Selectarea și aplicarea inelelor de etanșare în medii cu temperaturi ridicate, vid ridicat și câmp magnetic puternic

În condiții operaționale dificile care necesită temperaturi de la temperatura camerei până la 250°C, prezența unui mediu magnetic și un vid ultra-înalt (definit de obicei ca presiuni sub 10⁻⁷ Pa), alegerea inelelor de etanșare adecvate este primordială. Astfel de condiții se găsesc frecvent în instalațiile avansate de cercetare științifică (de exemplu, acceleratoare de particule, dispozitive experimentale de fuziune), echipamente de fabricație a semiconductorilor (de exemplu, mașini de gravat, implantatoare de ioni) și sisteme de propulsie aerospațială.

Provocări principale și cerințe de etanșare

Obținerea unei etanșări eficiente necesită îndeplinirea simultană a următoarelor cerințe critice:

1. ​Rezistență la temperaturi ridicate:Materialul trebuie să reziste la funcționare pe termen lung la 250°C, menținând elasticitatea și performanța de etanșare fără descompunere sau înmuiere.
2. ​Rată scăzută de degazare:În mediile cu vid ultra-înalt, rata totală de degazare a materialului trebuie să fie extrem de mică (de obicei <1×10⁻⁸ Pa・m³/s) pentru a evita eliberarea de substanțe volatile care ar putea contamina vidul.
3. ​Rezistență/Compatibilitate la interferențe magnetice:În mediile magnetice, materialul inelului de etanșare în sine trebuie să fie nemagnetic sau să nu interfereze cu câmpul magnetic, necesitând de obicei utilizarea unor materiale neferomagnetice.
4. ​Rezistență la radiații (dacă este cazul):Dacă sunt prezente radiații ionizante (de exemplu, în unele configurații experimentale), materialul trebuie să reziste la deteriorarea provocată de radiații.
5. ​Proprietăți mecanice:O rată de recuperare elastică suficientă (de obicei peste 80%) și rezistența la deformare prin compresie sunt esențiale pentru a face față fluctuațiilor de presiune ale sistemului și ciclului termic.

Tipuri și materiale adecvate pentru inele de etanșare

Pe baza rezultatelor căutării, următoarele tipuri și materiale de inele de etanșare sunt soluții preferate pentru aceste condiții:

1. Garnituri metalice

Garniturile metalice sunt considerate standardul de aur pentru mediile de vid ultra-înalt, îndeplinind perfect cerințele de degazare redusă, rezistență la temperaturi ridicate și compatibilitate magnetică.

• ​Selecția materialelor:​
  • ​Cupru fără oxigen:Aceasta este cea mai comună alegere. Prezintă o capacitate excelentă de deformare plastică, realizând etanșarea prin curgere plastică sub compresie pentru a umple imperfecțiunile minore de pe suprafețele flanșelor. Este nemagnetic, oferă o rezistență superioară la temperaturi ridicate și poate rezista la coacere la temperaturi ridicate (adesea cu mult peste 250°C) pentru a accelera degazarea și a atinge niveluri de vid mai ridicate, ceea ce îl face alegerea principală pentru aplicații pe scară largă.
  • ​Aluminiu pur:De asemenea, este nemagnetic și relativ ieftin. Este mai moale și mai ușor de format și sigilat, dar rezistența sa mecanică la temperaturi mai ridicate poate fi inferioară cuprului fără oxigen.
  • ​Argint / Aur:Aceste metale oferă performanțe excepționale și rate de degazare extrem de scăzute. Cu toate acestea, costul lor foarte ridicat restricționează de obicei utilizarea lor la aplicații de cercetare speciale sau extreme.
• ​Configurații comune:​
  • ​Etanșare cu flanșă Conflat (CF):Utilizează o garnitură de cupru fără oxigen, asociată cu o flanșă cu muchie de cuțit din oțel inoxidabil. Sub pretensionarea șurubului, garnitura de cupru se deformează plastic și se fixează în muchia de cuțit, formând o etanșare statică cu o integritate extrem de ridicată. Aceasta este o configurație standard în sistemele de vid ultra-înalt.
  • ​Garnituri acționate prin arc (de exemplu, Helicoflex):Sunt alcătuite dintr-o manta metalică (de exemplu, cupru fără oxigen, argint, oțel inoxidabil) și un arc intern. Arcul oferă o forță de compensare continuă, permițând adaptarea la dilatarea/contracția termică și la deformările minore din cadrul sistemului, rezultând o fiabilitate foarte ridicată a etanșării. Sunt deosebit de potrivite pentru aplicații cu cicluri de temperatură sau vibrații.

