Файл: Балицкий А.В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 555
Скачиваний: 2
Следует оговорить с самого начала, что в высоковакууммой тех нике, а тем более в сверхвысоком вакууме какие-либо замазывания, заклеивания или закрашивания неплотностей, так же как и подмотки
в стыках труб и в присоединениях арматуры, совершенно недопу стимы.
Для герметизации высоковакуумной и сверхвысоковакуумной си стемы применимы только сварка, пайка и уплотнение разъемных со единений упругими (неметаллическими или комбинированными) про кладками из специальных материалов или металлическими проклад ками. В некоторых редких случаях (чаще всего в лабораторной прак тике) допускается стыкование специально притертых поверхностей
сприменением специальных смазок.
Вредких же случаях применяется склеивание деталей из пласт масс с применением специальных клеев или растворителей.
Вполне рационально склеивание детален систем низкого вакуума.
1-6. ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ С ПОВЕРХНОСТЕЙ. ПОНЯТИЕ О ВАКУУМНОЙ ГИГИЕНЕ
Не только вакуумная плотность и отсутствие натекания извне определяют качество вакуумной системы. Любой конструкцион ный материал, будь то металл, стекло, пластмасса или керамика, при определенных условиях может служить источником газа.
Помимо того, в любой, самой незначительной щели или раковине может скопиться, задержаться после предварительной обработки ка кое-то количество грязи, пыли, масла, растворителей, которые при вакуумировании неизбежно будут служить обильным источником пара или газа.
Если допустить, что в откачиваемом обьеме после промывки осталась в щелях соединений вода в количестве 1 мл, то при ва куумировании она превратится в водяной пар, который при атмо сферном давлении и температуре 20 °С занял бы объем в 1,25 л. Если весь этот пар был бы выделен сразу, то большая его часть была бы эвакуирована из откачиваемого объема механическим вакуумным на сосом при предварительной откачке и на долю высоковакуумиого насоса пришлось бы небольшое количество этого пара. Но беда в том, что укрывшиеся в щелях и порах газообразующие вещества переходят в газообразное состояние крайне медленно и происходит это обычно уже при высоком вакууме, когда откачка производится
высоковакуумным |
насосом, |
а при давлении, например, порядка |
|||
10-5 мм рт. ст. |
тот же |
объем |
пара |
будет |
занимать уже К=л |
= 1,25 • 760 • 105 = 95 000 000 л, что |
явится |
для |
пароструйного насоса |
||
со средней быстротой действия, например 500 л/сек, огромной на грузкой.
Изложенное ранее наглядно показывает, какое огромное значение имеют в вакуумной технике правильный выбор конструкционных ма териалов, соблюдение специфических требований технологии и высо кий уровень вакуумной гигиены, т. е. чистота и аккуратность в про цессах изготовления, сборки, испытаний и эксплуатации вакуумных систем, чистота всех материалов, инструмента, чистота производст венных помещений.
10
1-7. РАБОТА УЗЛОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Ряд узлов вакуумного оборудования должен работать при минусовых температурах, а иногда и в условиях глубокого холода.
Газоотделение стенок установки, уплотнителей, проникание в откачиваемые объемы паров масла или ртути из диффузионных на сосов и, наконец, различные газообразные выделения при технологи ческих процессах, для которых предназначены установки, делают в некоторых случаях недостаточной откачку одним механическим или даже диффузионным насосом. Для удаления или связывания конден сируемых паров и газов в вакуумные системы вводятся ловушки с интенсивным охлаждением их рабочих поверхностей до низких тем ператур.
Конструкции их весьма разнообразны и выбираются в зависимо сти от назначения и устройства установки. Хладагентами, т. е. охлаж дающими веществами, могут служить: вода, различные смеси с су хим льдом, фреон, жидкий азот, жидкий водород и даже жидкий гелий.
Таким образом, узлы охлаждающих и конденсирующих устройств могут работать при температурах от +450 и почти до —270 °С. В широких температурных диапазонах работают и устройства для транспортировки хладагентов: сосуда Дьюара и специльные танки. При изготовлении этих узлов и устройств применима по большей части та же технология, что и при изготовлении обычной вакуумной аппаратуры. Следует тут же отметить, что широко распространенное среди машиностроителей мнение о непригодности оловянно-свинцовых припоев для работы при низких температурах ошибочно: пайка этими припоями при соблюдении определенных условий, указываемых ниже, допустима и в условиях глубокого холода.
