+7 (495) 664 22 07 baza@vacuumpro.ru

Металлические уплотнения

История создания металлических уплотнений тесно связана с историей получения сверхвысокого вакуума. Первые клапаны с металлическими уплотнениями, совместимые со сверхвысоким вакуумом, были сконструированы Альпертом [24] в Westinghouse Research Laboratories. Штенгели были маленькими, приблизительно 12 мм, а диаметр отверстия клапана составлял 6,3 мм. Биллз и Эллен [25] разработали маленький клапан с металлическим уплотнением, у которого была незначительная проводимость в закрытом состоянии. Эти клапана были доступны и продавались на рынке в течение многих лет [26].
В конце 1950-х гг. спрос на большие, полностью металлические вакуумные системы для исследований в области космического пространства и физики плазмы привел к разработке соответствующих элементов. В Соединенных Штатах НАСА оказывала поддержку крупномасштабным исследованиям уплотнений и уплотняющих поверхностей [27, 28, 29].

деталь срезного уплотнения

Рис. 4. Деталь срезного уплотнения, впервые описанного Ланджем и Альпертом. Медная прокладка частично срезается между внешним и внутренним фланцами

деталь штуцера

Рис. 5. Деталь штуцера фланца CF, где показана медная прокладка, захваченная между острыми кромками

деталь фитинга

Рис. 6. Деталь фитинга малого торцевого уплотнения, где показана медная прокладка, в которую вдавлены радиусные острые кромки

Стеллараторы для исследования ядерного синтеза в Лаборатории плазмы Принстона работали в условиях сверхвысокого вакуума, где использовались уплотнения из золотой проволоки [30], а Суше обсуждал уплотнения из золотой проволоки, используемые в ЦЕРН (Европейская Организация по ядерным исследованиям) [31]. Уплотнения из золотой проволоки надежны, однако стоимость золота является значительной, и когда речь идет о больших размерах, с полностью прошедшей отжиг золотой проволокой диаметром приблизительно 1 мм обращаться нелегко.

Фланцы со срезным уплотнением, в которых использовались плоские медные прокладки, впервые были описаны Ланджем и Альперотом [32] и изготовлялись для коммерческого применения приблизительно до 1962 г. Принцип срезного уплотнения, показанный на рис. 4, оказался надежным, но фланцы были неудобными, потому что они были парными (внутренними и внешними). Когда конструкция фланца с острой кромкой, разработанная Уиллером и Карлсоном [33, 34], была выпущена компанией Varian Associated в виде фланца ConFlat® [35], она быстро заменила все предыдущие фланцы с металлическим уплотнением. Деталь уплотнения показана на рис. 5. Компания Varian Associated владела патентом [36] на данную конфигурацию острой кромки, используемую в ConFlat®.

Для обхода данного патента другие производители изготовили фланцы с такой же схемой болтов, наружным диаметром и диаметром острой кромки, но с радиусными острыми кромками. Их уплотнения не обеспечивали такую же надежную герметизацию, как ConFlat®, и вскоре исчезли с рынка. Конструкция радиусной острой кромки, эскиз которой приведен на рис. 6, продолжает использоваться на фитингах с малыми торцевыми уплотнениями, которые можно закупить из разных источников.

Хотя срок патента истек, термин ConFlat® остается торговой маркой. Во избежание использования данного названия фланцы типа ConFlat® часто называются «Фланцами CF».

Энергия упругого сжатия

Если штуцер, состоящий из фланцевой пары и уплотнения, должен оставаться герметичным, подвергаясь дифференциальным движениям, вызываемым изменяющимися температурами с неизбежными температурными градиентами, необходимо, чтобы в каком-то элементе штуцера сохранялась энергия упругого сжатия. В случае уплотнений, в которых используются эластомеры, сам по себе эластомер служит этой функции. Во фланцах CF деформация фланцевой пары помогает обеспечить уплотнение [37, 38]. Проблема целостности уплотнения усложняется по мере того, как фланцы CF становятся больше. Фланцы CF шестнадцать дюймов не могут оставаться герметичными после термической обработки.
Небольшие изменения иногда вносятся в детали фланцев CF. В Европе вертикальная поверхность острой кромки часто выполняется с небольшим положительным углом.

уплотнение helico flex

Рис. 7. Уплотнение Helico-flex®, разработанное CEFILAC: 1,2 - фланцы; 3 - винтовая пружина; 4 - гильза; 5 - внешний металлический слой уплотнения; 6,7- уплотнения (рисунок заимствован из чертежа патента)

