Selectie en toepassing van afdichtingsringen in omgevingen met hoge temperaturen, hoog vacuüm en sterke magnetische velden

Onder veeleisende operationele omstandigheden, zoals temperaturen van kamertemperatuur tot 250 °C, de aanwezigheid van een magnetische omgeving en een ultrahoog vacuüm (doorgaans gedefinieerd als drukken lager dan 10⁻⁷ Pa), is de keuze van geschikte afdichtingsringen van cruciaal belang. Dergelijke omstandigheden komen vaak voor in geavanceerde wetenschappelijke onderzoeksinstallaties (bijv. deeltjesversnellers, fusie-experimentele apparaten), halfgeleiderproductieapparatuur (bijv. etsmachines, ionenimplanters) en voortstuwingssystemen in de lucht- en ruimtevaart.

Kernuitdagingen en afdichtingsvereisten

Om een ​​effectieve afdichting te bereiken, moeten we tegelijkertijd aan de volgende kritische eisen voldoen:

1. ​Hoge temperatuurbestendigheid:​Het materiaal moet bestand zijn tegen langdurige werking bij 250 °C, waarbij de elasticiteit en afdichtingsprestaties behouden blijven zonder dat er ontbinding of verweking optreedt.
2. ​Lage uitgassingssnelheid:In omgevingen met een ultrahoog vacuüm moet de totale uitgassingssnelheid van het materiaal extreem laag zijn (doorgaans <1×10⁻⁸ Pa・m³/s) om te voorkomen dat er vluchtige stoffen vrijkomen die het vacuüm kunnen verontreinigen.
3. ​Magnetische interferentieweerstand/compatibiliteit:​In magnetische omgevingen mag het materiaal van de afdichtingsring zelf niet-magnetisch zijn of het magnetische veld niet verstoren. Meestal zijn hiervoor niet-ferromagnetische materialen vereist.
4. ​Stralingsbestendigheid (indien van toepassing):Als er ioniserende straling aanwezig is (bijvoorbeeld in sommige experimentele opstellingen), moet het materiaal bestand zijn tegen stralingsschade.
5. ​Mechanische eigenschappen:Een voldoende elastisch herstelpercentage (meestal meer dan 80%) en weerstand tegen compressievervorming zijn essentieel om drukschommelingen in het systeem en thermische cycli op te vangen.

Geschikte soorten en materialen voor afdichtringen

Op basis van de zoekresultaten worden de volgende typen en materialen van afdichtingsringen aanbevolen als oplossingen voor deze omstandigheden:

1. Metalen afdichtingen

Metalen afdichtingen worden beschouwd als de gouden standaard voor ultrahoge vacuümomgevingen en voldoen perfect aan de vereisten van lage uitgassing, hoge temperatuurbestendigheid en magnetische compatibiliteit.

• ​Materiaalkeuze:​
  • ​Zuurstofvrij koper:​Dit is de meest voorkomende keuze. Het vertoont een uitstekend plastisch vervormingsvermogen en bereikt een afdichting door plastisch te vloeien onder druk om kleine oneffenheden op flensoppervlakken op te vullen. Het is niet-magnetisch, biedt superieure hogetemperatuurbestendigheid en is bestand tegen hoge temperaturen (vaak ruim boven 250 °C) om de gasvorming te versnellen en zo hogere vacuümniveaus te bereiken. Dit maakt het de eerste keuze voor brede toepassing.
  • ​Zuiver aluminium:​​ Ook niet-magnetisch en relatief goedkoop. Het is zachter en gemakkelijker te vormen en af ​​te dichten, maar de mechanische sterkte bij hogere temperaturen kan minder zijn dan die van zuurstofvrij koper.
  • ​Zilver / Goud:​Deze metalen bieden uitzonderlijke prestaties en extreem lage uitgassingssnelheden. Hun zeer hoge kosten beperken hun gebruik echter doorgaans tot speciale of extreme onderzoekstoepassingen.
• ​Veelvoorkomende configuraties:​
  • ​Conflat Flange (CF) afdichting:​Maakt gebruik van een zuurstofvrije koperen pakking in combinatie met een roestvrijstalen mesrandflens. Onder voorspanning van de bout vervormt de koperen pakking plastisch en bijt zich vast in de mesrand, waardoor een statische afdichting met extreem hoge integriteit ontstaat. Dit is een standaardconfiguratie in ultrahoog vacuümsystemen.
  • ​Veerbekrachtigde afdichtingen (bijv. Helicoflex):Bestaan ​​uit een metalen mantel (bijv. zuurstofvrij koper, zilver, roestvrij staal) en een interne veer. De veer zorgt voor een continue compenserende kracht, waardoor aanpassing aan thermische uitzetting/krimp en kleine vervormingen in het systeem mogelijk is, wat resulteert in een zeer hoge afdichtingsbetrouwbaarheid. Ze zijn bijzonder geschikt voor toepassingen met temperatuurschommelingen of trillingen.