1-8. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ДВИЖУЩИХСЯ М ЕХАНИЗМ О В В ВАКУУМЕ
Важнейшим фактором в работе каждого движущегося ме ханизма является трение между его деталями. Как известно, сила трения в огромной степени зависит от смазки трущихся поверхностей, т. е. от той жидкостной и газовой прослойки или частиц твердой смазки, которые удерживают трущиеся поверхности на определенном расстоянии, -не давая деталям разрушать друг о друга свои поверх ностные слои.
Такой смазкой являются в обычных атмосферных условиях не только специально наносимые на трущиеся поверхности и постоянно возобновляемые слои смазочных материалов,, но и находящиеся на них всегда тончайшие, но крепко с ними связанные пленки адсорби рованных веществ, которые при известных нагрузках и на какое-то время сами по себе могут снизить силы трения и предохранить по верхности деталей от разрушения. Следовательно, о действительно сухом трении в обычных атмосферных условиях можно говорить только условно.
Трение скольжения в высоком и сверхвысоком вакууме носит осо бый характер. В высоком вакууме в движущиеся механизмы редко вносится специальная смазка, так как в большинстве случаев она явилась бы источником газа, а сорбированные слои жидкостей и ra
il
зов значительно уменьшены п при продолженчп откачни все более уменьшаются, вследствие чего наступает действительное сухое тре ние, что особенно резко выражено в аппаратах сверхвысокого ва куума, где сорбированные пленки удалены почти нацело, а внесение смазки недопустимо. Практически это приводит к быстрому задира нию, заеданию трущихся поверхностей и даже к частичному привари ванию их друг к другу, если прикладываются достаточно большие усилия.
Следовательно, к движущимся механизмам, работающим в ва кууме, предъявляются специфические требования. Для быстродвнжущихся и значительно нагруженных детален здесь возможно примене ние только подшипников качения и то лишь специальных типов или прошедших специальную обработку. Качающиеся или медленно сколь зящие пары при небольших нагрузках должны подвергаться покры тию твердой смазкой, равно как и крепежные детали для установок сверхвысокого вакуума. Последние могут сульфидироваться.
Глава вторая
МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
2-1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Если в отношении расчетов на прочность ваку умные установки по большей ча-сти являются сравни тельно несложными, то в отношении материалов, из ко торых изготовляются эти установим, вакуумная техника предъявляет разнообразные и серьезные требования к их физическим свойствам н химическому составу.
Вакуумная техника сравнительно молода и еще не успела предъявить металлургии и другим отраслям про мышленности свои специфические требования на все ма териалы. Что касается металлов, пластических масс и ряда других материалов, то вакуумщикам приходится часто приспосабливаться к материалам общего назначе ния или выпускаемым по специальным техническим условиям других отраслей техники.
Основные условия, которым должны удовлетворять поделочные материалы в вакуумной технике — это наи большая вакуумная плотность при самых малых толщи нах и наименьшее возможное газовыделение в вакууме даже при повышенной температуре.
Эти условия исключают возможность использования в высоком ракууме сколько-нибудь пористых материЗ’
1?
лов |
('как, |
например, чугун, техническая резина, фаянс |
и т. п.). |
Стенки и внутренние детали высоковакуумной |
|
установки |
нельзя изготовлять из пористых материалов, |
|
так |
как они не только пропускают, но н хорошо погло |
|
щают газы и жидкости при соприкосновении с ними, а затем при откачке установки способны длительно «газпть», т. е. выделять газы из своих пор.
Удаление таза из пор с помощью откачки и испаре ние в вакууме поглощенной пористым материалом жидко сти при комнатных температурах происходит медленно, так как длина пор значительно превышает размеры их сечения. Обязательной операцией подготовки вакуумной установки к работе является его тщательная промывка чистыми растворителями с последующей просушкой. Детали из пористого материала нельзя достаточно чисто промыть. Растворенные загрязнения прочно забиваются в поры и полностью удалить их оттуда невозможно. Даже мельчайшая пористость материала делает егога зопроницаемым. Следовательно, никакие пористые мате риалы в технике высокого, а тем более в технике сверх высокого вакуума неприменимы.
Разумеется, особняком стоят высокопористые газо поглощающие материалы, сорбенты (цеолит, активиро ванный уголь и т. п.), являющиеся в некоторых насосах и ловушках рабочим телом, связывающим откачиваемые газы или пары.
Весьма большое значение имеет плотность паров кон струкционного материала при топ или иной температу ре. 'Применение для изготовления установки высокого, а тем более сверхвысокого вакуума материалов, кото рые при рабочих или тренировочных (в процессе обезгаживаиия) температурах имеют плотность паров, близ кую к предельному вакууму данной установки, должно быть исключено.
