Конструкционные вакуумные материалы

Конструкционные вакуумные материалы

Конструкция вакуумных систем во многом определяется свойствами используемых материалов.

В дополнение к обычным требованиям — прочности, технологичности, легкости и тому подобному — вакуумная техника выдвигает к конструкционным материалам ряд специфических требований.

• 1) Давление насыщенного пара материала при рабочей температуре должно быть значительно ниже рабочего давления.

Если давление насыщенного пара материалов при рабочей температуре больше или равно рабочему давлению, то это приводит к интенсивному распылению указанного материала и нежелательному образованию напыленных слоев на поверхностях различных деталей, например изоляторах электрических вводов и т. д. Если латунь разогревать в высоком вакууме до температуры 500° С, то входящий в ее состав цинк испаряется и образуется пористый газопроницаемый материал.

• 2) Газовыделение материала при рабочем давлении и температуре должно быть минимальным.

Газовыделение материалов при рабочем давлении и температуре определяется наличием в объеме материала растворенных газов, а на поверхности — адсорбированных. Для удаления газов, растворенных в металлах, применяют их переплав под вакуумом. Поверхности вакуумных материалов должны быть тщательно очищены от загрязнений, являющихся дополнительным источником газовыделения.

Для улучшения условий очистки внутренние поверхности элементов вакуумных систем желательно обрабатывать до средней высоты микронеровностей 5-10 мкм для высоковакуумных и 0,5-1 мкм для сверхвысоковакуумных систем. Газовыделение конструкционных вакуумных материалов зависит от способа предварительной обработки. Эффективным способом уменьшения газовыделения является высокотемпературное вакуумное обезгаживание, уменьшающее концентрацию газов, растворенных в объеме материала. Уменьшения газовыделения водорода из нержавеющей стали можно добиться созданием оксидных пленок или нанесением покрытия из алюминия, серебра, меди и т. д. Наличие поверхностной пленки затрудняет переход растворенных атомов из кристаллической решетки на поверхность, что при неизменной концентрации растворенных газов значительно снижает газовыделение.

• 3) Газопроницаемость материала в рабочих условиях должна быть минимальной.

Газопроницаемость материала в рабочих условиях свойственна многим материалам, но в некоторых случаях она особенно велика. Так серебро пропускает кислород; железо, никель, платина, палладий — водород; стекло — гелий и водород; резина — гелий.

• 4) Вакуумная герметичность при малых толщинах.

Вакуумные материалы при малых толщинах должны быть герметичны. Литые материалы чаще всего не удовлетворяют этим требованиям, так как обладают пористой структурой. Наилучшей вакуумной плотностью обладают металлы, подвергнутые вакуумному переплаву.

• 5) Коррозионная стойкость.

Коррозионная стойкость необходима вакуумным материалам в связи с тем, что коррозия увеличивает газовыделение материалов, уменьшает прочность тонкостенных деталей, сопровождается появлением натеканий. Требования к коррозионной стойкости материалов особенно велики при создании сверхвысоковакуумных установок, которые должны регулярно прогреваться при температуре 400-500 °С. Медь, например, при такой температуре в воздушной среде настолько быстро корродирует, что ее нельзя применять в качестве материала для изготовления часто прогреваемых деталей, соприкасающихся с атмосферой.

• 6) Отсутствие ползучести вплоть до температур 500-600°С.

Нагруженные детали прогреваемых вакуумных установок не должны обладать заметной ползучестью вплоть до максимальных рабочих температур 500-600°С. Ползучесть материалов, из которых изготовлены детали разборных фланцевых соединений, приводит к их разгерметизации после определенного числа циклов прогрева вакуумных установок.

• 7) Немагнитность.

Немагнитность является специфическим требованием отдельных деталей вакуумных систем, через которые осуществляется ввод магнитного потока в вакуумную камеру. Такие детали обязательно имеются в конструкциях магнитных вводов движения в вакуум, магниторазрядных насосах и манометрических преобразователях.

Вакуумные материалы

В вакуумной технике широко применяются такие конструкционные материалы, как чугун, сталь, медь, тугоплавкие металлы, специальные сплавы, стекло, керамика, пластмассы, резина, масла, замазки, клей.

Чугун применяется для изготовления корпусных деталей, работающих в масле в условиях низкого вакуума. Применяются особо плотные, мелкозернистые чугуны.

Конструкционная качественная малоуглеродистая сталь хорошо паяется и сваривается и может применяться для изготовления непрогре-ваемых деталей вакуумных систем при получении низкого и среднего вакуума. Сталь 45 сваривается значительно хуже и не рекомендуется для сварных вакуумных соединений, но может быть использована для изготовления непрогреваемых резьбовых деталей, валов и других нагруженных деталей. Для деталей прогреваемых высоковакуумных систем рекомендуются нержавеющие стали с содержанием хрома более 13%, не подверженные межкристаллической коррозии при повышенных температурах.

