Hva er effekten av gjentatt ultralydrengjøring på overflatehardheten til en PFA-varmer over 1 år?

Kavitasjonsbobler skapes ved ultralydrensing ved 20 kHz, som er vanlig for industritanker. Disse boblene sprekker nær PFA-overflaten. En PFA-varmers overflatehardhet øker med 10–20 Shore D-enheter (fra 65–68 til 75–85) etter et år med daglige 15- minutters sykluser (totalt 91 timer). Lokalisert kaldbearbeiding, mikrosprekker og kryss-forbindelse fra gjentatte kavitasjonspåvirkninger er årsakene til denne herdingen. Når overflatelaget brytes, avtar forlengelsen fra 300 % til 50–100 %, noe som gjør overflaten sprø. Likevel er herdingen begrenset til de ytre 50–150 µm av en PFA-vegg som er 2 mm tykk. Materialet er fortsatt duktilt i bulk. Dersom overflaten ikke utvikler gjennomgående sprekker, tåler en varmeovn daglig 15-minutters ultralydrengjøring i et helt år uten å svikte. Imidlertid kan varmesyklus føre til at den sprø overflaten sprekker etter to til tre år. Bruk et titanskjold eller begrens ultralydeksponering til mindre enn fem minutter per dag for viktige tjenester.

Kavitasjonsherdingsprosess
Kavitasjonsbobler kollapser ved 20 kHz i mikrosekunder ved temperaturer mellom 2000 og 5000 grader og trykk mellom 100 og 1000 bar. PFA-overflaten deformeres plastisk av sjokkbølgen, noe som resulterer i mikro-tomrom og dislokasjoner. Hardheten økes av orienteringen og{11}}kryssbindingen av polymerkjeder nær overflaten. Overflaten blir først jevnere (topper fjernes), men etter hvert som mikrogroper utvikler seg, blir den grovere. Selv om prosedyren er mer kraftfull, kan den sammenlignes med shot pening. PFA blir sprø, i motsetning til metaller som opplever trykkspenning.

Herdedybden bestemmes av d_hard=0.5 × (frekvens)^(-0,5) × (effekt)^0,3. Etter 100 timer, d_hard ≈ 80–150 µm ved 20 kHz og 100 W/L. Dette er kun 5-7 % av tykkelsen for en 2 mm vegg, derfor er varmeren fortsatt strukturelt sterk.

Overflatehardhet vs ultralydeksponering (25 grader vann, 20 kHz, 100 W/L)
Total eksponering (timer) Daglig syklus (15 minutter hver dag) Overflatetilstand Forlengelse ved pause (overflatelag) Ekvivalent dager Overflatehardhet (Shore D) Økning av hardhet
0 0 0 66 0 skinnende, glatt 300 %
40 dager 68–70 + 2-4 Litt matt 250–280 % 10–15 minutter hver dag
Matte, fine groper 200–250 % 50 15 min/dag 200 dager 73–78 25 15 min/dag 100 dager 70–74 +4–8+7–12 Matte, synlige groper 150–200 % 75~15 min/dag 300–{117 R6, mikrosprekker 100–150 % 100~15 min/dag 400 dager 78–85 +12–19 Sprukket overflate 50–100 % 150–15 min/dag 600 dager 80–88 +14–22 Sprukket, pudret<50%
25 (50 kHz) 15 minutter per dag 100 dager 85–90 + 19–24 Alvorlig pitting<30% (worse at higher frequencies)
Kavitasjon er mer skadelig ved 50 kHz (se artikkel #13). PFA-varmere skal ikke brukes i ultralydrensere med frekvenser høyere enn 40 kHz.

Innvirkning på ytelsen til varmeovner
Overflateherdingen resulterer ikke i feil med en gang, selv etter et år (91 timers eksponering). Oppvarmingen fungerer fortsatt. Men:

Økt penetrasjonshastighet: Det er mindre motstand mot kjemisk permeasjon på grunn av det mikrosprukkede overflatelaget. Etter et år med ultralydrengjøring er penetrasjonshastigheten for 30 % HCl ved 80 grader to til tre ganger høyere enn for en ueksponert varmeovn.

Økt avleiring vedheft: Avleiring og biofilm fanges av den ujevne overflaten, noe som krever hyppigere rengjøring.

Motstanden mot termisk sjokk avtar: Rask avkjøling fører til at den sprø overflaten lettere sprekker.

Ett år med daglige sykluser på 15-minutter er passende for en varmeovn i et rent, lite kjemisk miljø (ultralydrengjøring av laboratorieglass). Spenningssprekker akselereres for en varmeovn i aggressiv kjemisk bruk når ultralydherding og kjemisk angrep kombineres.

Begrensning av ultralydtjeneste
Hvis PFA-varmere må rengjøres med ultralyd:

Begrens eksponeringen til ikke mer enn fem minutter hver dag. Hardheten har økt med 4–8 enheter etter et år, noe som er akseptabelt.

Bruk et skjold: Kavitasjonsenergi absorberes av et perforert titan- eller rustfritt stålskjold plassert tre til fem millimeter unna PFA. PFA bærer ikke skjoldet.

Reduser ultralydeffekten fra 100 W/L til 30 W/L for å få en lavere strømtetthet. 50–70 % mindre hardhet legges til ved 30 W/L.

Bruk en tykkere PFA fordi en 3 mm vegg gir større bulkmateriale og bremser inntrengningen av overflatesprekker til metallkjernen.

Eksempel i feltet
PFA-varmeprober ble rengjort hver dag i 30 minutter ved bruk av en 20 kHz ultralydsrenser i et halvlederlaboratorium. Varmeflatene ble pulveraktige og harde etter atten måneder. En varmeovn sviktet på grunn av en sprekk i væskeledningen. Laboratoriet installerte et titanskjold (1 mm tykt, 40 % åpent område) i stedet for varmeovnene. Etter 24 måneder var det ingen overflateherding på de nye varmeovnene. Hver 12. måned ble skjoldet skiftet ut til en pris av $100. Prisen på $100).$2000 i ovnserstatninger ble unngått på grunn av $100 årlig.

Avslutningsvis, etter et år med daglig 15-minutters rengjøring, stivner den med 10–20 Shore D.
PFA-varmerens overflatehardhet økes med 10–20 Shore D-enheter, fra 65–68 til 75–85, etter gjentatt ultralydrengjøring ved 20 kHz (15 minutter per dag) i et år. PFA-massen er fortsatt duktil, men den herdede overflaten blir sprø og kan utvikle mikrosprekker. I milde kjemikalier kan en varmeovn vare i ett år uten å bryte ned, selv om skalavedheft og gjennomtrengning blir verre. Senk ultralydstyrken, legg til et titanskjold, eller begrens eksponeringen til fem minutter hver dag for en lengre levetid. Skaden er alvorlig ved 50 kHz; aldri bruk. I tillegg til rengjøring forårsaker ultralydrengjøring skade. Begrens varmerens badetid eller beskytt den. Overflaten kan svikte, stivne og sprekke. Oppbevar det trygt eller skift det ut oftere. Din avgjørelse.