Имеется возможность изготовить металлическое уплотнение в сборе, которое будет упругим само по себе. Уплотнение Helico-flex®, разработанное CEFILAC [39, 40] — это пример такой конструкции (рис. 7). Уплотнение представляет собой металлическое уплотнительное кольцо, состоящее из винтовой пружины, ставшей бесконечной благодаря сварке, слоя твердого металла для распределения силы от дискретных витков ружины и внешнего слоя более мягкого металла уплотнения, в частности такого, как алюминий, медь или серебро. Если поперечное сечение уплотнения Helico-flex® является круглым, контактная площадь между уплотнением и фланцем больше, чем у CF, и соответственно требуется большее уплотняющее усилие для того же металла уплотнения. Для того, чтобы уменьшить потребность в уплотняющем усилии, существуют «дельта-уплотнение» Helico-flex® с модифицированными поверхностями, обеспечивающими уменьшенную контактную площадь [41]. Одним из преимуществ уплотнения Helico-flex® является то, что оно может изготовляться в виде таких форм, которые используются с некруглыми фланцами. Также возможны очень большие размеры. Внешний слой металла уплотнения можно подобрать таким образом, чтобы он соответствовал конкретному случаю применения. Большое число уплотнений Helico-flex® с серебряным внешним слоем использовалось на портах размером 0,22 х 1,6 м в TFTR (токомаке Принстонского университета) [42].

Уэльч и его коллеги [43] провели оценку нескольких типов металлических уплотнений с точки зрения возможного использования в ускорителе AGS в Национальных лабораториях Брукхэвен и выбрали «дельта-уплотнение» Helico-flex®. К сожалению, уплотнение Helico- flex® не является идеальным эластичным элементом. Кривая зависимости смещения от усилия сжатия уплотнения (кривая гистерезиса) имеет очень открытую петлю [39].

Другие металлические уплотнения

Производители предлагают другие металлические уплотнения. В продаже имеются алюминиевые уплотнения с ромбовидным поперечным сечением для установки между фланцами с плоскими торцами, как показано на рис. 8. Унтерлершнер (14] пишет о результатах исследования bCERN, где использовалось большое количество уплотнений этого типа. Уплотнения показали себя надежными.

Когда острые кромки фланца CF повреждаются в результате небрежного обращения, они могут не обеспечивать уплотнение с помощью стандартных прокладок. Фенд [45] описал уплотнение для использования с фланцами CF, как показано на рис. 9. Уплотнения предлагаются в исполнении из алюминия, меди и никеля, и, как утверждается, эти прокладки требуют только приблизительно 50% усилия уплотнения стандартной прокладки CF из того же самого материала.

Фирма VAT VACUUMVENTILE AG |46] предлагает серию уплотнений многоразового использования, в которых в качестве металла уплотнения используется индий. Они предназначаются для использования с системой фланца ISO-KF. Температура термической обработки ограничивается приблизительно 75 °С, но это может быть очень эффективным способом устранения эластомеров из существующей системы с помощью фланцев KF.

Для того чтобы получить металлическое уплотнение между твердым и мягким металлами, важно, чтобы мягкий металл был пластически деформирован на стыке двух металлов. Рот [47, 48) исследовал механизм металлического уплотнения твердый - мягкий металлы. Арманд, Лапужулад и Пэнь [49] сравнили теорию и экспериментальные данные по проводимости течей контактных поверхностей с микронеровностями.

Кроме того, если включить срез в пластическую деформацию, то он способствует эффективной герметизации. Существует несколько способов получения среза уплотнения. Если разложить прокладку во время сжатия между плоскими поверхностями, то это вызывает определенный срез металла уплотнения относительно поверхности фланца. Проскальзывание, подобное смещению фланца относительно уплотнения, вызывает срез. Возможно, самое важное заключается в том, что когда острая кромка фланца CF входит в медную прокладку, имеет место значительный срез меди на почти вертикальной поверхности. Небольшие дефекты, в частности такие, как царапины на медной прокладке, исчезают в крутой части оттиска. Это можно наблюдать, если специально поцарапать прокладку скрайбером, полностью зажать ее между парой фланцев CF, удалить прокладку и осмотреть ее под микроскопом [33, 50]. Царапина будет видна на части оттиска с мелким углом, но будет исчезать на вертикали. Считается, что исчезновение дефектов поверхности в оттиске - это требование для герметизации. Где именно происходит герметизация с фланцем CF, остается вопросом, интересным для исследователей. Фланцы CF также надежно герметизируются, когда торцы фланца и острые кромки подвергаются дробеструйной обработке стеклянной дробью.

алюминиевое уплотнение

Рис. 8. Деталь уплотнения, где показано алюминиевое уплотнение ромбовидного поперечного сечения между фланцами с плоскими торцами

квадратная прокладка

Рис. 9. Деталь штуцера между стандартными фланцами CF, но с использованием квадратной прокладки

Ситуация изменяется, когда используется радиусная острая кромка. Сегодня такие острые кромки можно найти в фитингах с торцевым уплотнением производства нескольких компаний, которые предназначаются для использования с трубами диаметром от % до 1 дюйма. Уплотнение с помощью поцарапанной прокладки может не привести к тому, что царапина полностью исчезнет где-нибудь в выемке острой кромки. Одной из иллюстраций более слабых уплотнительных свойств радиусной острой кромки является то, что эти фитинги не будут герметизироваться, когда незапачканные пятнами поверхности будут подвергаться дробеструйной обработке стеклянной дробью. Хороший способ получить течь приблизительно 10-6 - 10-5 атм. см3/с состоит в том, чтобы провести дробеструйную очистку стеклянной дробью пары этих фитингов и собрать стык.

