สำหรับวิศวกรออกแบบที่ประเมินความน่าเชื่อถือ-ในระยะยาวของเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มไฟฟ้าในการให้บริการที่อุณหภูมิสูงแบบไซคลิก- ส่วนต่อประสานระหว่างปลอกสแตนเลส 316 และฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์แสดงถึงตำแหน่งความล้มเหลวที่สำคัญแต่มักถูกมองข้าม ในระหว่างรอบการให้ความร้อนแต่ละรอบ ปลอก 316 จะขยายตัวมากกว่า MgO เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ 316 (ประมาณ 17 × 10⁻⁶ / องศา ) มีค่าประมาณสองเท่าของค่า MgO ที่ถูกบดอัด (ประมาณ 9 × 10⁻⁶ / องศา ) การขยายตัวแบบดิฟเฟอเรนเชียลนี้ทำให้เกิดความเค้นเฉือนที่ส่วนต่อประสาน MgO ของปลอก- ความเครียดเหล่านี้สามารถทำให้เกิดการหลุดลอกของพันธะ การก่อตัวของช่องว่าง และความร้อนสูงเกินไปของลวดต้านทานในที่สุด ความหนาของผนังของเปลือกมีอิทธิพลโดยตรงต่อขนาดของความเค้นที่พื้นผิวเหล่านี้ เนื่องจากผนังที่หนากว่าจะจำกัดการขยายตัวแตกต่างจากผนังบาง บทความนี้จะอธิบายปริมาณความสัมพันธ์ระหว่างความหนาของผนังเปลือก 316 และการขยายตัวทางความร้อน-ที่เกิดจากความเครียดจากพื้นผิว โดยให้แนวทางการเลือกสำหรับการใช้งาน-รอบสูง
กลศาสตร์ของการขยายตัวทางความร้อนแบบดิฟเฟอเรนเชียลที่ส่วนต่อประสาน MgO ของปลอก-
เมื่อประกอบเครื่องทำความร้อน ฉนวน MgO จะถูกอัดแน่นกับพื้นผิวด้านในของปลอก 316 ภายใต้แรงดันสูงจากการพัน สิ่งนี้จะสร้างการรบกวนที่แน่นหนาซึ่งพอดีกับความเค้นอัดที่ตกค้างที่ส่วนต่อประสาน เมื่ออุณหภูมิเครื่องทำความร้อนสูงขึ้น วัสดุทั้งสองจะขยายตัว ฝัก 316 พยายามที่จะขยายออกในแนวรัศมีออกไปด้านนอกและเส้นรอบวง MgO ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำกว่า ต้านทานการขยายตัวนี้ได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือการลดความเค้นอัดระหว่างพื้นผิว-หรือที่อุณหภูมิสูงเพียงพอ การเปลี่ยนแปลงไปสู่ความเค้นดึงและการเกิดช่องว่าง อุณหภูมิวิกฤตที่เกิดการแยกส่วนระหว่างพื้นผิวขึ้นอยู่กับความเค้นตกค้างเริ่มต้นจากการแกว่งและความแข็งของผนังเปลือก ผนังเปลือกที่หนากว่าจะมีความแข็งในแนวรัศมีสูงกว่า ซึ่งหมายความว่าจะต้านทานการขยายตัวได้รุนแรงยิ่งขึ้น และรักษาการสัมผัสพื้นผิวกับอุณหภูมิที่สูงขึ้น ในทางกลับกัน เปลือกที่มีผนังบาง-จะเข้ากันได้มากกว่าและอาจก่อให้เกิดช่องว่างที่อุณหภูมิต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม เมื่อช่องว่างก่อตัวขึ้น เปลือกที่มีผนังบาง-จะประสบกับความเค้นดัดเฉพาะจุดที่สูงขึ้น เนื่องจากผนังที่ไม่ได้รับการสนับสนุนจะเบี่ยงเบนไปภายใต้แรงกดดันภายในหรือการไล่ระดับความร้อน
ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างความหนาของผนังกับการรักษาความเค้นระหว่างผิว
การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดของปลอก 316 เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 10 มม. พร้อม MgO ที่ถูกบดอัดเป็น 3.0 ก./ซม.³ ให้การคาดการณ์เชิงปริมาณของความเค้นจากพื้นผิวโดยพิจารณาจากความหนาและอุณหภูมิของผนัง ที่อุณหภูมิห้องหลังการตอกโค๊ต ความเค้นอัดระหว่างพื้นผิวจะอยู่ที่ประมาณ 30 MPa สำหรับความหนาของผนัง 1.0 มม., 45 MPa สำหรับผนัง 1.5 มม. และ 60 MPa สำหรับผนัง 2.0 มม. ปลอกที่หนากว่าจะกักเก็บแรงอัดที่ตกค้างมากกว่า เนื่องจากกระบวนการตอกจะส่งแรงที่สูงกว่าไปยัง MgO ก่อนที่ปลอกจะออกมาเป็นพลาสติก เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความเค้นจากพื้นผิวจะลดลงเป็นเส้นตรงกับอุณหภูมิเนื่องจากการขยายตัวส่วนต่าง อุณหภูมิที่ความเครียดจากพื้นผิวถึงศูนย์-อุณหภูมิการหลุดลอกออก-คือประมาณ 280 องศาสำหรับผนัง 1.0 มม., 340 องศาสำหรับผนัง 1.5 มม. และ 380 องศาสำหรับผนัง 2.0 มม. สำหรับเครื่องทำความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงสุด 400 องศา ปลอกขนาด 1.0 มม. จะประสบกับความเค้นแรงดึงที่พื้นผิวประมาณ 5 MPa หลังจากการลอกออก ในขณะที่ปลอกขนาด 2.0 มม. ยังคงอยู่ในการบีบอัดตลอดวงจรทั้งหมด เมื่อส่วนต่อประสานเกิดแรงดึง พันธะระหว่างเปลือกและ MgO จะหายไป เกิดช่องว่างเล็กๆ เพิ่มความต้านทานความร้อนจากลวดต้านทานไปยังปลอก MgO ในบริเวณช่องว่างไม่สามารถนำความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกต่อไป ทำให้เกิดฮอตสปอตเฉพาะที่ซึ่งสามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสายไฟได้
ความล้าแบบวงจรของอินเทอร์เฟซและการเสื่อมสภาพของฮีตเตอร์ที่เกิดขึ้น
ในการให้บริการแบบวนซ้ำ การเปลี่ยนจากแรงอัดไปเป็นแรงเค้นผิวหน้าแบบดึง{0}}หรือจากแรงอัดเป็นการหลุดออก-ทำให้เกิดความเสียหายอย่างต่อเนื่องที่ส่วนต่อประสาน MgO ของปลอก- สำหรับปลอกผนัง 1.0 มม. ที่ทำงานระหว่าง 20 องศาถึง 400 องศา อินเทอร์เฟซจะพบกับอุณหภูมิที่แกว่งประมาณ 300 องศา แต่ละรอบจะเคลื่อนที่จากแรงอัดสูงที่อุณหภูมิห้องผ่านความเค้นเป็นศูนย์ที่ 280 องศาเป็นแรงตึงที่ 400 องศา การกลับตัวของความเค้นแบบวนนี้อาจทำให้เกิดการสึกหรอแบบ fretting ที่ส่วนต่อประสาน ทำให้เกิดผง MgO ที่ลดการสัมผัสกับความร้อนเพิ่มเติม หลังจาก 1,000 รอบ ความต้านทานความร้อนที่อินเทอร์เฟซสามารถเพิ่มขึ้นได้ 20–40% ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิของสายไฟที่สูงขึ้นเพื่อรักษาเอาต์พุตความร้อนเท่าเดิม สำหรับเปลือกผนัง 2.0 มม. ที่ทำงานในช่วงอุณหภูมิเดียวกัน ส่วนต่อประสานจะยังคงถูกบีบอัดที่อุณหภูมิทั้งหมด ความเครียดแตกต่างกันไปจากการบีบอัด 60 MPa ที่อุณหภูมิห้อง ไปจนถึงการบีบอัดประมาณ 10 MPa ที่ 400 องศา - แรงดันสัมผัสที่เป็นบวกเสมอ ไม่มีการเกิดรอยหยักหรือช่องว่างเกิดขึ้น การทดสอบเชิงทดลองของเครื่องทำความร้อนแบบหุ้ม 316 เครื่องภายใต้ 5,000 รอบจาก 20 องศาถึง 400 องศา แสดงให้เห็นว่าปลอกผนัง 1.0 มม. มีความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้น 35% และความต้านทานของฉนวนลดลง 15% การทดสอบเดียวกันบนเปลือกผนัง 2.0 มม. แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า 5% ในพารามิเตอร์ทั้งสอง
ความหนาของผนังที่แนะนำสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง-รอบสูง-
ตารางต่อไปนี้แสดงความหนาของผนังปลอก 316 ที่แนะนำ โดยอิงตามอุณหภูมิการทำงานสูงสุดและจำนวนรอบการระบายความร้อนที่คาดหวัง ค่าจะถือว่ากระบวนการ Swaging มาตรฐานไม่มีการอบอ่อนหลังการ Swage และอายุการใช้งานเป้าหมายโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพด้านความร้อนลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
| อุณหภูมิฝักสูงสุด | วงจรความร้อนที่คาดหวังตลอดอายุการใช้งาน | แนะนำความหนาของผนังขั้นต่ำ 316 | สภาพผิวสัมผัสที่อุณหภูมิสูงสุด | ความต้านทานความร้อนที่คาดหวังเพิ่มขึ้นหลังจากการปั่นจักรยาน |
|---|---|---|---|---|
| สูงถึง 250 องศา | หมายเลขใดก็ได้ | 0.8 – 1.0 มม | ยังคงอัดแน่น | น้อยกว่า 5% |
| 250 – 300 องศา | น้อยกว่า 1,000 | 1.0 – 1.2 มม | ใกล้ศูนย์หรือแรงดึงเล็กน้อย | 5 – 10% |
| 250 – 300 องศา | 1,000 – 5,000 | 1.2 – 1.5 มม | ยังคงบีบอัดโดยมีระยะขอบ | น้อยกว่า 5% |
| 300 – 350 องศา | น้อยกว่า 500 | 1.2 – 1.4 มม | แรงดึงเล็กน้อยที่จุดสูงสุด | 10 – 15% |
| 300 – 350 องศา | 500 – 2,000 | 1.5 – 1.8 มม | ยังคงอัดแน่น | น้อยกว่า 5% |
| 350 – 400 องศา | น้อยกว่า 500 | 1.6 – 2.0 มม | แรงดึงเล็กน้อยที่จุดสูงสุด | 10 – 20% |
| 350 – 400 องศา | 500 – 2,000 | 2.0 – 2.5 มม | ยังคงอัดแน่น | น้อยกว่า 5% |
| สูงกว่า 400 องศา | หมายเลขใดก็ได้ | ไม่แนะนำให้ใช้กับ MgO | มีแนวโน้มว่าจะเกิดช่องว่าง | คาดเดาไม่ได้ |
