Како брзина хлађења током екструзије ПФА мења дистрибуцију преосталог напрезања у омотачу грејача?

ПФА екструдиран на металном језгру оставља калуп на 350-400 степени и хлади се на собну температуру. Брзина хлађења диктира како се полимерни ланци замрзавају на месту, што директно контролише дистрибуцију заосталог напрезања кроз завршни омотач грејача. Брза брзина хлађења (5-10°Ц/мин) спречава опуштање ланаца и резултира ниским заосталим напрезањем (1-3 МПа) равномерно распоређеним кроз дебљину зида. Брзо хлађење (50-100 степени/мин, нпр. гашење водом) фиксира ланце у оријентисаном стању и резултира значајном заосталом напетостом (5-10 МПа) концентрисаном на унутрашњој и спољашњој површини. Брзо хлађење доводи до затезног напрезања од 6–8 МПа на унутрашњој површини (интерфејс ПФА-метал) и напрезања притиска од 4–6 МПа на спољној површини за ПФА плашт дебљине 2 мм. Оваква дистрибуција напрезања убрзава пуцање под стресом околине и промовише раслојавање током термичког циклуса. Грејачи са великом поузданошћу захтевају споро хлађење.

Механизми брзине хлађења и формирања напрезања
Како се екструдирани ПФА хлади, спољашња површина се прво учвршћује док је у додиру са хладнијим ваздухом или водом. Загрејано језгро узрокује да се унутрашњост (према металном центру) хлади спорије, тако да остаје растопљено дуже. Ово диференцијално очвршћавање резултира температурним градијентом кроз зид. Како се спољашња кожа стврдњава и скупља, она вуче још растопљену унутрашњост напоље, затезајући спољашњу и сабијајући унутрашњу. Коначно, унутрашњи слој се учвршћује и скупља, повлачећи се и преокрећући стање стреса. Коначни преостали напон зависи од брзине хлађења и ограничења металног језгра.

За брзо гашење омотача (водено купатило на 20 степени, брзина хлађења 80 степени/мин) спољашња кожа се учвршћује за 2-3 сек. Унутрашњи слој се хлади испод 200 степени у року од 30-60 с. Спољашњи слој се смрзава у напону (3-5 МПа), док се унутрашњи слој смрзава под напоном (5-8 МПа) од контрактивног спољашњег слоја. Резултат је била унутрашња површина у напетости (лоша) и спољна површина у напетости (мање страшна). Напрезање на унутрашњој површини погодује настанку прслине на контакту ПФА и метала.

За постепено хлађени омотач (ваздушно-хлађење у пећници са контролисаном температуром, 8 степени/мин) температурни градијент преко зида је мали. Зид се учвршћује скоро све одједном. Преостало напрезање је минимално (1–2 МПа) и углавном тлачно на унутрашњој површини (одлично, јер компресија затвара микропукотине).

Стопа гашења и преостали напон
Брзина хлађења (степен/мин) Техника хлађења Напон унутрашње површине (МПа) Напон спољашње површине (МПа) Врста напрезања интерфејса Ризик од распадања
пећница хладна, постепено (жарена)5–10 −1 до −2 (компресивна) −1 до −2 (компресивна) Компресивна (добро) Веома ниска
Хлађење на ваздуху (собна температура, мирни ваздух) 15–25 +1 до +3 (затезање) 0 до +1 (затезање) Благо затезање Ниско Принудни ваздух (вентилатор) 30–50 +3 до +5 +1 до +3 Умерено затезање Умерено
Гашење водом (хладно) 60-100 +6 до +10 +3 до +6 Висока затезна висока
Гашење леденом водом 100–150 +10 до +15 +5 до +10 Веома висока затезна чврстоћа Екстремно висока
Напомена: (+) позитивне вредности указују на затезни напон; (−) негативна имплицира тлачна напона.

Утицај преосталог напрезања на перформансе грејача
Брзо хлађење доводи до високог заосталог затезног напона на ПФА{0}}металном интерфејсу, што има три штетна ефекта:

Убрзано пуцање услед стреса из околине Са јаким хемикалијама (киселине, хлорисани растварачи), напрегнути контакт се ломи при нижем примењеном напрезању. Ако се грејач са преосталим напрезањем од 8 МПа може разбити у 30% ХЦл на 90 степени за 500 сати, исти грејач са заосталим напрезањем од 2 МПа траје 5.000 сати.

Смањен век трајања термичког циклуса: Сваки циклус грејања/хлађења додаје напон топлотног ширења преосталом напрезању. Ако је збир већи од границе течења ПФА (12-15 МПа) интерфејс попушта. Брзо хлађени грејач (преостали 8МПа) + термички напон (5МПа)=13МПа ~ принос. 7 МПа је безбедан са споро хлађеним грејачем (преостали 2 МПа) + термичким напрезањем (5 МПа).

Превремено одвајање: ПФА се одваја од металног језгра услед затезног напрезања, формирајући микропразнине. Влага улази у пукотине, а затим загревање претвара влагу у пару, пржи омотач.

Откривање и одређивање
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).

Наведите у набавци. ПФА омотач ће се полако хладити након екструзије са брзином хлађења која не прелази 15 степени/мин од топљења до 100 степени. Захтевајте мерење преосталог напрезања према АСТМ Д6991 (метода прорезане цеви) са критеријумом прихватања: радијус закривљености Већи или једнак 150 мм за прстен дужине 100 мм.

Закључак: Споро хлађење смањује заостало напрезање за 70-80%.
Брзина хлађења екструзијом ПФА директно одређује расподелу заосталог напрезања у омотачу грејача. Брзо хлађење (гашење водом) изазива висок затезни напон (6–10 МПа) на ПФА-металном интерфејсу што доводи до пуцања под напоном, смањења века трајања термичког циклуса и деламинације. Споро хлађење (ваздух или пећница, 5–15 степени/мин) смањује заостало напрезање на 1-3 МПа (притисак или ниско затезно) и продужава век грејача за 3-5× у агресивној употреби. За било који грејач који се користи за термичке циклусе или корозивне услове, наведите споро хлађење и потврдите тестирањем заосталог напрезања. Време обраде је дуже (сати у односу на минуте) и повећава трошкове производње за 10-20%, али се враћа дужим животним веком. Брзо хлађени грејач је рецепт за катастрофу. Успори хладно, мало стреса, дуго вруће. То је закон екструзије.