Матеріали вакуумних систем
Матеріали, використовувані в вакуумній техніці, в залежності від призначення підрозділяють на три групи: конструкційні, спеціальні та технологічні.
До конструкційних відносяться матеріали, що використовуються для виготовлення вакуумних систем і елементів, включаючи кошти отримання вакууму. ' Для цієї мети Широке використовують Чугуїв, вуглецеві сталі, леговані стали і сплави, жароміцні, жаростійкі і корозійно-стійкі сталі і сплави, титан і його сплави, кольорові метали і сплави, скло, кераміку і ситалли.
• Елементи конструкцій, що використовуються в якості тел нагріву, ущільнення і ізолятори виготовляють зі спеціальних матеріалів: вакуумної гуми, фторопласту, графіту, тугоплавких металів.
Легкоплавкие метали і сплави використовують в якості припоїв і ущільнювачів рухомих і роз'ємних з'єднань фланцевого і клапанного типів, високовакуумних і сверхвисоковакуумних елементів і систем.
Широке застосування скла і кераміки в якості конструкційних матеріалів пояснюється їх здатністю до формоутворення, хорошими електроізоляційними (Властивості; низьку газопроникність, хімічну стійкість. Зі скла виготовляють вакуумні трубопроводи, оглядові вікна, оболонки робочих вакуумних камер та ін., з кераміки - ізолятори, електричні вакуумні вводи. Останнім часом з кераміки виконують деталі ущільнюючих клапанних пар, направляючі координатні столи та ін.
Великого поширення, особливо в техніці низького вакууму, отримала вакуумна гума . Відмінні пружні властивості вакуумної гуми зробили її · незамінним матеріалом для вакуумних ущільнювачів. Її використовують також в якості мембран і гнучких перегородок вводів руху в вакуум.
Гумові вакуумні шланги застосовують як вакуумпр оводів форвакуумних систем.
З фторопласта виготовляють мембрани, сильфони, підшипники ковзання, що направляють ущільнювачі в роз'ємних та рухомих з'єднаннях.
Вакуумні лаки застосовують головним чином для устраіеіія течі в рідко розбираються нешліфованих з'єднаннях; вакуумні мастильні матеріали використовують в якості в'язких ущільнювачів для кранів і шліфованих з'єднань. Вакуумні замазки застосовують для ущільнення нешліфованих з'єднань.
Останнім часом для вакуумного ущільнення широко використовують гер- 'МЕТИК, в нероз'ємних вакуумних з'єднаннях - вакуумні цементи та клеї. Загальна вимога до матеріалів цієї групи - низький тиск пари при нормальній температурі, мала усадка при охолодженні або випаровуванні сполучного речовини.
Додаткові вимоги до конструкційних і спеціальним матеріалам, які працюють в умовах підвищених температур: малі тиск насиченої пари і ступінь дисоціації при робочих температурах, відсутність хімічних реакцій, що протікають з утворенням газоподібних продуктів або евтектики, мала адсорбційна здатність по відношенню до газів і парам.
До технологічних належать матеріали, що використовуються при випробуванні, ремонті та експлуатації вакуумних систем: лаки, клеї, герметики, замазки, мастильні матеріали, матеріали для очищення вакуумних апаратів і ін.
Вимоги до всіх матеріалів визначаються функціональним призначенням елемента або вузла, в яких вони застосовані.
У вакуумній техніці чавун використовують головним чином для виготовлення литих корпусних деталей, що працюють при низькому і середньому вакуумі. Ці деталі повинні мати достатню вакуумну щільність, тому нх виготовляють литтям під тиском.
Малоіагружеіние корпусні деталі відливають нз чавунів СЧ15 і СЧ18, навантажені деталі - з чавунів СЧ20, СЧ25 і СЧЗО. З чавуну СЧ35 відливають складні деталі підвищеної щільності. Деталі пар тертя виготовляють з антифрикційних чавунів; деталі, що працюють в парі з загартованими або нормалізованими сталевими валами, - з чавунів АЧС-1 і АЧС-2; деталі, що працюють в парі з термічно t не оброблені валами, - з чавуну АЧС-3.
