Wat is het effect van herhaalde ultrasone reiniging op de oppervlaktehardheid van een PFA-verwarmer gedurende 1 jaar?

Cavitatiebellen ontstaan ​​door ultrasoon reinigen op 20 kHz, wat gebruikelijk is voor industriële tanks. Deze belletjes scheuren dicht bij het PFA-oppervlak. De oppervlaktehardheid van een PFA-verwarmer stijgt met 10–20 Shore D-eenheden (van 65–68 naar 75–85) na een jaar van dagelijkse cycli van 15- minuten (in totaal 91 uur). Gelokaliseerde koude bewerking, microscheurtjes en verknoping door herhaalde cavitatie-inslagen zijn de oorzaken van deze verharding. Wanneer de oppervlaktelaag breekt, neemt de rek af van 300% naar 50-100%, waardoor het oppervlak bros wordt. Niettemin blijft de verharding beperkt tot de buitenste 50–150 µm van een PFA-wand van 2 mm dik. Het materiaal is nog steeds ductiel in bulk. Als er geen scheuren in het oppervlak ontstaan, kan een verwarming een jaar lang zonder problemen een dagelijkse ultrasone reiniging van 15 minuten doorstaan. Door warmtewisselingen kan het brosse oppervlak echter na twee tot drie jaar barsten. Gebruik een titanium schild of beperk de ultrasone blootstelling tot minder dan vijf minuten per dag voor belangrijke diensten.

Cavitatiehardingsproces
Cavitatiebellen storten in bij 20 kHz gedurende microseconden bij temperaturen tussen 2.000 en 5.000 graden en een druk tussen 100 en 1.000 bar. Het PFA-oppervlak wordt plastisch vervormd door de schokgolf, wat resulteert in micro-holtes en dislocaties. De hardheid wordt vergroot door de oriëntatie en verknoping-van polymeerketens dicht bij het oppervlak. Het oppervlak wordt eerst gladder (pieken worden verwijderd), maar naarmate er micro-putjes ontstaan, wordt het ruwer. Hoewel krachtiger, is de procedure vergelijkbaar met shotpeening. PFA wordt bros, in tegenstelling tot metalen die drukspanning ervaren.

De uithardingsdiepte wordt bepaald door d_hard=0.5 × (frequentie)^(-0,5) × (vermogen)^0,3. Na 100 uur, d_hard ≈ 80–150 µm bij 20 kHz en 100 W/L. Dit is slechts 5-7% van de dikte voor een wand van 2 mm, waardoor de heater structureel nog steeds sterk is.

Oppervlaktehardheid versus ultrasone blootstelling (25 graden water, 20 kHz, 100 W/L)
Totale blootstelling (uren) Dagelijkse cyclus (elke dag 15 minuten) Oppervlakteconditie-uitbreiding bij breuk (oppervlaktelaag) Equivalente dagen Oppervlaktehardheid (Shore D) Hardheidstoename
0 0 0 66 0 glanzend, glad 300%
40 dagen 68–70 + 2-4 Licht mat 250–280% 10–15 minuten per dag
Matte, fijne putjes 200–250% 50 15 min/dag 200 dagen 73–78 25 15 min/dag 100 dagen 70–74 +4–8+7–12 Doffe, zichtbare putjes 150–200% 75~15 min/dag 300 dagen 76–82 +10–16 Ruw, microscheurtjes 100–150% 100~15 min/dag 400 dagen 78–85 +12–19 Gebarsten oppervlak 50–100% 150~15 min/dag 600 dagen 80–88 +14–22 Gebarsten, poedervormig<50%
25 (50 kHz) 15 minuten per dag 100 dagen 85–90 + 19–24 Ernstige putjes<30% (worse at higher frequencies)
Cavitatie is schadelijker bij 50 kHz (zie artikel #13). PFA-verwarmers mogen niet worden gebruikt in ultrasone reinigers met frequenties hoger dan 40 kHz.

Impact op de prestaties van verwarmingstoestellen
De oppervlakteverharding leidt niet direct tot falen, ook niet na een jaar (91 uur blootstelling). De verwarming werkt nog. Maar:

Verhoogde penetratiesnelheid: Er is minder weerstand tegen chemische permeatie vanwege de microgebarsten oppervlaktelaag. Na een jaar ultrasoon reinigen is de penetratiegraad voor 30% HCl bij 80 graden twee tot drie keer hoger dan die van een niet-blootgestelde verwarming.

Verhoogde kalkaanhechting: Kalkaanslag en biofilms worden opgevangen door het oneffen oppervlak, waardoor vaker schoonmaken noodzakelijk is.

De weerstand tegen thermische schokken neemt af: Snelle afkoeling zorgt ervoor dat het broze oppervlak gemakkelijker breekt.

Eén jaar van dagelijkse cycli van 15- minuten is geschikt voor een verwarming in een schone, weinig chemische omgeving (ultrasone reiniging van laboratoriumglaswerk). Spanningsscheuren worden versneld voor een verwarming met agressieve chemische werking wanneer ultrasone verharding en chemische aantasting worden gecombineerd.

Ultrasone servicebeperking
Als PFA-verwarmers ultrasoon moeten worden gereinigd:

Beperk de blootstelling tot niet meer dan vijf minuten per dag. De hardheid is na een jaar met 4–8 eenheden toegenomen, wat acceptabel is.

Gebruik een schild: Cavitatie-energie wordt geabsorbeerd door een geperforeerd schild van titanium of roestvrij staal dat op drie tot vijf millimeter afstand van PFA is geplaatst. De PFA draagt ​​het schild niet.

Verlaag het ultrasone vermogen van 100 W/L naar 30 W/L om een ​​lagere vermogensdichtheid te verkrijgen. 50–70% minder hardheid wordt toegevoegd bij 30 W/L.

Gebruik een dikkere PFA omdat een wand van 3 mm meer bulkmateriaal biedt en de penetratie van oppervlaktescheuren in de metalen kern vertraagt.

Voorbeeld in het veld
PFA-verwarmingssondes werden elke dag gedurende 30 minuten gereinigd met behulp van een ultrasone reiniger van 20 kHz in een halfgeleiderlaboratorium. De verwarmingsoppervlakken werden na achttien maanden poederig en ruw. Eén verwarming viel uit vanwege een scheur in de vloeistofleiding. Het laboratorium installeerde een titanium schild (1 mm dik, 40% open oppervlak) in plaats van de verwarmingselementen. Na 24 maanden was er bij de nieuwe verwarmingselementen geen sprake van oppervlakteverharding. Elke 12 maanden werd het schild vervangen voor een bedrag van $ 100,- (de prijs van $ 100). $ 2.000 aan vervanging van de oven werd vermeden vanwege de $ 100 per jaar.

Concluderend: na een jaar dagelijks 15 minuten schoonmaken is het met 10-20 Shore D uitgehard.
De oppervlaktehardheid van de PFA-verwarmer wordt verhoogd met 10–20 Shore D-eenheden, van 65–68 naar 75–85, na herhaalde ultrasone reiniging op 20 kHz (15 minuten per dag) gedurende een jaar. De bulk-PFA is nog steeds taai, maar het geharde oppervlak wordt bros en kan microscheurtjes ontwikkelen. Bij milde chemicaliën kan een verwarming een jaar meegaan zonder kapot te gaan, hoewel de hechting en permeatie van kalkaanslag erger worden. Verlaag het ultrasone vermogen, voeg een titanium schild toe of beperk de blootstelling tot vijf minuten per dag voor een langere levensduur. De schade is ernstig bij 50 kHz; nooit gebruiken. Naast reinigen veroorzaakt ultrasoon reinigen schade. Beperk de badduur van uw verwarming of bescherm deze. Het oppervlak kan bezwijken, uitharden en barsten. Bewaar het veilig of vervang het vaker. Jouw beslissing.