МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ УПЛОТНЕНИЙ
Соединения вакуумных компонентов – наиболее критические узлы с точки зрения поддержания герметичности системы. За герметичность соединений отвечают уплотнения. Виды уплотнений определяются как конструкцией вакуумного соединения, так и условиями его эксплуатации.
Разберемся в этом подробнее.
Соединения типа KF и ISO (рис. 1) — это разъемные соединения, и желательно, чтобы уплотнения в этих соединениях можно было использовать многократно. Поэтому для герметизации соединений этого типа чаще всего применяются эластомерные уплотнения — кольца из вакуумной резины. Для условий пониженных или повышенных температур, при которых эластомерные материалы теряют свои свойства, уплотнения соединений KF и ISO делают из металла — алюминия.
Соединения типа СF и COF (рис.2) предназначены для более высокого вакуума и для эксплуатации в условиях экстремальных температур. Разбирают соединения этого типа нечасто. Поэтому основным видом уплотнений для этих соединений являются кольца, изготовленные из высокочистой бескислородной меди. А для придания меди эластичности, кольца отжигают в вакууме или среде инертного газа. Впрочем, в соединениях этого типа могут также использоваться эластомерные прокладки (если высокий вакуум не требуется, и соединение не подвержено воздействию высоких или низких температур), кольца из алюминия или фторопласта.
Для вакуумной герметизации вводов вращения используются магнитные жидкости. Для герметизации соединений гибких вакуумных шлангов со штуцерами применяют консистентные вакуумные смазки. Известны также и другие виды уплотнений, но используются они нечасто, и в этой статье не рассматриваются.
ВАКУУМНЫЕ РЕЗИНЫ И ДРУГИЕ ЭЛАСТОМЕРНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
Для уплотнения вакуумных соединений наиболее широко используются бутадиен-нитрильные каучуки (NBR, БНК, СНК (Россия)), фторкаучуки (FKM, FPM, СКФ (Россия)) и перфторированные каучуки (FFKM, FFPM, СКФ-460 (Россия)). Значительно реже применяются уплотнения из фторопласта (PTFE, ПТФЭ), силиконов и этилен-пропилен-диеновых каучуков (СКЭПТ, EPDM).
Бутадиен - нитрильные каучуки (БНК)
Бутадиен-нитрильный каучук - синтетический материал, продукт полимеризации бутадиена с акрилонитрилом. Международное обозначение: NBR. В России обозначается как БНК (СНК), часто употребляется наименование «нитрил». БНК выпускается под торговыми марками Buna-N, Perbunan, Nipol, Krynac, Europrene, в России - БНКС, ИРП-1078 и др.
Вакуумные уплотнения из нитрила предназначаются для применения при температурах от -50 до +100 оС (кратковременно до +120°С). Основные достоинства уплотнений из БНК, важные с точки зрения вакуумной техники:
высокая эластичность и низкая остаточная деформация;
высокая устойчивость к минеральным маслам (в том числе к вакуумным маслам), бензолам, жирам, углеводородам (пропан, бутан, неэтилированные бензины), хладагентам групп HFA, HFB, HFC, кислотам и щелочам в низкой концентрации;
высокая стойкость к истиранию (износостойкость), поэтому кольца из нитрила применяют, в том числе, для уплотнения валов вакуумных вводов вращения;
относительно несложная технология производства и, как следствие, низкая стоимость;
Не рекомендуется использовать нитриловые уплотнения при откачке сред, содержащих
ароматические углеводороды (толуол, бензол);
этилированные бензины;
пары силиконовых жидкостей и смазок;
хлорированные углеводороды (трихлор-, перхлорэтилены);
жидкости на гликолевой основе;
хладагенты группы HFD;
эфиры.
Основной недостаток нитрила — слабая стойкость к воздействию повышенных температур. Это ограничивает применение нитриловых уплотнений в высоковакуумных и сверхвысоковакуумных системах, в которых для получения заданного остаточного давления требуется обезгаживание системы при повышенных температурах. В кислородсодержащей атмосфере (в т.ч. на воздухе) при температурах 80°С и выше нитрил быстро «стареет» — твердеет и дает трещины. Аналогичное воздействие на этот материал оказывает озон. «Старение» уплотнений из нитрила под воздействием кислорода проявляется также при их длительном открытом хранении на воздухе.
Фторорганические каучуки (FKM, FPM, СКФ)
Синтетические фторорганические каучуки получают полимеризацией винилиденфторида с гексафторпропиленом, трифторхлорэтиленом или перфторметилвиниловым эфиром. Эти материалы были созданы компанией DuPont и поставлялись под торговой маркой Viton®. Поэтому за этим классом материалов неофициально закрепилось название «viton» (по-русски – «витон»), хотя поставляют эти материалы и другие производители под своими торговым и марками: Fluorel, Technoflon, Dai-El, Dyneon, в России - ФК, СКФ26 и др. По стандарту ISO материал обозначается как FPM; по классификации ASTM (США) - FKM.
Основными достоинствами фторкаучуков, обусловившими их широкое применение в качестве вакуумных уплотнений, являются:
низкая газопроницаемость для широкого спектра газов;
низкая остаточная деформация при сжатии, способность сохранять эластичность неограниченно долгое время,
высокая износостойкость и, как следствие, возможность использования этих материалов в уплотнениях подвижных элементов (валов);
устойчивость к воздействию большего количества химических агентов, в том числе отличная стойкость к маслам и смазкам, топливу, большинству минеральных кислот и углеводородов;
сохранение уплотняющих свойств при повышенных температурах (продолжительно – до 200°С, кратковременно – до 250°С), в том числе низкой остаточной деформации и устойчивости к маслам и химическим веществам;
хорошие электроизоляционные характеристики.
Нижний предел рабочих температур фторкаучуков в зависимости от марки варьируется в диапазоне -30 … -10 оС. Эти материалы не рекомендуется использовать в случае присутствия в откачиваемой среде:
эфиров;
щелочей и их паров в высокой концентрации;
аммиака и его производных (аминов).
Уплотнения из фторкаучуков имеют, как правило, черный или коричневый цвет. Их стоимость, при равных размерах, выше, чем уплотнений из нитрила. При перегреве фторкаучуки выделяют токсичные вещества.
Перфторированные каучуки (FFKM, FFPM, СКФ-некоторые марки)
Перфторированные каучуки отличаются от фторкаучуков повышенным содержанием фтора – практически все атомы водорода в органических цепочках заменены атомами фтора, что обусловливает еще более высокую температурную и химическую стойкость этих материалов.
Уплотнения из перфторированных каучуков выпускаются под торговыми марками Kalrez, SCVBR, Chemraz, СКФ-460 (Россия) и др.
Диапазон рабочих температур FFKM составляет от -10 оС до +250 оС; кратковременно эти материалы выдерживают температуру до +300 оС и выше (в зависимости от марки).
Основной недостаток перфторкаучуков — их высокая стоимость. Уплотнение из этого материала может стоить в десятки раз дороже аналогичного уплотнения из витона.
Уплотнения из нитрила и фторкаучуков используют для герметизации вакуумных соединений, седел, крышек и штоков вакуумных клапанов и затворов, дверей, люков и шлюзов вакуумных камер, вводов вращения и т.д.
Прочие эластомерные материалы для вакуумных уплотнений
Политетрафторэтилен (фторопласт-4, ПТФЭ, PTFE). Структура молекулы политетрафторэтилена представляет собой цепочку атомов углерода, окруженных атомами фтора. Этот материал отличается наиболее высокой химической стойкостью и широким диапазоном рабочих температур (от - 200 оС до +250 оС). Фторопласты обладают превосходными электроизоляционными свойствами и низким коэффициентом трения, не подвержены старению.
Недостатком этого материала является текучесть, т.е. высокая остаточная деформация при сжатии, вследствие чего фторопластовое уплотнение со временем теряет свои свойства, и соответствующее соединение нуждается в «подтягивании» или замене уплотнения. Фтороплатст-3 (полихлортрифторэтилен, ПХТФЭ, PCTFE — материал, в котором 1 атом фтора в координационной сфере атома углерода замещен на атом хлора) обладает меньшей остаточной деформацией. Однако, этот материал имеет меньшую термостойкость и более высокую стоимость.
Силиконовые резины (SI, FSI). Эти материалы обладают высокой химической и термической стойкостью, однако имеют высокую газопроницаемость для легких газов (водорода, гелия), а также относительно высокое давление паров собственных компонентов, поэтому применяются преимущественно в системах низкого и среднего вакуума.
В таблице 1 приведены сравнительные характеристики эластомерных материалов вакуумных уплотнений.
При выборе вида вакуумного соединения и материала уплотнений необходимо учитывать много факторов: требуемую глубину вакуума, необходимость частой разборки-сборки соединения, рабочую температуру, химическую активность откачиваемой среды, газопроницаемость материалов и т.д. И, конечно, стоимость.
Поэтому мы рекомендуем обращаться к специалистам. Служба технической поддержки ООО «Ист Вакуум» окажет помощь в выборе оптимальных технических решений, учитывающих как технические требования, так и экономические факторы.
Компания «Ист Вакуум» поставит необходимые компоненты и комплектующие изделия в кратчайшие сроки и в точном соответствии со спецификацией. Запас наиболее востребованных изделий поддерживается на складе в Санкт-Петербурге.
О металлических уплотнениях вакуумных соединений мы расскажем в следующей части статьи в нашем блоге.
