Tốc độ làm mát trong quá trình ép đùn PFA thay đổi sự phân bố ứng suất dư trong vỏ bọc gia nhiệt như thế nào?

PFA được ép đùn trên lõi kim loại để lại khuôn ở nhiệt độ 350{13}}400 độ và được làm nguội đến nhiệt độ phòng. Tốc độ làm mát quyết định cách các chuỗi polyme đóng băng tại chỗ, điều này trực tiếp kiểm soát sự phân bổ ứng suất dư qua vỏ bọc gia nhiệt cuối cùng. Tốc độ làm nguội nhanh (5-10 độ C/phút) ngăn ngừa sự giãn của dây chuyền và dẫn đến ứng suất dư thấp (1-3 MPa) phân bố đều qua độ dày thành. Làm mát nhanh (50-100 độ /phút, ví dụ như làm nguội bằng nước) cố định dây chuyền ở trạng thái định hướng và dẫn đến lực căng dư đáng kể (5-10 MPa) tập trung ở bề mặt bên trong và bên ngoài. Quá trình làm lạnh nhanh dẫn đến ứng suất kéo 6–8 MPa trên bề mặt bên trong (giao diện kim loại PFA) và ứng suất nén 4–6 MPa trên bề mặt bên ngoài đối với vỏ bọc PFA có độ dày 2 mm. Sự phân bố ứng suất này làm tăng tốc độ nứt do ứng suất môi trường và thúc đẩy sự phân tách trong quá trình đạp xe nhiệt. Máy sưởi có độ tin cậy cao yêu cầu làm mát chậm.

Cơ chế tốc độ làm nguội và hình thành ứng suất
Khi PFA ép đùn nguội đi, bề mặt bên ngoài sẽ cứng lại trước tiên khi nó tiếp xúc với không khí hoặc nước mát hơn. Lõi được làm nóng làm cho phần bên trong (về phía tâm kim loại) nguội chậm hơn, do đó nó nóng chảy lâu hơn. Sự đông đặc khác biệt này dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ xuyên qua tường. Khi lớp da bên ngoài cứng lại và co lại, nó kéo phần bên trong vẫn còn nóng chảy ra ngoài, làm căng bên ngoài và nén bên trong. Cuối cùng lớp bên trong cứng lại và co lại, kéo lùi và đảo ngược tình trạng ứng suất. Ứng suất dư cuối cùng phụ thuộc vào tốc độ làm nguội và giới hạn của lõi kim loại.

Đối với vỏ bọc được làm nguội nhanh (tắm nước ở 20 độ, tốc độ làm mát 80 độ / phút), lớp vỏ bên ngoài đông cứng lại trong 2-3 giây. Lớp bên trong nguội xuống dưới 200 độ trong vòng 30–60 giây. Lớp bên ngoài đóng băng dưới sức căng (3-5 MPa), trong khi lớp bên trong đóng băng dưới sức căng (5-8 MPa) từ lớp ngoài co lại. Kết quả là bề mặt bên trong chịu lực căng (kém) và bề mặt bên ngoài chịu lực căng (ít khủng khiếp hơn). Ứng suất ở bề mặt bên trong tạo điều kiện cho sự hình thành vết nứt khi tiếp xúc giữa PFA và kim loại.

Đối với vỏ bọc được làm mát dần dần (làm mát-không khí trong lò được kiểm soát nhiệt độ, 8 độ/phút), gradient nhiệt độ trên tường nhỏ. Bức tường gần như đông cứng lại ngay lập tức. Ứng suất dư là tối thiểu (1–2 MPa) và chủ yếu là lực nén ở bề mặt bên trong (rất tốt, vì lực nén sẽ làm kín các vết nứt nhỏ).

