Mikä on korkein turvallinen käyttölämpötila alumiinille vs. ruostumattomasta teräksestä valmistetuille lämmityslevyille?

Alumiinia ei voida käyttää lämmityslevyyn, jonka on saavutettava 300 C. Se vääntyisi ja vääntyisi pienimmälläkin puristusvoimalla. Jos työnnät suurempia lämpöalueita, on tärkeää tietää tyypillisten levymateriaalien lämpötilakatto. Lämmityslevyjä käytetään laminoinnissa, komposiittikovetuksessa, lasinmuovauksessa ja kuumapuristuksessa. Alaa hallitsevat kaksi materiaalia, alumiini (kevyt, johtava ja halpa) ja ruostumaton teräs (vahva, kestävä ja lämmönkestävä). Kyse on pohjimmiltaan lämpötilan valinnasta niiden välillä. Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen alumiinilevyjen turvallisten enimmäislämpötilarajojen tunteminen takaa, että levy kestää lämpötilan asetusarvoa ja käsittelyn aikana siihen kohdistuvia mekaanisia kuormituksia.

Alumiinilevyt Keski{0}}lämpötyöhevonen
Alumiinilla on korkea lämmönjohtavuus (200–250 W/m·K seoksille, kuten 6061), mikä johtaa nopeaan-lämpenemiseen ja hyvään lämpötilan tasaisuuteen. Se on myös kevyt ja helposti koneistettavissa monimutkaisiin malleihin upotetuilla lämmityskanavilla tai termoelementeillä. Mutta alumiinin akilleen kantapää on voiman menetys korkeissa lämpötiloissa.

Lämpötilan ja mekaanisen käyttäytymisen raja
Useimmille alumiiniseoksille, kuten 6061-T6, joka on suosituin levylaatuinen metalliseos, suurin turvallinen jatkuva käyttölämpötila on noin 200 astetta (392 astetta F). Tämän kynnyksen ylittäessä materiaali alkaa hehkua; saostuskarkaistu mikrorakenne liukenee hitaasti ja seos menettää malttinsa. Seurauksena on myötörajan ja kovuuden jyrkkä lasku 250 C:ssa alumiinilla on alle 50 % sen huoneenlämpötilasta myötölujuudesta. Niinkin alhaisilla puristusjännityksillä kuin 1-2 MPa (noin 150-300 psi), laatta voi muuttua pysyvästi (vajoaa, taipua tai muodostaa pinnan painaumia, jotka vahingoittavat kosketuksen tasaisuutta).

Käytännössä alumiinilevyjä käytetään harvoin kantavissa sovelluksissa yli 180 asteen kulmassa. Jotkut mallit menevät 220 asteeseen, jos tarvitaan pieni kuormittamaton levy (esim. kosketuslämmitys ilman ulkoista voimaa), mutta silti on olemassa mahdollisuus mittojen muuttamiseen.

PTFE-pinnoitteen ero
PTFE:tä (polytetrafluorieteeni) käytetään pinnoitteena monissa alumiinilämmityslevyissä tarttumattoman irrotuspinnan aikaansaamiseksi. PTFE:tä voidaan käyttää jatkuvasti noin 500 asteen F (260 asteen) lämpötiloissa. Alumiinisubstraatti ei kestänyt 260 asteessa. PTFE-pinnoitteen havaittiin säilyvän alumiinisubstraatilla 260 asteessa. Riippumatta siitä, kuinka paljon pinnoite kestää, koko prosessilla on kova katto, jonka määrää levyn aineen lämpötilaraja. Jos lämpötila on yli 200 astetta, tarvitaan terästä, vaikka prosessi vaatii tarttumatonta pintaa (teräs voidaan myös pinnoittaa PTFE:llä, mutta tarttuminen on vaikeampaa).

Alumiinin lämpölaajeneminen
Alumiinilla on melko korkea lämpölaajenemiskerroin (noin 23 x 10^-6 / C mallille 6061). 300 mm pitkä alumiinilevy, lämmitetty 20 - 200 astetta, laajenee noin 1,2 mm. Tämä laajeneminen on kompensoitava kiinnitysaukoilla, ohjauskiskoilla tai joustavilla liittimillä. Lämpökehityksen laiminlyönti voi johtaa lämmittimien nurjahtamiseen tai vaurioitumiseen.

