Kako brzina hlađenja tijekom ekstruzije PFA mijenja distribuciju zaostalog naprezanja u omotačima grijača?

PFA ekstrudiran na metalnoj jezgri napušta matricu na 350-400 stupnjeva i hladi se na sobnu temperaturu. Brzina hlađenja diktira kako se polimerni lanci smrzavaju na mjestu, što izravno kontrolira raspodjelu zaostalog naprezanja kroz završni omotač grijača. Brza brzina hlađenja (5-10 deg C/min) sprječava opuštanje lanaca i rezultira niskim zaostalim naprezanjem (1-3 MPa) ravnomjerno raspoređenim kroz debljinu stijenke. Brzo hlađenje (50-100 stupnjeva /min, npr. kaljenje vodom) fiksira lance u orijentiranom stanju i rezultira značajnom zaostalom napetosti (5-10 MPa) koncentriranom na unutarnjoj i vanjskoj površini. Brzo hlađenje rezultira vlačnim naprezanjem od 6–8 MPa na unutarnjoj površini (PFA-metal međusklop) i tlačnim naprezanjem od 4–6 MPa na vanjskoj površini za PFA plašt debljine 2 mm. Ova raspodjela naprezanja ubrzava pucanje uzrokovano naprezanjem u okolišu i potiče raslojavanje tijekom toplinskog ciklusa. Grijači s velikom pouzdanošću zahtijevaju sporo hlađenje.

Mehanizmi brzine hlađenja i nastanka naprezanja
Kako se ekstrudirani PFA hladi, vanjska površina prvo očvrsne jer je u dodiru s hladnijim zrakom ili vodom. Zagrijana jezgra uzrokuje sporije hlađenje unutrašnjosti (prema metalnom središtu), tako da duže ostaje rastaljena. Ovo diferencijalno skrućivanje rezultira temperaturnim gradijentom kroz stijenku. Dok se vanjska koža stvrdnjava i skuplja, ona povlači još rastaljenu unutrašnjost prema van, napinjući vanjsku i sabijajući unutarnju. Na kraju se unutarnji sloj skrutne i skupi, povlačeći i preokrećući stanje stresa. Konačno zaostalo naprezanje ovisi o brzini hlađenja i ograničenju metalne jezgre.

Za brzo kaljeni omotač (vodena kupelj na 20 stupnjeva, brzina hlađenja 80 stupnjeva/min) vanjska koža očvrsne za 2-3 sekunde. Unutarnji sloj se hladi ispod 200 stupnjeva unutar 30-60 s. Vanjski sloj se smrzava na napetost (3-5 MPa), dok se unutarnji sloj smrzava na napetost (5-8 MPa) od vanjskog sloja koji se skuplja. Rezultat je bila unutarnja površina u napetosti (loša) i vanjska površina u napetosti (manje užasna). Naprezanje na unutarnjoj površini pogoduje nastanku pukotine na kontaktu PFA i metala.

Za postupno hlađeni omotač (zračno-hlađenje u pećnici s kontroliranom temperaturom, 8 stupnjeva/min) temperaturni gradijent preko stijenke je mali. Zid se učvrsti gotovo sav odjednom. Zaostalo naprezanje je minimalno (1-2 MPa) i uglavnom tlačno na unutarnjoj površini (izvrsno, jer kompresija zatvara mikropukotine).

Brzina kaljenja i zaostalo naprezanje
Brzina hlađenja (stupanj/min) Tehnika hlađenja Unutarnje površinsko naprezanje (MPa) Vanjsko površinsko naprezanje (MPa) Vrsta sučelja naprezanja Rizik od raslojavanja
pećnica hladna, postupno (žarena)5–10 −1 do −2 (kompresivno) −1 do −2 (kompresivno)Kompresivno (dobro) Vrlo nisko
Zračno hlađenje (sobna temperatura, miran zrak) 15–25 +1 do +3 (vlačno) 0 do +1 (vlačno) Blago rastezanje Nisko Prisilni zrak (ventilator) 30–50 +3 do +5 +1 do +3 Umjereno rastezanje Umjereno
Gašenje vodom (hladno) 60-100 +6 do +10 +3 do +6 Visoka rastezljivost Visoka
Kaljenje ledenom vodom 100–150 +10 do +15 +5 do +10 Vrlo visoka vlačna čvrstoća Izuzetno visoka
Napomena: (+) pozitivne vrijednosti označavaju vlačno naprezanje; (−) negativno podrazumijeva tlačna naprezanja.

Utjecaj zaostalog naprezanja na rad grijača
Brzo hlađenje dovodi do visokog zaostalog vlačnog naprezanja na granici PFA-metala, što ima tri štetna učinka:

Ubrzano pucanje pod utjecajem okoliša Uz jake kemikalije (kiseline, klorirana otapala), napregnuti kontakt puca pri nižem primijenjenom naprezanju. Ako se grijač s zaostalim naprezanjem od 8 MPa može razbiti u 30% HCl na 90 stupnjeva u 500 sati, isti grijač s zaostalim naprezanjem od 2 MPa traje 5000 sati.

Smanjeni životni vijek toplinskog ciklusa: Svaki ciklus grijanja/hlađenja dodaje naprezanja toplinske ekspanzije zaostalom naprezanju. Ako je zbroj veći od granice razvlačenja PFA (12-15 MPa), granična površina popušta. Brzo ohlađeni grijač (preostalo 8 MPa) + toplinsko naprezanje (5 MPa)=13MPa ~ iskorištenje. 7 MPa je sigurno sa sporo ohlađenim grijačem (preostalo 2 MPa) + toplinsko naprezanje (5 MPa).

Prerano raslojavanje: PFA se odvaja od metalne jezgre zbog vlačnog naprezanja, stvarajući mikrorupe. Vlaga prodire u pukotine, a zatim zagrijavanje pretvara vlagu u paru, pržeći omotač.

Otkrivanje i označavanje
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).

Navesti u nabavi. PFA plašt će se polagano hladiti nakon ekstruzije brzinom hlađenja koja ne prelazi 15 stupnjeva / min od taljenja do 100 stupnjeva. Zatražite mjerenje zaostalog naprezanja prema ASTM D6991 (metoda prorezane cijevi) s kriterijem prihvatljivosti: radijus zakrivljenosti veći ili jednak 150 mm za prsten duljine 100 mm.

Zaključak: Sporo hlađenje smanjuje zaostalo naprezanje za 70-80%.
Brzina hlađenja ekstruzije PFA izravno određuje raspodjelu zaostalog naprezanja u plaštima grijača. Brzo hlađenje (kaljenje vodom) izaziva visoko vlačno naprezanje (6-10 MPa) na granici metala PFA- što dovodi do pucanja uslijed naprezanja, smanjenja trajanja toplinskog ciklusa i raslojavanja. Polagano hlađenje (zrak ili pećnica, 5–15 stupnjeva/min) smanjuje zaostalo naprezanje na 1-3 MPa (tlačno ili nisko rastezno) i produljuje vijek trajanja grijača za 3-5 puta u agresivnoj uporabi. Za bilo koji grijač koji se koristi za toplinske cikluse ili korozivne uvjete, navedite sporo hlađenje i potvrdite ispitivanjem zaostalog naprezanja. Vrijeme obrade je duže (sati u odnosu na minute) i povećava trošak proizvodnje za 10-20%, ali se vraća duljim vijekom trajanja. Brzo ohlađena grijalica je recept za katastrofu. Sporo ohladi, smanji stres, dugo vruće. To je zakon istiskivanja.