Tốc độ làm nguội và ứng suất dư
Tốc độ làm nguội (độ /phút) Kỹ thuật làm mát Ứng suất bề mặt bên trong (MPa) Ứng suất bề mặt bên ngoài (MPa)Loại ứng suất bề mặt Rủi ro tách lớp
làm nguội trong lò, dần dần (ủ)5–10 −1 đến −2 (nén) −1 đến −2 (nén)Nén (tốt) Rất thấp
Làm mát bằng không khí (nhiệt độ phòng, không khí tĩnh) 15–25 +1 đến +3 (kéo) 0 đến +1 (kéo) Kéo nhẹ Thấp Không khí cưỡng bức (quạt) 30–50 +3 đến +5 +1 đến +3 Kéo vừa phải Trung bình
Làm nguội nước (lạnh) 60-100 +6 đến +10 +3 đến +6 Độ bền kéo cao Cao
Làm nguội nước đá 100–150 +10 đến +15 +5 đến +10 Độ bền kéo rất caoCực kỳ cao
Lưu ý: (+) giá trị dương biểu thị ứng suất kéo; (-) âm hàm ý ứng suất nén.

Ảnh hưởng của ứng suất dư đến hiệu suất của lò sưởi
Làm mát nhanh dẫn đến ứng suất kéo dư cao ở bề mặt kim loại PFA-, gây ra ba tác động bất lợi:

Tăng tốc độ nứt do ứng suất môi trường Với các hóa chất mạnh (axit, dung môi clo hóa), các vết nứt tiếp xúc do ứng suất ở ứng suất thấp hơn. Nếu lò sưởi có ứng suất dư 8 MPa có thể vỡ trong 30% HCl ở 90 độ trong 500 giờ, thì lò sưởi tương tự có ứng suất dư 2 MPa có thể tồn tại trong 5.000 giờ.

Giảm tuổi thọ của chu trình nhiệt: Mỗi chu trình làm nóng/làm mát sẽ bổ sung thêm ứng suất giãn nở nhiệt vào ứng suất dư. Nếu tổng lớn hơn cường độ năng suất của PFA (12-15 MPa) thì giao diện sẽ mang lại. Bộ sưởi được làm mát nhanh chóng (dư 8MPa) + ứng suất nhiệt (5MPa)=13MPa ~ năng suất. 7 MPa an toàn với bộ sưởi được làm mát chậm (dư 2 MPa) + ứng suất nhiệt (5 MPa).

Phân tách sớm: PFA tách ra khỏi lõi kim loại do ứng suất kéo, tạo thành các khe hở nhỏ. Độ ẩm thấm vào các kẽ hở và sau đó đun nóng sẽ biến hơi ẩm thành hơi nước, làm cháy vỏ bọc.

Phát hiện và chỉ định
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 >200mm).

Chỉ định trong mua sắm. Vỏ bọc PFA phải được làm lạnh chậm sau khi ép đùn với tốc độ làm mát không quá 15 độ / phút từ nóng chảy đến 100 độ. Yêu cầu đo ứng suất dư theo tiêu chuẩn ASTM D6991 (phương pháp ống khe) với tiêu chí chấp nhận: bán kính cong Lớn hơn hoặc bằng 150 mm đối với vòng dài 100 mm.

Kết luận: Làm nguội chậm giúp giảm 70-80% ứng suất dư.
Tốc độ làm mát đùn PFA xác định trực tiếp sự phân bố ứng suất dư trong vỏ bọc gia nhiệt. Làm mát nhanh (làm nguội bằng nước) gây ra ứng suất kéo cao (6–10 MPa) tại bề mặt kim loại PFA-dẫn đến nứt do ứng suất, giảm tuổi thọ chu trình nhiệt và sự phân tách. Làm mát chậm (không khí hoặc lò nướng, 5–15 độ /phút) giảm ứng suất dư xuống 1-3 MPa (nén hoặc độ bền kéo thấp) và tăng tuổi thọ của bộ sưởi lên 3-5× khi sử dụng nhiều. Đối với bất kỳ bộ gia nhiệt nào được sử dụng trong chu kỳ nhiệt hoặc điều kiện ăn mòn, hãy chỉ định làm nguội chậm và xác nhận bằng thử nghiệm ứng suất dư. Thời gian xử lý dài hơn (giờ so với phút) và làm tăng chi phí sản xuất lên 10-20%, nhưng bù lại là thời gian sử dụng lâu hơn. Máy sưởi nguội nhanh là công thức dẫn đến thảm họa. Chậm thì mát, giảm căng thẳng, lâu nóng. Đó là quy luật đùn.