DE69903207T2

DE69903207T2 - Dichtring und Rohrverbindung

Info

Publication number: DE69903207T2
Application number: DE69903207T
Authority: DE
Inventors: Nobukazu Ikeda; Akihiro Morimoto; Tadahiro Ohmi; Tsutomo Shinohara; Michio Yamaji
Original assignee: Fujikin Inc
Current assignee: Fujikin Inc
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: IL128594A; TW381157B; US6273477B1; KR100549388B1; KR19990072816A; JPH11236652A; EP0937934A1; DE69903207D1; JP4389186B2; EP0937934B1; CA2262455C; SG68093A1; CA2262455A1; IL128594A0

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung und auf eine die Dichtung aufweisende Rohrverbindung.
Rohrverbindungen finden breite Anwendung, beispielsweise in Steuerungsvorrichtungen zum Gebrauch bei der Halbleiterherstellung. Derartige Rohrverbindungen umfassen ein Paar von rohrförmigen Verbindungselementen, eine ringförmige Dichtung, die zwischen einander gegenüberliegenden Endflächen der beiden Verbindungselemente angeordnet ist, und ein Gewindemittel zum Verbinden der beiden Verbindungselemente. Bei Rohrverbindungen der beschriebenen Art werden die rohrförmigen Verbindungselemente und die Dichtung normalerweise aus dem gleichen rostfreien Stahl (beispielsweise SUS316L der EP-A-758 067) hergestellt. Bei Messungen der Vickershärte weisen die Verbindungselemente eine Härte von etwa 310 bis 390 HV an der Oberfläche und von etwa 260 bis etwa 320 HV an einem 100 Mikrometer von der Oberfläche entfernten Bereich auf, und die Dichtung weist eine Härte von etwa 300 bis etwa 320 HV an der Oberfläche und von etwa 260 bis etwa 290 HV in ihrem Innern auf.
Da Rohrverbindungen bei der Instandhaltung und Inspektion der Fluidsteuervorrichtung wiederholt auseinander- und wieder zusammengebaut werden, weist die herkömmliche Rohrverbindung, bei der die rohrförmigen Verbindungselemente und die Dichtung aus dem gleichen rostfreien Stahl hergestellt sind, das Problem auf, daß die Verbindungselemente, die schwer zu ersetzen sind, anders als die Dichtung Risse entwickeln, so daß die Fluiddichtheit der Verbindung nicht sichergestellt werden kann. Zwar ist es möglich, das Material für die Dichtung, also den rostfreien Stahl, durch Nickel oder Kupfer zu ersetzen, die weicher sind, allerdings tritt dann ein anderes Problem auf, nämlich daß das Material mit dem bei der Halbleiterherstellung verwendeten Gas reagiert. Beispielsweise reagiert Ni bei Raumtemperatur mit CO, wodurch Ni-Carbonyl [Ni(CO)&sub4;]-Gas erzeugt wird, was infolge der Korrosion von Ni zu einer Beeinträchtigung der Fluiddichtheit oder zur Verminderung der Reinheit des bei der Halbleiterherstellung verwendeten Gases führt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtung zu schaffen, die nicht mit einem Gas wie beispielsweise CO reagiert, und somit verhindert, daß das rohrförmige Verbindungselement, das schwer zu ersetzen ist, anders als die Dichtung Risse bildet, und ferner eine Rohrverbindung zu schaffen, welche die Dichtung aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Dichtung, die aus einem rostfreiem Stahl hergestellt ist, mit, in Gewichtsprozent, 12,90 bis 15,00% Ni, 16,50 bis 18,00% Cr, 2,00 bis 3,00% Mo, bis zu 0,02% C, bis zu 0,30% Si, bis zu 0,40% Mn, bis zu 0,03% P, bis zu 0, 003% S, bis zu 0,25% Cu und bis zu 0,01% Al, wobei die Dichtung eine Oberfläche mit einer Vickershärte von 90 bis 160 aufweist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Rohrverbindung mit einem Paar von rohrförmigen Verbindungselementen, einer ringförmigen Dichtung, die zwischen gegenüberliegenden Endflächen der beiden Verbindungselemente angeordnet ist, und einem Gewindemittel zum Verbinden der beiden Verbindungselemente, wobei die Rohrverbindung dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der Verbindungselemente aus einem rostfreiem Stahl hergestellt ist und eine Oberfläche umfaßt, die eine Vickershärte von wenigstens 300 aufweist, die Dichtung aus einem rostfreiem Stahl hergestellt ist, mit, in Gewichtsprozent, 12,90 bis 15,00% Ni, 16,50 bis 18,00% Cr, 2,00 bis 3,00% Mo, bis zu 0,02% C, bis zu 0,30% Si, bis zu 0,40% Mn, bis zu 0,03% P, bis zu 0,003% S, bis zu 0,25% Cu und bis zu 0,01% Al, wobei die Dichtung eine Oberfläche mit einer Vickershärte von 90 bis 160 aufweist.
