Auswahl und Anwendung von Dichtungsringen in Umgebungen mit hohen Temperaturen, hohem Vakuum und starken Magnetfeldern

Unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen, die Temperaturen von Raumtemperatur bis 250 °C, ein Magnetfeld und ein Ultrahochvakuum (typischerweise definiert als Drücke unter 10⁻⁷ Pa) erfordern, ist die Auswahl geeigneter Dichtungsringe von entscheidender Bedeutung. Solche Bedingungen finden sich häufig in modernen wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen (z. B. Teilchenbeschleunigern, Fusionsanlagen), Halbleiterfertigungsanlagen (z. B. Ätzanlagen, Ionenimplantationsanlagen) und Luft- und Raumfahrtantriebssystemen.

Kernherausforderungen und Dichtungsanforderungen

Für eine wirksame Abdichtung müssen gleichzeitig die folgenden kritischen Anforderungen erfüllt werden:

1. ​Hochtemperaturbeständigkeit:Das Material muss einem Langzeitbetrieb bei 250°C standhalten und dabei Elastizität und Dichtungsleistung ohne Zersetzung oder Erweichung beibehalten.
2. ​Niedrige Ausgasungsrate:In Ultrahochvakuumumgebungen muss die gesamte Ausgasungsrate des Materials extrem niedrig sein (typischerweise <1×10⁻⁸ Pa・m³/s), um die Freisetzung flüchtiger Substanzen zu vermeiden, die das Vakuum verunreinigen könnten.
3. ​Magnetische Störfestigkeit/Kompatibilität:In magnetischen Umgebungen sollte das Dichtungsringmaterial selbst nichtmagnetisch sein oder das Magnetfeld nicht beeinflussen, was üblicherweise die Verwendung nichtferromagnetischer Materialien erfordert.
4. ​Strahlungsbeständigkeit (falls zutreffend):Ist ionisierende Strahlung vorhanden (z. B. in einigen experimentellen Aufbauten), muss das Material strahlungsbeständig sein.
5. ​Mechanische Eigenschaften:Eine ausreichende elastische Rückstellrate (typischerweise über 80 %) und eine hohe Beständigkeit gegen Druckverformungsrest sind unerlässlich, um Druckschwankungen im System und thermische Belastungen zu bewältigen.

Geeignete Dichtungsringtypen und -materialien

Basierend auf den Suchergebnissen sind die folgenden Dichtungsringtypen und -materialien bevorzugte Lösungen für diese Bedingungen:

1. Metallsiegel

Metalldichtungen gelten als Goldstandard für Ultrahochvakuumumgebungen und erfüllen perfekt die Anforderungen an geringe Ausgasung, hohe Temperaturbeständigkeit und magnetische Verträglichkeit.

• ​Materialauswahl:​
  • ​Sauerstofffreies Kupfer:Dies ist die gängigste Wahl. Es zeichnet sich durch hervorragende plastische Verformbarkeit aus und erzielt eine Abdichtung durch plastisches Fließen unter Kompression, wodurch kleinere Unebenheiten auf Flanschoberflächen ausgeglichen werden. Es ist nicht magnetisch, bietet eine überlegene Hochtemperaturbeständigkeit und kann hohen Temperaturen (oft deutlich über 250 °C) standhalten, um die Ausgasung zu beschleunigen und so höhere Vakuumwerte zu erreichen. Daher ist es die erste Wahl für vielfältige Anwendungen.
  • ​Reines Aluminium:Es ist außerdem nicht magnetisch und relativ preiswert. Es ist weicher und lässt sich leichter formen und abdichten, seine mechanische Festigkeit bei höheren Temperaturen kann jedoch geringer sein als die von sauerstofffreiem Kupfer.
  • ​Silber / Gold:Diese Metalle bieten außergewöhnliche Leistung und extrem niedrige Ausgasungsraten. Ihre sehr hohen Kosten beschränken ihren Einsatz jedoch typischerweise auf spezielle oder extreme Forschungsanwendungen.
• ​Gängige Konfigurationen:​
  • ​Conflat-Flanschdichtung (CF):Verwendet eine sauerstofffreie Kupferdichtung in Kombination mit einem Edelstahl-Messerflansch. Unter Schraubenvorspannung verformt sich die Kupferdichtung plastisch und greift in den Messerflansch ein, wodurch eine statische Abdichtung mit extrem hoher Dichtheit entsteht. Dies ist eine Standardkonfiguration in Ultrahochvakuumsystemen.
  • ​Federbetätigte Dichtungen (z. B. Helicoflex):Sie bestehen aus einem Metallmantel (z. B. sauerstofffreiem Kupfer, Silber, Edelstahl) und einer internen Feder. Die Feder sorgt für eine kontinuierliche Ausgleichskraft und ermöglicht so die Anpassung an thermische Ausdehnung/Kontraktion und geringfügige Verformungen im System. Dies führt zu einer sehr hohen Dichtheit. Sie eignen sich besonders für Anwendungen mit Temperaturschwankungen oder Vibrationen.