Високоміцні чавуни ВЧ 45; ВЧ 50 і В Ч 60 за механічними властивостями не поступаються литий вуглецевої сталі - мають хороші ливарні властивості, різанням, високу зносостійкість, здатні гасити вібрації. З, виливків високоміцного чавуну виготовляють корпусу іасосов, вентилів, перехідників і ін.
Т Абліцов 4.1
чавун
° в-
МПа
σΗ,
МПа
НВ
СЧ15
147
314
163
... 229
СЧ18
176
358
170
... 229
СЧ20
196
392
170
... 241
СЧ25
245
451.
180
... 250
СЧЗО
294
490
181
... 255
СЧ35
343
539
197
... 269
Примітка. Тут і далі: ав - тимчасовий опір; σ "- межа міцності при вигині НВ,, твердість по Брінеллю.
Таблиця 4.2
Чутун
σΒ ·
МПа
στ,
МПа
в,
%
НВ
ВЧ 45
441
333
160 ...
220
ВЧ 50
490
343
1,5
180 ...
260
ВЧ 60
588
393
2,0
200 ...
280
Примітка. Тут і далі: στ · - межа плинності; δ - отіосі-. тельное подовження.
Леговані стали після термічної обробки мають кращі механічні властивості, ніж вуглецеві сталі. Основні легуючі елемеі- ти ί- хром, нікель, кремній і марганець. Вольфрам, молібден, ванадій, титан, бор та інші легуючі елементи вводять в сталь в поєднанні з хромом, нікелем і марганцем. З легованих сталей виготовляють різні вироби: від великогабаритних корпусних до малогабаритних складної форми.
Леговані конструкційні стали маркують цифрами та літерами, наприклад 15Х, 40ХФА, 12ХНЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 10Х14АГ15. Перші дві цифри відповідають середньому змісту вуглецю в сотих частках відсотка. Букви праворуч від цифри позначають легуючий елемент (В - вольфрам; Г - марганець, Д - мідь; Е - селен; К - кобальт, М - нікель; М - молібден; П - фосфор; Р - бор; С - кремній; Т - титан, Ф - ванадій; X - хром; Ц - цирконій; Ч - рідкоземельні метал; Ю - алюміній). Буква А в середині позначення вказує наявність азоту, спеціально введеного в сталь. Цифри, після букв приблизно відповідають змісту відповідного легуючого елемента в цілих одиницях; відсутність цифри означає, що в стали міститься до 1,5% цього елемента. Для позначення високоякісних легованих сталей в кінці марки додають букву А, для позначення особовисококачеетвеіной стали - букву Ш (через дефіс).
Жароміцні сталі і сплави здатні працювати при високому навантаженні і температурі вище 773 К. Підвищення температури впливає на механічні властивості (зменшує модуль пружності, межі плинності і міцності).
Навантаження деталей протягом тривалого часу при підвищеній температурі викликає явище повзучості. Опір металу повзучості і руйнування в області високих температур при тривалій дії навантаження називають жароміцністю. Найчастіше жаропрочность характеризують умовним межею повзучості і межею тривалої міцності. Умовний межа повзучості - напруга, яке викликає за встановлений час випробування при даній температурі задане подовження зразка або задану ско-. рость повзучості! Приклад позначення границі повзучості відповідно до ГОСТ 3248-81: о70 ° ^ т- межа повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 100 ч випробування при температурі 973 К Робочі температури сучасних жароміцних сталей і сплавів складають (0,45 .. . 0,8) ГПЛ (де ГПЛ - температура плавлення).
Для роботи при температурі до 1223 К використовують жароміцні сплави на основі заліза, нікелю, кобальту, при температурі до 1773 К - сплави на основі молібдену і.другіх тугоплавких металів.
Стали, що містять більше 12% хрому, відносяться до корозійно-стійким. Застосовують хромисті корозійно стійкі стали трьох типів - з вмістом хрому 13, 17 і 27%. У стали, містять 17 ... 18 і 25 ... 28% хрому, іноді вводять невеликі добавки титану і нікелю. Хромисті стали широко використовують у вакуумній техніці.
