Хромистые стали широко используют в вакуумной технике.
Температуры термической обработки и механические свойства хромистых коррозионно-стойких сталей приведены в табл. 4.6.
Введение 8... 15% Νί в сталь, содержащую 18% Сг, переводит ее в аустеиитиое состояние во Всем диапазоне температур. Это обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зериа, повышает коррозионную стойкость, снижает хладноломкость.
Коррозионно-стойкие стали, содержащие 18% Сг и 10% Ni, получили в настоящее время большое распространение.
К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1973 К.
В вакуумной технике в качестве конструкционных материалов применяют вольфрам, молибден и их сплавы, ниобий, тантал.
Вольфрам, ка» правило, используют в виде проволоки в качестве тел нагрева различного назначения; в вакуумных приборах, термическом оборудовании, насосах. При этом одно из наиболее важных для вакуумной техники свойств вольфрама — его взаимодействие с газами. При температуре 573... 773 К в присутствии кислорода образуется оксид вольфрама W401X, а при более высокой температуре — триоксид W03, который легко испаряется в вакууме.
Вольфрам имеет исключительно высокие временное сопротивление и модуль упругости; так, σ„ = 114 МПа при температуре 2200 К· Близок по
своим свойствам к вольфраму молибден. В отличне от вольфрама полуфабрикаты из молибдена приобретают пластичность после отжига, что позволяет обрабатывать их методом пластического деформирования н резаннем. Молибден хорошо сваривается в инертных газах, а также электронно-лучевым методом.
Применяют чистый беспрнсадочный молибден М4 н вакуумно-плавленый — М4ВП. Из молибдена получают полуфабрикаты в виде проволоки (ТУ 48-19-203—76), прутков (ТУ
48-19-247—77) и трубок. В вакуумной технике их используют для изготовления вакуумно-плотных спаев с алю- моснликатными стеклами.
Сплав вольфрама и молибдена ВАМ-5 поставляют в виде проволоки, главным образом для вакуумных приборов различных типов. Сплав молибден— цирконий—титан ЦМ-2А применяют для изготовления деталей, от которых требуется повышенная жаропрочность. Его поставляют в виде прутков диаметром 8 ... 60 мм, листов толщиной 0,3...20,0 мм и шириной 100... 400 мм, а также поковок диаметром 180 мм (ТУ 48-19-273—77).
Один из самых пластичных тугоплавких металлов — тантал. Его можно подвергать практически всем видам механической обработки в холодном состоянии и сваривать со всеми металлами, с которыми он образует сплавы (железом, никелем, цирконием, титаном, ниобием, вольфрамом). При этом применяют аргонодуговую, ультразвуковую и электронно-лучевую сварку.
При температуре 973 ... 1473 К тантал поглощает активные газы, а при температуре 1473 ... 1713 К — хорошо обезгажнвается.
Тантал ТВЧ н ТВЧ-1 получают методом вакуумной плавки, поставляют в виде листов толщиной 0,01 ... 10 мм и шириной 30 ... 150 мм (ТУ 95-311—75), проволоки диаметром 0,05 ... 3 мм (ТУ 95-353—75) и прутков диаметром 3...50 мм (ТУ 95-234—80). Технический тантал марки Т поставляют в виде прутков (ТУ 11 Су 0.021.041—74), ленты (ТУ 11 Су 0.021.016—77) и проволоки (ТУ 11 Су 0.021.032—77).
Цветные металлы и сплавы
Из Цветных металлов и сплавов в вакуумной технике наиболее широко применяют алюминиевые литейные сплавы АЛ2, АЛ5, АЛ9, а также сплавы алюминия с марганцем или магнием, широко используемые в качестве конструкционных материалов для изготовления вакуумных камер, корпусой вакуумной запорной арма- ’’УРы, вакуумных трубопроводов и др.
Сплавы, свойства которых приведе- НЬ1 в табл. 4.9, легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Для аргонодуговой сварки наиболее приемлемы сплавы АМц и АМгб.
