CC BY
19
УДК 621.521
Я. В. Ившин, А. В. Бурмистров, С. И. Саликеев
АНАЛИЗ СОСТАВА МАТЕРИАЛА И СВОЙСТВ ПОКРЫТИЯ
СПИРАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ
Ключевые слова: спиральный вакуумный насос, алюминиевые сплавы, покрытие спирали, анодно-оксидные пленки, зарубежный аналог, микротвердость, толщина покрытия.
Проведен спектральный анализ спиралей зарубежных аналогов насосов фирм «Anest Iwata», «Edwards», «Busch», «Geowell». Показано, что они изготовлены из алюминиевых сплавов и покрыты наполненной анодной пленкой. Установлено, что основу покрытия составляет частично гидратированный оксид алюминия с микротвердостью до 5 ГПа.
Keywords: spiral pump vacuum, aluminum alloys, spiral coating, anodic oxide film, foreign counterpart, microhardness, coating
thickness.
A spectral analysis of spirals foreign counterparts pumps companies «Anest Iwata», «Edwards», «Busch», «Geowell». It was shown that they are made of aluminum alloys and coated filled anodic film. It has been established that the basecoat is partially hydrated alumina microhardness up to 5 GPa.
Принцип действия любой спиральной машины основан на перемещении газа за счет периодического изменения объема двух или более серповидных полостей, образованных между двумя повернутыми друг относительно друга на 180° спиралями, одной - неподвижной, второй -совершающей орбитальное движение. При движении спирали не касаются друг друга, поскольку между ними имеется небольшой зазор ~ 0,05 - 0,1 мм. За счет этого отпадает необходимость в использовании смазки внутри рабочей камеры.
Основными сферами приложения насосов вакуумных спиральных (НВСп) являются индустрии наноматериалов и нанотехнологий: нанесения наноструктурированных покрытий в вакууме, включающая ионно-плазменные и электроннолучевые методы; получение конструкционной нанокерамики и наноструктурированных биосовместимых материалов с функциональными свойствами; создание чувствительных элементов миниатюрных датчиков на основе нанопленок; изготовление фотоэлементной аппаратуры для солнечной энергетики, плоскопанельных дисплеев и элементов электронных схем нанометровых размеров.
К настоящему времени выпускается большое количество конструктивных разновидностей безмасляных НВСп, отличающихся профилем и конструкцией спиральных элементов, числом заходов спиралей и числом ступеней, типом применяемых противоповоротных устройств и т.д. В России спиральные вакуумные насосы не производятся. Поэтому очень актуальны работы по налаживанию такого высокотехнологичного производства [1, 2].
Основными элементами, определяющими все потребительские качества НВСп, являются подвижная и неподвижная спирали. Изучение конструкций зарубежных аналогов НВСп, таких производителей как «Anest Iwata» (Япония), «Edwards» (Англия), «Busch» (Германия), «Varian Vacuum Technologies» (США), «Geowell» (Китай) [3-7] показывает, что в качестве материала спиралей используются алюминиевые сплавы. В первую
очередь это объясняется легкостью обработки алюминия и его малой массой.
Рассматривая представленные выше сферы применения НВСп можно сделать вывод, что в принципе среда, откачиваемая спиральными насосами, не является особенно токсичной или агрессивной. Однако производители таких насосов закладывают в паспортах возможности откачки с помощью своих спиральных машин конденсируемых паров, в том числе паров воды, растворителей, жидких кислот и щелочей.
Кроме того, существует еще одна проблема. С целью снижения перетекания через каналы между спиралями торцевые зазоры между торцом пера одной спирали и торцевым диском другой спирали уплотняются. Это делается с помощью ленты, изготовленной из фторопластовой композиции, которая вставляется в канавку на торце пера спирали. При орбитальном движении спирали лента скользит по поверхности торцевого диска ответной спирали. Отсюда возникает еще одно функциональное назначение покрытия - защита от износа торцевого диска спирали и взаимосвязанная задача - снижение трения.
Исходя из сказанного, следует, что необходимо покрытие поверхности подвижного и неподвижного спиральных элементов, которое должно обеспечивать:
0 защиту алюминиевого сплава от воздействия
откачиваемой среды; 0 низкий коэффициент трения; 0 равномерность слоя, как по высоте спирали, так
и по радиусу торцевого диска; 0 хороший декоративный вид, поскольку в большинстве случаев неподвижная спираль выполняет функцию торцевой крышки, и покрытие наносится одновременно на рабочую поверхность спирали и внешнюю часть торцевой крышки; 0 толщина покрытия, как правило, не должна превышать 20-30 мкм.
