Kakšna je najvišja varna delovna temperatura za grelne plošče iz aluminija v primerjavi z grelnimi ploščami iz nerjavečega jekla?

Aluminija ni mogoče uporabiti za grelno ploščo, ki mora doseči 300 C. Zvijalo bi se in deformiralo že z najmanjšo silo pritiska. Če si prizadevate za večja temperaturna območja, je pomembno poznati temperaturno zgornjo mejo tipičnih ploščnih materialov. Grelne plošče se uporabljajo za laminiranje, utrjevanje kompozitov, oblikovanje stekla in vroče stiskanje. Na tem področju prevladujeta dva materiala, aluminij (lahek, prevoden in poceni) in nerjavno jeklo (močno, vzdržljivo in toplotno odporno). To je v bistvu stvar izbire temperature med njima. Poznavanje najvišjih varnih temperaturnih omejitev za aluminijaste plošče iz nerjavečega jekla zagotavlja, da je plošča sposobna vzdržati nastavljeno temperaturo in mehanske obremenitve med obdelavo.

Aluminijaste plošče Srednje-toplotni delovni konj
Aluminij ima visoko toplotno prevodnost (200–250 W/m·K za zlitine, kot je 6061), kar vodi do hitrega-segrevanja in dobre temperaturne homogenosti. Ima tudi majhno težo in ga je enostavno strojno obdelati v zapletene oblike z vgrajenimi grelnimi kanali ali vdolbinami za termočlene. Toda Ahilova peta aluminija je izguba trdnosti pri povišanih temperaturah.

Mejna vrednost temperature in mehanskega obnašanja
Za večino aluminijevih zlitin, kot je 6061-T6, najbolj priljubljena zlitina za pločevino, je največja varna neprekinjena delovna temperatura približno 200 stopinj (392 stopinj F). Nad tem pragom se material začne žariti; z izločanjem utrjena mikrostruktura se počasi raztopi in zlitina izgubi svojo moč. Posledično pride do strmega padca meje tečenja in trdote. 6061 aluminij pri 250 C ima manj kot 50 % meje tečenja pri sobni temperaturi. Pri tlačnih napetostih, ki so tako nizke kot 1–2 MPa (približno 150–300 psi), se plošča lahko trajno deformira (povešanje, upognitev ali oblikovanje površinskih vdolbin, ki poškodujejo enakomernost stika).

V praksi se aluminijaste plošče redko uporabljajo pri nosilnih aplikacijah nad 180 stopinj. Nekateri modeli se bodo dvignili na 220 stopinj, če je potrebna majhna neobremenjena plošča (npr. kontaktno ogrevanje brez zunanje sile), vendar še vedno obstaja možnost spremembe dimenzij.

Neskladje PTFE prevleke
PTFE (politetrafluoroetilen) se uporablja kot prevleka na številnih aluminijastih grelnih ploščah, ki zagotavljajo površino proti prijemanju. PTFE se lahko neprekinjeno uporablja pri temperaturah do okoli 500 stopinj F (260 stopinj). Aluminijasta podlaga ni preživela pri 260 stopinjah. Ugotovljeno je bilo, da prevleka iz PTFE preživi na aluminijasti podlagi pri 260 stopinjah. Ne glede na to, koliko lahko nanos traja, ima celoten postopek trd strop, kot narekuje temperaturna meja snovi plošče. Če je temperatura nad 200 stopinj, je potrebno jeklo, tudi če postopek zahteva površino proti prijemanju (jeklo je lahko prevlečeno tudi s PTFE, vendar je oprijem težji).

Toplotna ekspanzija aluminija
Aluminij ima precej visok koeficient toplotnega raztezanja (okoli 23 x 10^-6 / C za 6061). Aluminijasta plošča dolžine 300 mm, segreta od 20 do 200 stopinj, se razširi okoli 1,2 mm. To razširitev je treba kompenzirati z montažnimi režami, vodilnimi tirnicami ali gibljivimi priključki. Če ne zagotovite toplotnega razvoja, lahko pride do upogiba ali poškodovanih grelnikov.

Plošče iz nerjavečega jekla: delovni konj za visoke temperature
Pri temperaturah plošče nad 250 stopinj je prednostno nerjaveče jeklo, zlasti avstenitna razreda 304 in 316. Jeklo ohrani večino svojih mehanskih lastnosti do in nad 400 C. nad tem je meja odvisna od zlitine in dovoljene napetosti.

Temperaturne meje za reprezentativne stopnje
Opombe o najvišji varni delovni temperaturi materiala (neprekinjeno).
Aluminij 6061-T6 200 stopinj (392 stopinj F) Trdnost se hitro zmanjša nad 180 stopinj Aluminij 7075-T6 130 stopinj (266 stopinj F) Nižja temperaturna meja zaradi težav z napetostno korozijo
Nerjaveče jeklo 304 800 stopinj (1472 stopinj F) Praktična meja plošče ~500 stopinj zaradi omejitev grelnika in izolacije
Nerjaveče jeklo 316 800 stopinj (1472 stopinj F) Podobno kot 304; Boljša odpornost na kloride
Nerjaveče jeklo 430 (feritno) 750 stopinj (1382 stopinj F) Nižji stroški, manj oblikovani
Orodno jeklo H13 550 stopinj (1022 stopinj F) kaljeno, odporno-na obrabo; vroče žigosanje
Za grelne plošče praktična najvišja varna temperatura za nerjavno jeklo običajno ni omejena z jeklom samim, ampak z grelnimi elementi, izolacijo in materiali termočlenov. Plošče iz nerjavečega jekla lahko varno upravljate pri temperaturah med 400-500 stopinj (750-930 stopinj F), če so opremljene z ustreznimi notranjimi grelniki (kot so mineralno-izolirane komponente s kovinskim plaščem) in visokotemperaturno izolacijo (kot so keramična vlakna ali sljuda). Nekatere posebne plošče za oblikovanje stekla uporabljajo grelnike, prevlečene z inkonelom, in visoko zmogljive izolacije za doseganje do 650 stopinj.

