Файл: Балицкий А.В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 554
Скачиваний: 2
24-44, составы 12-15; СЧ 21-40, состав 19. Во всех случаях чугун должен быть плотным, мелкозернистым, обладать хорошими антифрикционными свойствами, не говоря уже о литейных 'свойствах.
>В последние годы все более широкое распростране ние получают двухроторные механические вакуумные насосы, работающие по принципу воздуходувки Рутса, а также пароэжекторные насосы. Для изготовления тех и других выгодно применять алюминиевые литейные сплавы. Из большого количества существующих марок этих сплавов можно рекомендовать для вакуумных це лей сплавы АЛ-2, АЛ-5, АЛ-9 ГОСТ 2685-63.
Литейные бронзы, применяемые для изготовления деталей форвакуумной арматуры, не должны содержать цинка, кадмия, фосфора. Так же, как и другие литейные материалы, бронза должна обладать в отливках высо кой плотностью и легко обрабатываться.
2-3. ПРОКАТНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Ограниченное применение литья для изготовле ния деталей вакуумных систем делает наиболее пригод ным для этой цели листовой и сортовой прокат черных
ицветных металлов и сплавов.
Впроцессе проката литые болванки подвергаются многократному уплотнению между валками прокатных станов в сильно нагретом 'состоянии, причем происходят
сжатие, перегибы и заваривание капиллярных каналов и пор в толще металла, служащих в литом металле про ходами для газа или мельчайшими резервуарами для него. Это придает большинству прокатных материалов свойства вакуумной герметичности даже при самой не большой их толщине.
К таким материалам относятся листовой и сортовой прокат нержавеющей стали, часть проката малоуглеро дистой конструкционной стали, прокат из меди, латуни, многих сортов бронзы, алюминия и его сплавов, никеля, титана и его сплавов. Широкое применение в вакуумной технике имеют также трубы цельнокатаные и цельнотя нутые бесшовные. Трубы сварные, носящие обычно наи менование газовых, для вакуумных систем непригодны, так как в подавляющем большинстве случаев их свар ные швы не отвечают требованиям вакуумной плотности.
16
Понятно, что детали 'более или менее сложной кон фигурации из прокатного металла можно изготовить только с помощью 'сварки или пайки. Далеко не все ме таллы и сплавы обладают одинаковой способностью сва риваться или спаиваться друг с другом. В дальнейшем указывается ряд наиболее употребительных в вакуумной технике марок металлов и сплавов, отвечающих если не полностью, то в наибольшей степени специфическим требованиям вакуумной техники.
Дефекты проката. К сожалению, не все прокатные металлы имеют одинаковую вакуумную плотность во всех направлениях. В то время как медь, латунь, ни кель, нержавеющие стали почти всегда позволяют изго тавливать детали любой формы из любого куска прока та с расположением этих деталей в куске (заготовке) по любым плоскостям и направлениям, многие партии ма лоуглеродистой стали имеют неодинаковую плотность в разных плоскостях заготовки. Здесь важнейшим фак тором является направление прокатки, т. е. направление так называемого «прокатного волокна». Часто встреча ются также трещины в некоторых специальных сплавах (ковар, железо Армко).
Волокнистость металла обычно на глаз незаметна. Однако волокна шлаковых включений, расположенные нитями вдоль направления прокатки, наблюдаются весь ма часто как в листовой, так и в сортовой малоуглеро дистой стали многих профилей и размеров. Эти шлако вые волокна имеют различную величину как в попереч ном сечении, так и по длине. В некоторых случаях они
хорошо |
заметны на |
глаз (когда имеют |
площадь попе |
речного |
сечения до |
1 мм2 и резко отличаются от окру |
|
жающего металла |
цветом, структурой |
и твердостью). |
|
В других случаях они совершенно незаметны не только для 'невооруженного глаза, но и при рассматривании сечения металла в обычные лупы. Однако во всех случаях они являются настоящим бичом производ ства вакуумных установок и электровакуумных при боров.
В ряде случаев как различимые, так и совершенно незаметные шлаковые волокна, пронизывая сравнитель но тонкие стенки стальных деталей, образуют в послед них мельчайшие отверстия, газопроницаемые с самого начала и обнаруживаемые откачке изготовленного узла
2-308 |
i |
у гза C roft |
|
' Т г- —. |
В других случаях эти пороки проката возможно об наружить только после прогревания деталей в восстано вительных средах или в вакууме.