на |
•Плотность паров конструкционного материала долж |
|||
быть на |
2—3 |
порядка ниже остаточного |
давления |
|
в |
установке |
при |
предельном разрежении в |
условиях |
максимального предполагаемого его прогрева. Это необ ходимо потому, что испарение материала происходит в некоторой мере и при более низких температурах и оно ни в коей мере не должно достигать в рабочих усло виях заметной величины, иначе может произойти напы ление материала на такие детали, для которых это не допустимо, например напыление металла на электронзо-
13
.пирующие детали. Необходимо иметь в виду, что испаре нию подвержены ие только чистые металлы, но и прочно связанные компоненты сплавов.
Академик С. А. Векшинский в своих исследованиях показал [Л. 2], что при соответствующих условиях при нагреве в высоком вакууме из сплавов в значительной части могут быть испарены компоненты с 'более высоки ми плотностями паров. Так, например, пшик из латуни можно испарить почти полностью при длительном и до статочно высоком нагреве в высоком вакууме с постоян ной откачкой.
Это обстоятельство заставляет с большой осмотри тельностью относиться к назначению припоев для пайки тех или иных узлов вакуумной системы, поскольку в большинстве ходовых марок припоев содержатся та кие металлы, как кадмий, цинк, магний, висмут, сурьма, имеющие весьма высокие плотности паров при темпера турах, до которых могут нагреваться современные ва куумные установки.
Ряд сплавов, как, например, латунь, монель-металл, некоторые марки бронзы и т. п., по тем же причинам не могут быть применены в высоковакуумной системе, хотя они и обладают высокими прочими физическими и осо бенно технологическими свойствами.
Требования вакуумной гигиены обусловливают и не обходимость широкого применения, особенно в сверхвысоковакуумных установках, коррозионно-стойких мате риалов, несмотря на их повышенную стоимость, а иногда и дефицитность. Дело в том, что большинство твердых окислов металлов и сернистых включений ведут себя в ва кууме как в восстановительной среде, постепенно пере ходя в иные соединения и длительно выделяя газообраз ные соединения или кислород. Следовательно, металлы, имеющие даже следы коррозии, для высоковакуумных систем не пригодны.
Значительная часть вакуумных систем по своему на значению должна быть 'стойкой к агрессивным газам н жидкостям. Следовательно, повышенная коррозионная стойкость может являться также одним из основных требований, предъявляемых к конструкционным вакуум но-техническим материалам, а в сверхвысоковакуумной системе это требование 'сочетается еще и с коррозион ной стойкостью при повышенных температурах (до 500°С, а иногда и выше). Чем выше коррозионная стой
14
кость материалов, тем чище nipii всех условиях их по верхности, тем надежнее вакуумная аппаратура.
В вакуумном производстве большую роль играют также неметаллические материалы, из которых изготов ляются (во многих случаях) уплотнители, изоляторы, особо термостойкие детали, а иногда и целые вакуумные системы, как, например, стеклянные лабораторные уста новки. Для неметаллических материалов важна возмож ность вакуумно-плотного соединения их с металлами путем пайки или надежного механического соединения.
2-2. МЕТАЛЛИЧЕСКОЕ ЛИТЬЕ
Присущая большинству литых деталей пори стость делает нежелательным как размещение их внутри высоковакуумиых систем, так и наличие в каких-либо узлах этих систем литых металлических стенок, крышек или днищ. Однако в форвакуумной части систем при сравнительно высоких давлениях (выше 10_3 мм рт. ст.) п при соблюдении определенных условий может приме няться металлическое литье.
Примером служит высококачественное чугунное и цветное литье, применяемое в механических вакуумных насосах. Здесь литые детали обычно находятся в посто янном контакте с вакуумным маслом, что уменьшает вредное влияние пористости, а главное здесь общий по ток откачиваемого газа несоизмеримо велик по сравне нию с тем количеством газа, которое может проникнуть через литые стенки или выделяться из их пор.
Для более высокого вакуума литые детали практиче ски неприменимы, если они не подвергнуты специальной обработке, имеющей 'целью надежно закрыть их поры. Иногда такой обработкой может являться горячее лу жение внутренних поверхностей. В последнее время ста ла применяться также футеровка литых деталей ваку умно-плотными, отделяющими малое количество газов пластическими массами (полиэтилен, фторопласты и др.). Этот способ герметизации, несомненно, имеет большие перспективы в будущем.
Наиболее подходящими марками литейного чугуна для изготовления деталей форвакуумной системы мож но считать следующие (или аналогичные им по плотно сти и механическим свойствам): МСЧ 24-48 (завод име ни Владимира Ильича); СЧ 24-44, состав 23 [Л. 3]; СЧ
15
