Как скоростта на охлаждане по време на екструдирането на PFA променя разпределението на остатъчното напрежение в нагревателните обвивки?

PFA, екструдиран върху метална сърцевина, напуска матрицата при 350-400 градуса и се охлажда до стайна температура. Скоростта на охлаждане диктува как полимерните вериги замръзват на място, което директно контролира разпределението на остатъчното напрежение през крайната нагревателна обвивка. Бързата скорост на охлаждане (5-10 deg C/min) предотвратява отпускането на веригите и води до ниско остатъчно напрежение (1-3 MPa), равномерно разпределено през дебелината на стената. Бързото охлаждане (50-100 градуса /мин, напр. закаляване с вода) фиксира веригите в ориентирано състояние и води до значително остатъчно напрежение (5-10 MPa), концентрирано върху вътрешната и външната повърхност. Бързото охлаждане води до напрежение на опън от 6–8 MPa върху вътрешната повърхност (интерфейс PFA-метал) и напрежение на натиск от 4–6 MPa върху външната повърхност за PFA обвивка с дебелина 2 mm. Това разпределение на напрежението ускорява напукването под въздействието на околната среда и насърчава разслояването по време на топлинен цикъл. Нагревателите с голяма надеждност изискват бавно охлаждане.

Механизми на скоростта на охлаждане и образуване на напрежение
Докато екструдираният PFA се охлажда, външната повърхност се втвърдява първо, тъй като е в контакт с по-хладния въздух или вода. Нагрятото ядро ​​кара вътрешността (към металния център) да се охлади по-бавно, така че остава разтопено по-дълго. Това различно втвърдяване води до температурен градиент през стената. Докато външната обвивка се втвърдява и свива, тя изтегля все още разтопената вътрешност навън, опъвайки външната и компресирайки вътрешната. Накрая вътрешният слой се втвърдява и свива, изтегляйки се назад и обръщайки напрежението. Крайното остатъчно напрежение зависи от скоростта на охлаждане и ограничението на металната сърцевина.

За бързо охладена обвивка (водна баня при 20 градуса, скорост на охлаждане 80 градуса /мин) външната обвивка се втвърдява за 2-3 секунди. Вътрешният слой се охлажда под 200 градуса за 30–60 s. Външният слой замръзва при напрежение (3-5 MPa), докато вътрешният слой замръзва при напрежение (5-8 MPa) от свиващия се външен слой. Резултатът беше вътрешна повърхност в напрежение (лошо) и външна повърхност в напрежение (по-малко ужасно). Напрежението на вътрешната повърхност благоприятства образуването на пукнатини при контакт на PFA и метал.

За постепенно охлаждана обвивка (въздушно-охлаждане във фурна с контролирана температура, 8 градуса/мин) температурният градиент над стената е малък. Стената се втвърдява почти цялата наведнъж. Остатъчното напрежение е минимално (1–2 MPa) и предимно компресионно на вътрешната повърхност (отлично, тъй като компресията затваря микропукнатини).

Скорост на охлаждане и остатъчно напрежение
Скорост на охлаждане (градус/мин) Техника на охлаждане Вътрешно повърхностно напрежение (MPa) Външно повърхностно напрежение (MPa) Тип интерфейсно напрежение Риск от разслояване
пещ охладена, постепенно (отгрята) 5–10 −1 до −2 (компресия) −1 до −2 (компресия) Компресия (добра) Много ниска
Въздушно охлаждане (стайна температура, неподвижен въздух) 15–25 +1 до +3 (опън) 0 до +1 (опън) Лек опън Ниска Форсиран въздух (вентилатор) 30–50 +3 до +5 +1 до +3 Умерен опън Умерен
Закаляване с вода (студено) 60-100 +6 до +10 +3 до +6 Висока якост на опън Висока
Закаляване с ледена вода 100–150 +10 до +15 +5 до +10 Много висока якост на опън Изключително висока
Забележка: (+) положителните стойности показват напрежение на опън; (-) отрицателно означава напрежение на натиск.

Влияние на остатъчното напрежение върху работата на нагревателя
Бързото охлаждане води до високо остатъчно напрежение на опън в PFA-металната повърхност, което има три вредни ефекта:

Ускорено напукване от напрежение в околната среда Със силни химикали (киселини, хлорирани разтворители), напрегнатият контакт се счупва при по-ниско приложено напрежение. Ако нагревателят с 8 MPa остатъчно напрежение може да се счупи в 30% HCl при 90 градуса за 500 часа, същият нагревател с 2 MPa остатъчно напрежение издържа 5000 часа.

Намален живот на топлинния цикъл: Всеки цикъл на нагряване/охлаждане добавя напрежения на топлинно разширение към остатъчното напрежение. Ако сумата е по-голяма от границата на провлачване на PFA (12-15 MPa), повърхността провлача. Бързо охлаждан нагревател (остатъчно 8MPa) + термично напрежение (5MPa)=13MPa ~ добив. 7 MPa е безопасно с бавно охлаждан нагревател (остатъчно 2 MPa) + термично напрежение (5 MPa).

Преждевременно разслояване: PFA се отделя от металната сърцевина поради напрежение на опън, образувайки микропроцепи. Влагата прониква в пукнатините и след това нагряването превръща влагата в пара, изгаряйки обвивката.

Откриване и обозначаване
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 мм).

Посочете в поръчката. PFA обвивката трябва да се охлажда бавно след екструдиране със скорост на охлаждане, която не надвишава 15 градуса / мин от стопяване до 100 градуса. Изисквайте измерване на остатъчното напрежение съгласно ASTM D6991 (метод на прорезна тръба) с критерий за приемане: радиус на кривина, по-голям или равен на 150 mm за пръстен с дължина 100 mm.

Заключение: Бавното охлаждане намалява остатъчното напрежение със 70-80%.
Скоростта на охлаждане при екструдиране на PFA определя директно разпределението на остатъчното напрежение в нагревателните обвивки. Бързото охлаждане (закаляване с вода) предизвиква голямо напрежение на опън (6–10 MPa) в повърхността на PFA-метала, което води до напукване под напрежение, намаляване на живота на топлинния цикъл и разслояване. Бавното охлаждане (въздух или пещ, 5–15 градуса/мин) намалява остатъчното напрежение до 1-3 MPa (натиск или нисък опън) и увеличава живота на нагревателя с 3-5 пъти при агресивна употреба. За всеки нагревател, използван за термични цикли или корозивни условия, посочете бавно охлаждане и потвърдете с тест за остатъчен стрес. Времето за обработка е по-дълго (часове срещу минути) и увеличава производствените разходи с 10-20%, но се изплаща с по-дълъг експлоатационен живот. Бързо охладеният нагревател е рецепта за катастрофа. Бавно охлаждане, намаляване на стреса, продължително горене. Това е законът на екструдирането.