книги из ГПНТБ / Балицкий А.В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры

Он хорошо паяется мягкими и твердыми 'припоями. Сва­ ривается ковар труднее, чем сталь, но при соблюдении определенных условий могут быть получены надежные вакуумные швы. Отожженный ковар хорошо штампует­ ся и обрабатывается на давильном станке.

Кроме ковара марки Н29К18А выпускается ковар марки Н29К18Б, ЧМТУ № 2978-51, отличающийся от первого тем, что при температурах ниже 35°С он пре­ терпевает рекристаллизацию с распадением аустенита,

Для спаев со стеклом, имеющим высокий темпера­ турный коэффициент линейного расширения, применяет­ ся сталь марки Х18ТФМ (ЭИ636), ЧМТУ № 4713-54, имеющая коэффициент линейного расширения в преде­

Для спаев со стеклом разработаны также сплавы: Н47Д5 с температурным коэффициентом линейного

расширения 8—9-10~Gмм/мм-°С, пригодный для спаев со стеклами С-87-1, С-88-1 и С-89-2; Н47ХБ с такими же основными свойствами, пригодный для пайки во влаж­ ном водороде; НЗЗК17 с температурным коэффициен­ том линейного расширения 7—8-10~G мм/мм-°С, при­ годный для пайки со стеатитовой керамикой.

В ряде случаев бывает необходим металл с весьма малым коэффициентом линейного расширения. Такими свойствами обладает сплав инвар (Н36, ЭН36), темпе­

40

ратурный коэффициент линейного расширения которого при 20°С равен 10~6 мм!(мм-0С), но при нагревании выше 50°С быстро растет и при 100°С равен уже 2Х

ХЮ" 6 мм/(мм •°С). Инвар обладает очень малой тепло­ проводностью: 0,026 кал/ (см - сек -°С).

Тугоплавкие металлы. Для изготовления деталей на­ гревателей, тепловых экранов, токоподводов и т. п. при­ меняются тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал, сплав тантал-ниобий.

Вольфрам выпускается в виде штабиков квадратного сечения, прутков, проволоки и ленты.

Марки вольфрама, применяемые в вакуумной техно­

неплавящихся электродов при аргоно-дуговой сварке металлов и для изготовления катодов при обязательном соблюдении определенных правил техники безопасности.

Вольфрам очень тверд, хрупок, особенно после нагре­ ва до 1 100 °С и выше, в результате которого волокни­ стый кованый или тянутый вольфрам приобретает мел­ кокристаллическую структуру.

Средние механические свойства вольфрама тянутого или кованого, неотожженного следующие: предел проч­ ности при растяжении 180—400 /сгс/лш2 (в зависимости от толщины), относительное удлинение 1—4%, твер­ дость по Бринеллю 350. Вольфрам обрабатывается реза­ нием при .подогреве до 200—250 °С.

Молибден марки МЧ чистый, без присадок, с содер­ жанием примесей в сумме не более 0,073%' и молибден марки МРН с содержанием примесей в сумме до 0 ,11%' применяются для изготовления деталей нагревателей и остеклованных вводов.

Механические свойства неотожженного молибдена: предел прочности при растяжении 100—250 кгс/мм2, от­ носительное удлинение 2—5%, твердость по Бри­ неллю 200—230. Отожженный молибден имеет значи­ тельно большее удлинение — до 20%. Молибден выпу­ скается промышленностью в виде штабиков квадратно­ го сечения (заготовок), проволоки, прутков и ленты.

41

Сваривается молибден очень плохо. Обрабатывается на давильном станке при подогреве до 500—600 °С.

Тантал является весьма ценным металлом для ва­ куумной техники из-за большой химической стойкости, тугоплавкости, способности при температурах 700— 1 300°С не только не выделять газы, но интенсивно по­ глощать их, тем самым улучшая вакуум в установке. Особенно важна способность тантала свариваться с вольфрамом и молибденом. Тантал выпускается в ви­ де прутков и лент. Для изготовления давленых деталей и штамповки тантал предварительно отжигается в высо­ ком вакууме (P = 5-10_5 мм рт. ст.) при температуре 1 600°С, что делает его значительно более пластичным.

Механические свойства неотожжеиного тантала: пре­ дел прочности при растяжении 75—125 кгс/мм2, относи­ тельное удлинение 1—1,5%, твердость по Брииеллю 350.

Отожженный тантал имеет относительное удлинение

до 30%.

Сплав тантала с ниобием выпускается промышлен­

в машиностроении вообще, и, в частности в высокова­ куумной технике, где он применяется главным образом для изготовления деталей для электрофизических на­ сосов.

Титан и его сплавы имеют очень выгодное соотноше­ ние прочности и плотности, жаропрочны и коррозионностойки при невысоких температурах. При высоких тем­ пературах титан имеет свойство связывать атмосферные газы, что, с одной стороны, делает его особенно ценным в вакуумной технике, а с другой стороны, несколько за­ трудняет его производство и горячую обработку.