схема уплотнений

Рис. 10. Схема уплотнения твердый - твердый металл, используемой компанией VAT VACUUM- VENTILE AG в клапанах с металлическим уплотнением. Коническое седло, наконечник и коническая шайба изготовлены из твердых нержавеющих сталей. Обратите внимание, что шайба должна быть герметичной как на своем внутреннем, так и на внешнем диаметре

Уплотнения между парами твердого металла теоретически были рассмотрены Ин- баром [51]. Интересное уплотнение из твердого металла для использования между фланцами было описано Верхейденом и Клайном [52]. Сомнительно, что две чистых поверхности твердого металла можно привести в такое тесное соприкосновение только посредством упругой деформации и что результатом будет герметичное уплотнение. На рис. 10 представлены угловой и запорный клапаны с металлическим уплотнением |46], где, как утверждается, уплотнение находится между парами твердый - твердый металл без пластической деформации. Однако один элемент этого уплотнения покрыт очень тонкой пленкой серебра, для того чтобы предотвратить холодную сварку. Возможно, эта серебряная пленка служит для заполнения микроскопических пустот, остающихся, когда металлические поверхности приводят ся в соприкосновение под высокой нагрузкой. Каким бы ни был механизм, герметизация этих клапанов является надежной на протяжении продолжительного жизненного цикла.

Несколько молекулярных слоев адсорбированного масла или воды между стыками металлического уплотнения могут привести к тому, что несовершенное уплотнение будет казаться герметичным. Это известно под названием «жидкое уплотнение», и последствия этого являются особенно досадными, когда это явление встречается в прецизионных клапанах утечки, где оно вызывает резкий скачок проводимости при открытии клапана. Поскольку это распространенный эффект, и пара атмосферной воды бывает достаточно для того, чтобы его вызвать, металлическое уплотнение должно считаться герметичным, только когда оно было подвергнуто термической обработке и испытано в свободной от влажности среде.

Металлы уплотнения

Для вакуумных уплотнений используются многие металлы. В порядке возрастания требований к уплотнительной нагрузке наиболее часто применяются индий, свинец, золото, алюминий, серебро, медь и никель. Индий обладает очень низким давлением паров; он даже успешно уплотняет керамику и стекло. Но максимальная рабочая температура ограничивается приблизительно 70 °С, и индий подвержен холодному потоку. Если необходимо, чтобы уплотнение было долговечным, индий должен удерживаться в указанных параметрах. Свинец всегда использовался в качестве проволоки или гальванических покрытий. Алюминий используется для нескольких типов уплотнений, но идеально эффективным не является. Возможно, пленка окисла предотвращает последовательный контакт металла к металлу. О том, что алюминиевые уплотнения не показали такую же надежность, как медь, упоминал ван Хеерден [50].

Серебро является отличным металлом уплотнения, но уплотнения, в которых он используется, имеют высокую стоимость, а золото стоит еще больше. Медные прокладки широко используются с фланцами CF. Когда медные прокладки подвергаются термической обработке при 400 °С, окисление меди ограничивает число термических обработок 20-30. Викберг [53] провел испытания прокладок с серебряным покрытием в CERN и пришел к выводу, что они выдерживали по крайней мере десять циклов термической обработки при 300 °С длительностью 8 ч без помутнения или отслоения серебра. Медь является неприемлемой в некоторых химических средах, которые присутствуют в производстве полупроводниковых устройств. В этих случаях иногда на замену ставят никелевые прокладки. Даже когда никель подвергается полному отжигу, требующаяся сила уплотнения настолько велика, что трудно избежать поломки болтов фланца CF. Полезную роль в этом смысле играет сухое пленочное покрытие из дисульфида молибдена, используемое на болтах, применяемых с фланцами CF в целях получения максимального зажатия при минимальном крутящем моменте.

Анализ металлических поверностей

Металлические уплотнения требуются в следующих случаях: при высоких или низких температурах, значительных газовыделении и проницаемости, что недопустимо для полимерных уплотнений, или в присутствии достаточного ядерного излучения для повреждения полимеров. Фланцы типа CF, используемые с медными прокладками, удовлетворительны для применения с круглыми фланцами диаметром до 12 дюймов. Для больших размеров и некруглых форм, пожалуй, единственным выбором являются уплотнения Helocoflex®. Однако они дорогие и могут иметь долгие сроки поставки, если изготовляются под заказ; кроме того, следуетоценивать их по мере использования для того, чтобы приобрести опыт до принятия окончательного решения об использовании в рамках крупного проекта.

Разработка металлических уплотнений, вероятно, будет продолжаться под влиянием тенденции использования еще более низких значений давления для производства полупроводниковых устройств, а также в результате строительства больших ускорителей-накопителей, где большое значение имеют как крайне низкие значения давления, так и высокая надежность.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.