Wenn die Vickershärte der Oberfläche der Dichtung geringer als 90 ist, weist die Dichtung keine ausreichend Festigkeit auf, wohingegen, wenn die Dichtung eine Härte von 160 übersteigt, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Dichtung das Verbindungselement aus rostfreiem Stahl, die eine Oberfläche mit einer Vickershärte von wenigstens 300 (normalerweise bis zu 400) aufweist, beschädigt oder zerkratzt. Die Oberfläche der Dichtung weist besser noch eine Vickershärte von 100 bis 140 HV auf.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, die Beschädigung oder ein Zerkratzen jedes Verbindungselementes, das anders als die Dichtung schwer zu ersetzen ist, verhindert, und die Dichtung und das rohrförmige Verbindungselement reagieren nicht mit CO oder einem ähnlichen Gas, da beide aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, wodurch ebenfalls das Problem einer Beeinträchtigung der Fluiddichtheit oder einer Minderung der Reinheit des bei der Halbleiterherstellung verwendeten Gases eliminiert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Längsquerschnittansicht, die eine Dichtung und eine Rohrverbindung als eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine bruchstückhafte Längsquerschnittansicht derselben;
Fig. 3 ist eine bruchstückhafte Längsquerschnittansicht einer Dichtung und einer Rohrverbindung als eine zweite Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 4 ist eine bruchstückhafte Längsquerschnittansicht einer Dichtung und einer Rohrverbindung als eine dritte Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Bezeichnungen links und rechts beziehen sich in der folgenden Beschreibung jeweils auf die linke und rechte Seite der entsprechenden Zeichnungen.
Fig. 1 und 2 zeigen eine Dichtung und eine Rohrverbindung als eine erste Ausführungsform der Erfindung. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 umfaßt die Rohrverbindung 10 ein erstes rohrförmiges Verbindungselement 11, ein zweites rohrförmiges Verbindungselement 12, eine ringförmige Dichtung 13, die zwischen der rechten Endfläche des ersten Verbindungselementes 11 und der linken Endfläche des zweiten Verbindungselementes 12 angeordnet ist, eine Mutter 14, die an dem zweiten Verbindungselement 12 angeordnet und auf das erste Verbindungselement 11 geschraubt ist, ein die Dichtung 13 haltendes Rückhalteelement 15, das an dem ersten Verbindungselement gehalten ist, und einen Laufring 16, der zwischen einer oberen Wand der Mutter 14 und einem Flansch des zweiten Verbindungselementes 12 angeordnet ist.
Ringförmige Dichtungshaltestege 17, 18 sind an den einander gegenüberliegenden Endflächen der entsprechenden Verbindungselemente 11, 12 ausgebildet. Das erste Verbindungselement 11 weist ferner einen ringförmig ausgesparten Bereich 19 auf, der radial auswärts von dem ringförmigen Steg 17 positioniert ist, um das Rückhalteelement darin aufzunehmen. Das Rückhalteelement 15 ist mit dem Innenumfang des ausgesparten Bereiches 19 in Eingriff.