В технике высокого и сверхвысокого вакуума широко прйменяют медь (МОб, Ml, МООб). Благодаря высокой теплопроводности медь широко используют в охлаждаемых устройствах; высокая пластичность медн позволяет изготовлять из нее’ уплотнители прогреваемых высоковакуумных разъемных соединений. Недостатки меди:
. склонность к водородной «болезни», приводящей к образованию мельчайших трещни и вызывающей хрупкость материала, и высокая активность по отношению к кислороду, особенно при повышенных температурах, что ухудшает свойства медных уплотнителей и ограничивает их повторное использование.
Несмотря на недостатки, такие характеристики меди, как высокая пластичность, нцзкая газопроницаемость, низкое давление пара (10~9 Па при Т — 773 К), соответствие по температурному коэффициенту линейного расширения коррозионно-стойкой стали (12Х18Н10Т), являются решающими прн выборе ее в качестве уплотняющего материала для сверхвысоковакуумных разъемных соединений, прогреваемых до 723 К.
Стекло представляет собой аморфный, обычно прозрачный материал., По химическому составу стекло является сплавом ряда оксидов. Основная составляющая стекла — диоксид кремния. Введение в состав свинца, цинка, магния, кальция и других веществ придает ему особые свойства.
Важнейшая характеристика стекла — температурный коэффициент' линейного расширения. В зависимости от его значения стекло подразделяют на тугоплавкое или твердое (а = 5,5Х X Ю~6 К-1) и легкоплавкое [а =
= (5,5... И) 10“6 К-1]·
Наиболее тугоплавким является кварцевое стекло, содержащее 98,8% Si02. Оно обладает высокими прочностными свойствами и прозрачностью для ультрафиолетовых лучей. Стекло активно сорбирует газы и поэтому обладает значительной способностью к газовыделению. В поверхностном слое стекла может быть сорбировано более 59 мономолекулярных слоев. При этом преимущественно сорбируются пары воды и незначительное количество диоксида углерода и азота.
При нагреве стекла в вакууме большая часть адсорбированных газов выделяется в течение первых 2 ... 3 мин; поверхностная десорбция газов завершается при нагреве до Т ~ 573 К. При Т > 773 К происходит интенсивное газовыделение из стекла главным образом паров воды, оксида и диоксида углерода и в незначительных количествах водорода.
Для формообразования стекла используют его термопластические свойства, определяемые характером зависимости вязкости стекла от температуры.
Основные физические свойства тех-, нического стекла по ОСТ 11 027.010—-75 приведены в табл. 4.10.
По многим свойствам стекло существенно уступает керамике. Большая часть свойств керамики незначительно зависит от температуры в интервале Ю73... 1273 К. Стабильность свойств керамических материалов обеспечивает длительную работоспособность выполненных из них изделий при Т = 1873 К- Высокая прочность керамики позволяет получать жесткие и механически прочные вакуумные соединения керамических деталей с различными металлами и сплавами ,медью, никелем, молибденом, вольфрамом, коваром и др.). Керамику используют в производстве изоляторов, металлокерамических узлов различного назначения, в энергетических герметичных вводах и др.
Основные свойства вакуумно-плотной керамики различных видов приведены в табл. 4.11. Газовыделение для керамики значительно меньше, чем для стекол. При обезгаживании керамики преимущественно выделяются небольшие объемы Н20, 02, СО, С02 и Н2, причем состав газа зависит от .предварительной поверхностной обработки. На газовыделение керамики наибольшее влияние оказывают процессы адсорбции и десорбции поглощенных из атмосферы газов.
Керамические материалы, содержащие Si02, интенсивно поглощают влагу, причем интенсивность поглощения тем больше, чем больше пористость и шероховатость поверхности. С увеличением содержания Si02 вакуумные свойства керамики ухудшаются — повышается ее склонность к сорбции газов.
