Kaip aušinimo greitis PFA ekstruzijos metu pakeičia likutinį įtempių pasiskirstymą šildytuvo apvalkaluose?

PFA, išspaustas ant metalinės šerdies, palieka štampą 350-400 laipsnių temperatūroje ir atšaldomas iki kambario temperatūros. Aušinimo greitis lemia, kaip polimerų grandinės užšąla vietoje, o tai tiesiogiai kontroliuoja liekamojo įtempio pasiskirstymą per galutinį šildytuvo apvalkalą. Greitas aušinimo greitis (5-10 laipsnių C/min.) neleidžia grandinėms atsipalaiduoti ir sukuria mažą liekamąjį įtempį (1-3 MPa), tolygiai paskirstytą per sienelės storį. Greitas aušinimas (50-100 laipsnių /min, pvz., vandens gesinimas) fiksuoja grandines orientuotai ir sukuria didelę liekamąją įtampą (5-10 MPa), sutelktą vidiniame ir išoriniame paviršiuose. Greitas aušinimas sukelia 6–8 MPa tempimo įtempį vidiniame paviršiuje (PFA-metalo sąsaja) ir 4–6 MPa išoriniame paviršiuje, kai PFA apvalkalas yra 2 mm storio. Šis įtempių pasiskirstymas pagreitina aplinkos įtempių įtrūkimus ir skatina delaminaciją terminio ciklo metu. Labai patikimi šildytuvai reikalauja lėto aušinimo.

Aušinimo greičio ir streso susidarymo mechanizmai
Kai ekstruzinis PFA atvėsta, išorinis paviršius pirmiausia sukietėja, kai liečiasi su vėsesniu oru arba vandeniu. Įkaitusi šerdis priverčia vidų (link metalo centro) lėčiau atvėsti, todėl ilgiau išlieka išsilydžiusi. Dėl šio skirtingo kietėjimo per sieną susidaro temperatūros gradientas. Kai išorinė oda kietėja ir susitraukia, ji tempia vis dar išlydytą vidų į išorę, įtempdama išorę ir suspausdama vidinę. Galiausiai vidinis sluoksnis sukietėja ir susitraukia, traukdamas atgal ir pakeisdamas streso būseną. Galutinis liekamasis įtempis priklauso nuo aušinimo greičio ir metalinės šerdies apribojimo.

Greitai gesinančiam apvalkalui (vandens vonia 20 laipsnių, aušinimo greitis 80 laipsnių/min.) išorinė oda sustingsta per 2-3 sek. Vidinis sluoksnis atšąla žemiau 200 laipsnių per 30–60 s. Išorinis sluoksnis užšąla įtemptas (3-5 MPa), o vidinis sluoksnis užšąla veikiamas įtempimo (5-8 MPa) nuo susitraukiančio išorinio sluoksnio. Rezultatas buvo vidinis paviršius įtemptas (prastas), o išorinis paviršius įtemptas (mažiau baisus). Įtempimas vidiniame paviršiuje skatina įtrūkimų atsiradimą PFA ir metalo sąlyčio metu.

Palaipsniui aušinamame apvalkale (oro-aušinimas kontroliuojamos temperatūros orkaitėje, 8 laipsniai per minutę) temperatūros gradientas virš sienos yra mažas. Siena sukietėja beveik visa iš karto. Liekamoji įtampa yra minimali (1–2 MPa) ir daugiausia gniuždoma vidiniame paviršiuje (puikiai, nes suspaudimas uždaro mikroįtrūkimus).

Užgesimo greitis ir liekamasis stresas
Aušinimo greitis ( laipsnis /min.) Aušinimo metodasVidinio paviršiaus įtempis (MPa) Išorinio paviršiaus įtempis (MPa) Sąsajos įtempių tipas Delaminacijos rizika
orkaitėje vėsinama, palaipsniui (atkaitinama)5–10–1–2 (suspaudimo) –1––2 (suspaudimo) Suspaudimo (gera) Labai žema
Vėsus oras (kambario temperatūra, ramus oras) nuo 15–25 +1 iki +3 (tempimas) nuo 0 iki +1 (tempimas) Lengvas tempimas Žemas Priverstinis oras (ventiliatorius) 30–50 +3 iki +5 +1 iki +3 Vidutinis tempimas Vidutinis
Vandens gesinimas (šaltas) nuo 60-100 +6 iki +10 +3 iki +6 Didelis tempimas Aukštas
Ledo vandens gesinimas nuo 100–150 +10 iki +15 +5 iki +10 Labai didelis tempiamasis stiprisItin didelis
Pastaba: (+) teigiamos reikšmės rodo tempimo įtempį; (−) neigiamas reiškia gniuždymo įtempius.