2. Perfluorelastomer (FFKM)

Wenn das Systemdesign eher für elastomere Dichtungen geeignet ist oder eine höhere Installationsfreundlichkeit erfordert, stellt Perfluorelastomer (FFKM) die erste Wahl unter den Polymerwerkstoffen dar, allerdings zu einem sehr hohen Preis.

• ​Eigenschaften:Es kann als die ultimative Version von Fluorkautschuk betrachtet werden. Da fast alle Wasserstoffatome in seinem Molekül durch Fluoratome ersetzt sind, besitzt FFKM eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit (über 300 °C) und eine erstaunliche chemische Beständigkeit, die es ihm ermöglicht, den meisten aggressiven chemischen Medien und Plasmen standzuhalten.
• ​Vakuumleistung:Die durch spezielle Rezepturen und Reinraumverfahren hergestellten FFKM-Dichtungsringe weisen extrem niedrige Ausgasungsraten und extrahierbare Gehalte auf und erfüllen somit die strengen Anforderungen der Halbleiterindustrie und der Ultrahochvakuumtechnik.
• ​Magnetische Eigenschaften:Elastomere Werkstoffe sind im Allgemeinen nicht magnetisch und stören Magnetfelder nicht.
• ​Anwendungsbereiche:Häufig verwendet in Vakuumkammern und korrosiven Gaszufuhrsystemen von Halbleiterlithographie- und Ätzmaschinen sowie zur Oxidationsmittelabdichtung in Triebwerken für die Luft- und Raumfahrt.

3. Fluorkautschuk (FKM/Viton)

Fluorkautschuk ist ein häufig verwendetes elastomeres Dichtungsmaterial für Hochtemperatur-Vakuumumgebungen und stellt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Kosten dar.

• ​Eigenschaften:Es bietet eine gute Hochtemperaturbeständigkeit (typischerweise -20~250°C), Ölbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber den meisten Chemikalien.
• ​Vakuumleistung:Die Ausgasungsrate von Standard-FKM ist höher als die von Metallen und FFKM. Es eignet sich im Allgemeinen für Hochvakuumumgebungen (10⁻⁴ ~ 10⁻⁷ Pa). Für Ultrahochvakuumanwendungen müssen Produkte mit einer Formulierung mit niedriger Ausgasungsrate ausgewählt werden, und ein Hochtemperatur-Ausheizen zur Entgasung kann erforderlich sein (die maximale Ausheiztemperatur ist zu beachten).
• ​Magnetische Eigenschaften:Nicht magnetisch.
• ​Hinweis:Es ist nicht beständig gegen starke Laugen, Ketone und einige Esterlösungsmittel.

​Vergleich der wichtigsten Eigenschaften:Die wichtigsten Dichtungsoptionen – sauerstofffreie Kupferdichtungen, Perfluorelastomer (FFKM) und Fluorkautschuk (FKM) – unterscheiden sich deutlich in ihren Eigenschaften. Sauerstofffreie Kupferdichtungen sind bis über 400 °C temperaturbeständig und weisen eine extrem geringe Ausgasung auf, wodurch sie sich ideal für Ultrahochvakuumanwendungen (<10⁻⁷ Pa) eignen. Sie sind nichtmagnetisch und bieten eine gute Strahlungsbeständigkeit, ihre Elastizität und Kompensation basieren jedoch auf plastischer Verformung oder internen Federn. Ihre Kosten sind relativ hoch. Perfluorelastomer-Dichtungen (FFKM) können bis ca. 320 °C eingesetzt werden. Dank ihrer extrem geringen Ausgasung (Reinstversionen erforderlich) eignen sie sich ebenfalls für Ultrahochvakuum (<10⁻⁷ Pa), sind nichtmagnetisch, bieten eine gute Strahlungsbeständigkeit und verfügen über eine ausgezeichnete Elastizität und Kompensationsfähigkeit. Ihre Kosten sind jedoch sehr hoch und können das Zehnfache der Kosten von FKM übersteigen. Fluorkautschukdichtungen (FKM) weisen eine niedrigere maximale Betriebstemperatur von ca. 250 °C auf. Sie zeigen eine mittlere Ausgasungsrate (weshalb ausgasungsarme Formulierungen erforderlich sind) und eignen sich für Hochvakuum (ca. 10⁻⁴ – 10⁻⁷ Pa). Sie sind zudem nicht magnetisch, bieten eine recht gute Strahlungsbeständigkeit und weisen eine gute Elastizität auf. Darüber hinaus stellen sie eine kostengünstige Option dar.