В производстве вакуумной аппаратуры все шире применяют стеклокристаллические материалы — ситаллы и цементы. Ситаллы получают на основе неорганических стекол полной или частичной кристаллизацией. По структуре ситаллы занимают промежу-точное положение между стеклом и керамикой.
Ситаллы изготовляют плавлением стекольной шихты специального состава с добавкой катализаторов, охлаждением расплава до пластичного состояния и формованием из него изделий методами, применяемыми при изготовлении стекла. В состав стекла, применяемого для получения ситаллов-, входят оксиды LiOa, А1203, SiOa, %0, СаО и др. В качестве катализаторов используют золото, серебро и медь.
В отлнчие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для ситаллов решающее значение имеют структура
и состав. Ценные свойства ситаллов обусловлены их исключительной мелкозернистостью, почти идеальной поликристаллической структурой. Ситаллы обладают изотропией всех свойств, а также высокой вакуумной плотностью.
В вакуумной технике наиболее распространены ситаллы СТ 32-1; СТ 38-1; СТ 50-1, свойства которых приведены в табл. 4.12. Ситаллы имеют высокую химическую стойкость к кислотам и щелочам даже при высоких температурах. Из ситаллов изготовляют вакуумно-плотные оболочки, трубы, детали радиоэлектронной аппаратуры.
Стеклокристаллические материалы используют для получения цементов. Их разделяют на низкотемпературные (температуры .кристаллизации и склеивания ниже 823 К) и высокотемпературные (указанные температуры выше 823 К).
Пластмассы
Пластмассы — искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В качестве связующих для пластмасс чаще всего используют синтетические смолы, реже — эфиры и целлюлозы. Многие пластмассы (например, полиэтилен, органические стекла) состоят из одного связующего вещества. Другой важный компонент пластмасс — наполнитель. Свойства пластмасс определяются свойствами компонентов и их количественным соотношением.
По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют' на термопласты и термореактопласты (на основе синтетических смол).
Термопласты применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков и др. Изделия, выполненные из таких материалов, имеют ограниченную рабочую температуру. В вакуумной технике используют термопласты типа полиэтилена, политетрафторэтилена (ПТФЭ), органического стекла, полиуретанов. Из полиэтилена изготовляют шланги и трубы для вакуумных трубопроводов, из полиуретана — герметичные деформируемые камеры, например, в безмасляных вакуумных насосах, ПТФЭ используют в качестве уплотнителей в разъемных и подвижных соединениях, а также в качестве изоляторов.
В вакуумной технике наиболее широко применяют фторопласт-4 (ПТФЭ), обладающий исключительной химической стойкостью по отношению к химически активным реагентам. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и отличается сравнительно высокой термостабильностью. При температуре до 523 К его механические свойства почти не меняются; при этой температуре его можно длительно эксплуатировать, ПТФЭ негигроскопичен и практически не смачивается водой. ПТФЭ — один нз лучших диэлектриков (особенно в полях высоких и сверхвысоких частбт). Его диэлектрические свойства мало изменяются в широком диапазоне температур. ПТФЭ имеет очень низкий коэффициент трения по стали (/ = 0,04), который не зависит от температуры в диапазоне, рекомендуемом для эксплуатации (до 523 К). Недостатки ПТФЭ — хладоте- кучесть под нагрузкой и выделение токсичного фтора при высокой температуре.
Газонаполненные пластмассы (пенопласта) широко используют в качестве теплоизолирующих прокладок в криогенных системах и-установках. Для большей части пенопластов нижний предел рабочей температуры 213 К, верхний 333 ... 573 К.
Клеи
В вакуумной технике клеи различного типа широко применяют в качестве вспомогательных материалов, а также для получения непрогревае- мых вакуумно-плотных соединений.
