Під час екструзії PFA на металеве ядро полімер виходить із фільєри при 350–400 градусах і охолоджується до кімнатної температури. Швидкість охолодження визначає, як полімерні ланцюги замерзають на місці, безпосередньо контролюючи розподіл залишкової напруги в готовій оболонці нагрівача. Повільне охолодження (5–10 градусів за хвилину) дозволяє ланцюгам розслабитися, що призводить до низького залишкового напруження (1–3 МПа), рівномірно розподіленого по товщині стінки. Швидке охолодження (50–100 градусів за хвилину, наприклад, загартування водою) заморожує ланцюги в орієнтованому стані, створюючи високу залишкову напругу (5–10 МПа), зосереджену на внутрішній і зовнішній поверхнях. Для оболонки з PFA товщиною 2 мм швидке охолодження створює напругу розтягу на внутрішній поверхні (інтерфейс металу PFA-) 6–8 МПа та напругу стиску 4–6 МПа на зовнішній поверхні. Такий розподіл напруги прискорює розтріскування під дією напруги в навколишньому середовищі та сприяє розшаруванню під час термічного циклу. Для обігрівачів високої-надійності бажано повільне охолодження.
Механізми швидкості охолодження та генерація напруг
Коли екструдований PFA охолоджується, зовнішня поверхня твердне спочатку, оскільки вона контактує з холоднішим повітрям або водою. Внутрішня поверхня (щодо металевого сердечника) залишається розплавленою довше, оскільки гаряче ядро сповільнює охолодження. Це диференційоване затвердіння створює температурний градієнт на стіні. Коли зовнішня оболонка твердне та стискається, вона витягує все ще-розплавлений внутрішній матеріал назовні, створюючи напругу у зовнішньому шарі та стиснення у внутрішньому. Коли внутрішній шар остаточно застигає і стискається, він відтягується назад, змінюючи напружений стан. Кінцева залишкова напруга залежить від швидкості охолодження та обмеження металевого сердечника.
Для швидкої -загартованої оболонки (водяна баня при 20 градусах, швидкість охолодження 80 градусів/хв) зовнішня оболонка твердне протягом 2–3 секунд. Внутрішньому шару потрібно 30–60 секунд, щоб охолонути нижче 200 градусів. Зовнішній шар фіксує напругу розтягування (3–5 МПа), тоді як внутрішній шар твердне під дією розтягування (5–8 МПа) від стягуючого зовнішнього шару. Результат: внутрішня поверхня розтягнута (погано), зовнішня розтягнута (менш погано). Напруга на внутрішній поверхні сприяє утворенню тріщин на межі розділу PFA-метал.
Для повільно{0}}охолоджуваної оболонки (повітряне охолодження в-печі з контрольованою температурою, 8 градусів/хв) градієнт температури на стіні є мінімальним. Вся стіна твердне майже одночасно. Залишкова напруга низька (1-2 МПа) і переважно стискаюча на внутрішній поверхні (добре, тому що стиснення закриває мікротріщини).
Залишкове напруження проти швидкості охолодження
| Спосіб охолодження | Швидкість охолодження (градус / хв) | Напруга внутрішньої поверхні (МПа) | Напруга зовнішньої поверхні (МПа) | Тип напруги на межі розділу | Ризик розшарування |
|---|---|---|---|---|---|
| Духова шафа повільно охолоджується (розпалена) | 5–10 | від -1 до -2 (стиск) | від -1 до -2 (стиск) | Компресійний (хороший) | Дуже низький |
| Повітряне охолодження (кімнатна температура, нерухоме повітря) | 15–25 | +1 до +3 (на розтяг) | 0 до +1 (розтягнення) | Легкий розтяг | Низький |
| Примусове повітря (вентилятор) | 30–50 | +3 до +5 | +1 до +3 | Помірний розрив | Помірний |
| Гартування водою (холодною) | 60–100 | +6 до +10 | +3 до +6 | Висока міцність на розрив | Високий |
| Загартувати крижаною водою | 100–150 | +10 до +15 | +5 до +10 | Дуже висока міцність на розрив | Дуже високий |
Примітка: позитивні значення (+) вказують на напругу розтягування; від'ємний (-) вказує на напругу стиску.
Як залишкова напруга впливає на продуктивність обігрівача
Висока залишкова напруга розтягування на межі розділу металу PFA- (через швидке охолодження) має три негативні наслідки:
Прискорене розтріскування під впливом зовнішнього середовища: У присутності агресивних хімічних речовин (кислот, хлорованих розчинників) напружена межа розділу тріскається при меншій прикладеній напрузі. Нагрівач із залишковою напругою 8 МПа може тріснути в 30% HCl при 90 градусах протягом 500 годин; такий же нагрівач із залишковою напругою 2 МПа працює 5000 годин.
Скорочений термін служби теплового циклу: Кожен цикл нагрівання/охолодження додає напругу теплового розширення до залишкової напруги. Коли сума перевищує межу текучості ПФА (12–15 МПа), межа розділу пластів плинна. Нагрівач із швидким-охолодженням (залишковий тиск 8 МПа) плюс термічна напруга (5 МПа) досягає 13 МПа-приблизно до текучості. Повільно{10}}охолоджений нагрівач (залишковий тиск 2 МПа) плюс теплове навантаження (5 МПа) досягає 7 МПа-безпечно.
Передчасне розшарування: Сила розтягування відриває PFA від металевого сердечника, створюючи мікрощілини. Волога проникає в щілини, а подальше нагрівання перетворює вологу на пару, утворюючи пухирі на оболонці.
Виявлення та специфікація
Residual stress can be measured by cutting a ring of the PFA sheath, slitting it axially, and measuring the resulting curvature (radius of curvature method). Fast-cooled tubes curl into a tight circle (radius 20–50 mm); slow-cooled tubes remain nearly straight (radius >200 мм).
У специфікаціях закупівлі вимагайте: "Після екструзії оболонка PFA має повільно-охолоджуватися зі швидкістю охолодження, що не перевищує 15 градусів за хвилину від розплавлення до 100 градусів". Вимагайте вимірювання залишкової напруги відповідно до ASTM D6991 (метод щілинної трубки) з критерієм прийнятності: радіус кривизни більше або дорівнює 150 мм для кільця довжиною 100 мм.
Висновок: повільне охолодження зменшує залишкову напругу на 70–80%
Швидкість охолодження під час екструзії PFA безпосередньо визначає розподіл залишкових напруг в оболонках нагрівача. Швидке охолодження (загартування водою) створює високу напругу розтягування (6–10 МПа) на межі розділу металу PFA-, прискорюючи розтріскування під напругою, скорочуючи термін служби теплового циклу та сприяючи розшаруванню. Повільне охолодження (5–15 градусів за хвилину, охолодження на повітрі або в печі) знижує залишкову напругу до 1–3 МПа (стиск або низький розтяг), подовжуючи термін служби нагрівача в 3–5 разів при агресивній експлуатації. Для будь-якого нагрівача, призначеного для термічних циклів або корозійних середовищ, вкажіть повільне охолодження та перевірте вимірюванням залишкової напруги. Додатковий час обробки (години проти хвилин) додає 10–20% до вартості виробництва, але окупається через довший термін служби. Швидко-охолоджуваний обігрівач — це невдача, яка чекає на себе. Охолоджуйте повільно, напружуйте, довго нагрівайте. Це правило екструзії.