2. Perfluorelastomeer (FFKM)

Als het systeemontwerp meer geschikt is voor elastische afdichtingen of een gemakkelijkere installatie vereist, is perfluorelastomeer (FFKM) de beste keuze onder de polymeermaterialen, hoewel dit wel erg duur is.

• ​Kenmerken:Het kan worden beschouwd als de ultieme versie van fluorkoolstofrubber. Omdat bijna alle waterstofatomen in het molecuul zijn vervangen door fluoratomen, beschikt FFKM over een uitstekende hogetemperatuurbestendigheid (tot meer dan 300 °C) en een verbluffende chemische bestendigheid, waardoor het bestand is tegen de meeste agressieve chemische media en plasma's.
• ​Vacuümprestaties:FFKM-afdichtingsringen worden vervaardigd met behulp van een speciale formule en schone processen en hebben een extreem lage uitgassing en extraheerbaar gehalte. Hierdoor voldoen ze aan de strenge eisen van halfgeleider- en ultrahoge vacuümapparatuur.
• ​Magnetische eigenschappen:Elastische materialen zijn over het algemeen niet-magnetisch en verstoren magnetische velden niet.
• ​Toepassingen:Wordt veel gebruikt in vacuümkamers en corrosieve gastoevoersystemen van halfgeleiderlithografie- en etsmachines, evenals voor het afdichten van oxidatiemiddelen in lucht- en ruimtevaartmotoren.

3. Fluorkoolstofrubber (FKM/Viton)

Fluorkoolstofrubber is een veelgebruikt elastisch afdichtingsmateriaal voor vacuümomgevingen met hoge temperaturen en biedt een evenwicht tussen prestatie en kosten.

• ​Kenmerken:Het is goed bestand tegen hoge temperaturen (doorgaans -20~250°C), olie en de meeste chemicaliën.
• ​Vacuümprestaties:De uitgassingssnelheid van standaard FKM is hoger dan die van metalen en FFKM. Het is over het algemeen geschikt voor omgevingen met een hoog vacuüm (10⁻⁴ ~ 10⁻⁷ Pa). Voor toepassingen met ultrahoog vacuüm moeten producten met een lage uitgassingssnelheid worden geselecteerd, en kan bakken op hoge temperatuur nodig zijn voor ontgassing (let op de maximale baktemperatuur).
• ​Magnetische eigenschappen:​ Niet-magnetisch.
• ​Let op:Het is niet bestand tegen sterke alkaliën, ketonen en sommige esteroplosmiddelen.

​Vergelijking van belangrijke eigenschappen:De belangrijkste besproken afdichtingsopties – afdichtingen van zuurstofvrij koper, perfluorelastomeer (FFKM) en fluorkoolstofrubber (FKM) – verschillen aanzienlijk in hun belangrijkste kenmerken. Zuurstofvrije koperafdichtingen zijn bestand tegen temperaturen boven de 400 °C en vertonen een extreem lage uitgassing, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen in ultrahoog vacuüm (<10 Pa). Ze zijn niet-magnetisch en bieden een goede stralingsbestendigheid, maar hun elasticiteit en compensatie zijn afhankelijk van plastische vervorming of interne veren. Hun relatieve kosten zijn hoog. Perfluorelastomeer (FFKM)-afdichtingen kunnen werken tot circa 320 °C. Met een extreem lage uitgassing (waarvoor schone versies nodig zijn) zijn ze ook geschikt voor ultrahoog vacuüm (<10 Pa), zijn ze niet-magnetisch, bieden ze een goede stralingsbestendigheid en bezitten ze een uitstekende inherente elasticiteit en compensatievermogen. Hun relatieve kosten zijn echter zeer hoog, mogelijk meer dan tien keer die van FKM. Afdichtingen van fluorkoolstofrubber (FKM) hebben een lagere maximale bedrijfstemperatuur van ongeveer 250 °C. Ze vertonen een gemiddelde uitgassingssnelheid (waarvoor formuleringen met een lage uitgassingssnelheid nodig zijn) en zijn geschikt voor hoog vacuüm (~10⁻⁴ – 10⁻⁷ Pa). Hoewel ze ook niet-magnetisch zijn en een redelijk goede stralingsbestendigheid bieden, is hun elasticiteit goed en vormen ze een optie met een gemiddelde kostprijs.