В вакуумной технике широко применяется нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, кислотостойкая, немагнитная, хорошо сваривается и паяется со специальными флюсами. Нержавеющие стали в нагартованном состоянии прочнее стали 12Х18Н10Т и могут применяться для изготовления сильно нагруженных деталей — болтов, шпилек и т. д.

Медь широко применяется в вакуумной технике для изготовления прокладок, внутренней арматуры и корпусов отпаянных приборов. Рекомендуется применять марки наиболее чистой меди МБ (бескислородной). Присутствие кислорода в меди особенно вредно для сварки меди и пайки или отжига в водороде. Сварные швы получаются пористыми.

Латуни Л62 (62% Си и 38% Zn) и ЛС59-1 (59% Си, 1% РЬ, 40% Zn) применяются для изготовления деталей, не подвергающихся прогреву.

Алюминий марок АД1М, АМц применяется для изготовления прокладок, паропроводов масляных насосов, криогенных экранов и т. д. Алюминий хорошо сваривается гелиево-дуговой сваркой, давая вакуумно-плотные спаи.

Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, тантал, ниобий применяются для изготовления нагревателей, тепловых экранов, токовво-дов и т. д. Из титана изготавливаются катоды магниторазрядных насосов.

Стекло марок С-47, С-87 широко применяется в вакуумной технике для изготовления трубопроводов, кранов, ловушек, корпусов приборов, насосов, манометров, изоляторов электрических вводов и т. д.

В вакуумной технике керамика применяется вместо стекла для изготовления высокотемпературных изоляторов. Распространены следующие виды вакуумно-плотной керамики: стеатит, алундовая, форстерит, циркон.

Наиболее термостойкой является алундовая керамика, (70-96 % А1₂ О₃) с температурой размягчения 1900° С. Алундовая керамика хорошо паяется методом металлизации или активных припоев.

Из пластмасс в вакуумной технике делаются многие детали: уплотнители, мембраны, изоляторы, гибкие трубопроводы и т. д.

Широко распространен фторопласт, хорошо обрабатываемый резанием, а при условии медленной деформации и давлением. При температуре выше 200° С из фторопласта начинается выделение фтористых соединений. Хрупкость наступает при температурах менее -70°С. Газовыделение у фторопласта меньше, чем у резины, он обладает хорошими электроизоляционными свойствами и очень малым коэффициентом трения.

Полиэтилен обладает малым газовыделением, но из-за недостаточной теплостойкости может применяться только при комнатной температуре.

Широко распространена, особенно в технике низкого вакуума, вакуумная резина. Ее газовыделение значительно меньше, чем у обычной резины, но все же много больше, чем у фторопласта. Кроме того, резина имеет большую, чем фторопласт, газопроницаемость. Термостойкость резины мала, но самые термостойкие сорта имеют рабочую температуру около 300° С. Преимуществом резины являются отличные упругие свойства, благодаря которым она является прекрасным материалом для вакуумных уплотнителей. Вакуумные резины делятся на обычные и термостойкие, на маслостойкие и немаслостойкие.

Немасло стойкая белая вакуумная резина очень эластичная с малой газопроницаемостью. Диапазон рабочих температур — от + 90 до -10°С.

Маслостойкая черная резина имеет худшую эластичность и большее газовыделение, но меньшую газопроницаемость.

Для низковакуумных систем, а также в ремонтных работах, часто используются клеевые соединения. Эпоксидный клей применяется для соединения стали, стекла и керамики с рабочей температурой не более 140° С, теряет прочность при длительном воздействии теплой воды. Кремнийорганические клеи могут выдерживать кратковременный нагрев до 300-350° С или длительную работу при 150-180° С.

Рабочие жидкости для вакуумных насосов

В качестве рабочих жидкостей механических вакуумных насосов, как правило, используются минеральные масла марки ВМ-4, ВМ-6 и синтетические жидкости.

К рабочим жидкостям струйных насосов предъявляются следующие основные требования:

• 1) низкое давление насыщенного пара при комнатной температуре;

• 2) высокое давление пара при рабочей температуре в испарителе, что обеспечивает работу насоса при относительно высоких выпускных давлениях;

• 3) однородность состава, так как любое изменение состава рабочей жидкости из-за улетучивания отдельных компонентов вызовет изменение характеристик насоса;

• 4) термическая стабильность при рабочей температуре в испарителе насоса и термоокислительная стойкость;

• 5) малая химическая активность по отношению к конструкционным материалам и откачиваемым газам;

• 6) малая удельная теплота парообразования для уменьшения затрат мощности на создание требуемого количества пара в насосе;

• 7) малая способность к растворению откачиваемых газов и паров, что обеспечивает получение низких предельных остаточных давлений благодаря малому обратному выделению газов и паров струей пара на впуске насоса.

В настоящее время в струйных насосах используются в основном минеральные (нефтяные) масла марок ВМ-1, ВМ-5 и синтетическое масло ВМ-1С.