Каква е максималната безопасна работна температура за нагревателни плочи от алуминий спрямо неръждаема стомана?

Алуминият не може да се използва за нагревателна плоча, която трябва да достигне 300 C. Той би се усукал и деформирал дори при най-малкото усилие на натиск. Ако се стремите към по-големи топлинни диапазони, важно е да знаете температурния таван на типичните материали за плоча. Нагревателните плочи се използват за ламиниране, втвърдяване на композити, формоване на стъкло и горещо пресоване. Полето е доминирано от два материала, алуминий (лек, проводим и евтин) и неръждаема стомана (здрава, издръжлива и устойчива на топлина). Това по същество е въпрос на избор на температура между тях. Познаването на максималните безопасни температурни граници за алуминиеви плочи от неръждаема стомана гарантира, че плочата е в състояние да издържи зададената температура и механичните натоварвания върху нея по време на обработката.

Алуминиевите плочи Средно{0}}топлинният работен кон
Алуминият има висока топлопроводимост (200–250 W/m·K за сплави като 6061), което води до бързо загряване-и добра хомогенност на температурата. Освен това е с ниско тегло и лесно се обработва в сложни конструкции с вградени нагревателни канали или гнезда за термодвойки. Но ахилесовата пета на алуминия е загубата на здравина при високи температури.

Граница на температурата и механичното поведение
За повечето алуминиеви сплави, като 6061-T6, най-популярната сплав с плоча, максималната безопасна продължителна работна температура е около 200 градуса (392 градуса F). Отвъд този праг материалът започва да се отгрява; втвърдената при утаяване микроструктура бавно се разтваря и сплавта губи своя характер. В резултат на това има рязък спад в границата на провлачване и твърдостта. 6061 алуминият при 250 C има по-малко от 50% от границата на провлачване при стайна температура. При напрежения при натиск толкова ниски, колкото 1–2 MPa (около 150–300 psi), плочата може да бъде трайно деформирана (увисване, извиване или образуване на вдлъбнатини на повърхността, които увреждат еднородността на контакта).

На практика алуминиевите плочи рядко се използват в носещи приложения над 180 градуса. Някои дизайни ще достигнат до 220 градуса, ако е необходима малка ненатоварена плоча (напр. контактно нагряване без външна сила), но все още има шанс за промяна на размерите.

Несъответствие на PTFE покритието
PTFE (политетрафлуоретилен) се използва като покритие върху много алуминиеви нагревателни плочи, за да се получи незалепваща отделяща повърхност. PTFE може да се използва непрекъснато при температури до около 500 градуса F (260 градуса). Алуминиевият субстрат не оцеля при 260 градуса. Установено е, че PTFE покритието оцелява върху алуминиев субстрат при 260 градуса. Без значение колко може да поеме покритието, целият процес има твърд таван, както се диктува от температурната граница на субстанцията на плочата. Ако температурата е над 200 градуса, е необходима стомана, дори ако процесът изисква незалепваща повърхност (стоманата може да бъде покрита и с PTFE, но прилепването е по-трудно).

Термично разширение на алуминий
Алуминият има доста висок коефициент на топлинно разширение (около 23 x 10^-6 / C за 6061). Алуминиева плоча с дължина 300 мм, нагрята от 20 до 200 градуса, се разширява около 1,2 мм. Това разширение трябва да се компенсира с помощта на монтажни слотове, водещи релси или гъвкави съединители. Неуспехът да се осигури термично развитие може да доведе до изкълчване или повреда на нагревателите.

Плочи от неръждаема стомана: Работният кон при висока температура
За температури на плочата над 250 градуса се предпочита неръждаема стомана, особено аустенитните класове 304 и 316. Стоманата запазва голяма част от механичните си качества до и над 400 C. над това границата зависи от сплавта и допустимото напрежение.

Температурни граници за представителни степени
Бележки за максимална безопасна работна температура на материала (непрекъснато).
Алуминий 6061-T6 200 градуса (392 градуса F) Якостта намалява бързо над 180 градуса Алуминий 7075-T6 130 градуса (266 градуса F) Долна граница на температурата поради проблеми с корозия под напрежение
Неръждаема стомана 304 800 градуса (1472 градуса F) Практическа граница на плочата ~500 градуса поради ограниченията на нагревателя и изолацията
Неръждаема стомана 316 800 степен (1472 градуса F) Подобно на 304; По-добра устойчивост на хлорид
Неръждаема стомана 430 (феритна) 750 градуса (1382 градуса F) По-ниска цена, по-малко формируема
Инструментална стомана H13 550 степен (1022 градуса F) Закалена,-устойчива на износване; топъл печат
За нагревателните плочи практическата максимална безопасна температура за неръждаема стомана обикновено не се ограничава от самата стомана, а от нагревателните елементи, изолацията и материалите на термодвойките. Плочите от неръждаема стомана могат да работят сигурно при температури между 400-500 градуса (750-930 градуса F), когато са оборудвани с подходящи вътрешни нагреватели (като минерално-изолирани елементи с метална обвивка) и високотемпературна изолация (като керамични влакна или слюда). Някои специални плочи за оформяне на стъкло използват нагреватели с покритие от инконел и високоефективни изолации, за да достигнат до 650 градуса.

