Selecció i aplicació d'anells de segellat en entorns d'alta temperatura, alt buit i camp magnètic fort

En condicions operatives exigents que requereixen temperatures des de la temperatura ambient fins a 250 °C, la presència d'un entorn magnètic i un buit ultra alt (normalment definit com a pressions inferiors a 10⁻⁷ Pa), la selecció dels anells de segellat adequats és primordial. Aquestes condicions es troben habitualment en instal·lacions de recerca científica avançades (per exemple, acceleradors de partícules, dispositius experimentals de fusió), equips de fabricació de semiconductors (per exemple, màquines de gravat, implantadors d'ions) i sistemes de propulsió aeroespacial.

Reptes principals i requisits de segellat

Aconseguir un segellat eficaç requereix complir simultàniament els següents requisits crítics:

1. ​Resistència a altes temperatures:El material ha de suportar un funcionament a llarg termini a 250 °C, mantenint l'elasticitat i el rendiment de segellat sense descomposició ni reblaniment.
2. ​Baixa taxa de desgasificació:En entorns d'ultra alt buit, la taxa de desgasificació total del material ha de ser extremadament baixa (normalment <1×10⁻⁸ Pa・m³/s) per evitar l'alliberament de substàncies volàtils que podrien contaminar el buit.
3. ​Resistència/Compatibilitat a les interferències magnètiques:En entorns magnètics, el material de l'anell de segellat ha de ser no magnètic o no interferir amb el camp magnètic, cosa que normalment requereix l'ús de materials no ferromagnètics.
4. ​Resistència a la radiació (si escau):Si hi ha radiació ionitzant (per exemple, en algunes configuracions experimentals), el material ha de resistir els danys per radiació.
5. ​Propietats mecàniques:Una taxa de recuperació elàstica suficient (normalment superior al 80%) i una resistència a la deformació per compressió són essencials per fer front a les fluctuacions de pressió del sistema i als cicles tèrmics.

Tipus i materials adequats per a anells de segellat

Segons els resultats de la cerca, els següents tipus i materials d'anells de segellat són solucions preferides per a aquestes condicions:

1. Segells metàl·lics

Els segells metàl·lics es consideren l'estàndard d'or per a entorns d'ultra alt buit, ja que compleixen perfectament els requisits de baixa desgasificació, resistència a altes temperatures i compatibilitat magnètica.

• ​Selecció de materials:​
  • ​Coure sense oxigen:Aquesta és l'opció més comuna. Presenta una excel·lent capacitat de deformació plàstica, aconseguint un segellat mitjançant el flux plàstic sota compressió per omplir petites imperfeccions a les superfícies de les brides. No és magnètic, ofereix una resistència superior a altes temperatures i pot suportar una cocció a altes temperatures (sovint molt per sobre dels 250 °C) per accelerar la desgasificació i aconseguir nivells de buit més alts, cosa que el converteix en l'opció principal per a una aplicació generalitzada.
  • ​Alumini pur:També no és magnètic i relativament barat. És més tou i fàcil de formar i segellar, però la seva resistència mecànica a temperatures més altes pot ser inferior al coure sense oxigen.
  • ​Plata / Or:Aquests metalls ofereixen un rendiment excepcional i taxes de desgasificació extremadament baixes. Tanmateix, el seu cost molt elevat normalment restringeix el seu ús a aplicacions de recerca especials o extremes.
• ​Configuracions comunes:​
  • ​Segellat de brida Conflat (CF):Utilitza una junta de coure sense oxigen combinada amb una brida d'acer inoxidable amb vora de ganivet. Sota la precàrrega del cargol, la junta de coure es deforma plàsticament i mossega la vora de la ganivet, formant un segellat estàtic amb una integritat extremadament alta. Aquesta és una configuració estàndard en sistemes d'ultra alt buit.
  • ​Segells accionats per ressort (per exemple, Helicoflex):Consisteixen en una jaqueta metàl·lica (per exemple, coure sense oxigen, plata, acer inoxidable) i una molla interna. La molla proporciona una força de compensació contínua, permetent l'adaptació a l'expansió/contracció tèrmica i a les petites deformacions dins del sistema, donant com a resultat una fiabilitat de segellat molt alta. Són especialment adequats per a aplicacions amb cicles de temperatura o vibracions.

2. Perfluoroelastòmer (FFKM)

Si el disseny del sistema és més adequat per a segells elastomèrics o requereix una major comoditat d'instal·lació, el perfluoroelastòmer (FFKM) representa la millor opció entre els materials polimèrics, tot i que a un cost molt elevat.

• ​Característiques:Es pot considerar la versió definitiva del cautxú de fluorocarboni. Com que gairebé tots els àtoms d'hidrogen de la seva molècula són substituïts per àtoms de fluor, el FFKM posseeix una excel·lent resistència a altes temperatures (pot suportar més de 300 °C) i una sorprenent resistència química, capaç de suportar els medis químics i el plasma més agressius.
• ​Rendiment del buit:Els anells de segellat FFKM fabricats mitjançant una formulació especial i processos nets presenten taxes de desgasificació extremadament baixes i un contingut extraïble, complint els estrictes requisits dels equips de semiconductors i ultra alt buit.
• ​Propietats magnètiques:Els materials elastomèrics generalment no són magnètics i no interfereixen amb els camps magnètics.
• ​Aplicacions:S'utilitza habitualment en cambres de buit i sistemes de subministrament de gasos corrosius de màquines de litografia i gravat de semiconductors, així com per al segellat d'oxidants en motors aeroespacials.