старых титановых сплавов имело последнюю структуру. К числу а-структурных относятся сплавы титан—алю­ миний—олово (марка А-110-АТ, США) и титан—алю­ миний (марка ВТЗ, ВТЗ-1, В15, СССР) и технический титан.

Сплавы с a-структурой прочны до 600°С, сравни­ тельно хорошо свариваются, менее чувствительны, чем

42

рах порядка 430 °С становятся непрочными и очень чув­ ствительными к атмосферным газам при высоком нагреве.

Для титана и его сплавов весьма вредной примесью является водород, сильно повышающий чувствитель­ ность к надрезу, даже ,в количествах порядка сотых до­ лей процента.

Путем отжига в высоком вакууме можно снизить содержание водорода в титане, например, с 0,015 до 0,005%, что сильно повышает его вязкость .при том же пределе прочности.

Отжиг должен проводиться при давлении 5 ■10-5— 5-10-0 мм рт. ст. для разных сплавов по разным' ре­

Разработка титановых сплавов продолжается весьма интенсивно, что обеспечивает постоянное появление сплавов с новыми свойствами. Поэтому при определе­ нии назначения марки сплава конструкторам необхо­ димо обращаться к литературным источникам.

Технический титан ВТ1 (листы, прутки, проволока) хорошо сваривается аргоно-дуговой и контактной свар­ кой. При аргоно-дуговой сварке требуется особо тща­ тельная газовая защита металла со всех сторон. Штам­ повка простых детален может производиться в холод­ ном состоянии, более сложная штамповка требует подогрева до 400°С (обогреваемые штампы). Отжиг для снятия наклепа производится при 525°С, е выдерж­ кой до б мин, лучше в вакууме. То же самое относится

95 кгс/мм2 при относительном удлинении 9—20% • Сплавы ВТЗ и ВТЗ-1, а также сплавы марок Т-3, Т-4, Т-6 , Т-8 (не подверженные охрупчиванию при темпера­ турах 400—500°С) имеют предел прочности до 115 кгс/мм2 при относительном удлинении 13—15%•

43

Глава третья

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

3-1. СТЕКЛО

Для изготовления различного вида остеклован­ ных вводов, изолированных стеклом от металлической массы аппарата, но вакуумноплотных во всех своих частях и спаях, для малых сосудов Дыоара, вакуумметрических приборов, смотровых окон, а иногда и для целых вакуумных систем (например, иа лабораторных откачных постах) широко применяется стекло.

Для этих целен в большинстве случаев (применяются те же сорта стекол, что п в производстве электрова­ куумных приборов, в виде дротового стекла, т. е. штабиков (палочек), трубок, цилиндров и капилляров, служа­ щих полуфабрикатом для ручного или машинного изго­ товления различных детален аппаратуры.

По системе обозначения сортов стекла после бук­ вы С следуют цифры, характеризующие величину тем­ пературного коэффициента линейного расширения дан­ ного сорта стекла, а затем 'через дефис порядковый номер разработки этого сорта.

Стекло—аморфный материал, не имеющий кристал­

тервале температур 450—700°С постепенно размягчает­

По химическому составу стекло в подавляющем большинстве случаев является сплавом целого ряда окислов. В состав технического стекла обычно входят, помимо кремнезема ЭКД, являющегося основной состав­ ной частью, еще и окислы калия, натрия, бора, ба­ рия, алюминия, свинца, цинка, магния, кальция в са­ мых разнообразных пропорциях (от нуля до 30%) и со­ четаниях.

44

Таблица 3-1

Химический состав некоторых сортов технического стекла, массовая концентрация, %

В прямой зависимости от химического состава стек­ ла стоит важнейшеее его свойство—температурный ко­ эффициент линейного расширения. Это свойство опре­ деляет возможность получения надежных спаев стекла с различными металлами, что иногда служит источни­ ком названия сорта стекла. Например, молибденовыми называются сорта стекла, способные давать хорошие спаи с молибденом.

Технические сорта стекла делятся на две основные группы: тугоплавкие и легкоплавкие. Названия этих групп отнюдь не определяют относительной легкоплав­ кости готового стекла. Они произошли от относительной плавкости шихты, из которой варится стекло. Готовое же стекло входит в ту или другую группу в зависимо­ сти от величины температурного коэффициента линей­ ного расширения. К тугоплавким стеклам относятся

еще твердым стеклом. К группе легкоплавких относятся сорта с температурным коэффициентом линейного рас­ ширения от 5,5• 10~8 до 11-10—6 мм/(мм-°С).

Наиболее тугоплавким (и по названию и по дейст­ вительным свойствам) является кварцевое стекло, состо­ ящее почти целиком из чистого кремнезема. Оно резко отличается от других сортов по температуре размягче-

45

ния, термостойкости, .пределу прочности, твердости и об­ ладает высокой прозрачностью для ультрафиолетовых лучей. Как видно из табл. 3-2, стекло выдерживает го­ раздо большие напряжения на сжатие, нежели на рас­ тяжение. Это происходит потому, что поверхность стек­ ла, несмотря на видимую гладкость, покрыта обычно сетью микротрещпн являющимися зачатками разру­ шения при растяжении материала.

