В целом о вакууме и вакуумных системах

Свойства вакуума
Особенности вакуумных систем

Вакуумные материалы и уплотнители

Вакуумные материалы
Уплотнители и и смазки

На заметку

Металлы
Вакуумные материалы и уплотнители - Вакуумные материалы
 

Стенки вакуумной системы должны быть абсолютно непроницаемы для наружного воздуха. Металлы полностью не удовлетворяют этому требованию, так как всегда имеется некоторый весьма медленный процесс диффузии газов через металлические стенки вследствие кристаллической структуры металлов, наличия пор и трещин, особенно в литых деталях.

Несмотря на это, все крупные промышленные вакуумные установки изготовляют из металла, так как они в первую очередь должны удовлетворять требованию прочности. Обычно металлические установки работают при непрерывной откачке натекающих в систему газов. Наиболее пригодны для создания вакуумных систем малоуглеродистая и коррозионностойкая стали, медь, алюминий и различные сплавы. Чтобы уменьшить выделение газов, нужно применять антикоррозионные металлы, так как образующиеся при коррозии окислы интенсивно адсорбируют на своей поверхности газ, который затем выделяется в вакуумную систему.

Литые детали из чугуна и цветных металлов используют главным образом для работы при среднем вакууме. Например, во вращательных масляных насосах такие детали находятся в контакте с вакуумным маслом, которое служит дополнительным герметизирующим средством. При изготовлении таких деталей литьем нужно достигать высокой плотности, использовать метод литья под давлением. Для трущихся частей применяют серый чугун МСЧ-28-48, СЧ-24-44, СЧ-21-40, алюминиевые литейные сплавы АЛ-2, АЛ-5, АЛ-9, бронзу литейную при отсутствии в ее составе фосфора, цинка и кадмия. Наиболее широко применяют металлы, изготовленные прокаткой с высокой пластичностью и способностью образовывать спаи с металлами, стеклом, керамикой. Трубопроводы из металла должны быть цельнотянутыми бесшовными. В качестве материалов для трубопроводов применяют красную медь, латунь и сталь. Наиболее выгодна красная медь, так как трубки из нее легко изгибаются, металл стоек на воздухе и легко паяется.

Часто применяют гибкие металлические вакуумные шланги с винтообразной или кольцевой гофрировкой — томпаковые, медные или латунные. Газовыделение металлов в вакууме значительно, так как металлам свойственна абсорбция газа, т. е. процесс растворения газа во внутренних слоях вещества. Понижение давления над поверхностью металла нарушает равновесное состояние газов в металле, и они начинают интенсивно выделяться. Но если с поверхности газ отделяется более или менее быстро, то перенос его из внутренних слоев, происходящий путем диффузии, чрезвычайно затруднен. Таким образом, металл в условиях вакуума по существу непрерывно выделяет газы. Для ускорения выделения газов применяют нагревание с одновременной откачкой газов вакуумными насосами. Легче всего в металлах растворяется водород благодаря малому радиусу его атомов и ионов.

После сборки вакуумной системы рекомендуется производить обезгаживание при непрерывной откачке предварительно отожженных в вакууме материалов прогревом коррозионностойкой стали до 1000° С, никеля до 600—650° С, меди до 500° С, дюралюминия до 400° С, латуни до 150° С. При этих температурах 80—90% газов обычно выделяется в течение первого часа обезгаживания, а после 8—-10 ч газовыделение у большинства конструкционных материалов практически прекращается.

 

Ниже приведены скорости газовыделения некоторых металлов и неметаллических материалов [15] (в мкм рт. ст. л/с-см2):

Конструкционная сталь, не обезгаженная прогревом . . . 4*1O-4 — 7-10-8

Конструкционная сталь, полированная после длительной откачки .......................2*1O-6

Коррозионностойкая сталь, не обезгаженная прогревом  10-4 —10-6

 Коррозионностойкая сталь, обезжиренная в парах спирта после длительной откачки ..... 2•1O-7

 Коррозионностойкая сталь после длительного прогрева и откачки ....................3•1O-11 — 5•1O-12

 Латунь обезжиренная ................. 10-4

Некоторые данные по газовыделению металлов приведены также в табл. 83 и 84. В табл. 83 указано общее количество газа, выделившегося из ленточных образцов толщиной 0,13 мм, которые последовательно нагревались до 550; 700; 850 и 1000° С с выдержкой при каждой температуре по 20 мин. Предварительно эти образцы промывали в эфире, кипятили в деионизованной воде, промывали в эфире повторно и сушили. Перед анализом колба с образцами обезгаживалась при 400° С в течение 1 ч. При получении данных, приведенных в табл. 84, газовыделение определялось во время откачки при 780° С в течение 5 мин.

