1년 동안 반복된 초음파 세척이 PFA 히터의 표면 경도에 미치는 영향은 무엇입니까?

캐비테이션 기포는 산업용 탱크에서 흔히 발생하는 20kHz의 초음파 세척에 의해 생성됩니다. 이러한 기포는 PFA 표면 근처에서 파열됩니다. PFA 히터의 표면 경도는 매일 15{12}}분 주기(총 91시간) 후에 10~20 Shore D 단위(65~68에서 75~85)만큼 증가합니다. 국소적인 냉간 가공, 미세 균열 및 반복적인 캐비테이션 영향으로 인한 교차-결합이 이러한 경화의 원인입니다. 표면층이 부서지면 신장률이 300%에서 50~100%로 감소하여 표면이 부서지기 쉽습니다. 그럼에도 불구하고 경화는 2mm 두께의 PFA 벽의 외부 50-150μm로 제한됩니다. 재료는 여전히 대량으로 연성이 있습니다. 표면에 관통 균열이 발생하지 않으면 히터는 매일 15분씩 초음파 세척을 1년 동안 고장 없이 견딜 수 있습니다. 그러나 열 순환으로 인해 2~3년 후에 취약한 표면에 균열이 생길 수 있습니다. 중요한 서비스의 경우 티타늄 쉴드를 사용하거나 초음파 노출을 하루 5분 미만으로 제한하십시오.

캐비테이션 경화 공정
캐비테이션 기포는 2,000~5,000도 사이의 온도와 100~1,000bar 사이의 압력에서 마이크로초 동안 20kHz에서 붕괴됩니다. PFA 표면은 충격파에 의해 소성 변형되어 미세-공극과 전위가 발생합니다. 경도는 표면에 가까운 폴리머 사슬의 배향 및 교차 연결에 의해 증가됩니다. 처음에는 표면이 더 매끄러워지지만(피크가 제거됨) 미세-피트가 발생함에 따라 표면은 더 거칠어집니다. 더 강력하기는 하지만 이 절차는 쇼트 피닝과 유사합니다. PFA는 압축 응력을 받는 금속과 달리 부서지기 쉽습니다.

경화 깊이는 d_hard=0.5 × (주파수)^(-0.5) × (전력)^0.3에 의해 결정됩니다. 100시간 후, d_hard는 20kHz 및 100W/L에서 80~150μm입니다. 이는 2mm 벽 두께의 5~7%에 불과하므로 히터는 여전히 구조적으로 튼튼합니다.

표면 경도와 초음파 노출 비교(물 25도, 20kHz, 100W/L)
총 노출(시간) 일일 주기(매일 15분) 파손 시 표면 상태 연장(표면층) 등가일 표면 경도(쇼어 D) 경도 증가
0 0 0 66 0 윤기 있고 매끄러움 300%
40일 68~70 + 2-4 약간 무광택 250~280% 매일 10~15분
무광택, 미세한 패임 200~250% 50 15분/일 200일 73~78 25 15분/일 100일 70~74 +4~8+7~12 둔하고 눈에 띄는 패임 150~200% 75~15분/일 300일 76~82 +10~16 거칠고 미세 균열 100~150% 100~15분/일 400일 78~85 +12~19 표면 균열 50~100% 150~15분/일 600일 80~88 +14~22 균열, 분말화<50%
25(50kHz) 하루 15분 100일 85–90 + 19–24 심한 구멍<30% (worse at higher frequencies)
캐비테이션은 50kHz에서 더 해롭습니다(13항 참조). PFA 히터는 40kHz보다 높은 주파수의 초음파 세척기에 사용하면 안 됩니다.

히터 성능에 미치는 영향
표면경화로 인해 1년(노출시간 91시간)이 지나도 바로 고장이 나지는 않습니다. 난방은 계속 작동하고 있어요. 하지만:

침투율 증가 : 표면층의 미세균열로 인해 화학물질 침투에 대한 저항력이 감소합니다. 1년 간의 초음파 세척 후 80도에서 30% HCl의 침투율은 노출되지 않은 히터보다 2~3배 더 높습니다.

스케일 접착력 증가: 스케일과 생물막이 고르지 않은 표면에 갇히게 되므로 더 자주 청소해야 합니다.

열 충격 저항 감소: 급속 냉각으로 인해 부서지기 쉬운 표면이 더 쉽게 파손됩니다.

깨끗하고 화학물질이 적은 환경의 히터에는 하루 15{1}}분 주기의 1년이 적합합니다(실험실 유리 제품의 초음파 세척). 초음파 경화와 화학적 공격이 결합되면 공격적인 화학적 작업을 수행하는 히터의 응력 균열이 가속화됩니다.

초음파 서비스 완화
PFA 히터를 초음파 세척해야 하는 경우:

매일 노출을 5분 이내로 제한하세요. 경도는 1년 후 4~8단위 증가했으며 이는 허용 가능한 수준입니다.

쉴드 사용: 캐비테이션 에너지는 PFA에서 3~5mm 떨어진 곳에 위치한 천공된 티타늄 또는 스테인리스강 쉴드에 의해 흡수됩니다. PFA는 방패를 착용하지 않습니다.

더 낮은 전력 밀도를 얻으려면 초음파 전력을 100W/L에서 30W/L로 줄이세요.. 50–30W/L에서는 경도가 70% 더 적습니다.

3mm 벽은 더 큰 벌크 재료를 제공하고 표면 균열이 금속 코어로 침투하는 속도를 늦추기 때문에 더 두꺼운 PFA를 사용하십시오.

현장에서의 예
PFA 히터 프로브는 반도체 연구실에서 20kHz 초음파 세척기를 사용하여 매일 30분 동안 세척되었습니다. 18개월이 지나면 가열 표면이 가루가 되어 거칠어졌습니다. 액체 라인의 균열로 인해 히터 1개가 고장났습니다. 연구실에서는 히터 위치에 티타늄 실드(두께 1mm, 개방 면적 40%)를 설치했습니다. 24개월이 지난 후에도 새 히터에서는 표면 경화가 발생하지 않았습니다. 12개월마다 쉴드는 $100의 비용으로 교체되었습니다. $100의 가격). 연간 $100로 인해 용광로 교체에서 $2,000를 피할 수 있었습니다.

결론적으로 매일 15분씩 청소하면 10~20 Shore D 정도 경화됩니다.
PFA 히터 표면 경도는 1년 동안 20kHz(하루 15분)로 초음파 세척을 반복한 후 65-68에서 75-85로 10-20 Shore D 단위로 증가합니다. 벌크 PFA는 여전히 연성이 있지만 경화된 표면은 부서지기 쉽고 미세균열이 발생할 수 있습니다. 약한 화학물질의 경우 히터는 1년 동안 파손되지 않고 지속될 수 있지만 스케일 부착 및 침투는 더욱 악화됩니다. 초음파 출력을 낮추거나, 티타늄 쉴드를 추가하거나, 수명을 연장하려면 매일 노출을 5분으로 제한하세요. 50kHz에서는 손상이 심각합니다. 절대 사용하지 마세요. 세척 외에도 초음파 세척은 해를 끼칩니다. 히터의 목욕 시간을 제한하거나 보호하십시오. 표면이 부서지고, 굳어지고, 갈라질 수 있습니다. 안전하게 보관하거나 더 자주 교체하십시오. 당신의 결정.