Ohranjanje trdnosti pri visokih temperaturah
Nerjaveče jeklo AISI 304 ohranja približno 70 % svoje meje tečenja pri sobni temperaturi pri 500 stopinjah. Z drugimi besedami, plošča, izdelana za stiskalno silo 50 ton pri sobni temperaturi, bo še vedno zmožna obvladati približno 35 ton pri 500 stopinjah. Nasprotno pa aluminij obdrži le 10–20 % svoje trdnosti pri 250 stopinjah. Jeklo je prednostni material pri temperaturah nad 250 stopinj, saj ne lezi ali se žari pod običajnimi pritiski industrijske stiskalnice.

Uganka o toplotni prevodnosti
Glavna omejitev nerjavnega jekla je njegova slaba toplotna prevodnost. Jeklo tipa 304, katerega toplotna prevodnost pri sobni temperaturi je približno 15 W/m·K, ima toplotno prevodnost približno 18 W/m·K pri 500 stopinjah. To je približno 10- do 12-krat manj kot pri aluminiju. Kot rezultat:

Da bi preprečili hladne madeže, je treba grelne elemente postaviti precej bližje skupaj (npr. . 30–50 mm razmika namesto 80–100 mm za aluminij).

Izenačenje toplotnih gradientov čez ploščo traja dlje, zato je treba ogrevalne cone skrbno načrtovati, telesa plošče pa debelejša za porazdelitev toplote.

Obdobja povečanja so veliko daljša za enako moč grelnika.

Veliko visokotemperaturnih plošč iz nerjavečega jekla je notranje izvrtanih za kartušne grelnike ali vlitih v grelnike za kompenzacijo in imajo lahko več neodvisnih ogrevalnih con s posameznimi krmilniki.

Toplotno raztezanje
Nerjaveče jeklo se razširi pri približno 17 × 10⁻⁶ / stopinjo (razred 304), kar je manj kot aluminij, vendar še vedno pomembno. 300 mm jeklena plošča, segreta na 500 stopinj, se bo razširila za približno 2,4 mm (od 20 stopinj). To je treba nadomestiti s prilagodljivimi montažnimi ali drsnimi nosilci. Stopnje raztezanja jeklenih plošč in jeklenih okvirjev stiskalnic se ne razlikujejo veliko, vendar če je jeklena plošča nameščena v aluminijastem okvirju (redko), je potrebno skrbno načrtovanje.

Odpornost proti koroziji
Aluminij in nerjavno jeklo imata dobro korozijsko odpornost v številnih okoljih, vendar je nerjavno jeklo veliko boljše v prisotnosti vlage, kemikalij ali visokotemperaturne oksidacije. Aluminij ima oksidno plast, ki ščiti kovino, vendar lahko ta plast oslabi pri visokih temperaturah ali kislem/alkalnem okolju. Nerjaveče jeklo je najboljša izbira za plošče, ki so v stiku s-hrano, medicinskimi ali kemičnimi procesi, zlasti kadar se uporabljajo čistilna sredstva.

Obdelovalnost in stroški
Aluminij je poceni (približno 3-5-krat cenejši od nerjavnega jekla 304 po prostornini) in ga je precej lažje obdelati. Majhni nadzorovani aluminijasti čipi. Gumijasto nerjaveče jeklo, ki se utrdi, potrebuje počasnejše rezalne hitrosti in bolj robustno orodje. To pomeni, da postanejo prototipi in plošče po meri iz aluminija cenejši – dokler je zahteva po temperaturi v mejah.

Plošče s prevleko in temperaturno neusklajenostjo
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 stopinj ) in s-nelepljivo površino; pri teh aplikacijah se uporabljajo drugi sistemi za sprostitev (s silikonom prevlečene plošče za sprostitev ali golo polirano jeklo z razpršilom za sprostitev).

Praktična izbirna merila
Najvišja zahtevana temperatura plošče. Priporočeno branje
Do 150 stopinj Aluminij 6061 (primeren, hitra toplotna reakcija)
150 stopinj do 200 stopinj aluminija 6061 z zmanjšanjem obremenitve; iz nerjavečega jekla, če so potrebne močne stiskalne sile
200 stopinj -250 stopinj Nerjaveče jeklo (304 ali 316) – aluminij je nevaren
Nerjaveče jeklo (304, 316, 430) 250 stopinj do 500 stopinj
Nad 500 stopinj C. Posebni grelci (prekriti z inkonelom) ali keramične plošče, nerjavno jeklo
Povzetek
Možnost aluminija v primerjavi z nerjavečim jeklom za grelno ploščo je res temperaturna težava. Aluminij je dober do približno 200 stopinj C za hitro segrevanje, visoko homogenost, nizke stroške in enostavno obdelavo. Toda pri tej temperaturi se pod obremenitvijo zmehča in deformira.