Die Dichtung 13 hat einen Innendurchmesser, der dem Durchmesser von Strömungskanälen der Verbindungselemente 11, 12 entspricht, und umfaßt einen Bereich 13a mit kleinem Durchmesser sowie einen Bereich 13b mit großem Durchmesser, der einen größeren Durchmesser als der Bereich 13a aufweist.
Bei der Rohrverbindung 10 ist die Dichtung 13 durch das Rückhalteelement 15 gehalten, das wiederum von dem ersten Verbindungselement 11 gehalten ist, und der Bereich 13b mit großem Durchmesser der Dichtung 13 stützt sich gegen das zweite Verbindungselement 12, so daß die Dichtung 13 sicher positioniert ist, um eine Beeinträchtigung der Fluiddichtheit aufgrund einer Verschiebung zu verhindern. Wenn die Rohrverbindung 10 nach einem Auseinanderbauen erneut zusammengebaut wird, so wird die Dichtung 13, wenn erforderlich, durch eine neue Dichtung ersetzt, und die verbleibenden Bauteile werden zur weiteren Verwendung eingebaut.
Bei der beschriebenen Rohrverbindung 10 sind das Rückhalteelement 15, die Verbindungselemente 11, 12 und die Dichtung 13 aus rostfreiem Stahl hergestellt. Das Rückhalteelement 15 ist aus SUS304, und die Verbindungselemente 11, 12 sind aus SUS316L gefertigt. Die Dichtung 13 ist aus einem rostfreiem Stahl mit, in Gewichtsprozent, 12,90 bis 15,00% Ni, 16,50 bis 18,00% Cr, 2,00 bis 3,00% Mo, bis zu 0,02% C, bis zu 0,30% Si, bis zu 0,40% Mn, bis zu 0,03% P, bis zu 0,003% S, bis zu 0,25% Cu und bis zu 0,01% Al hergestellt. Der N-Gehalt des rostfreien Stahls für die Dichtung ist auf maximal 150 ppm, der O-Gehalt auf maximal 20 ppm und der H-Gehalt auf maximal 5,0 ppm begrenzt.
Die Dichtung 13 ist mittels Warmumformen des rostfreien Stahls der zuvor genannten Zusammensetzung bei einem Verschmiedungsgrad hergestellt, der wenigstens 3S des Gesamtwertes entspricht, gefolgt von einer Lösungsglühbehandlung (bei Temperaturen von 1010 bis 1150ºC, Wasserkühlung), so daß die Dichtung eine Vickers-Härte von 90 bis 160 Hv und mechanische Eigenschaften von wenigstens 175 N/mm² bei 0,2% Dehngrenze, wenigstens 480 N/mm² Zugfestigkeit, wenigstens 40% Längung und wenigstens 60% Querschnittsverjüngung erhält.
Unter den Komponenten des rostfreien Stahls für die Dichtung erzeugen Ni, Cr und Mo anders als das Eisengrundgefüge hauptsächlich eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit in einer oxidierenden oder reduzierenden Umgebung. Wenn die Proportionen von Ni, Cr und Mo außerhalb der entsprechenden Bereiche von 12,90 bis 15%, 16,50 bis 18,00% und 2,00 bis 3,00% liegen, ist es schwer, die Korrosionsbeständigkeit und hohe Reinheit zu erzielen. Der C-Gehalt ist auf maximal 0,02% begrenzt, um die Ablagerung von Carbiden während des Schweißens oder der Wärmebehandlung zu hemmen. Obwohl Si zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und zur Erhöhung der Elastizität geeignet ist, ist der Si-Gehalt auf maximal 0,30% begrenzt, um eine Festigkeitsminderung zu verhindern und metallische Einschlüsse zu verringern. Ähnlich ist der Cu-Gehalt auf maximal 0,25% begrenzt, um eine Beeinträchtigung der Warmverarbeitbarkeit zu vermeiden und um nicht- metallische Einschlüsse zu reduzieren. Der Al-Gehalt ist auf maximal 0,01% begrenzt, um eine Verschlechterung der Oberfläche zu verhindern und metallische Einschlüsse zu verringern. Ferner ist der Mn-Gehalt auf maximal 0,40% begrenzt, um eine Abnahme der Korrosionsbeständigkeit in der Nähe der Schweißnähte zu verhindern, und die P- und S-Gehalte sind entsprechend auf maximal 0,03% und 0,003% begrenzt, um Schadstoffe und nicht-metallische Einschlüsse zu verringern.