Для облегчения последующей дегазации металла иногда применяют предварительную дегазацию в водороде при высоких температурах. В этом случае медленно диффундирующие газы замещаются водородом, и при последующей работе в вакуумной системе растворенный водород выделяется из металла гораздо легче, чем другие газы. Чем выше температура прогрева в атмосфере водорода, тем большее количество газов выделяется из системы. Кроме того, при прогреве в водороде некоторые окислы металлов восстанавливаются и тем самым предотвращается их последующий распад в вакууме. Температура прогрева для железа, никеля, тугоплавких металлов ~1000°С, меди и медных сплавов — не выше 600° С. Однако некоторые металлы при прогреве в водороде повреждаются (медь с содержанием закиси, тантал).

Качество обработки внутренних деталей аппаратуры имеет существенное значение. Чем меньше шероховатостей, трещин и зазоров на внутренних стенках, тем меньше поверхность стенок, а следовательно, меньше выделение газов. Гладкие полированные поверхности легче промыть растворителями, благодаря чему значительно снижается газовыделение из-за загрязнений системы.

Чтобы снизить последующее газовыделение, применяют различные способы предварительной обработки, например, плавку в высоком вакууме (в результате одинарной плавки газовыделение меди снижается в 20 раз, коррозионностойкой стали в 5 раз, железа в 15 раз; двойная вакуумная плавка снижает газовыделение железа в 300 раз).

При использовании металла невакуумной плавки можно заметно снизить газовыделение, если механическим способом снять верхний наиболее окисленный слой, а затем протравить и промыть поверхность металла или сплава. Применяют также, предварительное обезгаживание в вакууме при максимально допустимом нагреве и затем медленное охлаждение в вакууме.


Обработка бензином и ацетоном снижает газовыделение металлов и сплавов, в 2—5 раз. Травление с последующей промывкой бензином и ацетоном приводит к значительному снижению газовыделения (в 50—70 раз). Значительно газовыделение у сварных швов, поэтому надо стремиться к уменьшению их числа.

Углеродистую сталь СтЗ применяют для работы при давлениях не ниже 1 • 10-6 мм рт. ст. и при рабочих температурах от —30 до 400° С, причем соприкасающиеся с вакуумом поверхности необходимо хромировать или никелировать. Из конструкционных сталей 08 и 10 изготовляют детали, требующие высокой пластичности. Стали 20, 45, 65Г применяют также до давлений 1 • 10-6 мм рт. ст. Из малоуглеродистых конструкционных сталей чаще всего используют сталь 20, которая хорошо обрабатывается, сваривается и паяется. Для уменьшения коррозии детали из стали 20 подвергают пассивированию или никелированию, после чего их применяют до давлений порядка 10-7 мм рт. ст. Конструкционную легированную сталь 4OX применяют для давлений не ниже 10~8 мм рт. ст. и температур от —40 до 435° С. Эта сталь умеренно пластична, хорошо обрабатывается резанием, но сваривается плохо.

Коррозионностойкие жаростойкие стали 1X13 и 2X13 применяют до давлений 1•10-8 мм рт. ст. Сталь Х18Н10Т применяют при давлениях до 10-12 мм рт. ст. и температурах от —260 до 1000° С. Поверхности деталей, соприкасающиеся с высоким вакуумом, обычно электрополируют. Эта сталь хорошо сваривается и паяется. Сталь X18НЮТ чаще всего применяют для работы при давлениях ниже 10-7 мм рт. ст.

Недостаток этой стали: она не может быть подвергнута закалке. Если детали из коррозионностойкой стали необходимо закалить, то обычно применяют стали 1X13, 2X13.

Ковар — сплав, получаемый в результате частичной замены никеля кобальтом в железоникелевых сплавах. В состав ковара входит никель, кобальт и железо (марки Н28 и К18). Детали из ковара обычно применяют для перехода от тугоплавкого стекла к металлу. Ковар соединяют с металлом пайком твердыми припоями в водородной печи (со сталью, никелем, серебром) и аргоно-дуговой сваркой (с коррозионностойкой сталью).

Детали, полученные из ковара выдавливанием или гибкой, нужно отжигать, так как внутренние напряжения могут разрушить сплав ковара со стеклом. Никель поддается точечной, аргоно-дуговой и электроннолучевой сварке, пайке твердыми и мягкими припоями. Его можно спаивать со стеклами некоторых марок. Он хорошо спаивается не только со сталью и медью, но и с алюминием. Обычно его применяют в установках, при давлениях не ниже 10-9 мм рт. ст. и при температурах около 500° С. Никель даже в холодном состоянии хорошо воспринимает ковку, прокатку, волочение, штамповку, прессовку. Применяют никель H-O и H-1 и некоторые сплавы.

