Val och tillämpning av tätningsringar i miljöer med hög temperatur, högt vakuum och starka magnetfält

Vid krävande driftsförhållanden som kräver temperaturer från rumstemperatur upp till 250 °C, närvaron av en magnetisk miljö och ett ultrahögt vakuum (vanligtvis definierat som tryck under 10⁻⁷ Pa) är valet av lämpliga tätningsringar av största vikt. Sådana förhållanden förekommer ofta i avancerade vetenskapliga forskningsanläggningar (t.ex. partikelacceleratorer, experimentella fusionsanordningar), utrustning för halvledartillverkning (t.ex. etsmaskiner, jonimplantater) och framdrivningssystem för flyg- och rymdfart.

Kärnutmaningar och tätningskrav

För att uppnå effektiv tätning krävs det att följande kritiska krav samtidigt uppfylls:

1. ​Högtemperaturbeständighet:Materialet måste tåla långvarig drift vid 250 °C, bibehålla elasticitet och tätningsförmåga utan att sönderfalla eller mjukna.
2. ​Låg utgasningshastighet:I ultrahögvakuummiljöer måste materialets totala avgasningshastighet vara extremt låg (vanligtvis <1×10⁻⁸ Pa・m³/s) för att undvika att flyktiga ämnen frigörs som kan förorena vakuumet.
3. ​Magnetisk störningsmotstånd/kompatibilitet:I magnetiska miljöer bör själva tätningsringens material vara icke-magnetiskt eller inte störa magnetfältet, vilket vanligtvis kräver användning av icke-ferromagnetiska material.
4. ​Strålningsbeständighet (om tillämpligt):Om joniserande strålning förekommer (t.ex. i vissa experimentella uppställningar) måste materialet motstå strålningsskador.
5. ​Mekaniska egenskaper:Tillräcklig elastisk återhämtningshastighet (vanligtvis över 80 %) och motståndskraft mot sättning är avgörande för att hantera systemtryckfluktuationer och termiska cykler.

Lämpliga tätningsringstyper och material

Baserat på sökresultaten är följande tätningsringstyper och material att föredra för dessa förhållanden:

1. Metalltätningar

Metalltätningar anses vara guldstandarden för ultrahögvakuummiljöer och uppfyller perfekt kraven på låg avgasning, högtemperaturbeständighet och magnetisk kompatibilitet.

• ​Materialval:​
  • ​Syrefri koppar:Detta är det vanligaste valet. Den uppvisar utmärkt plastisk deformationsförmåga och uppnår tätning genom att plastiskt flyta under kompression för att fylla mindre defekter på flänsytor. Den är icke-magnetisk, erbjuder överlägsen högtemperaturbeständighet och kan motstå högtemperaturbakning (ofta långt över 250 °C) för att accelerera utgasning och uppnå högre vakuumnivåer, vilket gör den till det primära valet för utbredd tillämpning.
  • ​Ren aluminium:Även icke-magnetisk och relativt billig. Den är mjukare och lättare att forma och täta, men dess mekaniska hållfasthet vid högre temperaturer kan vara sämre än syrefri koppar.
  • ​Silver / Guld:Dessa metaller erbjuder exceptionell prestanda och extremt låga avgasningshastigheter. Deras mycket höga kostnad begränsar dock vanligtvis deras användning till speciella eller extrema forskningsapplikationer.
• ​Vanliga konfigurationer:​
  • ​Conflat Fläns (CF) Tätning:Använder en syrefri kopparpackning i kombination med en kniveggsfläns i rostfritt stål. Under bultens förspänning deformeras kopparpackningen plastiskt och biter fast i kniveggen, vilket bildar en statisk tätning med extremt hög integritet. Detta är en standardkonfiguration i ultrahögvakuumsystem.
  • ​Fjäderaktiverade tätningar (t.ex. Helicoflex):Består av en metallmantel (t.ex. syrefri koppar, silver, rostfritt stål) och en inre fjäder. Fjädern ger kontinuerlig kompenserande kraft, vilket möjliggör anpassning till termisk expansion/kontraktion och mindre deformationer i systemet, vilket resulterar i mycket hög tätningssäkerhet. De är särskilt lämpliga för applikationer med temperaturcykler eller vibrationer.

2. Perfluorelastomer (FFKM)

Om systemdesignen är mer lämpad för elastomeriska tätningar eller kräver större installationskomfort, representerar perfluorelastomer (FFKM) det bästa valet bland polymermaterial, om än till en mycket hög kostnad.

• ​Egenskaper:Det kan betraktas som den ultimata versionen av fluorkarbongummi. Eftersom nästan alla väteatomer i dess molekyl är ersatta av fluoratomer, har FFKM utmärkt högtemperaturbeständighet (kan motstå över 300 °C) och enastående kemisk resistens, och kan motstå de flesta starka kemiska medier och plasma.
• ​Vakuumprestanda:FFKM-tätningsringar som tillverkas genom speciell formulering och rena processer uppvisar extremt låga avgasningshastigheter och extraherbart innehåll, vilket uppfyller de stränga kraven för halvledar- och ultrahögvakuumutrustning.
• ​Magnetiska egenskaper:Elastomera material är i allmänhet icke-magnetiska och stör inte magnetfält.
• ​Användningsområden:Vanligtvis används i vakuumkammare och korrosiva gasleveranssystem i halvledarlitografi- och etsmaskiner, samt för oxidationstätning i flygmotorer.