Auswahl- und Anwendungsempfehlungen

1. ​Prioritätenauswahl:​
   • Für hochreine Ultrahochvakuumsysteme (z. B. Teilchenbeschleuniger, Weltraumsimulationskammern)Metalldichtungen (sauerstofffreies Kupfer)sind diebevorzugt und am zuverlässigstenLösung.
   • Für Ultrahochvakuumumgebungen, die auch Folgendes beinhaltenkorrosive Medien(z. B. Ätzgase für Halbleiter) oder erfordernbessere Elastizität und einfachere Installation, ​Perfluorelastomer (FFKM)ist die leistungsstarke Wahl unter den Elastomeren, muss aber als solche bestätigt werden.Ultrahochvakuum-ReinigungsklasseProdukt.
   • Wenn die Vakuumanforderung etwas geringer ist (z. B. Hochvakuum) und der Temperaturbereich innerhalb von 250 °C liegt,Fluorkautschuk (FKM)ist einwirtschaftlich und praktischWahl.
2. ​Wichtige Punkte für Design und Installation:​
   • ​Oberflächenqualität:DieOberflächenrauheit (Ra)Die Oberflächenrauheit der Dichtfläche ist entscheidend. Bei Metalldichtungen ist typischerweise ein Ra-Wert von ≤ 0,8 μm oder sogar darunter erforderlich. Bei Elastomerdichtungen trägt eine höhere Oberflächenrauheit (Ra ≤ 0,4 μm) dazu bei, Verschleiß und potenzielle Leckstellen zu reduzieren.
   • ​Kompressionsverhältnisregelung:DieKompressionsverhältnisDer Anpressdruck des Dichtrings muss bei der Montage streng kontrolliert werden. Zu starker Anpressdruck kann zu dauerhaften Verformungen oder Beschädigungen führen, während zu geringer Anpressdruck Leckagen verursacht.
   • ​Uniformstraffung:Stellen Sie einen einsymmetrische Anziehsequenz für mehrere Schraubenum eine gleichmäßige Kraftverteilung auf den Flansch zu gewährleisten und ein Verziehen oder Verzerren der Dichtfläche zu verhindern.
   • ​Backen:Ultrahochvakuumsysteme erfordern häufig ein Ausheizen. Vergewissern Sie sich stets, dass das gewählte Dichtungsringmaterial geeignet ist.der Backtemperatur des Systems standhalten.

Zusammenfassung

Unter den Bedingungen vonRaumtemperatur bis 250 °C, Vorhandensein eines Magnetfelds und Erfordernis eines Ultrahochvakuums, ​sauerstofffreie Kupfermetalldichtungen(insbesondere in Conflat-Flansch- oder federbetätigten Ausführungen) gelten aufgrund ihrer Eigenschaften typischerweise als die zuverlässigste und wichtigste technische Lösung.extrem niedrige Ausgasungsrate, ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit und nichtmagnetische EigenschaftenWenn Elastomere aufgrund der Systemauslegung oder der Notwendigkeit, korrosive Medien zu handhaben, erforderlich sind, dannPerfluorelastomer (FFKM)ist das einzige elastische Material, das all diese extremen Anforderungen gleichzeitig erfüllen kann, allerdings muss man sich auf die hohen Kosten einstellen.

Die endgültige Entscheidung sollte auf einer umfassenden Abwägung unter Berücksichtigung der folgenden Punkte beruhen:spezifische Vakuumpegelanzeigen, Budget, Systemstruktur und Anforderungen an Wartung und ZuverlässigkeitIn allen Fällen sollte der technischen Beratung und Unterstützung durch professionelle Lieferanten von Dichtungskomponenten Vorrang eingeräumt werden.