3. Cautxú fluorocarbonitzat (FKM/Vitó)

El cautxú de fluorocarboni és un material de segellat elastomèric d'ús comú per a entorns de buit d'alta temperatura, que representa un equilibri entre rendiment i cost.

• ​Característiques:Ofereix bona resistència a altes temperatures (normalment de -20 a 250 °C), resistència a l'oli i resistència a la majoria de productes químics.
• ​Rendiment del buit:La taxa de desgasificació de l'FKM estàndard és superior a la dels metalls i el FFKM. Generalment és adequat per a entorns d'alt buit (10⁻⁴ ~ 10⁻⁷ Pa). Per a aplicacions d'ultra alt buit, s'han de seleccionar productes amb una formulació de baixa taxa de desgasificació i pot ser necessària la cocció a alta temperatura per a la desgasificació (cal parar atenció al seu límit màxim de temperatura de cocció).
• ​Propietats magnètiques:No magnètic.
• ​Nota:No és resistent als àlcalis forts, cetones i alguns dissolvents d'èsters.

​Comparació de les propietats clau:Les principals opcions de segellat que es discuteixen (segells metàl·lics de coure sense oxigen, perfluoroelastòmer (FFKM) i cautxú de fluorocarboni (FKM)) difereixen significativament en les seves característiques clau. Els segells de coure sense oxigen resisteixen temperatures superiors a 400 °C i presenten una desgasificació extremadament baixa, cosa que els fa ideals per a aplicacions d'ultra alt buit (<10⁻⁷ Pa). No són magnètics i ofereixen una bona resistència a la radiació, però la seva elasticitat i compensació depenen de la deformació plàstica o de molles internes. El seu cost relatiu és elevat. Els segells de perfluoroelastòmer (FFKM) poden funcionar fins a aproximadament 320 °C. Amb una desgasificació extremadament baixa (que requereix versions de grau net), també són adequats per a ultra alt buit (<10⁻⁷ Pa), no són magnètics, ofereixen una bona resistència a la radiació i posseeixen una excel·lent elasticitat inherent i capacitat de compensació. Tanmateix, el seu cost relatiu és molt elevat, i pot superar deu vegades el del FKM. Els segells de cautxú de fluorocarboni (FKM) tenen una temperatura màxima de funcionament més baixa, d'uns 250 °C. Presenten una taxa de desgasificació mitjana (que requereix formulacions de baixa desgasificació) i són adequats per a alt buit (~10⁻⁴ – 10⁻⁷ Pa). Tot i que també són no magnètics i ofereixen una resistència a la radiació força bona, la seva elasticitat és bona i representen una opció de cost mitjà.

Recomanacions de selecció i ús

1. ​Selecció de prioritat:​
   • Per a sistemes d'ultra alt buit purs i de màxima demanda (per exemple, acceleradors de partícules, cambres de simulació d'entorns espacials),segells metàl·lics (coure sense oxigen)són elspreferit i més fiablesolució.
   • Per a entorns d'ultra alt buit que també impliquenmedis corrosius(per exemple, gasos de gravat de semiconductors) o requereixenmillor elasticitat i instal·lació més fàcil, ​Perfluoroelastòmer (FFKM)és l'opció elastomèrica d'alt rendiment, però s'ha de confirmar com a ​aspiradora ultra alta de qualitatproducte.
   • Si el requisit de buit és lleugerament inferior (per exemple, alt buit) i el rang de temperatura és dins dels 250 °C,Cautxú de fluorocarboni (FKM)és uneconòmic i pràcticelecció.
2. ​Punts clau del disseny i la instal·lació:​
   • ​Qualitat de la superfície:El/Larugositat superficial (Ra)​ de la superfície de segellat és crucial. Per a les juntes metàl·liques, normalment es requereix un Ra ≤ 0,8 μm o fins i tot inferior. Per a les juntes elastomèriques, un acabat més alt (Ra ≤ 0,4 μm) ajuda a reduir el desgast i els possibles punts de fuita.
   • ​Control de la relació de compressió:El/Larelació de compressióL'anell de segellat s'ha de controlar estrictament durant la instal·lació. Una compressió excessiva pot causar deformacions o danys permanents, mentre que una compressió insuficient provoca fuites.
   • ​Ajust uniforme:Contractar un/aseqüència d'apretament simètrica amb diversos cargolsper garantir una distribució uniforme de la força a la brida, evitant la deformació o la distorsió de la superfície de segellat.
   • ​Forn:Els sistemes d'ultra alt buit sovint requereixen cocció. Confirmeu sempre que el material de l'anell de segellat seleccionat puguisuportar la temperatura de cocció del sistema.

Resum

En les condicions detemperatura ambient a 250 °C, presència d'un camp magnètic i requisit d'ultra alt buit, ​segells metàl·lics de coure sense oxigen(especialment en configuracions de brida Conflat o energitzades per ressort) es consideren normalment la solució tècnica més fiable i principal a causa de la sevataxa de desgasificació extremadament baixa, excel·lent resistència a altes temperatures i propietats no magnètiquesSi els elastòmers són necessaris a causa del disseny del sistema o de la necessitat de manipular medis corrosius, aleshoresPerfluoroelastòmer (FFKM)és l'únic material elastomèric que pot satisfer simultàniament aquestes demandes extremes, però cal estar preparat per al seu elevat cost.

L'elecció final s'ha de basar en un compromís global que tingui en compteindicadors específics de nivell de buit, pressupost, estructura del sistema i requisits de manteniment i fiabilitatEn tots els casos, s'ha de donar prioritat a l'assessorament i el suport tècnic dels proveïdors professionals de components de segellat.