Температури термічної обробки і механічні властивості хромистих корозійностійких сталей наведені в табл. 4.6.
Введення 8 ... 15% Νί в сталь, що містить 18% Сг, переводить її в аустеіітіое стан у Всім діапазоні температур. Це забезпечує кращі механічні властивості, меншу схильність до зростання зеріа, підвищує корозійну стійкість, знижує хладноломкость.
Корозійно-стійкі сталі, що містять 18% Сг і 10% Ni, отримали в даний час великого поширення.
До тугоплавким відносяться метали з температурою плавлення, що перевищує 1973 К.
У вакуумній техніці в якості конструкційних матеріалів застосовують вольфрам, молібден і їх сплави, ніобій, тантал.
Вольфрам, ка »правило, використовують у вигляді дроту в якості тел нагріву різного призначення; в вакуумних приладах, термічному обладнанні, насосах. При цьому одне з найбільш важливих для вакуумної техніки властивостей вольфраму - його взаємодія з газами. При температурі 573 ... 773 К в присутності кисню утворюється оксид вольфраму W401X, а при більш високій температурі - триоксид W03, який легко випаровується у вакуумі.
Вольфрам має виключно високі тимчасовий опір і модуль пружності; так, σ "= 114 МПа при температурі 2200 К · Близький за
своїми властивостями до вольфраму молібден. У відмінному від вольфраму напівфабрикати з молібдену набувають пластичність після відпалу, що дозволяє обробляти їх методом пластичного деформування н різати. Молібден добре зварюється в інертних газах, а також електронно-променевим методом.
Застосовують чистий беспрнсадочний молібден М4 н вакуумно-плавлений - М4ВП. З молібдену отримують напівфабрикати у вигляді дроту (ТУ 48-19-203-76), прутків (ТУ
48-19-247-77) і трубок. У вакуумній техніці їх використовують для виготовлення вакуумно-щільних спаев з алю- моснлікатнимі стеклами.
Сплав вольфраму і молібдену ВАМ-5 поставляють у вигляді дроту, головним чином для вакуумних приладів різних типів. Сплав молібден- цирконій-титан ЦМ-2А застосовують для виготовлення деталей, від яких потрібна підвищена жароміцність. Його постачають у вигляді прутків діаметром 8 ... 60 мм, листів товщиною 0,3 ... 20,0 мм і шириною 100 ... 400 мм, а також поковок діаметром 180 мм (ТУ 48-19-273-77) .
Один з найбільш пластичних тугоплавких металів - тантал. Його можна піддавати практично всім видам механічної обробки в холодному стані і зварювати з усіма металами, з якими він утворює сплави (залізом, нікелем, цирконієм, титаном, ніобієм, вольфрамом). При цьому застосовують аргонодугове, ультразвукову та електронно-променеву зварювання.
При температурі 973 ... 1473 К тантал поглинає активні гази, а при температурі 1473 ... 1713 К - добре обезгажнвается.
Тантал ТВЧ н ТВЧ-1 отримують методом вакуумної плавки, поставляють у вигляді листів товщиною 0,01 ... 10 мм і шириною 30 ... 150 мм (ТУ 95-311-75), дроту діаметром 0,05 ... 3 мм (ТУ 95-353-75) і прутків діаметром 3 ... 50 мм (ТУ 95-234-80). Технічний тантал марки Т поставляють у вигляді прутків (ТУ 11 Су 0.021.041-74), стрічки (ТУ 11 Су 0.021.016-77) і дроту (ТУ 11 Су 0.021.032-77).
Кольорові метали та сплави
З Кольорових металів і сплавів у вакуумній техніці найбільш широко застосовують алюмінієві ливарні сплави АЛ2, АЛ5, АЛ9, а також сплави алюмінію з марганцем або магнієм, широко використовувані в якості конструкційних матеріалів для виготовлення вакуумних камер , Корпус вакуумної запірної арма- '' Урів, вакуумних трубопроводів та ін.
Сплави, властивості яких пріведе- НЬ1 в табл. 4.9, легко обробляються тиском, добре зварюються і мають високу корозійну стійкість. Для аргонодугового зварювання найбільш прийнятні сплави АМц і АМгб.
