Cum schimbă viteza de răcire în timpul extrudării PFA distribuția tensiunii reziduale în mantaua de încălzire?

PFA extrudat pe un miez metalic lasă matrița la 350-400 de grade și este răcită la temperatura camerei. Viteza de răcire dictează modul în care lanțurile polimerice îngheață pe loc, ceea ce controlează direct distribuția tensiunii reziduale prin învelișul final al încălzitorului. Viteza de răcire rapidă (5-10 grade C/min) previne relaxarea lanțurilor și are ca rezultat o tensiune reziduală scăzută (1-3 MPa) distribuită uniform prin grosimea peretelui. Răcirea rapidă (50-100 grade/min, ex. stingerea cu apă) fixează lanțurile într-o stare orientată și are ca rezultat o tensiune reziduală considerabilă (5-10 MPa) concentrată la suprafețele interioare și exterioare. Răcirea rapidă are ca rezultat o solicitare de tracțiune de 6–8 MPa pe suprafața interioară (interfață PFA-metal) și o solicitare de compresiune de 4–6 MPa pe suprafața exterioară pentru o manta PFA cu o grosime de 2 mm. Această distribuție a tensiunii accelerează fisurarea stresului de mediu și promovează delaminarea în timpul ciclului termic. Încălzitoarele cu mare fiabilitate necesită răcire lentă.

Mecanisme de viteză de răcire și formare a tensiunilor
Pe măsură ce PFA extrudat se răcește, suprafața exterioară se solidifică mai întâi, deoarece este în contact cu aerul sau apa mai rece. Miezul încălzit face ca interiorul (spre centrul metalic) să se răcească mai lent, astfel încât să rămână topit mai mult timp. Această solidificare diferențială are ca rezultat un gradient de temperatură prin perete. Pe măsură ce pielea exterioară se întărește și se contractă, trage interiorul încă topit spre exterior, tensionând exteriorul și comprimând interiorul. În cele din urmă, stratul interior se solidifică și se micșorează, trăgând înapoi și inversând starea de stres. Tensiunea reziduală finală depinde de viteza de răcire și de limitarea miezului metalic.

Pentru o teacă stinsă rapid (baie de apă la 20 de grade, viteză de răcire 80 de grade/min) pielea exterioară se solidifică în 2-3 secunde. Stratul interior se răcește sub 200 de grade în 30-60 s. Stratul exterior îngheață în tensiune (3-5 MPa), în timp ce stratul interior îngheață sub tensiune (5-8 MPa) din stratul exterior contractat. Rezultatul a fost o suprafață interioară în tensiune (slabă) și o suprafață exterioară în tensiune (mai puțin groaznică). Tensiunea la suprafața interioară favorizează inițierea fisurii la contactul dintre PFA și metal.

Pentru o teacă răcită treptat (răcire-aerului într-un cuptor cu temperatură controlată, 8 grade/min), gradientul de temperatură peste perete este mic. Peretele se solidifică aproape tot deodată. Tensiunea reziduală este minimă (1–2 MPa) și în mare parte compresivă la suprafața interioară (excelent, deoarece compresia închide microfisurile).

Rata de stingere și stresul rezidual
Viteza de răcire (grad/min) Tehnica de răcire Tensiunea suprafeței interioare (MPa) Tensiunea suprafeței exterioare (MPa) Tipul tensiunii interfeței Risc de delaminare
cuptor rece, treptat (recoacet) 5–10 −1 la −2 (compresiv) −1 la −2 (compresiv) Compresiv (bun) Foarte scăzut
Aer rece (temperatura camerei, aer liniștit) 15–25 +1 la +3 (la tracțiune) 0 la +1 (la tracțiune) La tracțiune ușoară Scăzut Aer forțat (ventilator) 30–50 +3 la +5 +1 la +3 La tracțiune moderată Moderat
Stingere cu apă (rece) de la 60-100 +6 la +10 +3 la +6 Rezistenta ridicată Înaltă
Stingere cu apă cu gheață 100–150 +10 până la +15 +5 până la +10 Rezistență la tracțiune foarte mare Extrem de mare
Notă: (+) valorile pozitive indică efortul de tracțiune; (−) negativ implică tensiuni de compresiune.

Influența stresului rezidual asupra performanței încălzitorului
Răcirea rapidă duce la efort rezidual ridicat de întindere la interfața metalică PFA-, care are trei efecte negative:

Crăpare accelerată prin stres ambiental Cu substanțe chimice puternice (acizi, solvenți clorurati), contactul solicitat se rupe la solicitarea mai mică aplicată. Dacă încălzitorul cu stres rezidual de 8 MPa se poate sparge în 30% HCI la 90 de grade în 500 de ore, același încălzitor cu stres rezidual de 2 MPa durează 5.000 de ore.

Durată de viață redusă a ciclului termic: Fiecare ciclu de încălzire/răcire adaugă tensiuni de dilatare termică la solicitarea reziduală. Dacă suma este mai mare decât limita de curgere a PFA (12-15 MPa), interfața cedează. Încălzitorul răcit rapid (reziduu 8MPa) + stres termic (5MPa)=13MPa ~ randament. 7 MPa este sigur cu un încălzitor cu răcire lent (reziduu 2 MPa) + stres termic (5 MPa).

Delaminare prematură: PFA se separă de miezul metalic din cauza tensiunii de tracțiune, formând microlapune. Umiditatea se infiltrează în crăpături și apoi încălzirea transformă umiditatea în abur, pârjolind teaca.

Detectare și desemnare
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).

Specificați în achiziție. Învelișul PFA va fi răcit lent după extrudare, cu o viteză de răcire care nu depășește 15 grade/min de la topire la 100 de grade. Solicitați măsurarea tensiunii reziduale conform ASTM D6991 (metoda tubului cu fante) cu criteriu de acceptare: raza de curbură Mai mare sau egală cu 150 mm pentru un inel de 100 mm lungime.

Concluzie: Răcirea lentă reduce stresul rezidual cu 70-80%.
Viteza de răcire a extrudarii PFA determină direct distribuția tensiunii reziduale în mantaua de încălzire. Răcirea rapidă (stingerea cu apă) induce un stres ridicat de întindere (6–10 MPa) la interfața metalică PFA-care duce la fisurarea prin tensiune, reducerea duratei de viață a ciclului termic și delaminare. Răcirea lentă (aer sau cuptor, 5–15 grade/min) reduce stresul rezidual la 1-3 MPa (compresiune sau la tracțiune scăzută) și crește durata de viață a încălzitorului cu 3-5 ori în cazul utilizării agresive. Pentru orice încălzitor utilizat pentru cicluri termice sau condiții corozive, specificați răcirea lentă și confirmați cu testarea la efort rezidual. Timpul de procesare este mai mare (ore versus minute) si creste costul de productie cu 10-20%, dar este rambursat printr-o durata de viata mai lunga. Un încălzitor răcit rapid este o rețetă pentru un dezastru. Încetinește-l la rece, reduce stresul, lung este fierbinte. Asta e legea extrudării.