Вольфрам широко применяют в вакуумной технике (проволока, листы и различные детали, изготовляемые ковкой и механической. обработкой). Детали из вольфрама обычно соединяют одну с другой заклепками; клепка производится в горячем состоянии. При соединении пайкой вольфрамовых деталей с вольфрамовыми или с деталями из других материалов в качестве припоя используют медь, никель или другие высокотемпературные припои. Пайка производится в восстановительной или инертной среде. Листы небольшой толщины обычно соединяют на аппаратах для точечной, или шовной сварки. На этих же аппаратах достигают хорошего соединения вольфрамовых деталей при использовании в качестве прокладки танталовой фольги толщиной до 0,025 мм. При этом соединяемые детали погружают в воду для предотвращения окисления тантала. Применяют вольфрам ВА-3 и ВА-5 (с кремнеалюминиевой присадкой), ВТ-10 и ВТ-15 (с присадкой окиси тория) и BPH (с кремниевой присадкой). Вольфрам ВА-3 и ВА-5 применяют для проволочных нагревателей. Вольфрам ВНР хорошо спаивается с тугоплавкими стеклами (особенно со стеклом П-15). Перед пайкой со стеклом детали из вольфрама отжигаются в водородной печи.

Вольфрам хорошо сваривается с никелем, танталом, цирконием, платиной и другими высокотемпературными металлами точечной и электроннолучевой сваркой. Вольфрам можно спаивать с различными металлами в водородной печи, если его предварительно никелировать и использовать высокотемпературные припои: золото-никелевый (82,5% Au + 17,5% Ni), чистую платину, медно-никелевый (75% Cu+25% Ni) и чистый никель.

Молибден — хрупкий немагнитный металл. Детали, работающие в вакууме, изготовляют из молибдена чистого МЧ, молибдена MPH (примесей до 0,1%), молибдена MT (с присадкой тория 0,8—1,2%) и MK (с кремнещелочной присадкой 0,04—0,08%). Из молибдена МЧ изготовляют держатели вольфрамовых спиралей и нитей накаливания; из MPH —. высокотемпературные нагреватели, экраны, электрические вводы в вакуумные приборы и установки; из MT и MK— детали, работающие при высоких температурах. Молибден поддается электроннолучевой сварке с коррозионностойкой сталью, коваром, танталом, никелем, платиной; точечной сварке — с танталом и никелем. Он паяется в водородных печах золото-никелевыми и платиновыми припоями. Детали из молибдена перед сваркой и пайкой подвергают водородному или вакуумному отжигу.

Тантал весьма устойчив к действию химических агентов, пластичен, хорошо поддается ковке, прокатке и механической обработке. Детали из тантала тщательно обезгаживаются в вакуумных печах, так как при повышенной температуре их поверхность интенсивно адсорбирует газы, особенно водород, азот и кислород. При температуре около 600° С тантал активно поглощает кислород, водород и азот, однако при температуре около 800° С поглощенные газы выделяются. Тантал хорошо соединяется точечной и электроннолучевой сваркой почти со всеми тугоплавкими металлами и никелем.

Титан — металл, обеспечивающий наибольшую удельную прочность .(т. е. прочность на единицу массы), отличающийся коррозионной стойкостью, высокой жаропрочностью и немагнитностью. Он хорошо сваривается. При температуре около 400° С поглощает водород, а при температуре свыше 800° С — кислород, азот, углекислый газ и водяной пар. Это свойство титана используют при создании высоковакуумных насосов и ловушек.

Медь хорошо работает при давлениях не ниже 10-10 мм рт. ст. и при температурах от —253 до 600° С. Из цветных металлов медь наиболее широко применяют для изготовления деталей вакуумной аппаратуры. Медь пластична, газонепроницаема и хорошо обрабатывается в холодном состоянии. Большое значение имеет высокая тепло- и электропроводность меди. Медь применяют в виде листов, лент, полос, прутков, проволоки и труб. Из отожженной меди при нагреве до 600—700° С с охлаждением на воздухе или в воде изготовляют трубы змеевиков, а также металлические прокладки. Часто в вакуумной технике используют бескислородную медь МО серии А и Б. Для прокладок и змеевиков используют медь МБи M1.  Из бескислородной меди марки МБ изготовляют детали, которые необходимо нагревать в водородной среде. Медь МБ получается путем плавки обычных сортов меди в атмосфере чистой и сухой окиси углерода. Близкие значения коэффициентов линейного расширения меди и. стали Х18Н10Т дают возможность успешно спаивать эти металлы, а также сваривать газовой сваркой. Медь также широко применяют для спаивания с легкоплавким стеклом. Большой недостаток меди — ее активность по отношению к кислороду. При высоких температурах глубина и скорость проникновения кислорода возрастают, и окисленные медные детали в вакууме дают большое газовыделение.

