Как скорость охлаждения во время экструзии PFA меняет распределение остаточных напряжений в оболочках нагревателя?

PFA, экструдированный на металлическом сердечнике, выходит из матрицы при температуре 350-400 градусов и охлаждается до комнатной температуры. Скорость охлаждения определяет, как полимерные цепи замерзают на месте, что напрямую контролирует распределение остаточного напряжения через конечную оболочку нагревателя. Высокая скорость охлаждения (5-10 град С/мин) предотвращает релаксацию цепей и приводит к низкому остаточному напряжению (1-3 МПа), равномерно распределенному по толщине стенки. Быстрое охлаждение (50-100 град/мин, например, закалка в воде) фиксирует цепи в ориентированном состоянии и приводит к значительным остаточным напряжениям (5-10 МПа), сосредоточенным на внутренней и внешней поверхностях. Быстрое охлаждение приводит к растягивающему напряжению 6–8 МПа на внутренней поверхности (интерфейс ПФА-металл) и сжимающему напряжению 4–6 МПа на внешней поверхности для оболочки из ПФА толщиной 2 мм. Такое распределение напряжений ускоряет растрескивание под воздействием окружающей среды и способствует расслоению во время термоциклирования. Нагреватели с высокой надежностью требуют медленного охлаждения.

Механизмы скорости охлаждения и образования напряжений.
По мере охлаждения экструдированного PFA внешняя поверхность сначала затвердевает при контакте с более холодным воздухом или водой. Нагретый сердечник заставляет внутреннюю часть (по направлению к металлическому центру) остывать медленнее, поэтому он дольше остается расплавленным. Это дифференциальное затвердевание приводит к градиенту температуры через стенку. Когда внешняя оболочка затвердевает и сжимается, она вытягивает все еще расплавленную внутреннюю часть наружу, натягивая внешнюю и сжимая внутреннюю. Наконец, внутренний слой затвердевает и сжимается, оттягиваясь назад и меняя напряженное состояние. Окончательное остаточное напряжение зависит от скорости охлаждения и ограничений металлического сердечника.

У быстро закаленной оболочки (водяная баня при 20 градусах, скорость охлаждения 80 град/мин) внешняя оболочка затвердевает за 2-3 секунды. Внутренний слой остывает ниже 200 градусов за 30–60 с. Наружный слой замерзает при растяжении (3-5 МПа), а внутренний слой замерзает при растяжении (5-8 МПа) от сжимающегося наружного слоя. В результате внутренняя поверхность оказалась в напряжении (плохая), а внешняя поверхность в напряжении (менее ужасно). Напряжения на внутренней поверхности способствуют зарождению трещин при контакте ПФА и металла.

Для постепенно охлаждаемой оболочки (воздушное-охлаждение в печи с регулируемой температурой, 8 градусов в минуту) градиент температуры на стенке невелик. Стена затвердевает почти вся сразу. Остаточные напряжения минимальны (1–2 МПа) и преимущественно сжимающие на внутренней поверхности (отличные, так как сжатие закрывает микротрещины).

Скорость закалки и остаточное напряжение
Скорость охлаждения (градус/мин) Техника охлажденияНапряжение на внутренней поверхности (МПа) Напряжение на внешней поверхности (МПа)Тип напряжения на границе раздела Риск расслоения
в печи прохладно, постепенно (отжиг)5–10 от −1 до −2 (сжатие) от −1 до −2 (сжатие)Сжатие (хорошее) Очень низкая
Охлаждение на воздухе (комнатная температура, неподвижный воздух) от 15–25 +1 до +3 (растяжение) от 0 до +1 (растяжение) Умеренное растяжение Низкое Принудительный воздух (вентилятор) от 30–50 +3 до +5 +1 до +3 Умеренное растяжение Умеренное
Закалка водой (холодная) от 60-100 +6 до +10 +3 до +6 Высокая прочность на растяжение Высокая
Закалка ледяной водой от 100–150 +10 до +15 +5 до +10 Очень высокая прочность на разрыв Чрезвычайно высокая
Примечание: (+) положительные значения указывают на растягивающее напряжение; (-) отрицательный означает сжимающие напряжения.

Влияние остаточного напряжения на производительность нагревателя
Быстрое охлаждение приводит к высокому остаточному растягивающему напряжению на границе раздела металлов PFA-, что имеет три вредных последствия:

Ускоренное растрескивание под воздействием окружающей среды. При использовании сильных химикатов (кислот, хлорированных растворителей) контактные трещины под напряжением происходят при более низком приложенном напряжении. Если нагреватель с остаточным напряжением 8 МПа может разрушиться в 30% HCl при температуре 90 градусов за 500 часов, то тот же нагреватель с остаточным напряжением 2 МПа прослужит 5000 часов.

Сокращение срока службы при термическом цикле: каждый цикл нагрева/охлаждения добавляет к остаточному напряжению напряжения теплового расширения. Если сумма превышает предел текучести ПФА (12-15 МПа), граница раздела текуча. Нагреватель быстроохлаждаемый (остаточное 8МПа) + термическое напряжение (5МПа)=13МПа ~ выход. 7 МПа безопасен при медленно охлаждаемом нагревателе (остаточное 2 МПа) + термическое напряжение (5 МПа).

Преждевременное расслоение: PFA отделяется от металлического сердечника из-за растягивающего напряжения, образуя микрозазоры. Влага просачивается в щели, а затем при нагревании влага превращается в пар, обжигающий ножны.

Обнаружение и обозначение
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).

Уточняйте в закупках. Оболочка из PFA должна медленно охлаждаться после экструзии со скоростью охлаждения не более 15 градусов в минуту от температуры расплава до 100 градусов. Запросите измерение остаточного напряжения в соответствии с ASTM D6991 (метод щелевой трубы) с критерием приемки: радиус кривизны больше или равен 150 мм для кольца длиной 100 мм.

Вывод: Медленное охлаждение снижает остаточное напряжение на 70-80%.
Скорость экструзионного охлаждения PFA напрямую определяет распределение остаточных напряжений в оболочках нагревателя. Быстрое охлаждение (закалка в воде) вызывает высокое растягивающее напряжение (6–10 МПа) на границе раздела металла PFA-, что приводит к растрескиванию под напряжением, сокращению срока службы при термическом цикле и расслоению. Медленное охлаждение (на воздухе или в печи, 5–15 град/мин) снижает остаточные напряжения до 1–3 МПа (сжатие или слабое растяжение) и увеличивает срок службы нагревателя в 3–5 раз при агрессивном использовании. Для любого нагревателя, используемого в условиях термоциклирования или коррозии, укажите медленное охлаждение и подтвердите его испытанием на остаточную нагрузку. Время обработки увеличивается (часы против минут) и увеличивает себестоимость продукции на 10-20%, но окупается более длительным сроком службы. Быстро остывший обогреватель – верный путь к катастрофе. Медленнее, прохладнее, меньше стресса, дольше, жарче. Это закон выдавливания.