У техніці високого і надвисокого вакууму широко прйменяют мідь (моб, Ml, МООб). Завдяки високій теплопровідності мідь широко використовують в охолоджуваних пристроях; висока пластичність медн дозволяє виготовляти з неї 'ущільнювачі прогріваються високовакуумних рознімних з'єднань. Недоліки міді:
. схильність до водневої «хвороби», що приводить до утворення дрібних трещні і викликає крихкість матеріалу, і висока активність по відношенню до кисню, особливо при підвищених температурах, що погіршує властивості мідних ущільнювачів і обмежує їх повторне використання.
Незважаючи на недоліки, такі характеристики міді, як висока пластичність, нцзкая газопроникність, низький тиск пари (10 ~ 9 Па при Т - 773 К), відповідність по температурному коефіцієнту лінійного розширення корозійностійкої сталі (12Х18Н10Т), є вирішальними прн виборі її в як ущільнювальний матеріалу для сверхвисоковакуумних рознімних з'єднань, прогріваються до 723 К.
Скло являє собою аморфний, звичайно прозорий матеріал., За хімічним складом скло є сплавом ряду оксидів. Основна складова скла - діоксид кремнію. Введення до складу свинцю, цинку, магнію, кальцію та інших речовин надає йому особливі властивості.
Найважливіша характеристика скла - температурний коефіцієнт 'лінійного розширення. Залежно від його значення скло поділяють на тугоплавкое або тверде (а = 5,5х X Ю ~ 6 К-1) і легкоплавкое [а =
= (5,5 ... І) 10 "6 К-1] ·
Найбільш тугоплавким є кварцове скло, що містить 98,8% Si02. Воно володіє високими властивостями міцності і прозорістю для ультрафіолетових променів. Скло активно сорбує гази і тому має значну здатністю до газовиділення. У поверхневому шарі скла може бути сорбированная понад 59 мономолекулярних шарів. При цьому переважно сорбируются пари води і незначна кількість діоксиду вуглецю і азоту.
При нагріванні скла в вакуумі більша частина адсорбованих газів виділяється протягом перших 2 ... 3 хв; поверхнева десорбція газів завершується при нагріванні до Т ~ 573 К. При Т> 773 К відбувається інтенсивне газовиділення зі скла головним чином парів води, оксиду і діоксиду вуглецю і в незначних кількостях водню.
Для формоутворення скла використовують його термопластичні властивості, які визначаються характером залежності в'язкості скла від температури.
Основні фізичні властивості тех, нического скла по ОСТ 11 027.010--75 наведені в табл. 4.10.
За багатьма властивостями скло істотно поступається кераміці. Велика частина властивостей кераміки незначно залежить від температури в інтервалі Ю73 ... 1 273 К. Стабільність властивостей керамічних матеріалів забезпечує тривалу працездатність виконаних з них виробів при Т = +1873 К Висока міцність кераміки дозволяє отримувати жорсткі і механічно міцні вакуумні з'єднання керамічних деталей з різними металами і сплавами, міддю, нікелем, молібденом, вольфрамом, підступний і ін.). Кераміку використовують у виробництві ізоляторів, металокерамічних вузлів різного призначення, в енергетичних герметичних вводах і ін.
Основні властивості вакуумно-щільної кераміки різних видів наведені в табл. 4.11. Газовиділення для кераміки значно менше, ніж для стекол. При знегажування кераміки переважно виділяються невеликі обсяги Н20, 02, СО, С02 і Н2, причому склад газу залежить від .предварітельной поверхневої обробки. На газовиділення кераміки найбільший вплив надають процеси адсорбції і десорбції поглинених з атмосфери газів.
Керамічні матеріали, що містять Si02, інтенсивно поглинають вологу, причому інтенсивність поглинання тим більше, чим більше пористість і шорсткість поверхні. Зі збільшенням вмісту Si02 вакуумні властивості кераміки погіршуються - підвищується її схильність до сорбції газів.