Ruostumattomasta teräksestä valmistetut levyt: korkean lämpötilan työhevonen
Yli 250 asteen lämpötiloissa ruostumaton teräs on edullinen, erityisesti austeniittiset luokat 304 ja 316. Teräs säilyttää suuren osan mekaanisista ominaisuuksistaan ​​400 C:een asti ja yli . sen lisäksi raja riippuu lejeeringistä ja sallitusta jännityksestä.

Lämpötilarajat edustaville luokille
Materiaalin suurin turvallinen käyttölämpötila (jatkuva) Huomautuksia
Alumiini 6061-T6 200 astetta (392 astetta F) Lujuus laskee nopeasti yli 180 astetta Alumiini 7075-T6 130 astetta (266 astetta F) Alempi lämpötilaraja jännityskorroosio-ongelmien vuoksi
Ruostumaton teräs 304 800 aste (1472 astetta F) Käytännöllinen levyn raja ~500 astetta lämmittimen ja eristysrajojen vuoksi
Ruostumaton teräs 316 800 aste (1 472 astetta F)Samanlainen kuin 304; Parempi kloridinkestävyys
Ruostumaton teräs 430 (ferriittinen) 750 astetta (1382 astetta F) Halvemmat kustannukset, vähemmän muovattavissa
Työkaluteräs H13 550 aste (1022 astetta F) Karkaistu, kulutusta-kestävä; kuumaleimaus
Lämmityslevyjen käytännöllistä turvallista maksimilämpötilaa ruostumattomalle teräkselle ei yleensä rajoita itse teräs, vaan lämmityselementit, eristys ja lämpöparimateriaalit. Ruostumattomia teräslevyjä voidaan käyttää turvallisesti 400 -500 asteen (750-930 asteen F) lämpötiloissa, kun ne on varustettu asianmukaisilla sisäisillä lämmittimillä (kuten mineraali-eristetyillä metallivaippakomponenteilla) ja korkean lämpötilan eristyksellä (kuten keraaminen kuitu tai kiille). Joissakin erityisissä lasinmuodostuslevyissä käytetään Inconel-verhoiltuja lämmittimiä ja korkean suorituskyvyn eristeitä, jotka saavuttavat jopa 650 asteen kulman.

Lujuuden säilyttäminen korkeissa lämpötiloissa
AISI 304 ruostumaton teräs pitää noin 70 % huoneenlämpötilastaan ​​myötölujuudesta 500 asteessa. Toisin sanoen 50 tonnin puristusvoimalle ympäristön lämpötilassa rakennettu levy kestää edelleen noin 35 tonnia 500 asteessa. Alumiini sen sijaan säilyttää vain 10–20 % lujuudestaan ​​250 asteen kulmassa. Teräs on suositeltava materiaali yli 250 asteen lämpötiloissa, koska se ei viru eikä hehku normaaleissa teollisissa puristuspaineissa.

Lämmönjohtavuuden palapeli
Ruostumattoman teräksen ensisijainen rajoitus on sen huono lämmönjohtavuus. Tyypin 304 teräksen, jonka huoneenlämpötilan lämmönjohtavuus on noin 15 W/m·K, lämmönjohtavuus on noin 18 W/m·K 500 asteessa. Tämä on noin 10-12 kertaa vähemmän kuin alumiinilla. Seurauksena:

Kylmien paikkojen poistamiseksi lämmitinelementit on sijoitettava huomattavasti lähemmäksi toisiaan (esim. . 30–50 mm etäisyys alumiinin 80–100 mm sijasta).

Lämpögradienttien tasaantuminen levyn poikki kestää kauemmin, joten lämmitysvyöhykkeet on suunniteltava huolellisesti ja levyn rungot on tehtävä paksumpia lämmön jakamiseksi.

Käynnistysajat ovat paljon pidempiä samalla lämmittimen teholla.

