Вакуумная техника для технологии

Вакуумные установки больших объемов понадобились, как это ни странно, для получения высокого вакуума в установках и приборах малых объемов. По мере развития вакуумной техники стало выясняться, что выделение газов из различных материалов, из которых изготовлены отдельные детали прибора, мешает получать высокий вакуум в приборах. Действительно: мы удаляем молекулы газа из объема прибора, а в это время другие молекулы выделяются из деталей прибора и попадают в объем. Но откуда берутся газы, например, в металлах? Они содержатся в исходных рудах и, кроме того, попадают в металлы из атмосферы во время различных технологических процессов, связанных с нагревом, — плавки, сварки, и т. п. Казалось бы, простейший способ этого избежать — проводить в вакууме все технологические процессы, связанные с нагревом металла. Установки для проведения технологических процессов в вакууме называют вакуумными технологическими установками. О таких установках и о происходящих в них процессах пойдет речь в этой главе.

Однако легко сказать — поместить в вакуум плавильную печь или прокатный стан! Несмотря на огромную трудность решения такой задачи, все же делались попытки создать даже целые металлургические производства в вакуумированных или наполненных инертными газами помещениях (инертные газы в металлах не растворяются или растворяются слабо). Люди в таких цехах работали в специальных скафандрах, напоминающих космические (скафандр космонавта — тоже вакуумный прибор!). Однако широкого распространения эти производства не получили — очень уж дорога и сложна их организация. Но отдельные технологические процессы в вакууме проводят. В основном это процессы, связанные с сильным нагревом легко окисляющихся металлов: плавка, пайка, а также сварка и резка электронным или лазерным лучом вольфрама, молибдена, тантала, ниобия и титана. Кроме того, в вакууме производят очистку металлических деталей путем сильного нагрева или очистку металлов переплавом. При нагреве увеличивается скорость диффузии и металл быстро обезгажи-вается при условии, что он нагревается и плавится в вакууме или в инертном газе. Например, удаление водорода из металла будет происходить при переплаве металла в аргоне, хотя оно будет происходить медленнее, чем при переплаве в вакууме. При переплаве в аргоне удаление водорода идет медленнее потому, что часть уходящих из металла молекул водорода будет сталкиваться с атомами аргона и тут же возвращаться в металл, а в хорошем вакууме вероятность такого явления много меньше.

Для проведения технологических процессов в вакууме, как правило, необходимо иметь очень сложные установки, содержащие, кроме насосов и вакуумметров, камеры, трубы, краны, вентили, окошки для наблюдения за ходом процесса, люки и шлюзы для помещения в вакуумную камеру материалов и предметов, вводы электрического тока и многое другое. И хотя вакуумные установки бывают и низко- и высоковакуумные, и большие и маленькие, у них все же есть много общих черт, о чем будет рассказано в этой главе.

Специфика вакуумных установок для проведения «горячих» процессов состоит в том, что вакуумную камеру приходится охлаждать. Казалось бы, что плохого в том, что она нагреется — только очистится получше; газы выделятся из металлических стенок и откачаются насосами. Однако резина — а чаще всего уплотнения (прокладки) технологических вакуумных установок выполнены из резины — не выдерживает сильного и продолжительного нагрева. Именно резиновые, а не металлические уплотнения применяют потому, что открытие и закрытие люка с резиновым уплотнением происходит во много раз быстрее, а производительность таких установок — один из главных их параметров. Иногда для упрощения конструкции охлаждают только ту часть установки, где находится резина, или вообще заменяют резину другими упругими, но более термостойкими материалами, например, витоном.

Широко используется вакуум в таком технологическом процессе, как напыление. Процесс это важный, без него не было бы — всего лишь! —всей микроэлектроники, не говоря уже о таких мелочах, как зеркала, отражатели в автомобильных фарах, елочные игрушки и многое другое.