Такие глубоко скрытые шлаковые волокна представ ляют собой капиллярные каналы, заполненные стекло видной шлаковой массой, в своем естественном виде не
проницаемой |
для газов |
н неразличимой |
по внешнему |
||
виду. Они могут остаться незамеченными, |
и детали, |
||||
изготовленные из такой |
стали, могут быть пропущены |
||||
контролером |
не только |
после |
тщательного |
осмотра, |
|
но даже и после контрольного |
испытания |
на |
течеиска- |
||
теле. |
|
|
|
|
|
Если такие волокна попадут в процессе дальнейшей обработки в зону сварки или в зону термического влия ния либо детали с такими волокнами проходят пайку или отжиг в водороде или в вакууме, то они могут стать источником натекания.
Попытки «залечить» такие детали запаиванием или подваркой обычно успеха не имеют, так как шлаковые включения припоями не смачиваются, а при нагреве в процессе пайки (или заварки) выделяют много газов, прорывающих слой накладываемого припоя '(или при садочного металла) и снова создающих поры.
Такая же картина может получиться и во время экс плуатации готового вакуумного аппарата. Изготовленная вполне качественно во всех других отношениях и про шедшая контрольные откачки установка в дальнейшей работе с нагревом под вакуумом может довольно скоро выйти из строя и оказаться непригодной к работе. Это происходит вследствие разложения при нагреве в ваку уме или в восстановительных средах окислов металлов
исульфидных соединений, частично образующих запол нение шлаковых волокон. Заполнение становится пори стым и начинает пропускать газ.
'Внедрение техники в область сверхвысокого вакуума
иразработка в связи с этим весьма чувствительных кон
трольных приборов дали возможность выяснить, что и нержавеющие стали и никелевые сплавы, долгое время считавшиеся безусловно надежными в отношении ва куумной герметичности, не свободны от тех же недо статков, хотя и в меньшей степени.
Только двойная вакуумная переплавка или. последо вательно проведенные электрошлаковая и вакуумная плавки дают свободный от неметаллических включений
18
(в пределах чувствительности существующих методов произодственного анализа) металл.
В применяемых специальных сортах металла и спла вов дефекты в виде трещин наиболее часто встречаются в болванках и листах железа Армко и в прутках ковара, особенно в их концевых частях.
Борьба с течью по шлаковым волокнам. Лучше всего изготавливать детали так, чтобы волокна проката рас полагались вдоль стенки и не могли служить соедини тельными каналами между вакуумной полостью и атмо сферой. Иногда этодостигается просто путем правиль ного размещения будущей детали относительно оси за готовки. В других случаях приходится для этой цели заменять целиковые детали сварными, например идти на вваривание в стакан днища из листа, хотя по разме рам стакан мог бы быть выточен целиком из одного куска. Не следует бояться в этих случаях появления лишнего сварного шва, особенно в стальных деталях. Современная техника сварки позволяет делать сварные соединения, не уступающие по герметичности цельной стенке (в пределах чувствительности существующих, весьма точных методов испытания).
Наконец, выгодно делать детали из поковок. 'В про цессе ковки газопроницаемые волокна по большей части перегибаются, сплющиваются, завариваются на переги бах.
Ковка не может дать полной гарантии герметичности всех деталей, но снижение брака получается весьма зна чительным. В особенности это относится к малоуглеро дистой стали. Детали из поковок нержавеющей стали, особенно аустенитной, требуют дополнительной термооб работки для восстановления ее особых физических свойств.
Снизить брак может также и предварительное испы тание материала на герметичность. Для этого следует
отрезать с обоих концов болванки (прута) |
перпендику |
|
лярно |
направлению прокатки образцы толщиной 2— |
|
3 мм, |
отжечь их в вакууме, в водороде или в окиси угле |
|
рода |
при 1 000—1 100 °С и затем испытать |
на герметич |
ность масс-спектрометрическим течеискателем. |
||
Эта мера не всегда полностью достигает цели, так |
||
как иногда прутки, плотные по концам, |
оказываются |
|
пористыми в середине, но обычно середина прутка |
(бол |
ванки) бывает плотнее концов. |
|
О* |
19 |
м |
2-4. ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ
Сталь. Конструкционная углеродистая качест венная сталь. Из многочисленных марок стали в ва куумной технике наиболее часто применяются малоугле родистые, надежно сваривающиеся стали.