Нами был проведен анализ материала и состава покрытия спиралей зарубежных аналогов с целью
последующей разработки технологии изготовления отечественных вакуумных спиральных насосов.
На рис.1 показан типичный вид подвижной спирали НВСп. Каналы между перьями спиралей или ребрами охлаждения имеют большую протяженность и существенную глубину, что усложняет задачу равномерного нанесения функционального покрытия. Проведено
предварительное спектральное исследование состава материала спиралей насосов на спектрометре «Дельта Премиум». Анализ материала подвижной спирали позволяет сделать вывод, что материал спирали насоса ШР-250 соответствует марке алюминиевого сплава 6061 по ИСО209-1 или согласно ГОСТ 4784-97 - сплаву АД33; насоса GWSP-600 - марке алюминиевого сплава АК; насоса ХБ8351 - марке алюминиевого сплава 3105, что соответствует российскому аналогу сплава ММ.
Рис. 1 - Подвижная спираль и корпус насоса ISP-250 («Anest Iwata»)
Все обследованные спирали имеют покрытие серого или желтоватого цвета. Анализ покрытия проводился на спиральных элементах следующих зарубежных аналогов НВСп: ISP-250 («Anest Iwata»), XDS35i («Edwards»), Fossa 15 («Busch»). Для определения элементного состава покрытий использовался сканирующий
электронный микроскоп "EVEX" при ускоряющем напряжении 15 и 25 кВ с рентгенофлюоресцентной приставкой «Sirius SD».
Во всех случаях основу покрытия составляет частично гидратированный оксид алюминия. Для Fossa - 15 (% атомных): Al - до 46%, а O - до 47%. Ощутимую часть покрытия составляет сера - около 6%. В случае спирали насоса ISP-250 (рис.2) основу покрытия составляет Al (от 41% до 47%) и O (от 40% до 45%), в зависимости от величины ускоряющего напряжения, около 7% составляет сера, как и для спирали насоса Fossa - 15. Присутствуют никель (1% - 1,5%), фтор (2 - 3%). Состав покрытия спирали насоса XDS35i практически совпадает с покрытием спиралей насоса Fossa - 15 и соотношение по массовым долям Al и O составляет 40% и 45%, соответственно, около 7% составляет сера. На основе спектрального анализа покрытия спиралей можно заключить, что для всех исследованных спиралей основу покрытия составляет частично гидратированный оксид алюминия, в порах которого хемосорбированы сульфат- ионы. В покрытии в малых количествах
могут присутствовать и другие элементы, что свидетельствует о наполнении оксидной пленки с целью ее окрашивания и улучшения противокоррозионных свойств. Очевидно, что покрытие получено с помощью процесса анодного оксидирования алюминия.
<е ztn- isMf I »'¿о . - к däjLt i > и пара Mi
l-lf.ilmt g-
Л-
б
Рис. 2 - Поверхность спирали насоса ISP-250 при 150 кратном увеличении (а) и спектрограмма покрытия при ускоряющем напряжении 15 кВ (б)
С целью определения режимов нанесения анодированного покрытия было проведено измерение микротвердости на спиралях зарубежных аналогов с помощью сканирующего нанотвердомера «НаноСкан-3D», позволяющего проводить испытания на твердость по методу восстановленного отпечатка (ГОСТ 9450-76). Измерения проводились для семи образцов спиралей насоса: 1 -Anest Iwata без покрытия, 2 -Anest Iwata с покрытием, 3 - Edwards с покрытием, 4 -Fossa с покрытием, 5 -GWSP с покрытием, 6 -материал Д16Т без покрытия.
Таблица 1 - Микротвердость покрытия образцов спиралей насоса на поверхности и поперечном срезе
№ образца 1 2 3 4 5 6
HV, поверхность 121 467 428 515 82
глубина 4 2 2,1 3,2 - -
проникновения
индентера, мкм
HV, торец - 475 473 509 ** -
Толщина - 30 27 64 13 -
покрытия, мкм
** - твердость покрытия измерить не удалось из-за малой толщины и растрескивания покрытия
а
Полученные результаты, усредненные по 1015 точкам измерений, представлены в табл.1. На основании анализа полученных результатов можно сделать вывод, что использование данного метода измерения твердости анодных покрытий вполне корректно, поскольку при измерении глубина проникновения индентора значительно меньше толщины покрытия, при этом основа металла оказывает незначительное влияние на результат измерения.