Пусть имеется поверхность («подложка»), на которую надо нанести некое вещество. Сделать это можно разными способами, но в технике самым распространенным и самым универсальным является способ напыления. Напыление — по смыслу слова — это нанесение на подложку мелких частиц, «пыли». Действительно, известны способы, когда на подложку направляют поток сильно нагретых частиц порошка напыляемого вещества и эти частицы довольно прочно сцепляются с подложкой, как бы «примерзают» к ней. Но чаще, вопреки названию, напыляют не пыль, а отдельные молекулы.

Поток молекул в вакууме можно создать двумя способами. При первом («напыление в газовом разряде») зажигают газовый разряд между подложкой и куском напыляемого вещества («мишенью»). Ионы газа бомбардируют мишень и распыляют ее. При этом атомы вещества мишени напыляются на подложку. При другом способе («вакуумное напыление») кусок напыляемого вещества разогревают так, чтобы он быстро испарялся, при этом испаренные атомы осаждаются на подложке.

Напыление первым способом хотя и сложнее, чем вторым, но и универсальнее — таким способом может быть напылено большее количество веществ. Поэтому сфера применения напыления в газовом разряде растет быстрее, чем вакуумного, но и последнее рано сдавать в архив. Связано это, в частности, с тем, что напылением в высоком вакууме можно получать очень чистые пленки: примесь газа в них определяется отношением скорости поступления на подложку атомов напыляемого вещества и скорости молекул газа, оставшегося после откачки. В высоком вакууме молекул такого газа поступает на подложку совсем немного.

Однако напылить атомы того или иного вещества — это еще не все. Надо, чтобы напыленный слой («пленка») не оторвался от подложки. Для этого подложку чистят иногда нагревом, иногда бомбардировкой ионами — все это увеличивает силу сцепления, или «адгезию».

Причиной отрыва пленки от подложки являются термические напряжения. Поскольку напыленная пленка обычно горячее подложки, то при остывании в пленке возникают растягивающие напряжения, в подложке — сжимающие, а в зоне контакта — напряжения сдвига. В зависимости от того, какие напряжения раньше превзойдут предел прочности, пленка или разорвется на островки, или совсем оторвется от подложки. С подложкой при этом, конечно, ничего не происходит: она много толще пленки и напряжения в ней (отношение силы к площади сечения) много меньше. Один из способов борьбы с этими неприятностями — напыление атомов на нагретую подложку.

Применяется вакуум и в пищевой промышленности, и в медицине — для сушки и обезвоживания пищевых продуктов и лекарств (такой процесс называют лиофильной *) сушкой), поскольку откачка ускоряет испарение воды из продуктов. Сушат в вакууме и обмотки электродвигателей и трансформаторов перед пропиткой, а пропитывают их различными смолами и трансформаторным маслом для увеличения теплопроводности. Обмотки нагреваются протекающим по ним током по всей толщине, а охлаждаются лишь с поверхности. И чем меньше в обмотке воздуха и больше смолы или масла, тем больше ее теплопроводность и меньше разогрев. Заметим, что в данном случае вакуумирование применено для уменьшения давления, ибо именно давление воздуха не пустит масло в щели между проводами, если между ними останется воздух. Эта ситуация не единственная, когда откачка применяется именно для уменьшения давления. Например, в химии откачка используется для ускорения фильтрации жидкостей: с нижней стороны фильтра воздух откачивается и жидкость продавливается через фильтр не только собственным весом, но и атмосферным давлением. Применяется откачка и в металлургии для литья деталей, чтобы воздух, остающийся в форме, не мешал металлу поступать в нее.

Применяется откачка и в машиностроении, и в полиграфии, например вакуумные присоски, с помощью которых можно брать по одному листы металла или бумаги из стопки. Вакуумные присоски применяются также и в быту — вспомните мыльницу с двумя резиновыми присосками для крепления к стене. Конечно, этот «вакуум» можно назвать и скромнее — «некоторым разрежением». Разрежение есть и в медицинских банках, которые ставят на спину при простудных заболеваниях.