Selectie- en gebruiksaanbevelingen

1. ​Prioriteitsselectie:​
   • Voor zuivere, uiterst veeleisende ultrahoge vacuümsystemen (bijv. deeltjesversnellers, simulatiekamers voor de ruimteomgeving), ​metalen afdichtingen (zuurstofvrij koper)​ zijn de ​de voorkeur en meest betrouwbare​ oplossing.
   • Voor ultrahoge vacuümomgevingen waarbij ook ​corrosieve media(bijvoorbeeld halfgeleider-etsgassen) of vereisenbetere elasticiteit en eenvoudigere installatie, ​Perfluorelastomeer (FFKM)​​ is de hoogwaardige elastomere keuze, maar het moet worden bevestigd als een ​ultrahoge vacuümreinigingskwaliteit​product.
   • Als de vacuümvereiste iets lager is (bijvoorbeeld hoog vacuüm) en het temperatuurbereik binnen 250 °C ligt,Fluorkoolstofrubber (FKM)​​ is een ​economisch en praktisch​ keuze.
2. ​Belangrijkste punten van ontwerp en installatie:​
   • ​Oppervlaktekwaliteit:​​ De ​oppervlakteruwheid (Ra)​De dikte van het afdichtingsoppervlak is cruciaal. Voor metalen afdichtingen is doorgaans een Ra ≤ 0,8 μm of zelfs lager vereist. Voor elastomeerafdichtingen helpt een hogere afwerking (Ra ≤ 0,4 μm) slijtage en potentiële lekkages te verminderen.
   • ​Compressieverhouding regelen:​ De ​compressieverhoudingDe afdichtingsring moet tijdens de installatie strikt worden gecontroleerd. Overmatige compressie kan permanente vervorming of schade veroorzaken, terwijl onvoldoende compressie tot lekkage leidt.
   • ​Gelijkmatige aanscherping:​​ Neem een ​​​ in dienstsymmetrische, meervoudige boutaanhaalvolgorde​ om een ​​gelijkmatige krachtverdeling op de flens te garanderen en kromtrekken of vervorming van het afdichtingsoppervlak te voorkomen.
   • ​Bakken:Ultrahoge vacuümsystemen vereisen vaak bakken. Controleer altijd of het gekozen afdichtringmateriaal geschikt is voorbestand zijn tegen de baktemperatuur van het systeem.

Samenvatting

Onder de voorwaarden vankamertemperatuur tot 250°C, aanwezigheid van een magnetisch veld en vereiste van ultrahoog vacuüm, ​zuurstofvrije koperen metalen afdichtingen(met name in Conflat-flens- of veergeactiveerde configuraties) worden doorgaans beschouwd als de meest betrouwbare en primaire technische oplossing vanwege hunextreem lage uitgassingssnelheid, uitstekende hogetemperatuurbestendigheid en niet-magnetische eigenschappenAls elastomeren nodig zijn vanwege het systeemontwerp of de noodzaak om corrosieve media te verwerken, danPerfluorelastomeer (FFKM)​​ is het enige elastische materiaal dat aan deze extreme eisen kan voldoen, maar men moet wel rekening houden met de hoge kosten.

De uiteindelijke keuze moet gebaseerd zijn op een uitgebreide afweging, rekening houdend met despecifieke vacuümniveau-indicatoren, budget, systeemstructuur en vereisten voor onderhoud en betrouwbaarheidIn alle gevallen moet voorrang worden gegeven aan technisch advies en ondersteuning van professionele leveranciers van afdichtingscomponenten.