Monet korkean lämpötilan ruostumattomasta teräksestä valmistetut levyt on porattu sisäisesti patruunalämmittimiä varten tai valettu lämmittimiin kompensoimaan, ja niissä voi olla useita itsenäisiä lämmitysvyöhykkeitä yksittäisillä säätimillä.

Muut materiaaliongelmat
Lämpölaajeneminen
Ruostumaton teräs laajenee noin 17 × 10⁻⁶/aste (luokka 304), mikä on vähemmän kuin alumiini, mutta silti merkittävä. 300 mm:n teräslevy, joka on lämmitetty 500 asteeseen, laajenee noin 2,4 mm (20 astetta). Tämä on kompensoitava joustavilla asennus- tai liukutuilla. Teräslevyjen ja teräspuristuskehysten laajenemisnopeudet eivät ole kovin erilaisia, mutta jos teräslevy asennetaan alumiinirunkoon (harvemmin tehty), on huolellinen suunnittelu tarpeen.

Korroosionkestävyys
Sekä alumiinilla että ruostumattomalla teräksellä on hyvä korroosionkestävyys monissa olosuhteissa, mutta ruostumaton teräs on paljon parempi kosteuden, kemikaalien tai korkean lämpötilan hapettumisen läsnä ollessa. Alumiinissa on oksidikerros, joka suojaa metallia, mutta kerros voi heiketä korkeissa lämpötiloissa tai happamissa/emäksisessä ympäristössä. Ruostumaton teräs on paras valinta elintarvike-kosketuslevyille, lääketieteellisille tai kemiallisille prosesseille, varsinkin kun käytetään puhdistusaineita.

Koneistettavuus ja hinta
Alumiini on edullista (tilavuudeltaan noin 3-5 kertaa halvempaa kuin ruostumaton 304) ja huomattavasti helpompi käsitellä. Pienet säädettävät alumiinilastut. Kumimainen työstökarkaiseva ruostumaton teräs tarvitsee hitaampia leikkausnopeuksia ja tukevampia työkaluja. Tämä tarkoittaa, että prototyypit ja räätälöidyt levyt tulevat halvemmaksi alumiinissa – niin kauan kuin lämpötilavaatimus pysyy rajoissaan.

Levyt, joissa on pinnoite ja lämpötila eivät täsmää
PTFE or fluoropolymer coatings are typically used when a non-stick surface is required (e.g. for curing epoxy prepregs or moulding thermoplastics). The highest continuous temperature of these coatings is 260–290 °C for ordinary grades (some high performance fluoropolymers approach 300 °C). A PTFE coated aluminium platen can not be utilised over 200°C since the aluminium fails first. A stainless steel platen with PTFE coating may be utilised up to the limit of the coating (260°C) however the steel is over specified for that temperature. Permanent PTFE coatings are not used in applications requiring both high temperature (>250 astetta) ja tarttumaton pinta; näissä sovelluksissa käytetään muita irrotusjärjestelmiä (silikonilla päällystettyjä irrotuslevyjä tai paljaana kiillotettua terästä irrotussuihkeella).

Käytännön valintakriteerit
Vaadittu levyn enimmäislämpötila Suositeltu lukema
Jopa 150 astetta alumiini 6061 (sopiva, nopea lämpöreaktio)
150 - 200 astetta Alumiini 6061 kuormituksen vähentämisellä; ruostumatonta terästä, jos tarvitaan voimakkaita puristusvoimia
200 astetta -250 astetta ruostumaton teräs (304 tai 316) – alumiini on vaarallista
ruostumaton teräs (304, 316, 430) 250 - 500 astetta
Yli 500 astetta Cerikoislämmittimet (Inconel-pinnoitettu) tai keraamiset levyt, ruostumaton teräs
Abstrakti
Alumiini vs. ruostumaton teräs vaihtoehto lämmityslevylle on todella lämpötilakysymys. Alumiini on hyvä noin 200 asteen lämpötilaan nopeaan lämmitykseen, korkeaan homogeenisuuteen, alhaisiin kustannuksiin ja helppoon työstettävyyteen. Mutta tässä lämpötilassa se pehmenee ja muotoutuu rasituksen alaisena.