Материалы вакуумных систем

Вакуумная техника предъявляет к материалам, используемым в ней, следующие специальные требования:

• 1. Давление паров материала при рабочей температуре должно быть значительно меньше рабочего давления: такие металлы, как цинк, магний, стронций, бериллий, марганец, серебро, медь, алюминий, никель, железо, титан, заметно испаряются в вакууме из твердой фазы с повышением температуры (Zn — с 250 °С и выше, Ti — 1100-1500 °С).

• 2. Минимальное газовыделение при рабочих давлении и температуре: газовыделение зависит от способа обработки поверхности — чем более гладкая и чистая поверхность, тем меньше газовыделение (микронеровность не более 0,5 мкм для высоковакуумных систем). Также большую роль играет растворимость газов в металлах — водород растворяется в Ni, Fe, Co, Cu, Ag, Mo, W, Pt (с повышением температуры растворимость растет), Ti, Zr, Ta, Pd (с повышением температуры растворимость падает). Азот растворим в Cr, Mo, W, Mn и Ta, кислород — практически во всех металлах. CO, CO₂, SO₂, CH4 и H₂O синтезируются на поверхности металла из элементов.

• 3. Минимальная газопроницаемость: проницаемость зависит от рода газа. Так, серебро проницаемо для кислорода, т.е. молекулы кислорода способны диффундировать через толщу серебра; железо, никель, платина и палладий проницаемы для водорода, стекло — для гелия и водорода; резина — для гелия, водорода и азота. Керамику для снижения газопроницаемости глазуруют стеклом или эмалью.

• 4. Вакуумная плотность при малой толщине: вакуумная плотность, т.е. неспособность пропускать газы даже при малой толщине, важна для мембран, сильфонов и тонкостенных труб (т.е. элементов с малой толщиной).

• 5. Коррозионная стойкость и повышенная выносливость: коррозия материала значительно увеличивает газовыделение, уменьшает прочность и приводит к появлению натеканий.

Различают следующие группы вакуумных материалов:

• I. Конструкционные материалы — чугун плотный мелкозернистый МС 424-48 и СЧ24-44, углеродистые и легированные стали (Ст08-Ст20), жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-стойкие материалы (12Х18Н10Т (304L), 304ESR, 1Х21Н5Т, Х17Г9АН4, Н36ХТЮ), титан и сплавы, цветные металлы и сплавы (бериллиевые и алюминиевые бронзы без цинка, кадмия и фосфора, бескислородная (МБ) и чистая (М0, М1) медь, алюминий АД1М, АМц, дюралюмины Д1 и Д16), спецспла-вы (для стекла — платина, ковар Н29К18А, Х18ТФМ, Н47Д5, сплавы Фени Н42, Н45 и Н50; для керамики — Н33К17, инвар Н36), стекло молибденовое С-47 и С-49, керамика — изготовление корпусов, элементов и узлов, в том числе работающих при повышенной температуре и в области криогенных температур.

• II. Материалы для нагревателей — тугоплавкие металлы вольфрам, молибден, тантал, ниобий и их сплавы, графит и т.п., рабочая температура которых до 2500 °С.

• III. Уплотнительные материалы — вакуумная резина (синтетический каучук № 7889 (немаслостойкая), 9024, ИРП-1015 (маслостойкие), ИРП-1368, ИРП-2043 (термо- и маслостойкие)), фторопласт-4 (рис. 1.8), медь, олово, вакуумные лаки, воски (апиезоновые и пицеиновые материалы), каучуки, битумы и шеллаки, смолы (аральдит и глипталь), замазки (органические и силиконовые), цементы (на основе солей серебра) и смазки, клеи и герметики.

  

• IV. Электро- и теплоизоляторы — стекло (легкоплавкое, боросиликатное, кварцевое), керамика (в основном окислы металлов (Al, Mg, Zr) и их смеси с силикатами, алюминатами, боридами, силицидами, фарфоры и т.п.), ситаллы (кристаллические стекла), цементы, пластмассы (полиэтилен, фторопласт); пенопласты и другие пеноматериалы — как теплоизоляторы.

• V. Припои — свинцово-оловянные ПОС30 (ПОС40, ПОС60), серебряные ПСр45 (ПСр 72), золото-медные ПЗлМ80, медь МБ.

Следует отметить, что для достижения хорошей вакуумной плотности применяют специальные методы еще на стадии изготовления материала. Так, чугун разливается под давлением, углеродные стали полностью раскисляют, что обеспечивает их спокойное застывание и практическое отсутствие внутренней пористости. Для работы при криогенных температурах обычно используют такие высокопластичные материалы, как титан, ниобий и их сплавы. Высокие температуры — область применения вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и их сплавов. Область применения стекол ограничивается областью высокого вакуума из-за способности последних активно сорбировать газы и пары воды (до 59 монослоев на поверхности). В качестве уплотнителей широко используют вакуумные резины (в областях низкого, среднего и высокого вакуума), отожженную медь, галлий, индий, олово высокой чистоты (в областях высокого и сверхвысокого вакуума).