Металлы и сплавы, применяемые для изготовления элементов вакуумных
систем, помимо общих требовании к конструкционным материалам, должны
удовлетворять
дополнительным требованиям, а именно иметь:
минимальное газосодержание и высокую скорость обезгаживания; высокую
вакуумную прочность; минимальную пористость и газопроницаемость; высокую
коррозионную стойкость, отсутствие взаимодействия с органическими
маслами и растворителями, минимальную упругость пара при рабочей
температуре; стабильность кристаллическом структуры при длительном
нагревании в интервале рабочих температур.
Газосодержание и скорость обезгаживания.
Величина и длительность газоотделения того или иного металла в вакууме
зависит от количества содержащихся в нем газов, т. е. от его
газосодержания. Газосодержание металла определяется процессами
физической адсорбции газов на поверхности, растворения их в объеме и
образования химических соединений как на поверхности, так и в объеме
металла. Количество адсорбированных металлом газов зависит от состояния
поверхности (способа обработки, наличия окисных пленок и загрязнений) и
условий хранения, а количество растворенных и химически связанных газов
— от рода металла и способа его получения. Отсюда вытекают и основные
способы снижения газосодержания металлов:
1. Улучшение качества механической обработки и очистки поверхности
деталей с последующим хранением чистых деталей в сухой защитной
атмосфере.
2 Применение металлов вакуумной плавки; металлы, прошедшие многократную
вакуумную переплавку, содержат небольшое количество газов.
Следует, однако, отметить, что переработка слитков вакуумной плавки
обычными методами не всегда сопровождается снижением газосодержания
конкретных изделии из-за загрязнения или окисления поверхности металла и
поглощения им газов из окружающей среды при нагреве.
3. Предварительное термическое обезгаживание в вакууме, водороде или в
среде инертного газа при максимально допустимой для данного металла
температуре. Механизм термического обезгаживания металлов заключается в
стремлении поглощенных металлом газов к равновесию с внешней средой. При
уменьшении давления над металлом равновесие смещается в сторону
выделения газов, металл обезгаживается) и, наоборот, при повышении
давления над металлом равновесие смещается
в сторону поглощения газов. Повышение температуры
металла действует на это равновесие по-разному, так как одна группа
металлов увеличивает растворимость газов с ростом температуры, а другая
— уменьшает ее. Величина максимальной температуры предварительного
обезгаживания металлов устанавливается с учетом требований к сохранению
формоустойчивости детали, структуре металла и обеспечению малой скорости
и его испарения.
4. Термическое обезгаживание в процессе эксплуатации .вакуумной системы.
Металлы и сплавы выделяют при обезгаживании Нг, СО, N2, С02, О2, СН4 и
Н20, причем из них только Н2, N2 и О2 выделяются из объема металла, а
остальные либо десорбируются с поверхности, либо образуются на ней в
результате взаимодействия растворенных газов (Н2, О2) и примесей (С и т.
п.).
Скорость обезгаживаиия металлов возрастает с увеличением температуры,
что объясняется повышением скорости выделения растворенных в металле
газов и примесей. В общем случае скорость обезгаживания зависит от
газосодержания металла и коэффициента диффузии газов и примесей из
объема детали на поверхности при заданной температуре нагрева.
Требования к металлам по газосодержанию и скорости обезгаживаиия
устанавливаются обычно в соответствии с областью рабочих давлений
элементов вакуумной системы. К металлам для элементов низковакуумных
систем не предъявляется высоких требований по газосодержанию и
газоотделению. Элементы этих систем, как правило, не обезгаживаются в
процессе эксплуатации вакуумной установки. Наоборот, металлы для
высоковакуумных и особенно сверхвысоковакуумных систем должны
удовлетворять высоким требованиям по газосодержанию и газоотделению. Для
этих систем выбирают металлы с минимальным газосодержанием и большой
скоростью обезгаживания.
Вакуумная прочность. В связи с возросшими требованиями к
надежности вакуумных систем откачного оборудования особое значение
приобретает вакуумная прочность электровакуумных материалов.
Необходимость данного требования вытекает из того, что металлические
детали конкретных вакуумных систем (в том числе и электровакуумных
приборов), находящиеся под постоянной нагрузкой (вызванной, например,
разностью КТР сочленяемых деталей), теряют свою герметичность задолго до
прочностного разрушения. Нагрев деталей значительно усугубляет этот
процесс. В зависимости от рода материала, условий работы и
конструктивных особенностей деталей потеря их герметичности может
наступить от 2 до 20 раз быстрее прочностного разрушения.
Газопроницаемость металлов. Под
газопроницаемостью понимают процесс диффузионного проникновения газов из
внешней среды в вакуумный объем через оболочку металлической детали.
Газопроницаемость—(результат последовательного действия следующих
процессов: 1) адсорбции газов из окружающей среды на поверхности
металла; 2) диссоциации (разложения) молекул газа на атомы на
поверхности металла; 3) растворения атомов газа в металле; 4) диффузии
атомов газа через толщу металла к поверхности, обращенной в вакуумный
объем; 5) рекомбинации атомов газа на внутренней поверхности металла и
десорбции молекул газа в вакуумный объем.
Величина газопроницаемости зависит от рода газа, материала и размеров
детали, температуры металла и давления газа. Наибольшей проницаемостью
через металлы обладает водород, далее по степени уменьшения
проницаемости идут азот и кислород.