Liekamojo streso įtaka šildytuvo veikimui
Greitas aušinimas sukelia didelį liekamąjį tempimo įtempį PFA{0}}metalinėje sąsajoje, o tai turi tris žalingus padarinius:

Pagreitintas aplinkos streso įtrūkimas Naudojant stiprias chemines medžiagas (rūgštis, chloruotus tirpiklius), įtemptas kontaktas lūžta esant mažesniam įtempimui. Jei šildytuvas su 8 MPa liekamuoju įtempimu gali sudužti 30% HCl esant 90 laipsnių per 500 valandų, tai tas pats šildytuvas su 2 MPa liekamuoju įtempimu veikia 5000 valandų.

Sutrumpintas šiluminio ciklo tarnavimo laikas: kiekvienas šildymo / vėsinimo ciklas prie liekamojo įtempio padidina šiluminio plėtimosi įtempius. Jei suma yra didesnė nei PFA takumo riba (12-15 MPa), sąsaja duoda derlių. Šildytuvas greitai aušinamas (likęs 8MPa) + šiluminis įtempis (5MPa)=13MPa ~ išeiga. 7 MPa yra saugus su lėtai aušinamu šildytuvu (likutinis 2 MPa) + terminis įtempis (5 MPa).

Priešlaikinis atsisluoksniavimas: PFA atsiskiria nuo metalinės šerdies dėl tempimo įtempių ir susidaro mikrotarpeliai. Drėgmė prasiskverbia į plyšius, o kaitinant drėgmę paverčia garais, apdegindama apvalkalą.

Aptikimas ir paskyrimas
Residual stress can be determined by cutting a ring from the PFA sheath, making an axial slice, and measuring the resulting curvature (radius of curvature method). Fast cooled tubes curve into a tight circle (radius 20–50 mm), slow cooled tubes stay almost straight (radius >200 mm).

Nurodykite pirkime. PFA apvalkalas po ekstruzijos turi būti lėtai aušinamas, kai aušinimo greitis neviršija 15 laipsnių per minutę nuo lydymosi iki 100 laipsnių. Prašyti liekamojo įtempio matavimo pagal ASTM D6991 (plyšinio vamzdžio metodas) su priėmimo kriterijumi: kreivio spindulys didesnis arba lygus 150 mm 100 mm ilgio žiedui.

Išvada: lėtas aušinimas sumažina liekamąjį įtempimą 70-80%.
PFA ekstruzijos aušinimo greitis tiesiogiai nustato liekamąjį įtempių pasiskirstymą šildytuvo apvalkaluose. Greitas aušinimas (gesinimas vandeniu) sukelia didelį tempimo įtempį (6–10 MPa) PFA-metalinėje sąsajoje, todėl įtrūkimai įtempiami, sutrumpėja terminio ciklo trukmė ir atsisluoksniuoja. Lėtas aušinimas (oras arba orkaitė, 5–15 laipsnių / min.) sumažina liekamąjį įtempį iki 1–3 MPa (gniuždymo arba mažo tempimo) ir padidina šildytuvo tarnavimo laiką 3–5 kartus agresyviai naudojant. Bet kuriam šildytuvui, naudojamam šiluminiam ciklui arba korozinėms sąlygoms, nurodykite lėtą aušinimą ir patvirtinkite liekamojo įtempio testu. Apdorojimo laikas yra ilgesnis (valandos prieš minutes) ir padidina gamybos sąnaudas 10-20%, tačiau atsiperka ilgesnis tarnavimo laikas. Greitai aušinamas šildytuvas yra nelaimės receptas. Lėtai atvėsinkite, sumažinkite stresą, ilgai vėsinkite. Tai yra ekstruzijos dėsnis.