У виробництві вакуумної апаратури все ширше застосовують стеклокристаллические матеріали - ситалли і цементи. Ситалли отримують на основі неорганічних стекол повної або часткової кристалізацією. За структурою ситалли займають переможе-точне положення між склом і керамікою.
Ситалли виготовляють плавленням скляної шихти спеціального складу з добавкою каталізаторів, охолодженням розплаву до пластичного стану і формуванням з нього виробів методами, застосовуваними при виготовленні скла. До складу скла, застосовуваного для отримання сіталлов-, входять оксиди LiOa, А1203, SiOa,% 0, СаО і ін. Використовують як каталізатори золото, срібло і мідь.
У отлнчіе від звичайного скла, властивості якого визначаються в основному його хімічним складом, для ситаллов вирішальне значення мають структура
і склад. Цінні властивості ситалів обумовлені їх виключної дрібнозернистістю, майже ідеальною полікристалічної структурою. Ситалли мають изотропией всіх властивостей, а також високою вакуумної щільністю.
У вакуумній техніці найбільш поширені ситалли СТ 32-1; СТ 38-1; СТ 50-1, властивості яких наведені в табл. 4.12. Ситалли мають високу хімічну стійкість до кислот і лугів навіть при високих температурах. З ситаллов виготовляють вакуумно-щільні оболонки, труби, деталі радіоелектронної апаратури.
Стеклокристаллические матеріали використовують для отримання цементів. Їх поділяють на низькотемпературні (температури .крісталлізаціі і склеювання нижче 823 К) і високотемпературні (зазначені температури вище 823 К).
пластмаси
Пластмаси - штучні матеріали, одержувані на основе органічніх полімерних зв'язуючих Речовини. В якості сполучніх для пластмас найчастіше Використовують Синтетичні смоли, рідше - ефірі и целюлози. Багато пластмаси (наприклад, поліетилен, органічні скла) складаються з одного сполучного речовини. Інший важливий компонент пластмас - наповнювач. Властивості пластмас визначаються властивостями компонентів та їх кількісним співвідношенням.
За характером сполучного речовини пластмаси підрозділяють 'на термопласти і термореактопласти (на основі синтетичних смол).
Термопласти застосовують в якості прозорих органічних стекол, високо- і низькочастотних діелектриків та ін. Вироби, виконані з таких матеріалів, мають обмежену робочу температуру. У вакуумній техніці використовують термопласти типу поліетилену, політетрафторетилену (ПТФЕ), органічного скла, поліуретанів. З поліетилену виготовляють шланги і труби для вакуумних трубопроводів, з поліуретану - герметичні деформуються камери, наприклад, в безмасляних вакуумних насосах, ПТФЕ використовують в якості ущільнювачів в роз'ємних та рухливих з'єднаннях, а також в якості ізоляторів.
У вакуумній техніці найбільш широко застосовують фторопласт-4 (ПТФЕ), що володіє винятковою хімічною стійкістю по відношенню до хімічно активних реагентів. Практично він руйнується тільки під дією розплавлених лужних металів і відрізняється порівняно високою термостабильностью. При температурі до 523 К його механічні властивості майже не змінюються; при цій температурі його можна довго експлуатувати, ПТФЕ негигроскопичен і практично не змочується водою. ПТФЕ - один нз кращих діелектриків (особливо в полях високих і надвисоких частбт). Його діелектричні властивості мало змінюються в широкому діапазоні температур. ПТФЕ має дуже низький коефіцієнт тертя по сталі (/ = 0,04), який не залежить від температури в діапазоні, рекомендованому для експлуатації (до 523 К). Недоліки ПТФЕ - хладоте- кучесть під навантаженням і виділення токсичного фтору при високій температурі.
Газонаповнені пластмаси (пінопласту) широко використовують в якості теплоізолюючих прокладок в кріогенних системах і-установках. Для більшої частини пінопластів нижня межа робочої температури 213 К, верхній 333 ... 573 К.
Клеї
У вакуумній техніці клеї різного типу широко застосовують в якості допоміжних матеріалів, а також для отримання непрогревае- мих вакуумно-щільних з'єднань.