สำหรับการใช้งานที่ต้องการทั้งอุณหภูมิสูงสุดและจำนวนรอบสูง-เช่น อุปกรณ์ฆ่าเชื้อหรือเตาอบแบบใช้ความร้อน- ขอแนะนำอย่างยิ่งโดยระบุปลอก 316 ที่หนา 2.0 มม. ขึ้นไป ค่าปรับความร้อนของผนังหนาที่กล่าวถึงในบทความก่อนหน้านี้ จะต้องได้รับการยอมรับว่าเป็นต้นทุนของ-ความสมบูรณ์ของผิวสัมผัสในระยะยาว อีกทางหนึ่ง วิศวกรสามารถระบุขั้นตอนการอบอ่อนหลังการกด Swage ซึ่งจะช่วยลดความเค้นตกค้างแต่ยังช่วยลดการบีบอัดพื้นผิวเริ่มต้นอีกด้วย เปลือกอบอ่อนขนาด 1.6 มม. มีพฤติกรรมคล้ายกับเปลือกที่ไม่อบอ่อนขนาด 1.2 มม. - ในแง่ของการกักเก็บความเค้นที่ผิว ทางเลือกขึ้นอยู่กับว่าการใช้งานจัดลำดับความสำคัญของประสิทธิภาพเชิงความร้อนหรือความทนทานตามรอบ
ออกแบบกลยุทธ์เพื่อลดความเครียดจากการสัมผัสผิวหน้าในฝักที่มีผนังบาง-
เมื่อการใช้งานต้องการเปลือกผนังบาง-ที่ต่ำกว่า 1.2 มม. ด้วยเหตุผลด้านการตอบสนองความร้อน แต่ยังเกี่ยวข้องกับการหมุนเวียนความร้อนจนถึงอุณหภูมิสูง กลยุทธ์การออกแบบสามประการสามารถลดการหลุดลอกของพื้นผิวได้ ขั้นแรกคือการทาจาระบีการนำความร้อน-สูงบางๆ หรือทาที่ส่วนติดต่อ MgO ของปลอก-ระหว่างการประกอบ วัสดุ เช่น จาระบีซิลิโคนเติมโบรอนไนไตรด์-จะรักษาความสอดคล้องตลอดรอบอุณหภูมิ และเติมเต็มช่องว่างที่ก่อตัว โดยรักษาการสัมผัสทางความร้อน กลยุทธ์ที่สองคือใช้งานเครื่องทำความร้อนด้วยอุณหภูมิสแตนด์บายขั้นต่ำ แทนที่จะปล่อยให้อุณหภูมิโดยรอบเย็นเต็มที่ระหว่างรอบการทำงาน หากรอบเครื่องทำความร้อนอยู่ระหว่าง 150 องศาถึง 400 องศา แทนที่จะเป็น 20 องศาถึง 400 องศา ความแปรผันของความเครียดจากพื้นผิวจะลดลงประมาณ 50% กลยุทธ์ที่สามคือการระบุเปลือกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกให้เล็กลงสำหรับความหนาของผนังที่เท่ากัน ปลอก OD 6 มม. ที่มีผนัง 1.0 มม. มีความแข็งในแนวรัศมีสูงกว่าปลอก OD 10 มม. ที่มีผนัง 1.0 มม. เท่ากัน เนื่องจากความแข็งจะปรับขนาดตามเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นกำลังที่สี่ ด้วยการลดเส้นผ่านศูนย์กลาง ผู้ออกแบบสามารถบรรลุประโยชน์ในการตอบสนองต่อความร้อนของผนังบางๆ ในขณะที่ยังคงรักษาการสัมผัสทางพื้นผิวกับอุณหภูมิที่สูงขึ้น วิศวกรควรขอการวิเคราะห์ความเครียดจากพื้นผิวจากผู้ผลิตเครื่องทำความร้อนเมื่อระบุผนังบางสำหรับบริการที่อุณหภูมิสูง-เป็นวงจร การวิเคราะห์ต้องอาศัยความรู้เกี่ยวกับอัตราส่วนการลดการ Swaging ความหนาแน่นของการบดอัด MgO และโปรไฟล์อุณหภูมิที่คาดหวัง ผู้ผลิตที่ไม่สามารถให้การวิเคราะห์นี้ได้ไม่น่าจะผลิตเครื่องทำความร้อนที่เชื่อถือได้สำหรับการใช้งานแบบวนซ้ำที่มีความต้องการสูง