Стали марок 08, 10, 15 и 20, ГОСТ 1050-60, хорошо свариваются (различными методами газовой и электро сварки, хорошо паяются твердыми и мягкими припоями, не закаливаются, хорошо цементируются. Механические свойства: предел прочности 32—44 кгс/мм2, относитель ное удлинение 26—33%, твердость по Брннеллю 140— 170. Как листовая, так и сортовая сталь всех размеров применяется для изготовления всевозможных деталей корпусов л внутренних устройств вакуумной аппара туры.
Сталь марки 45, ГОСТ 1050-60 (0,42—0,49% С, 0,17— 0,37% Si, 0,50—0,80% Мп, 0,040% S, 0,040% Р, 0,25% Ni, 0,25% Сг) сваривается значительно хуже, чем малоуглеродистые стали, требует последующего обжига, но даже с последующей термообработкой не рекоменду ется для сварных вакуумных узлов. Закаливается до твердости 55 по Роквеллу при температуре закалки 840°С. Паяется хорошо как твердыми, так и мягкими припоями. Механические свойства иезакалениой стали: предел прочности 64 кгс/мм.2, относительное удлинение 17%, твердость по Брннеллю 180—217. Эта сталь реко мендуется для изготовления резьбовых деталей, валов и других значительно натруженных и подвижных дета лей.
Для изготовления тонкостенных штампованных стальных деталей применяется по большой части тонко листовая, отожженная и протравленная сталь марки 08КП или 10КП, ГОСТ 4050-60. Ее основные механиче ские свойства: предел прочности 28—38 кгс/мм2, относи тельное удлинение 26—30%.
Для изготовления невакуумных деталей: рам, станин, каркасов, деталей внешних приводов и т. п. —примени мы самые разнообразные стали, предназначенные для общего машиностроения.
Нержавеющая сталь. ГОСТ 5949-61 содержит раз личные /марки нержавеющих сталей, но в вакуумной технике далеко не все они одинаково применимы. Наи большим вниманием вакуумщиков пользуются стали
№
аустенитного класса и особенно сталь Х18Н10Т, заме нившая собой широко распространенную сталь марки 1Х18Н9Т. Сталь эта кислотоупорная, немагнитная, кор розионно-стойкая, хорошо сваривается различными 'Ме тодами электросварки, удовлетворительно паяется твер дыми и мягкими припоями при условии применения спе циальных флюсов. Существенным недостатком боль-. шинства нержавеющих сталей является присущая им недостаточная устойчивость против межкристаллитной коррозии, что неизбежно влечет за собой потерю ва куумной герметичности, особенно в сварных швах и зоне температурного влияния и при длительных прогревах деталей до 450—750 °С. В этом интервале температур аустенитная фаза интенсивно распадается и по грани цам ее зерен при наличии достаточного количества нерастворенного углерода образуются карбиды хрома.
Считается, что сталь с содержанием хрома менее 13% неустойчива против межкристаллитной коррозии. Образование карбидов хрома снижает содержание хро ма по границам зерен аустенита ниже 13%. Для умень шения выпадения хрома в карбиды следует, очевидно, уменьшить содержание углерода в стали и в теле свар ных швов или же вводить в сталь титан и ниобий, кото рые образуют с углеродом карбиды ранее хрома. Повы шение содержания никеля также расширяет температур ные границы аустенитной структуры и увеличивает устойчивость стали против межкристаллитной коррозии. Легче всего оказалось получить равномерную аустенит ную структуру при содержании в стали 18—20%‘ хрома и 8—10% никеля с термообработкой при температурах 1050—И150°С [Л. 4]. 'При этих же температурах аусте нит способен растворять карбиды, если общее содержа ние углерода в стали не превышает 0,2%. Однако при комнатной температуре растворимость карбида снижа ется до 0,02% [Л. 5]. Поэтому для сварных высокова куумных конструкций лучше применять стали марок
0Х18Н10Т, 00Х18Н10 и 0Х18Н12Б.
Сохранению аустенитной структуры содействует так же присадка марганца и в меньшей степени азот и медь. Поэтому для вакуумной системы, подвергающейся мень шим прогревам, возможно использование таких сталей,
как Х17Г9АН4 (ЭИ878), Х14Г14НЗТ (ЭИ711), 1Х21Н5Т (ЭИ811), Х28АН (ЭИ657 с азотом). Из них стали ма рок 1Х21Н5Т 11 Х17Г9АН4 в нагартовацном состоянии
?!
