JP2780322B2

JP2780322B2 - メタルガスケット

Info

Publication number: JP2780322B2
Application number: JP1085531A
Authority: JP
Inventors: 康睦永井; 修二酒井; 和雄菅谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1989-04-04
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2013-07-30
Also published as: JPH02263941A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はメタルガスケットに関し、特に、ベーキング
（ガス出し）による軟化を抑制してリーク（漏れ）を減
少させ、信頼性および取扱性を向上させたメタルガスケ
ットに関する。

〔背景技術〕

一般に、到達圧力が10^-7Torr以下の所謂超高真空領域
で用いられる真空装置は、真空容器および排気系を加熱
して容器等の表面に吸着している水分やガス等を除去す
るベーキング（ガス出し）処理を施して到達圧力の向上
を図っている。通常、ベーキング温度は150〜300℃（ま
れに500℃程度まで加熱する）であるため、ガスケット
の材質としては殆どの場合、Al,Au,In,Cu等の金属が使
用されており、特に、最も普及し、信頼性の高いとされ
るコンフラットフランジ用のガスケット材としては無酸
素銅（JIS H3100のC1020P−1/2Hの無酸素銅）が用いら
れている。コンフラット型のシール機構では、第７図に
示すように、ボルト3aおよびナット3bの締め付けによっ
てフランジ２に設けた対向するナイフエッジ2aがメタル
ガスケット１を押しつぶすことにより、メタルガスケッ
ト１内でフランジ２の垂直面2bに向かうコールドフロー
生じるため、メタルガスケット１の外側面はフランジ２
の垂直面2bに押しつけられ、ナイフエッジ2aとフランジ
２の垂直面2bとの間にあるメタルガスケット１は体積的
に圧縮されたままの状態で閉じこめられる。このため、
メタルガスケット１はナイフエッジ2aおよびフランジ２
との接触面において高い面圧を生じ、高い機密性を有し
た真空室６を提供する。コンフラット型はこの機密性に
より他のフランジ形式に比較して、高い信頼性を得てい
る。一方、高い面圧を得るためにはメタルガスケット１
は充分な硬さを備えている必要があるため、Al,Au,In等
の軟質金属は使用されず、無酸素銅が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のコンフラットフランジ用のメタルガス
ケットは、その材料である無酸素銅の軟化温度が約150
℃程度と低く、ベーキング温度によってはベーキング中
にガスケットが軟化し、ベーキング前の高い面圧が維持
できなくなるため、以下の問題があった。面圧低下に
よるリーク（漏れ）を生じる恐れがあり、面圧を確保す
るためにベーキング後にボルトの増締め作業を行わなけ
ればならない。現実にはベーキング毎に全フランジに
ついての増締めを行うことは殆どないので、大半のフラ
ンジは増締めされないままベーキングによるヒートサイ
クルを経験するため、面圧低下によるリーク（漏れ）が
避けられない。フランジを開閉するときはメタルガスケ
ットの交換は可能であるが、通常の使用において開閉す
るフランジは装置のフランジ全体の中でも少数に限られ
ている。全フランジの増締めを行ったとしても、増締
めのたびに対向するフランジの面間距離が小さくなるた
め、フランジ同志が接触するまでの増締め可能回数が限
られているので、メタルガスケットの耐久寿命が短くな
ると言う問題がある。

さらに、近年は真空装置の真空度（低い到達圧力）も
一層厳しいものが要求され、ベーキングの条件もより高
温・長時間に移行してきており、ガスケットの軟化の度
合いも大きくなりつつある。

従って、本発明の目的は、ベーキングによる軟化を抑
制して増締めの必要をなくし、長期に渡ってリークを防
ぐことにより所定の真空度に維持するメタルガスケット
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は前述した目的を実現するため、軟化温度を上
昇させるための添加剤として、Zr0.01〜0.1重量％,Cr0.
05〜１重量％,Ag0.05〜１重量％,Ti0.01〜0.5重量％,Hf
0.01〜0.3重量％から選択された少なくとも１つの金属
を添加した銅基合金を用いたメタルガスケットが提供す
るものである。