2. Perfluoroelastomer (FFKM)

Dacă designul sistemului este mai potrivit pentru etanșări elastomerice sau necesită o instalare mai ușoară, perfluoroelastomerul (FFKM) reprezintă alegerea de top printre materialele polimerice, deși la un cost foarte ridicat.

• ​Caracteristici:Poate fi considerat versiunea supremă a cauciucului fluorocarbonizat. Deoarece aproape toți atomii de hidrogen din molecula sa sunt înlocuiți cu atomi de fluor, FFKM posedă o rezistență excelentă la temperaturi ridicate (poate rezista la peste 300°C) și o rezistență chimică uimitoare, capabilă să reziste celor mai dure medii chimice și plasmei.
• ​Performanța vidului:Inelele de etanșare FFKM fabricate printr-o formulare specială și procese curate prezintă rate de degazare extrem de scăzute și un conținut extractibil, îndeplinind cerințele stricte ale echipamentelor semiconductoare și de vid ultra-înalt.
• ​Proprietăți magnetice:Materialele elastomerice sunt în general nemagnetice și nu interferează cu câmpurile magnetice.
• ​Aplicații:Utilizat în mod obișnuit în camerele de vid și sistemele de livrare a gazelor corozive ale mașinilor de litografie și gravare a semiconductorilor, precum și pentru etanșarea oxidanților în motoarele aerospațiale.

3. Cauciuc fluorocarbonizat (FKM/Viton)

Cauciucul fluorocarbonizat este un material de etanșare elastomeric utilizat în mod obișnuit pentru medii în vid la temperaturi ridicate, reprezentând un echilibru între performanță și cost.

• ​Caracteristici:Oferă o bună rezistență la temperaturi ridicate (de obicei -20~250°C), rezistență la ulei și rezistență la majoritatea substanțelor chimice.
• ​Performanța vidului:Rata de degazare a FKM standard este mai mare decât cea a metalelor și FFKM. În general, este potrivit pentru medii în vid înalt (10⁻⁴ ~ 10⁻⁷ Pa). Pentru aplicații în vid ultra-înalt, trebuie selectate produse cu o formulă cu rată de degazare scăzută, iar coacerea la temperatură înaltă pentru degazare poate fi necesară (trebuie acordată atenție limitei maxime de temperatură de coacere).
• ​Proprietăți magnetice:Nemagnetic.
• ​Notă:Nu este rezistent la alcali puternici, cetone și anumiți solvenți esterici.

​Compararea proprietăților cheie:Principalele opțiuni de etanșare discutate — etanșări metalice din cupru fără oxigen, perfluoroelastomer (FFKM) și cauciuc fluorocarbon (FKM) — diferă semnificativ în ceea ce privește caracteristicile lor cheie. Etanșările din cupru fără oxigen rezistă la temperaturi care depășesc 400°C și prezintă o degazare extrem de scăzută, ceea ce le face ideale pentru aplicații în vid ultra-înalt (<10⁻⁷ Pa). Sunt nemagnetice și oferă o bună rezistență la radiații, dar elasticitatea și compensarea lor se bazează pe deformarea plastică sau pe arcuri interne. Costul lor relativ este ridicat. Etanșările din perfluoroelastomer (FFKM) pot funcționa până la aproximativ 320°C. Cu o degazare extrem de scăzută (necesitând versiuni de calitate superioară), acestea sunt potrivite și pentru vid ultra-înalt (<10⁻⁷ Pa), sunt nemagnetice, oferă o bună rezistență la radiații și posedă o elasticitate inerentă și o capacitate de compensare excelente. Cu toate acestea, costul lor relativ este foarte mare, putând depăși potențial de zece ori mai mare decât cel al FKM. Etanșările din cauciuc fluorocarbon (FKM) au o temperatură maximă de funcționare mai mică, de aproximativ 250°C. Acestea prezintă o rată medie de degazare (necesitând formulări cu degazare redusă) și sunt potrivite pentru vid înalt (~10⁻⁴ – 10⁻⁷ Pa). Deși sunt nemagnetice și oferă o rezistență destul de bună la radiații, elasticitatea lor este bună și reprezintă o opțiune cu cost mediu.

