Hvordan ændrer afkølingshastigheden under PFA-ekstrudering restspændingsfordelingen i varmekapper?

PFA ekstruderet på en metalkerne forlader formen ved 350-400 grader og køles ned til stuetemperatur. Afkølingshastigheden dikterer, hvordan polymerkæderne fryser på plads, hvilket direkte styrer fordelingen af ​​resterende spænding gennem den endelige varmekappe. Den hurtige afkølingshastighed (5-10 grader C/min) forhindrer afslapning af kæderne og resulterer i en lav restspænding (1-3 MPa) jævnt fordelt gennem vægtykkelsen. Hurtig afkøling (50-100 grader/min., f.eks. vandkøler) fikserer kæderne i en orienteret tilstand og resulterer i en betydelig restspænding (5-10 MPa) koncentreret på de indre og ydre overflader. Den hurtige afkøling resulterer i en trækspænding på 6-8 MPa på den indre overflade (PFA-metalgrænseflade) og en trykspænding på 4-6 MPa på den ydre overflade for en PFA-kappe med en tykkelse på 2 mm. Denne spændingsfordeling fremskynder miljøspændingsrevner og fremmer delaminering under termisk cykling. Varmeapparater med stor pålidelighed kræver langsom afkøling.

Mekanismer for kølehastighed og stressdannelse
Når den ekstruderede PFA afkøles, størkner den udvendige overflade først, da den er i kontakt med den køligere luft eller vand. Den opvarmede kerne får indersiden ( mod metalcentret ) til at afkøle langsommere , så den forbliver smeltet længere . Denne differentielle størkning resulterer i en temperaturgradient gennem væggen. Når den ydre hud hærder og trækker sig sammen, trækker den det stadig smeltede indre udad, spænder det ydre og komprimerer det indre. Til sidst størkner det indre lag og krymper, trækker sig tilbage og vender stresstilstanden. Den endelige restspænding afhænger af afkølingshastigheden og begrænsningen af ​​metalkernen.

For en hurtigt slukket kappe (vandbad ved 20 grader, afkølingshastighed 80 grader /min) størkner den ydre hud på 2-3 sek. Det indre lag afkøles til under 200 grader inden for 30–60 s. Det udvendige lag fryser i træk (3-5 MPa), mens det indre lag fryser under spænding (5-8 MPa) fra det kontraherende ydre lag. Resultatet var en indre overflade i spænding (dårlig) og en udvendig overflade i spænding (mindre forfærdelig). Spændingen på den indre overflade begunstiger revneinitieringen ved kontakten mellem PFA og metal.

For en gradvist afkølet kappe (luft-afkøling i en temperaturstyret ovn, 8 grader/min) er temperaturgradienten over væggen lille. Væggen størkner næsten på én gang. Restspændingen er minimal (1-2 MPa) og for det meste kompressiv på den indre overflade (fremragende, da kompression lukker mikrorevner).

Slukningshastighed og resterende stress
Kølehastighed (grad/min) Køleteknik Indre overfladespænding (MPa) Ydre overfladespænding (MPa) Type grænsefladespændingDelamineringsrisiko
ovnen kølig, gradvist (udglødet) 5–10 −1 til −2 (komprimerende) −1 til −2 (komprimerende) Komprimerende (god) Meget lav
Luftkøling (rumtemperatur, stillestående luft) 15–25 +1 til +3 (trækstyrke) 0 til +1 (trækstyrke) Mild trækstyrke Lav Tvungen luft (ventilator) 30–50 +3 til +5 +1 til +3 Moderat trækstyrke Moderat
Vandslukning (kold) 60-100 +6 til +10 +3 til +6 Høj trækstyrke Høj
Isvandsslukning 100–150 +10 til +15 +5 til +10 Meget høj trækstyrke Ekstremt høj
Bemærk: (+) positive værdier indikerer trækspænding; (−) negativ indebærer trykspændinger.

Indflydelse af restbelastning på varmeapparatets ydeevne
Hurtig afkøling fører til høj resterende trækspænding ved PFA-metalgrænsefladen, som har tre skadelige virkninger:

Accelereret miljøbelastningsrevnedannelse Med stærke kemikalier (syrer, klorerede opløsningsmidler) knækker den belastede kontakt ved lavere påført belastning. Hvis varmelegemet med 8 MPa restspænding kan splintre i 30 % HCl ved 90 grader på 500 timer, holder det samme varmelegeme med 2 MPa restspænding 5.000 timer.

Reduceret levetid for termisk cyklus: Hver opvarmnings-/afkølingscyklus tilføjer termiske ekspansionsspændinger til den resterende spænding. Hvis summen er mere end flydespændingen af ​​PFA (12-15 MPa) giver grænsefladen sig. Varmelegeme hurtigt afkølet (resterende 8MPa) + termisk spænding (5MPa)=13MPa ~ udbytte. 7 MPa er sikkert med en langsom afkølet varmelegeme (resterende 2 MPa) + termisk belastning (5 MPa).

For tidlig delaminering: PFA'en adskilles fra metalkernen på grund af trækspænding og danner mikrogab. Fugt siver ind i sprækkerne, og derefter omdanner opvarmning fugten til damp, hvilket svider kappen.

Detektion og betegnelse
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).

Angiv ved indkøb. PFA-kappen skal afkøles langsomt efter ekstrudering med en afkølingshastighed på ikke over 15 grader/min fra smeltning til 100 grader. Anmod om restspændingsmåling i henhold til ASTM D6991 (spaltet rørmetode) med acceptkriterium: krumningsradius Større end eller lig med 150 mm for en 100 mm lang ring.

Konklusion: Langsom afkøling reducerer restbelastningen med 70-80%.
PFA-ekstruderingsafkølingshastigheden bestemmer den resterende spændingsfordeling i varmekapper direkte. Hurtig afkøling (vandslukning) inducerer høj trækspænding (6-10 MPa) ved PFA-metalgrænsefladen, hvilket fører til spændingsrevner, reduktion i termisk cykluslevetid og delaminering. Langsom afkøling (luft eller ovn, 5-15 grader/min) reducerer restbelastningen til 1-3 MPa (kompression eller lav trækstyrke) og forlænger varmeapparatets levetid med 3-5× ved aggressiv brug. For ethvert varmelegeme, der bruges til termisk cykling eller korrosive forhold, skal du angive langsom afkøling og bekræfte med restbelastningstest. Bearbejdningstiden er længere (timer versus minutter) og øger produktionsomkostningerne med 10-20 %, men betales tilbage af en længere levetid. Et hurtigt afkølet varmelegeme er en opskrift på en katastrofe. Langsom det køligt, lav det stress, længe det varmt. Det er loven om ekstrudering.