Конструкционные вакуумные материалы

Конструкция вакуумных систем во многом определяется свойствами используемых материалов. В дополнение к обычным требованиям— прочности, технологичности, легкости и т. д. — вакуумная техника выдвигает к конструкционным материалам ряд специфических требований: 1) упругость паров материала при рабочей температуре должна быть значительно ниже рабочего давления; 2) газовыделение материала при рабочем давлении и температуре должно быть минимальным; 3) газопроницаемость материала в рабочих условиях должна быть минимальной; 4) вакуумная герметичность при малых толщинах; 5) коррозионная стойкость; 6) отсутствие ползучести вплоть до температур 500—600°С; 7) немагнитность.

Если упругость паров материалов при рабочей температуре больше или равна 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.

Давление насыщенных паров конструкционных вакуумных материалов при различных температурах

Материалы	Температура, °C		Материалы	Температура, °C
	23	500		20	500
Ртуть	10′1	106	Серебро		ю-7
Цинк	10~12	10s	Олово	—	10-8
Индий	10-18	10~6	Алюминий	—	10-8
Золото	—	10-9	Медь	—	10″’

В табл. 11.1 приведены упругости паров некоторых конструкционных материалов при двух характерных для вакуумных систем рабочих температурах. Если латунь разогревать в высоком вакууме до температуры 500°С, то входящий в ее состав цинк испаряется и образуется пористый газопроницаемый материал. Наличие в вакуумной системе смазок и масел ограничивает возможности получения низких давлений (см. табл. 2.6).

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 (табл. 11.2) 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.

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, во-

Газовыделение нержавеющей стали

Способы обработки	Скорость газовыделения, м3-Па/(с-м3)
	Время с начала откачки, ч
	1	5	10	20
Без обработки	4-10-5	2-Ю-5	4-Ю-6	2-Ю-6
Механическая полировка	4-Ю-6	—	2-Ю-7	—
Ультразвуковая очистка	4-Ю»6	2-10—6	7-Ю-7	4-Ю-7
Хонингование стеклянны-	—	2-10-7	мо-7	5-Ю-8
ми шариками Химическая очистка	1 IO-5	4-10-6	3-10-5	2-Ю-6
Химическое полирование	2-Ю-6	8-Ю-7	5-Ю-7	з-ю-7
Электролитическое поли-	1-Ю-5	2.10-6	8-Ю-7	з-ю-7
роэание Вакуумное обезгаживание	мо-6	—	4-Ю-7	2-Ю-7
при 300°С в течение 2 ч Высокотемпературное ва-	IO-9	—	—
куумное обезгаживание Окисление на воздухе	7 • 10-‘°		_
при Т=450°С Покрытие алюминием	5-10-10	—	—	—

дород и азот. Проницаемости некоторых вакуумных материалов представлены в табл. 11.3.

Таблица ИЗ

Газопроницаемость вакуумных материалов при различных температурах (толщина стенки 1 мм, перепад давлений 1 Па)

Материалы	Газ	Проницаемость, м3 Па-мм/ (м2-с*Па)		Материалы	Газ	Проницаемость, m3 Па мм/ (м2 с-Па)
		Температура, °C				Температура,
		20	400			20	400
Железо	н2	ю-9	ю-«	Резина 7889	n2	10~8
Железо	n2	Ю-19	10~9	Резина 9024	n2	10~9	_—
Палладий	Н2	ю-7	10-5	Резина ИРП-1015	n2	ю-9	—
Медь	н2	10-“	10-8	Фторопласт-4	n2	10-9	_
Серебро	02	10-13	ю-8	То же	o2	10-9	_
Кварц	н2	10-13	10-1°	»	He	10-8
Кварц	Не	10-11	10~9		H2	ю-8
Стекло С47-1	Не	ю-12	10-’	Полиэтилен	H2	ю-8
Стекло С89-2	Не	10-15	Ю-10		H2O	ю-7
Стекло С38-1	Не	10-1°	10-е	То же	He	10-8

Вакуумные материалы при малых толщинах должны быть герметичны. Литые материалы чаще всего не удовлетворяют этим требованиям, так как обладают пористой структурой. Листовой и сортовой прокат имеет неодинаковые вакуумные плотности в различных направлениях. Шлаковые включения образуют волокна в направлении деформации материала при его обработке. Негерметичность таких волокон часто можно обнаружить только после прогрева в вакууме. Ремонт деталей, в которых обнаружены такие течи, практически невозможен, так как припой не смачивает шлаковые включения, а при разогреве во время сварки из них выделяются газы, образующие поры. При проектировании тонкостенных деталей нужно следить за тем, чтобы шлаковые волокна не были направлены поперек стенки, например при проектировании днищ нежелательна замена листового проката сортовым и т. д. Наилучшей вакуумной плотностью обладают металлы, подвергнутые вакуумному переплаву.