Der rostfreie Stahl für die Dichtung ist ferner auf eine Reinheit von maximal 0,05% begrenzt, wie es in der JIS G 0555 beschrieben ist. Der rostfreie Stahl wird einer zweifachen Schmelzbehandlung in einem Vakuum unterzogen, um die Gehalte von Unreinheiten auf das größtmögliche Maß zu reduzieren und um eine stabilisierte Stahlbramme ohne Entmischung zu erzeugen, so daß die gewünschte Reinheit erzielt wird. Dies dient zur Verringerung von Rissen, die ein Merkmal für das Vorhandensein von Unreinheiten (nicht-metallischen Einschlüssen) in dem Material sind, wodurch eine Beeinträchtigung der Fluiddichte verhindert wird.
Bei Messungen der Vickershärte wies das erste Verbindungselement 11 eine Härte von 382 HV an der Oberfläche des Steges 17, von 312 HV an einem Bereich, der 100 Mikrometer axial von der Oberfläche des Steges 17 angeordnet ist, und von 280 HV an einem Bereich auf, der ähnlich um 300 Mikrometer von der Oberfläche entfernt ist. Andererseits wies die Dichtung 13 eine Härte von 110 HV an der Oberfläche und von 105 HV in ihrem Innern auf.
Fig. 3 zeigt eine Dichtung 23 und eine Rohrverbindung 20 als eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Wie in der Zeichnung gezeigt, umfaßt die Rohrverbindung 20 ein erstes rohrförmiges Verbindungselement 21 mit einem ringförmig ausgesparten Bereich 27 mit quadratischem bis rechteckigem Querschnitt zur Aufnahme der Dichtung 23, und die ringförmige Dichtung 23 mit C-förmigem Querschnitt, die zwischen der rechten Endfläche des ersten Verbindungselementes 21 und der linken Endfläche eines zweiten rohrförmigen Verbindungselementes angeordnet ist (nicht gezeigt).
Das Verbindungselement 21 ist aus SUS316L hergestellt, während die Dichtung 23 aus demselben rostfreien Stahl wie die Dichtung der zuvor beschrieben ersten Ausführungsform gefertigt ist.
Fig. 4 zeigt eine Dichtung 23 und eine Rohrverbindung 30 als eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Die Dichtung 23 dieser Rohrverbindung 30 entspricht der Dichtung 23 der zuvor beschriebenen zweiten Ausführungsform der Erfindung in Form und Material. Diese Rohrverbindung 30 unterscheidet sich von der Rohrverbindung 20 der zweiten Ausführungsform dahingehend, daß ein ausgesparter Bereich 37 zur Aufnahme der Dichtung eines ersten rohrförmigen Dichtungselementes 31 einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt entsprechend der ringförmigen Dichtung 23 mit C-förmigem Querschnitt aufweist.