Для подтверждения полученных результатов, было также проведено измерение твердости на торце покрытия, при этом гарантированно не затрагивается основа металла. Для этого изготавливали поперечные шлифы образцов спиралей насоса (рис.3).
Рис. 3 - Шлифы для измерения твердости покрытий спиральных элементов
Представленные данные (табл.1) показывают хорошую сходимость и корректность обоих методов измерения твердости покрытия [8].
Анализ результатов экспертизы зарубежных насосов вакуумных спиральных позволяют утверждать, что они изготовлены из алюминиевых сплавов и имеют на поверхности оксидное покрытие, полученное путем обработки изделия на аноде гальванической ванны, с последующим наполнением пор. По существующим в России нормам, такой процесс получения покрытия может быть охарактеризован как глубокое или твердое анодирование. [9, 10].
Статья подготовлена на кафедре вакуумной техники электрофизических установок ФГБОУ ВПО «КНИТУ» при финансовой поддержке проекта «Создание высокотехнологичного производства
безмасляных спиральных вакуумных насосов для индустрии наносистем и наноматериалов» открытого публичного конкурса подбора организации на право получения субсидий на реализацию комплексных проектов по созданию высокотехнологичного производства согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года №218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства».
Литература
1. Капустин, Е.Н. Создание высокотехнологичного производства безмасляных спиральных вакуумных насосов в России / Е.Н. Капустин, А.Е. Капустин, А.В. Бурмистров, С.И. Саликеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014, Т.17. - № 19 - C. 280 -283.
2. Бурмистров А.В. Стенд исследовательских испытаний безмасляных спиральных вакуумных насосов / А. В. Бурмистров, А.А. Райков, С.И. Саликеев, А.В. Гаврилов, В.П. Матвеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013 , Т.16. - № 14 C. 174-177.
3. Dry Scroll Vacuum Pumps [Электронный ресурс] / Anest Iwata. - USA.: Anest Iwata, 2013. - Режим доступа: http://anestiwata.com/product-category/vacuum-pumps/, свободный.
4. Edwards nXDS - the great new shape of dry vacuum pumping [Электронный ресурс] / Edwards Ltd. - United Kingdom.: Edwards Ltd, 2013. - режим доступа: http://www.edwardsvacuum. com/nxds/ en/index. html?cmpid = Homepage Link_nXDS0412, свободный
5. Busch:Info.Fossa- Spiral vacuum pump [Электронныйресурс] / BuschGmbH.-Germany.:BuschGmbH,2013. - Режим доступа: http://www.busch.de/en/ products/product-portfolio/fossa/info/, свободный.
6. http://www.swissvacuum.com/products/Varian_Vacuum_t echnologies, свободный.
7. http://www.geowell.com.cn/en/product.asp
8. Дресвянников А.Ф., Ившин Я.В. Методы исследования процессов электроосаждения металлов: справочное издание / Казан. гос. ун-т; -Казань, 2006.-.194 с.
9. Аверьянов, Е.Е. Справочник по анодированию / Е.Е.Аверьянов. - М.:Машиностроение, 1988. - 224с.
10. Инженерная гальванотехника в приборостроении / под ред. д.т.н. А.М.Гинберга. - М.:Машиностроение, 1977. -512с.
© Я. В. Ившин - д-р хим. наук, проф. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, ivshin@kstu.ru; А. В. Б ур-мистров - д-р техн. наук, проф. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, burm@kstu.ru; С. И Саликеев - к.т.н. техн. наук, доц. каф. вакуумной техники электрофизических установок КНИТУ, salikeev_s@mail.ru.
© Ya. V. Ivshin - Dr. Chem. Sciences, prof. Department of Technology of Electrochemical Production KNRTU, ivshin@kstu.ru; A. V. Burmistrov - Dr. Tech. Sciences, Professor of the Chair «Vacuum equipment» KNRTU, burm@kstu.ru; S. I. Salikeev - Cand. Sciences, Ass. Professor of the Chair «Vacuum equipment» KNRTU, salikeev_s@mail.ru.
