1 年間にわたる超音波洗浄の繰り返しによる PFA ヒーターの表面硬度への影響は何ですか?

キャビテーション気泡は、工業用タンクでは一般的な 20 kHz の超音波洗浄によって生成されます。これらの気泡は PFA 表面近くで破裂します。 PFA ヒーターの表面硬度は、毎日 15- 分間のサイクル (合計 91 時間) を 1 年間続けると、ショア D 単位で 10 ～ 20 上昇します (65 ～ 68 から 75 ～ 85)。この硬化の原因は、局所的な冷間加工、微小亀裂、および繰り返しのキャビテーション衝撃による架橋です。-表面層が破壊されると、伸びが 300% から 50 ～ 100% に減少し、表面が脆くなります。それにもかかわらず、硬化は厚さ 2 mm の PFA 壁の外側 50 ～ 150 μm に限定されます。この材料はバルクでもまだ延性があります。表面に貫通亀裂が生じなければ、ヒーターは毎日 15 分間の超音波洗浄を 1 年間故障することなく耐えることができます。ただし、熱サイクルにより、2 ～ 3 年後に脆化した表面に亀裂が生じる可能性があります。重要なサービスの場合は、チタン シールドを使用するか、超音波への曝露を 1 日あたり 5 分未満に制限してください。

キャビテーション硬化プロセス
キャビテーション気泡は、温度 2,000 ～ 5,000 度、圧力 100 ～ 1,000 bar で、20 kHz でマイクロ秒間崩壊します。 PFA 表面は衝撃波によって塑性変形し、微小な空隙や転位が生じます。-硬度は、表面近くのポリマー鎖の配向と架橋によって増加します。-表面は最初は滑らかになります（ピークが除去されます）が、マイクロピットが発達するにつれて粗くなります。-より強力ではありますが、この手順はショットピーニングに匹敵します。圧縮応力を受ける金属とは対照的に、PFA は脆くなります。

硬化深さは d_hard=0.5 × (周波数)^(-0.5) × (電力)^0.3 によって決まります。 100 時間後、20 kHz、100 W/L での d_hard ≈ 80 ～ 150 µm。これは 2 mm の壁の厚さのわずか 5 ～ 7% であるため、ヒーターは依然として構造的に強いです。

表面硬度 対 超音波曝露 (25 度水、20 kHz、100 W/L)
総暴露量 (時間) 1 日サイクル (毎日 15 分) 表面状態 破断時の伸び (表面層) 相当日数 表面硬度 (ショア D) 硬度増加
0 0 0 66 0 光沢のある、滑らかな 300%
40 日間 68 ～ 70 + 2-4 わずかにマットな状態 250 ～ 280% 毎日 10 ～ 15 分
マットな細かい穴 200～250% 50 15 分/日 200 日 73～78 25 15 分/日 100 日 70～74 +4～8+7～12 くすんだ目に見える穴 150～200% 75～15 分/日 300 日 76～82 +10～16 粗い微小亀裂100–150% 100~15 分/日 400 日 78–85 +12–19 ひび割れ表面 50–100% 150~15 分/日 600 日 80–88 +14–22 ひび割れ、粉化<50%
25 (50 kHz) 1 日あたり 15 分 100 日 85–90 + 19–24 重度の孔食<30% (worse at higher frequencies)
キャビテーションは 50 kHz でより有害です (記事 #13 を参照)。 PFA ヒーターは、周波数が 40 kHz を超える超音波洗浄機では使用しないでください。

ヒーターの性能への影響
表面硬化は、1 年後 (91 時間の暴露) であっても、すぐには故障しません。暖房はまだ効いています。しかし：

浸透率の向上: 表面層に微細な亀裂が入っているため、化学物質の浸透に対する抵抗が減少します。 1 年間の超音波洗浄後、80 度での 3​​0% HCl の浸透率は、未曝露のヒーターの浸透率より 2 ～ 3 倍高くなります。

スケールの付着力の増加: スケールやバイオフィルムが凹凸のある表面に捕捉されるため、より頻繁な清掃が必要になります。

熱衝撃耐性の低下: 急速に冷却すると、脆い表面がより容易に破壊されます。

清潔で化学薬品の少ない環境 (実験用ガラス器具の超音波洗浄) でのヒーターの使用には、毎日 15- 分のサイクルを 1 年間続けるのが適切です。超音波硬化と化学的攻撃が組み合わされると、化学的負荷が高いヒーターの場合、応力亀裂が加速されます。

超音波サービスの軽減
PFA ヒーターを超音波洗浄する必要がある場合:

暴露は毎日 5 分以内に制限してください。 1 年後には硬度が 4 ～ 8 単位増加しましたが、これは許容範囲内です。

シールドの採用: キャビテーション エネルギーは、PFA から 3 ～ 5 ミリメートル離れた位置に配置された穴あきチタンまたはステンレス鋼のシールドによって吸収されます。 PFA はシールドを着用しません。

超音波出力を 100 W/L から 30 W/L に下げて出力密度を下げます. 50 - 30 W/L では硬度が 70% 低くなります。

3 mm の壁では材料のバルクが大きくなり、表面亀裂の金属コアへの侵入が遅くなるため、より厚い PFA を使用してください。

現場での例
PFA ヒーター プローブは、半導体研究室で 20 kHz の超音波洗浄器を使用して毎日 30 分間洗浄されました。 18 か月後には加熱面が粉っぽくなり、荒れてきました。液体ラインの亀裂により、1 つのヒーターが故障しました。研究室では、ヒーターの代わりにチタン シールド (厚さ 1 mm、開口面積 40%) を設置しました。 24 か月後、新しいヒーターには表面硬化は見られませんでした。 12 か月ごとに、シールドは 100 ドルの費用で交換されました。100 ドルの価格)。年間 100 ドルのため、2,000 ドルの炉交換が回避されました。

結論として、毎日 15 分間の洗浄を 1 年間続けると、ショア D が 10 ～ 20 硬化します。
PFA ヒーターの表面硬度は、20 kHz (1 日あたり 15 分) で超音波洗浄を 1 年間繰り返した後、ショア D 単位で 65 ～ 68 から 75 ～ 85 に 10 ～ 20 増加します。バルク PFA は依然として延性がありますが、硬化した表面は脆くなり、微小亀裂が発生する可能性があります。マイルドな化学薬品の場合、ヒーターは故障することなく 1 年間使用できますが、スケールの付着と浸透は悪化します。寿命を延ばすには、超音波出力を下げるか、チタンシールドを追加するか、毎日の曝露を 5 分間に制限してください。 50 kHz では損傷が深刻です。決して使用しないでください。超音波洗浄は洗浄に加えて害をもたらします。ヒーターの入浴時間を制限するか、ヒーターを保護してください。表面が欠けたり、硬化したり、亀裂が入ったりする可能性があります。安全に保管するか、より頻繁に交換してください。あなたの決断です。