Из латуни Л-62, Л-68, Л-69 изготовляют детали, не подвергающиеся нагреву выше 150° С и работающие при давлениях не ниже 1 • 10-8 мм рт. ст. При нагреве латунных деталей интенсивно испаряется входящий в состав латуни цинк, имеющий высокую летучесть. Ее также нельзя паять и отжигать в водородных или вакуумных печах, так как из-за летучести цинка она становится пористой. Латунь хорошо обрабатывается резанием, благодаря пластичности хорошо штампуется с глубокой вытяжкой, сваривается электродуговой и газовой сваркой и паяется твердыми и мягкими припоями. Для предохранения от коррозионного растрескивания латунь обычно отжигают при 250—270° С.

Оловянистые и оловянно-цинковые бронзы также применяют ограниченно из-за летучести олова при высоких температурах. Бериллиевую бронзу Бр. Б2 применяют до давлений порядка 1 • 10-6 мм рт. ст. Она имеет высокие антикоррозионные свойства. Температура горячей обработки бронзы Бр. Б2 720—760° С, температура отжига 700—-750° С. Из этого материала изготовляют гибкие мембраны и сильфоны для подвижных частей вакуумных установок до давлений 1 - 10-6 мм рт. ст.

Из алюминия часто изготовляют электровводы, прокладки, работающие при температуре до 100° С. Алюминий трудно обезгаживается из-за низкой температуры плавления. Он паяется твердым припоем 34-А с флюсом и мягкими припоями при помощи ультразвука. В вакуумной технике в основном применяют алюминий АД, АД1, Д1, Д1П, Д16 и АМц. Из технического алюминия АД и АД1 изготовляют паропроводы насосов, лабиринтные и отражательные решетки, кожухи термоизоляции и другие изделия, работающие при давлениях не ниже 1 • 10-9 мм рт. ст. Он имеет высокую коррозионную стойкость, высокую пластичность, хорошо сваривается газовой, аргоно-дуговой и контактной сваркой.

Алюминиевый сплав Д16 (дюралюминий) отличается повышенной прочностью. Из него изготовляют корпусы, штуцеры, фланцы, цилиндры, тройники и т. д. Он хорошо сваривается точечной сваркой. Из алюминиево-марганцовистого сплава АМц изготовляют сварные трубопроводы и емкости для хранения и транспортировки низкотемпературных жидкостей, работающих при давлениях до 10 8 мм рт. ст. Детали из сплава АМц имеют высокую коррозионную стойкость, высокую пластичность в отожженном состоянии, хорошо свариваются газовой и контактной сваркой.

Золото используют в качестве припоя в сплавах с медью, никелем и другими металлами с температурой плавления около 1100° С. В установках сверхвысокого вакуума, работающих при температурах выше 600° С, золото используют в качестве прокладок.

Серебро в чистом виде применяют в качестве компонента припоя для твердой пайки.

Платина непосредственно спаивается со стеклами, что позволяет использовать ее для изготовления вводов электрического тока в вакуумную систему, она поддается аргоно-дуговой и точечной сварке., Платиновую фольгу используют в качестве прокладок при точечной сварке вольфрама с вольфрамом и вольфрама с молибденом. Платиновую проволоку применяют также для изготовления высокотемпературных термопар и термометров сопротивления.

Металлы могут быть использованы в вакуумной технике как вещества, поглощающие газы, т. е. как средства откачки. По степени достижения низкого давления такой способ может быть эффективнее, чем откачка насосами. В табл. 85 приведены некоторые данные по количеству газов, поглощаемых металлом при превращении его в окисел, гидрид или нитрид.
 

Металл

Количество газа в л мкм

р.т. ст. для

 

нитрида

 

Формула соединения

 

окисла

 

гидрида

Никель

155

 

52

NiO, Ni3N

Железо

245

41

Fe2O3, Fe4N

Алюминий

510

338

Al2O3, AlN

Медь

143

48

CuO, Cu3N

Магний

375

250

MgO, Mg3N2

 Барий

66,5

132

44

BaO, BaH2, Ba3N2

Торий

79,5

118

52,5

ThO2, ThH3, ThN4

Титан

380

380

190

TiO2, TiH2, TiN

Цирконий

200

200

10

ZrO2, ZrH2, ZrN

Тантал

126

50

50

Ta2O6, TaH, TaN

 Что касается технической возможности использования этого эффекта, то она ограничивается тем, что на поверхности металла образуется пленка соединения, препятствующая дальнейшему поглощению газов. Эта трудность преодолевается в основном при обновлении поверхности распылением металла или иными способами.

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

   

 

Сейчас на сайте

Сейчас на сайте находятся:
 85 гостей на сайте

Нов боков адс адаптивный

=
Рейтинг@Mail.ru