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.

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.

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.

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

Чугун применяется для изготовления корпусных деталей, работающих в масле в условиях низкого вакуума. Применяются особо плотные, мелкозернистые чугуны марок МС424-48 и СЧ24-44. Из Других литейных сплавов используются бронзы, не содержащие

цинка, кадмия и фосфора БрБ2 (2% Бе), БрА5 (5% А1) и алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ5, АЛ9.

Конструкционная качественная малоуглеродистая сталь 08, 10, 15, 20 (о_в=320… 440 МПа) хорошо паяется и сваривается и может применяться для изготовления непрогреваемых деталей вакуумных систем при получении низкого и среднего вакуума. Сталь 45 (ов=640 МПа) 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 1Х21Н5Т и Х17Г9АН4 в нагартованном состоянии прочнее стали 12Х18Н10Т и могут применяться для изготовления сильно нагруженных деталей — болтов, шпилек и т. д. Сталь Н36ХТЮ (ЭИ702) сохраняет хорошие упругие свойства до 600°С и может использоваться для изготовления пружинных компенсаторов в фланцевых соединениях. Состав и основные свойства этих сталей приведены в табл. 11.4.

Таблица 11.4

Нержавеющие стали, применяемые в вакуумной технике

Марки сталей	«ар. МПа	МПа	Состав. %
			С	S1	Мп	Сг	N1	Т1	Fe	№
12Х18Н10Т	540	200	0,12	0,8	1,5	18	10	0,7	Основа	_
1Х21Н5Т	600	350	0,14	0,8	0,8	21	5,5	0,8		—
Х17Г9АН4	700	350	0,12	0,8	9	17	4	—		0,2
Н36ХТЮ	750	—	0,05	0,6	0,8	15	35	0,9	>	—

Медь широко применяется в вакуумной технике для изготовления прокладок, внутренней арматуры и корпусов отпаянных приборов. Предел прочности мягкой меди 220 …240 МПа, твердой — 450 МПа, предел ползучести 70МПапри20°С и только 14 МПа при 400°С. Рекомендуется применять марки наиболее чистой меди МБ (бескислородной), МО и Ml. Присутствие кислорода в меди особенно вредно для сварки меди и пайки или отжига в водороде. Сварные швы получаются пористыми, а обработка в водороде приводит к восстановлению закиси меди с образованием водяных паров, создающих микроскопические области огромных давлений, приводящие к образованию мельчайших трещин в металле («водородная болезнь»): Cu₂O + H₂=2Cu + H₂O.

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. Коэффициент линейного расширения в интервале температур 2О…ЗОО°С равен 25,5-10~⁶, предел прочности 120 МПа. Алюминий хорошо сваривается гелиево-дуговой сваркой, давая вакуумно-плотные спаи. Дюралюминий Д1 или Д16 с пределом прочности 380…430 МПа не дает герметичных вакуумных швов.

В вакуумной технике широко применяются специальные сплавы с определенными физическими свойствами, необходимыми для создания некоторых узлов вакуумной аппаратуры. К ним относятся ковар (Н29К18А) с коэффициентом линейного расширения (4,7… 6,4) • 1СГ⁶ для пайки со стеклами молибденовой группы С-47, С-49; сталь Х18ТФМ и сплав Н47Д5 с коэффициентами линейного расширения 10~⁵ и 8-10*~⁶ для пайки со стеклами С-87, С-89, С-90; сплавы Фени различных марок Н42, Н45, Н50 для пайки с различными группами стекол; НЗЗК17 для пайки со стеатитовой керамикой; инвар (Н36, ЭН36) с малым коэффициентом линейного расширения и теплопроводности.

Тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, тантал, ниобий — применяются для изготовления нагревателей, тепловых экранов, токовводов и т. д.

Из титана (ВТ1, ВТЗ, ТЗ и Т4) изготавливаются катоды и гетеры ионно-сорбционных 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. После буквы С в обозначении марки стекла следуют цифры, соответствующие коэффициенту линейного расширения, умноженному на IO⁷. Физические свойства стекол приведены в табл. 11.5.

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% А1гО₃) с температурой размягчения 1900°С и прочностью на сжатие 2000 МПа. Алундовая керамика хорошо паяется методом металлизации или активных припоев. Стеатит и форстерит изготовляются на основе талька с добавлением оксида магния, углекислого бария и высококачественной глины. Пайка стеатита с металлами затруднена, а форстерит паяется с титаном и дает с ним согласованные спаи. Циркон имеет хорошую теплопроводность, но очень тверд и не может обрабатываться после обжига.