Запазване на здравината при високи температури
Неръждаемата стомана AISI 304 запазва около 70% от границата на провлачване при стайна температура при 500 градуса. С други думи, плоча, създадена за пресова сила от 50 тона при температура на околната среда, все още ще може да управлява около 35 тона при 500 градуса. Алуминият, обратно, запазва само 10–20% от здравината си при 250 градуса. Стоманата е предпочитаният материал при температури над 250 градуса, тъй като не пълзи или отгрява при нормално промишлено налягане на пресата.

Пъзел за топлопроводимост
Основното ограничение на неръждаемата стомана е нейната слаба топлопроводимост. Стомана тип 304, която има топлопроводимост при стайна температура от приблизително 15 W/m·K, има топлопроводимост от около 18 W/m·K при 500 градуса. Това е около 10 до 12 пъти по-малко от това на алуминия. В резултат на това:

За да се премахнат студените петна, нагревателните елементи трябва да бъдат поставени значително по-близо един до друг (напр.. 30–50 mm разстояние вместо 80–100 mm за алуминий).

Изравняването на термичните градиенти през плочата отнема повече време, поради което нагревателните зони трябва да бъдат внимателно проектирани и телата на плочата да бъдат направени по-дебели, за да разпределят топлината.

Периодите на нарастване са много по-дълги за същата мощност на нагревателя.

Много високотемпературни плочи от неръждаема стомана са вътрешно пробити за патронни нагреватели или отляти в нагреватели за компенсация и могат да имат няколко независими нагревателни зони с отделни контролери.

Други съществени въпроси
Топлинно разширение на
Неръждаемата стомана се разширява при около 17 × 10⁻⁶ / градус (клас 304), което е по-малко от алуминия, но все пак значително. 300 mm стоманена плоча, нагрята до 500 градуса, ще се разшири приблизително 2,4 mm (от 20 градуса). Това трябва да се компенсира чрез гъвкави монтажни или плъзгащи се опори. Скоростите на разширяване на стоманените плочи и стоманените рамки за преси не са много различни, но ако стоманената плоча е монтирана в алуминиева рамка (рядко се прави), е необходимо внимателно планиране.

Устойчивост на корозия
Алуминият и неръждаемата стомана имат добра устойчивост на корозия в много условия, но неръждаемата стомана е много по-добра в присъствието на влага, химикали или високотемпературно окисление. Алуминият има оксиден слой, който предпазва метала, но този слой може да бъде отслабен при високи температури или киселинни/алкални среди. Неръждаемата стомана е най-добрият избор за плочи за-контакт с храни, медицински или химически процеси, особено когато се използват почистващи препарати.

Обработваемост и цена
Алуминият е евтин (около 3-5 пъти по-евтин от 304 неръждаема стомана по обем) и значително по-лесен за обработка. Малки контролируеми алуминиеви чипове. Втвърдяващата се при работа неръждаема стомана се нуждае от по-бавни скорости на рязане и по-здрави инструменти. Това означава, че прототипите и персонализираните плочи стават по-евтини от алуминий – стига изискването за температура да остане в границите.

Плочи с покритие и несъответствие на температурата
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 градуса ) и незалепваща повърхност; в тези приложения се използват други освобождаващи системи (отделящи листове със силиконово покритие или чиста полирана стомана с освобождаващ спрей).

Практически критерии за подбор
Необходима е максимална температура на плочата Препоръчително четене
До 150 градуса алуминий 6061 (подходящ, бърза термична реакция)
150 градуса до 200 градуса Алуминий 6061 с намаляване на натоварването; неръждаема стомана, ако са необходими силни натискащи сили
200 градуса -250 градуса Неръждаема стомана (304 или 316) – алуминият е опасен
Неръждаема стомана (304, 316, 430) 250 градуса до 500 градуса
Над 500 градуса Специални нагреватели (покрити с инконел) или керамични плочи, неръждаема стомана
Резюме
Опцията алуминий срещу неръждаема стомана за нагревателна плоча наистина е температурен проблем. Алуминият е добър до около 200 градуса C за бързо нагряване, висока хомогенност, ниска цена и лесна обработка. Но при тази температура той омеква и се деформира под напрежение.