3. Fluorkarbongummi (FKM/Viton)

Fluorkarbongummi är ett vanligt använt elastomert tätningsmaterial för högtemperaturvakuummiljöer, vilket representerar en balans mellan prestanda och kostnad.

• ​Egenskaper:Den erbjuder god högtemperaturbeständighet (vanligtvis -20~250 °C), oljebeständighet och resistens mot de flesta kemikalier.
• ​Vakuumprestanda:Avgasningshastigheten för standard FKM är högre än för metaller och FFKM. Det är generellt lämpligt för miljöer med högt vakuum (10⁻⁴ ~ 10⁻⁷ Pa). För tillämpningar med ultrahögt vakuum måste produkter med en formulering med låg avgasningshastighet väljas, och högtemperaturbakning för avgasning kan vara nödvändig (uppmärksamhet måste ägnas åt dess maximala baktemperaturgräns).
• ​Magnetiska egenskaper:Icke-magnetisk.
• ​Obs:Den är inte resistent mot starka alkalier, ketoner och vissa esterlösningsmedel.

​Jämförelse av viktiga egenskaper:De primära tätningsalternativen som diskuteras – syrefria kopparmetalltätningar, perfluorelastomer (FFKM) och fluorkarbongummi (FKM) – skiljer sig avsevärt åt i sina viktigaste egenskaper. Syrefria koppartätningar tål temperaturer över 400 °C och uppvisar extremt låg avgasning, vilket gör dem idealiska för ultrahögvakuumapplikationer (<10⁻⁷ Pa). De är icke-magnetiska och erbjuder god strålningsbeständighet, men deras elasticitet och kompensation är beroende av plastisk deformation eller inre fjädrar. Deras relativa kostnad är hög. Perfluorelastomertätningar (FFKM) kan arbeta upp till cirka 320 °C. Med extremt låg avgasning (vilket kräver rena versioner) är de också lämpliga för ultrahögvakuum (<10⁻⁷ Pa), är icke-magnetiska, erbjuder god strålningsbeständighet och har utmärkt inneboende elasticitet och kompensationsförmåga. Deras relativa kostnad är dock mycket hög, potentiellt överstigande tio gånger så hög som FKM. Fluorkarbongummitätningar (FKM) har en lägre maximal driftstemperatur på cirka 250 °C. De uppvisar en medelhög avgasningshastighet (vilket kräver formuleringar med låg avgasningshastighet) och är lämpliga för högvakuum (~10⁻⁴ – 10⁻⁷ Pa). Även om de är icke-magnetiska och erbjuder ganska god strålningsbeständighet, är deras elasticitet god och de representerar ett alternativ med medelhög kostnad.

Rekommendationer för urval och användning

1. ​Prioritetsval:​
   • För rena, extremt krävande ultrahögvakuumsystem (t.ex. partikelacceleratorer, rymdmiljösimuleringskammare),metalltätningar (syrefri koppar)är deföredragen och mest pålitliglösning.
   • För ultrahögvakuummiljöer som även involverarfrätande medier(t.ex. halvledaretsningsgaser) eller kräverbättre elasticitet och enklare installation, ​Perfluorelastomer (FFKM)är det högpresterande elastomera valet, men det måste bekräftas som ettultrahög dammsugning av hög kvalitetprodukt.
   • Om vakuumkravet är något lägre (t.ex. högvakuum) och temperaturintervallet ligger inom 250 °C,Fluorkarbongummi (FKM)är enekonomisk och praktiskval.
2. ​Viktiga punkter för design och installation:​
   • ​Ytkvalitet:Denytjämnhet (Ra)Tätningsytans yta är avgörande. För metalltätningar krävs vanligtvis ett Ra ≤ 0,8 μm eller ännu lägre. För elastomertätningar bidrar en högre ytfinish (Ra ≤ 0,4 μm) till att minska slitage och potentiella läckagepunkter.
   • ​Kontroll av kompressionsförhållande:DenkompressionsförhållandeTätningsringens konstruktion måste kontrolleras noggrant under installationen. Överkompression kan orsaka permanent deformation eller skada, medan otillräcklig kompression leder till läckage.
   • ​Jämn åtdragning:Anställ ensymmetrisk åtdragningssekvens för flera bultarför att säkerställa jämn kraftfördelning på flänsen, vilket förhindrar skevhet eller deformation av tätningsytan.
   • ​Bakning:Ultrahögvakuumsystem kräver ofta bakning. Kontrollera alltid att det valda tätningsringsmaterialet kantåla systemets baktemperatur.

Sammanfattning

Under villkoren förrumstemperatur till 250 °C, närvaro av ett magnetfält och krav på ultrahögt vakuum, ​syrefria kopparmetalltätningar(särskilt i Conflat-fläns- eller fjäderaktiverade konfigurationer) anses vanligtvis vara den mest tillförlitliga och primära tekniska lösningen på grund av derasextremt låg avgasningshastighet, utmärkt högtemperaturbeständighet och icke-magnetiska egenskaperOm elastomerer är nödvändiga på grund av systemdesign eller behovet av att hantera korrosiva medier, dåPerfluorelastomer (FFKM)är det enda elastomera materialet som samtidigt kan uppfylla dessa extrema krav, men man måste vara beredd på dess höga kostnad.

Det slutliga valet bör baseras på en omfattande avvägning med hänsyn tillspecifika vakuumnivåindikatorer, budget, systemstruktur och krav på underhåll och tillförlitlighetI samtliga fall bör prioritet ges till teknisk rådgivning och support från professionella leverantörer av tätningskomponenter.