即ち、本発明のメタルガスケットは無酸素銅にZr等を
添加することにより、軟化温度を著しく上昇させて、ベ
ーキングによるガスケットの軟化を大幅に抑制するよう
にしたものであり、以下の条件を備えている。

軟化温度を上昇させるための添加剤酸素濃度10ppm以下の無酸素銅に添加することによっ
て、軟化温度を上昇させる。具体的には、Zr0.01〜0.1
重量％,Cr0.05〜１重量％,Ag0.05〜１重量％,Ti0.01〜
0.5重量％,Hf0.01〜0.3重量％の少なくとも何れか１つ
を添加した銅基合金を製造する。

本発明の軟化温度を上昇させるための添加剤は以下の
方法に基づいて決定した。銅の軟化温度を上昇させる作
用を有した元素としては、第１図に示すように、Zr,Hf,
Ti,In,Ag,Cd,Sn,Cr,Si,Znの元素がその濃度に応じて銅
の軟化温度を変化させる。一方、一般的なベーキング温
度は150〜300℃であり、このベーキング温度に耐えうる
軟化温度としては300℃以上の温度を有する必要がある
ため、図中のZr,Hf,Ti,In,Ag,Cd,Sn,Crの８種の元素が
添加元素の候補となる。さらに、これらの元素が蒸発し
て真空容器内を汚染しないためには500℃までの領域に
おける蒸気圧が低くなければならない（少なくとも500
℃で10^-9Torr以下）。これらの条件によって、Cdおよび
Snが除外される。また、InおよびSnは、軟化温度および
蒸気圧の何れも前述した条件を満足するが、それ自身の
融点が低いため、フランジへの融着の恐れがあり適当で
ない。従って、添加元素として、Zr,Hf,Ti,Ag,Crの５種
の元素が適当である。これらの添加元素は活性なものが
多く、酸素を始めとする銅中の不純物の影響を受けやす
いため、ベースとなる銅材として使用する無酸素銅は酸
素濃度10ppm以下でなければならない。

添加剤の添加濃度範囲前述した添加元素（添加剤）の添加濃度範囲は以下の
方法によって決定した。

添加元素の一例としてZrを使用し、加熱時間を10分と
した時、Zr添加量をパラメータとして加熱温度と軟化特
性の関係を第２図に示す。同図よりZrを0.01重量％以上
添加することで耐熱性が著しく向上することがわかる。
また、無酸素銅（OFC）では軟化が急速に進行するのに
対して、Zrを添加した場合は軟化の進行が緩やかであ
る。また、第１図に示すように、0.024重量％以上の添
加においては耐熱性の向上が鈍化するため、Zrの効果的
な添加濃度範囲は、0.01〜0.03重量％であるが、添加量
の増加と共に、耐熱性が向上するので、より高い耐熱性
の要求に対しては0.1重量％程度迄は有効であることが
わかった。他の添加元素のついても同様な実験を行い、
前述した効果的な添加濃度範囲を決定した。

以下、本発明のメタルガスケットを詳細に説明する。

〔実施例〕

第３図は本発明の一実施例を示し、軟化温度を上昇さ
せるための添加剤としてZrを添加した場合を示す。Zr0.
1重量％添加した無酸素銅合金インゴットを、熱間圧延
と冷間圧延により圧さａ（2mm）に加工後、JIS H3100の
C1020P−1/2Hに合致した板材とし、その後、これをプレ
ス打抜きにより外径ｂ（120.5mm），内径ｃ（102.0mm）
のリング状とし、呼び径100mmのメタルガスケット（コ
ンフラットフランジ用ガスケット）１を製作した。さら
に、比較材として無酸素銅を用いたメタルガスケットを
同様に製作した。