Для склеювання гум холодним способом, приклеювання гуми до металу, скла й інших конструкційних матеріалів широко використовують клей 88-Н (ТУ 38-1051061-82). Недолік клею 88-Н - нестійкість до бензину, мінеральних масел. Кремній - органічний клей КТ-30 (ТУ 6-02-760-78) застосовують для склеювання вулканізованих різанини на основі силіконового каучуку і з'єднання їх з металом, а також для склеювання керамічних і скляних деталей з металом. Робоча температура з'єднання від 213 до 573 К. Клей ВК-2 (ТУ 6-05-1214-76) призначений для склеювання різних сталей, сплавів титану, а також приклеювання до цих металів неметалічних теплостійких матеріалів, які працюють при Т = 673 К протягом 250 ч і при Т = 1273 К - протягом 5 мии. Цей клей використовують також для отримання ущільнювального матеріалу, що працює при температурі до 623 К. При Т = 293 К межа міцності прн зсуві не менше 8 МПа, при Т = 673 К - не менше 3,5 МПа.
Для склеювання сталей різних марок, сплавів титану, магнію, алюмінію і хімічно обробленого ПТФЕ рекомендується клей К-300-61.
Клей МПФ-1 (ТУ 6-05-1865-78) призначений для склеювання металів між собою і з неметалевими матеріалами. Робоча температура з'єднання 213 ... 333 К.
легкоплавкие метали
Легкоплавкие метали і сплави використовують у вакуумній техніці як припоїв і ущільнювачів для рознімних з'єднань. Відповідно до цього до їх вакуумним і механічним характеристикам пред'являють особливі вимоги. До легкоплавким металам, що задовольняє ці вимоги, відносяться галій, вісмут, індій, кадмій, олово, свинець, талій і цинк. З великого числа вимог, що пред'являються до металів-ущільнювачів, основним є вимога неприпустимість порушення
складу -остаточной газового середовища н Забруднення вакуумних обсягів.
З аналізу фізичних властивостей металів (табл. 4.15) випливає, що для сверхвисоковакууміих систем по сукупності властивостей в якості металу-ущільнювача із забезпеченням герметизації в рідкій фазі можна використовувати галій, індій і олово.
Для виключення впливу шкідливих домішок бажано існользовать метали високої чистоти такі як олово Х) ВЧ ТОВ, в якому вміст сурми і цинку ие перевищує зх
X 10_6% згідно з технічними умовами (ГОСТ 860-75). Метал-ущільнювач також повинен бути вільний ^ від забруднень. У зв'язку з цим при пайку або облуживании деталей, що працюють в вакуумі, застосування флюсів ие рекомендується. Індій і галій не утворюють з металами безперервний твердих розчинів.
Великий розчинність в індії! в твердому стані відрізняються всі метали, що оточують його в періодичній системі: галій, талій, олово, свинець, вісмут, кадмій, ртуть, в
меншому ступені цнік. Індій легко розчиняється в твердому стані в металах групи міді, а також в нікелі, марганцю, паладії, титані, олово, свинець і талії.
Слід зазначити, що чистий галій прн високих температурах має високу хімічну активність по відношенню до більшої частини металів, що робить його непридатним для використання в якості металу-ущільнювача.
Поряд з чистими металами в якості легкоплавких металів-ущільнювачів широко застосовують багатокомпонентні сполуки. Це, як правило, м'які припої з температурою плавлення нижче 673 К, компонентами яких є такі метали, як галій, індій, мідь, олово, срібло.
Сплави, що використовуються як ущільнювальний матеріал, повинні бути евтектичними щоб уникнути розділової дифузії прн кристалізації, істотно змінює лінійну усадку, усадочні напруги ·, характеристики.
Як метал-ущільнювача можна використовувати евтектичних сплави індій-олово, свинець-олово, срібло-свинець, галій-індій. З них найбільш широко застосовують припої системи олово-індій, що володіють достатніми міцністю і корозійну стійкість. Цей сплав з 48,7% олова утворює евтектику з температурою плавлення 390 К; його можна успішно застосовувати для отримання ущільнень, заснованих на адгезійну взаємодію з твердої ущільнюваної поверхнею.