Recomandări de selecție și utilizare

1. ​Selecție prioritară:​
   • Pentru sisteme de vid ultra-înalt pure, cu cele mai mari solicitări (de exemplu, acceleratoare de particule, camere de simulare a mediului spațial),garnituri metalice (cupru fără oxigen)sunt cei/celepreferat și cel mai fiabilsoluție.
   • Pentru medii cu vid ultra-înalt care implică șimedii corozive(de exemplu, gaze de gravare a semiconductorilor) sau necesităelasticitate mai bună și instalare mai ușoară, ​Perfluoroelastomer (FFKM)este alegerea elastomerică de înaltă performanță, dar trebuie confirmată ca fiindaspirator ultra-puternic de calitate superioarăprodus.
   • Dacă necesarul de vid este puțin mai mic (de exemplu, vid înalt) și intervalul de temperatură este în limita a 250°C,Cauciuc fluorocarbonizat (FKM)este uneconomic și practicalegere.
2. ​Puncte cheie privind proiectarea și instalarea:​
   • ​Calitatea suprafeței:Cel/Cea/Cei/Celerugozitatea suprafeței (Ra)Suprafața de etanșare este crucială. Pentru etanșările metalice, este de obicei necesar un Ra ≤ 0,8 μm sau chiar mai mic. Pentru etanșările elastomerice, un finisaj superior (Ra ≤ 0,4 μm) ajută la reducerea uzurii și a potențialelor puncte de scurgere.
   • ​Controlul raportului de compresie:Cel/Cea/Cei/Celeraport de compresiePresiunea inelului de etanșare trebuie controlată strict în timpul instalării. Supracompresia poate provoca deformări permanente sau deteriorări, în timp ce compresia insuficientă duce la scurgeri.
   • ​Strângere uniformă:Angajați unsecvență de strângere simetrică, cu mai multe șuruburipentru a asigura o distribuție uniformă a forței pe flanșă, prevenind deformarea sau distorsiunea suprafeței de etanșare.
   • ​Coacere:Sistemele de vid ultra-înalt necesită adesea coacere. Verificați întotdeauna dacă materialul selectat pentru inelul de etanșare poate...rezista la temperatura de coacere a sistemului.

Rezumat

În condițiile detemperatura camerei până la 250°C, prezența unui câmp magnetic și necesitatea unui vid ultra-înalt, ​etanșări metalice din cupru fără oxigen(în special în configurațiile cu flanșă Conflat sau cu arc) sunt de obicei considerate cea mai fiabilă și principală soluție tehnică datoritărată extrem de scăzută de degazare, rezistență excelentă la temperaturi ridicate și proprietăți nemagneticeDacă elastomerii sunt necesari din cauza designului sistemului sau a necesității de a manipula medii corozive, atunciPerfluoroelastomer (FFKM)este singurul material elastomeric care poate îndeplini simultan aceste cerințe extreme, dar trebuie să fim pregătiți pentru costul său ridicat.

Alegerea finală ar trebui să se bazeze pe un compromis cuprinzător, luând în considerareindicatori specifici ai nivelului de vid, buget, structura sistemului și cerințele de întreținere și fiabilitateÎn toate cazurile, trebuie acordată prioritate consultanței și asistenței tehnice din partea furnizorilor profesioniști de componente de etanșare.