Для склеивания резин холодным способом, приклеивания резины к металлу, стеклу и другим конструкционным материалам широко используют клей 88-Н (ТУ 38-1051061—82). Недостаток клея 88-Н — нестойкость к бензину, минеральным маслам. Кремний — органический клей КТ-30 (ТУ 6-02-760—78) применяют для склеивания вулканизированных резни на основе силиконового каучука и соединения их с металлом, а также для склеивания керамических и стеклянных деталей с металлом. Рабочая температура соединения от 213 до 573 К. Клей ВК-2 (ТУ 6-05-1214-76) предназначен для склеивания различных сталей, сплавов титана, а также приклеивания к этим металлам неметаллических теплостойких материалов, работающих при Т = 673 К в течение 250 ч и при Т = 1273 К — в течение 5 мии. Этот клей используют также для получения уплотнительного материала, работающего при температуре до 623 К. При Т = 293 К предел прочности прн сдвиге не менее 8 МПа, при Т = 673 К — не менее 3,5 МПа.
Для склеивания сталей различных марок, сплавов титана, магния, алюминия и химически обработанного ПТФЭ рекомендуется клей К-300-61.
Клей МПФ-1 (ТУ 6-05-1865—78) предназначен для склеивания металлов между собой и с неметаллическими материалами. Рабочая температура соединения 213... 333 К.
Легкоплавкие металлы
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в вакуумной технике в качестве припоев и уплотнителей для разъемных соединений. В соответствии с этим к их вакуумным и механическим характеристикам предъявляют особые требования. К легкоплавким металлам, удовлетворяющим эти требования, относятся галлий, висмут, индий, кадмий, олово, свинец, таллий и цинк. Из большого числа требований, предъявляемых к металлам-уплотнителям, основным является требование недопустимости нарушения
состава -остаточной газовой среды н Загрязнения вакуумных объемов.
Из анализа физических свойств металлов (табл. 4.15) следует, что для сверхвысоковакуумиых систем по совокупности свойств в качестве металла-уплотнителя с обеспечением герметизации в жидкой фазе можно использовать галлий, индий и олово.
Для исключения влияния вредных примесей желательно иснользовать металлы высокой чистоты такие как олово Х)ВЧ ООО, в котором содержание сурьмы и цинка ие превышает ЗХ
X 10_6 % согласно техническим условиям (ГОСТ 860—75). Металл-уплотнитель также должен быть свободен^ от загрязнений. В связи с этим при пайке или облуживании деталей, работающих в вакууме, применение флюсов ие рекомендуется. Индий и галлий не образуют с металлами непрерывный твердых растворов.
Большой растворимостью в индии! в твердом состоянии отличаются все металлы, окружающие его в периодической системе: галлий, таллий, олово, свинец, висмут, кадмий, ртуть, в
меньшей степени цник. Индий легко растворяется в твердом состоянии в металлах группы меди, а также в никеле, марганце, палладии, титане, олове, свинце и таллии.
Следует отметить, что чистый галлий прн высоких температурах обладает высокой химической активностью по отношению к большей части металлов, что делает его непригодным для использования в качестве металла- уплотнителя.
Наряду с чистыми металлами в качестве легкоплавких металлов-уплотнителей широко применяют многокомпонентные соединения. Это, как правило, мягкие припои с температурой плавления ниже 673 К, компонентами которых являются такие металлы, как галлий, индий, медь, олово, серебро.
Сплавы, используемые в качестве уплотнительного материала, должны быть эвтектическими во избежание разделительной диффузии прн кристаллизации, существенно изменяющей линейную усадку, усадочные напряжения·, прочностные характеристики.
В качестве металла-уплотнителя можно использовать эвтектические сплавы индий—олово, свинец—олово, серебро—свинец, галлий—индий. Из них наиболее широко применяют припои системы олово—индий, обладающие достаточными прочностью и коррозионной стойкостью. Этот сплав с 48,7% олова образует эвтектику с температурой плавления 390 К; его можно успешно применять для получения уплотнений, основанных на адгезионном взаимодействии с твердой уплотняемой поверхностью.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова и ООО «ВАКТРОН» приглашают сотрудников предприятий принять участие в курсе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники».