Miten 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan seinämän paksuus vaikuttaa lämpölaajenemiseen-MgO-rajapinnassa aiheutettuun stressiin toistuvien lämmitysjaksojen aikana 20–400 celsiusasteessa?

Ruostumattomasta teräksestä valmistetun 316 vaipan ja magnesiumoksidieristeen välinen liitoskohta on merkittävä, mutta usein huomiotta jätetty vikakohta suunnittelijoille, jotka arvioivat syklisessä korkeissa lämpötiloissa käytettävien -sähköisten uppolämmittimien pitkän aikavälin kestävyyttä. 316-vaippa laajenee enemmän kuin MgO jokaisella kuumennusjaksolla, koska lämpölaajenemiskerroin 316 (noin 17 x 10 -6 / aste) on noin 2 kertaa tiivistetyn MgO:n lämpölaajenemiskerroin (noin 9 x 10 -6 / aste). Tämä differentiaalinen laajeneminen johtaa leikkausjännityksiin vaipan{12}}MgO-rajapinnassa. Tuhansien jaksojen aikana nämä paineet voivat aiheuttaa sidosten irtoamista, rakojen muodostumista ja mahdollisen vastuslangan ylikuumenemista. Nämä rajapintajännitykset riippuvat suoraan vaipan seinämän paksuudesta, koska paksumpi seinämä rajoittaa laajenemista eri tavalla kuin ohut seinämä. Tässä tutkimuksessa 316 vaipan seinämän paksuuden ja lämpölaajenemisen aiheuttaman rajapintajännityksen välinen korrelaatio kvantifioidaan, jotta saadaan valintaehdotuksia korkean syklin sovelluksille.

Sheath{0}}MgO-liitäntä: differentiaalisen lämpölaajenemisen mekaniikka
Kun lämmitin rakennetaan, MgO-eriste tiivistyy 316-vaipan sisäpintaa vasten voimakkaalla puristuspaineella. Tuloksena on tiukka häiriösovitus ja jäännöspuristusjännitys rajapinnassa. Molemmat materiaalit laajenevat lämmittimen lämmön mukana. 316-suojus yrittää laajentua ulospäin säteittäisessä ja kehän suunnassa. MgO:lla on pienempi laajenemiskerroin ja se vastustaa tätä laajenemista. Tämä johtaa rajapintojen puristusjännityksen vähenemiseen tai riittävän korkeissa lämpötiloissa siirtymiseen vetojännitykseen ja rakojen kehittymiseen. Rajapinnan erottelun kriittinen lämpötila riippuu iskujen aiheuttamasta alkuperäisestä jäännösjännityksestä ja vaipan seinämän jäykkyydestä. Säteittäinen jäykkyys kasvaa vaipan seinämän paksuuden myötä, mikä tarkoittaa, että se vastustaa laajenemista voimakkaammin ja säilyttää rajapinnan kosketuksen korkeampiin lämpötiloihin. Toisaalta ohut seinämä{10}}vaippa on yhteensopivampi ja voi sallia rakojen muodostumisen alhaisemmissa lämpötiloissa. Kuitenkin, kun rako muodostuu, ohutseinämäiseen vuoraukseen kohdistuu suurempia paikallisia taivutusrasituksia, jotka johtuvat tukemattoman seinän taipumisesta sisäisen paineen tai lämpögradienttien vaikutuksesta.

Rajapinnan jännityksen säilymisen ja seinämän paksuuden kvantitatiivinen korrelaatio
Älliselementtitutkimus 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan 316 vaippasta, joka on täytetty MgO:lla, joka on puristettu 3,0 g/cm3:iin, tuottaa kvantitatiivisia arvioita rajapintojen jännityksestä seinämän paksuuden ja lämpötilan funktiona. Pintojen välinen puristusjännitys huoneenlämpöisen taivutuksen jälkeen on noin 30 MPa 1,0 mm:n seinämäpaksuudella, 45 MPa 1,5 mm:n seinämillä ja 60 MPa 2,0 mm:n seinämillä. Paksumpi vaippa pitää enemmän jäännöspuristusta, koska hankausprosessi kohdistaa suurempia jännityksiä MgO: hen ennen kuin vaippa antaa plastisen perään. Rajapintojen jännitys pienenee lineaarisesti lämpötilan noustessa differentiaalista laajenemisesta johtuen. Irrotuslämpötila, kun rajapintajännitys on nolla, on noin 280 astetta 1,0 mm seinällä, 340 astetta 1,5 mm seinällä ja 380 astetta 2,0 mm seinällä. Irrotuksen jälkeen 1,0 mm:n vaippa osoittaa rajapintojen vetojännitystä ~ 5 MPa, kun taas 2,0 mm:n vaippa pysyy koko syklin ajan puristettuna 400 asteen maksimilämpötilalämmittimelle. Sidos vaipan ja MgO:n välillä menetetään, kun rajapinnasta tulee vetolujuus. Tämä johtaa pieniin rakoihin, jotka edistävät lämpövastusta vastuslangasta vaippaan. Rako-alueella oleva MgO ei ole enää hyvä lämmönjohdin, ja paikallinen kuumapiste voi muodostua, mikä saattaa nopeuttaa langan hapettumista.

Käyttöliittymän syklinen väsyminen ja lämmittimen huononeminen
Jaksottaisessa käytössä rajapinnan jännityksen toistuva muutos puristavasta vetolujuuksi tai puristetusta sidosten purkamiseen aiheuttaa kumulatiivisia vaurioita vaipan -MgO-koskettimessa. Jos 1,0 mm:n seinävaippa toimii 20-400 asteen välillä, käyttöliittymä näkee noin 300 asteen lämpötilavaihtelun. Jokainen sykli siirtyy korkeasta puristamisesta ympäristön lämpötilassa nollarasitukseen 280 asteessa 400 asteen jännitykseen. Tämä syklinen jännityksen kääntäminen voi edistää hankauskulumista rajapinnassa, jolloin syntyy MgO-jauhetta, joka rajoittaa entisestään lämpökosketusta. 1000 jakson jälkeen lämpövastus rajapinnassa voi kasvaa 20-40 %, mikä edellyttää korkeampia langan lämpötiloja lämmöntuoton pitämiseksi vakiona. 2,0 mm:n seinävaipalle samalla lämpötila-alueella liitäntä on puristettu kaikissa lämpötiloissa. Jännitys vaihtelee 60 MPa:n puristamisesta ympäristön lämpötilassa noin 10 MPa:n puristuspaineeseen 400 asteessa – aina positiivisessa kosketuspaineessa. Ei hankausta tai rakojen muodostumista. Kokeellinen testaus 316 vaippaisella lämmittimellä, jotka on altistettu 5 000 syklille 20 asteesta 400 asteeseen, osoittavat, että 1,0 mm:n seinävaippailla on 35 % suurempi lämmönkestävyys ja 15 % pienempi eristysvastus. Sama testi 2,0 mm:n seinävaippoilla osoitti alle 5 %:n vaihtelun kummassakin parametrissa.

Seinämän paksuussuositukset korkean syklin ja korkeiden lämpötilojen sovelluksiin
Seuraavassa taulukossa on suositeltu 316 vaipan seinämäpaksuus tietylle maksimikäyttölämpötilalle ja ennustettujen lämpöjaksojen lukumäärälle. Oletuksena on perinteinen huuhtelumenettely, eikä jälki-hehkutusta. Arvot edellyttävät tavoitekäyttöikää ilman merkittäviä lämpösuorituskykyhäviöitä.

Vaipan enimmäislämpötilan odotettavissa olevat lämpösyklit käyttöiän aikana Suositeltu vähimmäismäärä 316 seinämän paksuus rajapinnan kunto maksimilämpötilassa Odotettu lämpövastus Nouse pyöräilyn jälkeen
Jopa 250 astetta C0,8 – 1,0 mm Mikä tahansa määräSäilyttää puristuspaineen < 5 % 250 – 300 astetta< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 astetta 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Jää puristuneeksi < 5 % 350 – 400 astetta < 500 1.6 – 2,0 mm Hieman vetolujuus huipulla 10 – 20 %
350 – 400 astetta 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Pysyy puristuvana<5%
>400 astetta Mikä tahansa numero Ei suositella MgO-raon muodostuessa todennäköisesti Ennalta arvaamaton
Sovelluksiin, joissa tarvitaan sekä korkeaa maksimilämpötilaa että suuria jaksomääriä, kuten sterilointilaitteet tai lämpökiertouunit, on erittäin suositeltavaa valita 2,0 mm ja paksumpi 316-suojus. Meidän on vain hyväksyttävä paksun seinän luontainen lämpövaikutus, kuten aikaisemmissa artikkeleissa mainittiin, hintana pitkän aikavälin rajapintojen eheydestä. Vaihtoehtoisesti insinöörit voivat määrittää jälki-swage-hehkutusprosessin, joka vähentää jäännösjännitystä, mutta vähentää myös alustavaa rajapintojen puristusta. Rajapinnan jännityksen säilyminen on identtinen 1,6 mm:n hehkutetulla vaipalla ja 1,2 mm:n ei--hehkutetulla vaipalla. Se riippuu siitä, onko sovellus keskittynyt enemmän lämpötehokkuuteen tai syklin kestävyyteen.

Suunnittelumenetelmät rajapintojen rasituksen lieventämiseksi ohuissa{0}}seinämäisissä vaippaissa
Sovelluksissa, joissa vaaditaan ohutseinämäinen vaippa alle 1,2 mm lämpöherkkyyden vuoksi, mutta mukaan lukien lämpökierto korkeisiin lämpötiloihin, on olemassa kolme suunnitteluratkaisua, joita voidaan seurata rajapintojen irtoamisen vähentämiseksi. Ensimmäinen on lisätä pieni kerros rasvaa tai tahnaa, jolla on vahva lämmönjohtavuus vaipan -MgO-rajapinnalle kokoonpanon aikana. Esimerkiksi boorinitridillä ladatut silikonirasvat säilyttävät vaatimustenmukaisuuden koko lämpötilan vaihtelun ajan ja täyttävät mahdolliset raot, jotka säilyttävät lämpökontaktin. Toinen tekniikka on käyttää lämmitintä vähimmäisvalmiuslämpötilassa sen sijaan, että se jäähtyisi ympäristön lämpötilaan jaksojen välillä. Lämmittimessä, joka pyörii 150 C:sta 400 C:een 20 C:n ja 400 C:n sijaan, rajapintojen jännitysvaihtelu pienenee noin 50 %. Kolmas lähestymistapa on määrittää ulkohalkaisijaltaan pienempi vaippa, jolla on sama seinämän paksuus. Säteittäinen jäykkyys on verrannollinen halkaisijan neljänteen potenssiin. Siten ulkohalkaisijaltaan 6 mm:n vaipalla, jonka seinämä on 1,0 mm, on suurempi radiaalinen jäykkyys kuin 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan 1,0 mm:n seinämillä. Suunnittelija voi pienentää halkaisijaa saadakseen ohuen seinän edut lämpöherkkyyteen ja silti rajapinnan kosketukseen korkeampiin lämpötiloihin. Kun ohuet seinät on määrätty korkean lämpötilan sykliseen käyttöön, insinöörien tulee pyytää lämmittimien valmistajilta rajapintojen jännityslaskelmia. Analyysi on jäteveden vähennyssuhteen, MgO-tiivistystiheyden ja ennustetun lämpötilaprofiilin funktio. Jos et saa tätä analyysiä valmistajalta, on kyseenalaista, tuottaako hän luotettavaa lämmitintä vaativiin syklisiin sovelluksiin.