Таблица 3-2

Основные физические свойства технического стекла разных сортов

рачное

Обычные сорта технического стекла не отличаются особой тугоплавкостью и термостойкостью (способ­ ностью выдерживать без растрескивания быстрое ох­ лаждение после высокого нагрева), но кварцевое стек­ ло вполне пригодно для изготовления термостойких вакуумных деталей, высококачественных изоляторов, смотровых стекол системы, нагреваемой в процессе эксплуатации.

Кварцевое стекло обладает самым низким темпера­ турным коэффициентом линейного расширения [0,55X

ХЮ~6 мм/(мм -°С) при 20 .°С и 1,1x10-6 мм/(мм-°С)

46

при 1 2 0 0 °С], чем определяется его особая термостой­ кость, а следовательно, возможность изготовления из него жаропрочных деталей вплоть до рабочих камер индукционных .печей.

Промышленность выпускает стержни и трубы из прозрачного кварцевого стекла (ВТУ № 53 и 59) длиной до 1 м и диаметром до 20 мм. Из непрозрачного квар­

труднена ввиду указанных его особых тепловых свойств.

3-2. КЕРАМИКА

Ни один из сортов стекла в настоящее время не мо­ жет удовлетворить всем требованиям техники, предъ­ являемым ею к электроизоляционным материалам. По­ этому за последние годы в вакуумной технике все бо­ лее широко используется керамика. Хотя керамика яв­ ляется не менее, а может быть и более древним мате­ риалом, чем стекло, высококачественная техническая керамика и особенно вакуумно-плотная, газонепроницае­ мая керамика появились сравнительно недавно.

В высоковакуумной системе керамика применяется для изготовления электроизолирующих и жаропрочных деталей, тиглей и деталей подсобного характера (соп­ ла горелок, .подставки, облицовка печей и т. п.).

В отличие от стекла, все технические сорта которого являются вакуумно-плотным материалом, керамика да­ леко не всегда газонепроницаема и только некоторые ее виды отвечают требованиям техники высокого ва­ куума. Существует много сортов керамики, применяемой в вакуумной технике. Они могут быть объединены в че­ тыре основные группы, которые кратко рассмотрим.

Стеатит — керамика, имеющая в основе своего соста­ ва тальк (до 84%) с добавками в разных .пропорциях окиси магния (до 2 0 %), углекислого бария (до 1 1 %), различных сортов высококачественной глины (до 16%) и некоторых других материалов. Благодаря мягкости талька и его способности к весьма мелкому помолу стеатитовые керамики обладают малой усадкой при об­ жиге, что важно для получения изделий с точными раз­ мерами и хорошей 'шлифуемостыо. Эта керамика до-

47

вольно легко режется тонкими карборундовыми круга­ ми. Однако пайка стеатита с металлами довольно сложна. Стеатит имеет способность стареть, теряя с те­ чением времени вакуумную плотность, что ограничивает его применение.

Форстерит. Высокочастотная керамика, вакуумно­ плотная, имеющая в основе тальк, обожженный совме­ стно с окисью магния и образовавший днсиликат маг­ ния. По механическим свойствам форстерит выше стеа­ тита. Температурный коэффициент линейного расшире­ ния форстерита в среднем имеет также большее значение и близко подходит к температурному коэф­ фициенту линейного расширения титана, что позволяет получать между ними почти согласованные спаи. Ана­ логично стеатиту форстерит может стареть с образова­ нием микротрещин.

Алундовая керамика имеет в основе состава глино­ зем (алунд, окись алюминия, АкОз). Состав алундовых материалов весьма разнообразен. Кроме алунда, в них входят обожженные глины, углекислый барий, диборат бария, углекислый калий, в небольших количествах

с некоторыми металлами методом металлизации и с при­

керамики отличаются особой прочностью при сжатии до 20 000 кгс/см2. Температура их размягчения доходит до

1 900°С.

Большое распространение получили материалы: миналунд, стоал, 22Х, 22ХС, сапфирит. Вакуумно-плотные узлы на основе миналунда применимы для сверхвысо­ кого вакуума и прогрева до температуры 700 °С [Л. 10—

12].

Миналунд М-7 наиболее распространен. Его хими­ ческий состав: СаО—1,63%, SiC>2—4,34%, AI2O3—94,03%.

Сапфирит состоит из 98% AI2O3 и некоторого коли­ чества В20 3 и МО (в сумме 2%). Сапфирит обла­ дает очень высокими диэлектрическими свойствами (табл, 3-3) и повышенной теплопроводностью, а следо­ вательно, и термостойкостью.

48

Таблица 3-3

Физические характеристики основных типов вакуумно-плотной керамики [Л 12, 38, 39]

из