Die Rohrverbindungen 10, 20, 30 gemäß der zuvor beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen und herkömmliche Rohrverbindungen wurden zwecks Prüfung mehrfach auseinander- und wieder zusammengebaut, und es wurden die in den ersten Verbindungselementen erzeugten Risse bei 500- facher Vergrößerung untersucht. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse. Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 bezieht sich "Erf. 1" (d. h. Erfindung 1) auf die Verbindung der ersten Ausführungsform, "Erf. 2" auf die der zweiten Ausführungsform und "Erf. 3" auf die der dritten Ausführungsform, und "Vergl. Beisp. 1" und "Vergl. Beisp. 2" auf herkömmliche Verbindungen entsprechend der zweiten Ausführungsform. Die Dichtung des Vergl. Beisp. 1 wurde aus SUS316L und die Dichtung des Vergl. Beisp. 2 aus Nickel gefertigt. Die Härte wurde in Vickershärte mittels einer Vorrichtung, MicroVickers, unter einer Last von 300 g für 30 Sekunden gemessen. Die Oberflächenhärte des Verbindungselementes 11 (21, 31) wurde auf derjenigen Oberfläche gemessen, die mit der Dichtung 13 (23) in Kontakt ist, und seine innere Härte wurde als Repräsentativwert an einem Bereich 100 Mikrometer axial entfernt von der mit der Dichtung 13 (23) in Kontakt kommenden Oberfläche gemessen. Tabelle 1
Die in Tabelle 1 dargestellten Versuchsergebnisse offenbaren folgendes. Das Dichtungselement des Vergl. Beisp. 1 entwickelte deutliche Risse, und das Verbindungselement des vergl. Beisp. 2, bei dem die Dichtung aus Nickel hergestellt wurde, entwickelte ebenfalls Risse, wohingegen die Verbindungselemente 11, 12, 31 der ersten bis dritten Ausführungsformen selbst nach zehnmaligem Auseinander- und Zusammenbau keine Risse zeigten. Folglich werden bei den Dichtungen 13, 23 und den Rohrverbindungen 10, 20, 30, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, die rohrförmigen Verbindungselemente 11, 12, 13, die anderes als die Dichtungen 13, 23 schwer zu ersetzen sind, am Verkratzen und reißen gehindert. Ferner reagieren die Dichtungen 13, 23 und die rohrförmigen Verbindungselemente 11, 12, 13 nicht mit CO oder ähnlichen Gasen, da sie alle aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, wodurch gleichzeitig auch das Problem einer Beeinträchtigung der Fluiddichtheit oder der Verringerung der Reinheit des Gases zur Verwendung bei der Halbleiterherstellung eliminiert wird.

Claims

1. Dichtung, die aus einem rostfreiem Stahl hergestellt ist, mit, in Gewichtsprozent, 12,90 bis 15,00% Ni, 16,50 bis 18,00% Cr, 2,00 bis 3,00% Mo, bis zu 0,02% C, bis zu 0,30% Si, bis zu 0,40% Mn, bis zu 0,03% P, bis zu 0,003% 5, bis zu 0,25% Cu und bis zu 0,01% Al, wobei die Dichtung eine Oberfläche mit einer Vickershärte von 90 bis 160 aufweist.

2. Rohrverbindung mit einem Paar von rohrförmigen Verbindungselementen, einer ringförmigen Dichtung, die zwischen gegenüberliegenden Endflächen der beiden Verbindungselemente angeordnet ist, und einem Gewindemittel zum Verbinden der beiden Verbindungselemente, wobei die Rohrverbindung dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes der Verbindungselemente aus einem rostfreiem Stahl hergestellt ist und eine Oberfläche umfaßt, die eine Vickershärte von wenigstens 300 aufweist, die Dichtung aus einem rostfreiem Stahl hergestellt ist, mit, in Gewichtsprozent, 12,90 bis 15,00% Ni, 16,50 bis 18,00% Cr, 2,00 bis 3,00% Mo, bis zu 0,02% C, bis zu 0,30% Si, bis zu 0,40% Mn, bis zu 0,03% P, bis zu 0,003% S, bis zu 0,25% Cu und bis zu 0,01% Al, wobei die Dichtung eine Oberfläche mit einer Vickershärte von 90 bis 160 aufweist.

3. Dichtung nach Anspruch 1, wobei der rostfreie Stahl einer zweifachen Schmelzbehandlung unterzogen ist.