以上のように製作した２つのメタルガスケットを次の
方法によって、ヒートサイクル試験をおこなった。試験
方法は、真空排気用の配管を溶接したフランジとメクラ
フランジを試験ガスケットによって接続し、これにヒー
トサイクルを与えた時にリークを生じるまでの加熱回数
で評価する。リークを検出はヘリウムリークディテクタ
ーによって行い、２×10^-11Torr・l/sec以上のリークを
検出できる。ヒートサイクルは、第４図に示すように、
昇温Ａ・温度保持Ｂ（500℃）・自然冷却Ｃを繰り返
し、500℃保持の終了直後にリークテストを行った。
尚、フランジはM8ボルト16本によって締め付けを行い、
その締付けトルクは各々150Kg−cmである。試験開始後
はボルトの増締めを行わず、リークが生じるまでヒート
サイクル試験を行った。

従来の無酸素銅を用いたメタルガスケットでは57サイ
クル目に達した時点でリークが発生したのに対して、本
実施例のZr添加無酸素銅を用いたメタルガスケットでは
183サイクル目でリークが発生した。同様な比較試験を
数回行った結果、何れも本発明によるガスケットが約３
倍の耐リーク性能を示した。

本発明のメタルガスケットは、第７図に示したコンフ
ラット型フランジにおいて効果的に使用されるが、第５
図に示すSF（コンプレッションシール）型フランジ4,お
よび，第６図に示すCS（ホイラー）型フランジ５にも同
じように適用することができる。SF型ではフランジ溝の
一部が斜面4aとなっており、この部分でガスケット１を
圧縮して垂直面4bを押しつけることにより面圧を発生さ
せる。また、CS型では、ガスケット１の形状は平角では
なく丸断面のリングとなるが、フランジ５の斜面5a,垂
直面5bによってシール効果を発揮する。

〔発明の効果〕以上説明したように、本発明のメタルガスケットは、
酸素濃度10ppm以下の無酸素銅に、軟化温度を上昇させ
るための添加剤として、Zr0.01〜0.1重量％,Cr0.05〜１
重量％,Ag0.05〜１重量％,Ti0.01〜0.5重量％,Hf0.01〜
0.3重量％から選択された少なくとも１つの金属を添加
した銅基合金を用いたため、ベーキングによる軟化を抑
制して増締めの必要をなくし、長期に渡ってリークを防
ぎ、所定の真空度を維持することができた。また、ベー
キング温度をより高くしてもリークが発生しないため、
装置の真空度を向上させることが可能である。さらに、
軟化しにくいため、ガスケットの寿命が伸び、ガスケッ
トの交換頻度を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はZrを始めとする各種元素を銅に添加した時の添
加量と銅合金の軟化温度の関係を示す図。第２図はZrの
添加量による無酸素銅の軟化特性を示した図。第３図は
本発明の一実施例を示すメタルガスケットの構成図。第
４図はメタルガスケットの評価試験に用いたヒートサイ
クルを示す図。第５図はSF（コンプレッションシール）
型フランジにおけるシール機構を示す断面図。第６図は
CS（ホイラー）型フランジにおけるシール機構を示す断
面図。第７図はコンフラット型フランジのシール機構を
示す断面図。符号の説明１……メタルガスケット２……フランジ（コンフラット型フランジ） 2a……ナイフエッジ 3a……ボルト 3b……ナット４……フランジ（SF型フランジ） 4a,5a……斜面 4b,5b……垂直面５……フランジ（CS型フランジ）６……真空室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭63−312934（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−137770（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 9/00 - 9/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素濃度10ppm以下の無酸素銅に、軟化温
度を上昇させるための添加剤として、Zr0.01〜0.1重量
％、Cr0.05〜１重量％、Ag0.05〜１重量％、Ti0.01〜0.
5重量％、Hf0.01〜0.3重量％から選択された少なくとも
１つの金属を添加した銅基合金を用いたことを特徴とす
るメタルガスケット。