Koja je maksimalna sigurna radna temperatura za grijaće ploče od aluminija u odnosu na ploče od nehrđajućeg čelika?

Aluminij se ne može koristiti za grijaću ploču koja mora postići 300 C . Uvrnuo bi se i deformirao čak i uz najmanju silu pritiska. Ako težite većim toplinskim rasponima, važno je znati gornju temperaturu tipičnih pločastih materijala. Grijaće ploče se koriste za laminiranje, stvrdnjavanje kompozita, oblikovanje stakla i vruće prešanje. U polju dominiraju dva materijala, aluminij (lagan, vodljiv i jeftin) i nehrđajući čelik (jak, izdržljiv i otporan na toplinu). To je u biti stvar odabira temperature između njih. Poznavanje maksimalnih sigurnih temperaturnih ograničenja za aluminijske ploče od nehrđajućeg čelika jamči da ploča može izdržati zadanu temperaturu i mehanička opterećenja koja se na nju stavljaju tijekom obrade.

Aluminijske ploče Srednje{0}}zagrijani radni konj
Aluminij ima visoku toplinsku vodljivost (200–250 W/m·K za legure kao što je 6061) što dovodi do brzog zagrijavanja-i dobre homogenosti temperature. Također je male težine i lako se strojno obrađuje u zamršene dizajne s ugrađenim grijačim kanalima ili termoelementima. Ali Ahilova peta aluminija je gubitak čvrstoće na povišenim temperaturama.

Ograničenje temperature i mehaničkog ponašanja
Za većinu aluminijskih legura, kao što je 6061-T6, najpopularnija legura ploče, maksimalna sigurna kontinuirana radna temperatura je oko 200 stupnjeva (392 stupnja F). Iza ovog praga materijal se počinje žariti; mikrostruktura stvrdnuta taloženjem polako se otapa i legura gubi svoj karakter. Kao rezultat toga, dolazi do naglog pada granice tečenja i tvrdoće. 6061 aluminij na 250 C ima manje od 50% svoje granice tečenja na sobnoj temperaturi. Pri naprezanjima pri pritisku od samo 1-2 MPa (oko 150-300 psi), ploča se može trajno deformirati (opušteno, savijanje ili stvaranje udubljenja na površini koja oštećuju jednolikost kontakta).

U praksi se aluminijske ploče rijetko koriste u nosivim aplikacijama iznad 180 stupnjeva. Neki dizajni će ići do 220 stupnjeva ako je potrebna mala neopterećena ploča (npr. kontaktno grijanje bez vanjske sile), ali još uvijek postoji mogućnost promjene dimenzija.

Nepodudarnost PTFE premaza
PTFE (politetrafluoroetilen) koristi se kao premaz na mnogim aluminijskim pločama za grijanje kako bi se dobila površina koja se ne lijepi. PTFE se može kontinuirano koristiti na temperaturama do oko 500 stupnjeva F (260 stupnjeva). Aluminijska podloga nije preživjela na 260 stupnjeva. Utvrđeno je da PTFE premaz preživljava na aluminijskoj podlozi pri 260 stupnjeva. Bez obzira na to koliko premaz može trajati, cijeli proces ima čvrsti strop, kao što je diktirano ograničenjem temperature tvari ploče. Ako je temperatura iznad 200 stupnjeva, potreban je čelik, čak i ako postupak zahtijeva neprianjajuću površinu (čelik se također može premazati PTFE-om, ali prianjanje je teže).

Toplinsko širenje aluminija
Aluminij ima prilično visok koeficijent toplinskog širenja (oko 23 x 10^-6 / C za 6061). Aluminijska ploča duljine 300 mm, zagrijana od 20 do 200 stupnjeva, širi se oko 1,2 mm. Ovo širenje mora se kompenzirati pomoću utora za montažu, vodilica ili fleksibilnih spojnica. Nemogućnost razvoja topline može rezultirati savijanjem ili oštećenjem grijača.

Ploče od nehrđajućeg čelika: radni konj za visoke temperature
Za temperature na ploči iznad 250 stupnjeva, nehrđajući čelik je poželjan, posebno austenitni stupnjevi 304 i 316. Čelik zadržava većinu svojih mehaničkih kvaliteta do i iznad 400 C. preko toga granica ovisi o leguri i dopuštenom naprezanju.

Temperaturna ograničenja za reprezentativne stupnjeve
Materijal Maksimalna sigurna radna temperatura (kontinuirano) Napomene
Aluminij 6061-T6 200 stupnjeva (392 stupnja F) Čvrstoća brzo opada iznad 180 stupnjeva Aluminij 7075-T6 130 stupnjeva (266 stupnjeva F) Niža granica temperature zbog problema s korozijom
Nehrđajući čelik 304 800 stupnjeva (1472 stupnjeva F) Praktična granica ploče ~500 stupnjeva zbog ograničenja grijača i izolacije
Nehrđajući čelik 316 800 stupnjeva (1472 stupnjeva F)Slično 304; Bolja otpornost na kloride
Nehrđajući čelik 430 (feritni) 750 stupnjeva (1382 stupnjeva F) Niža cijena, manje se može oblikovati
Alatni čelik H13 550 stupnja (1022 stupnja F) Kaljen,-otporan na trošenje; vruće žigosanje
Za grijaće ploče praktična maksimalna sigurna temperatura za nehrđajući čelik obično nije ograničena samim čelikom, već elementima grijača, izolacijom i materijalima termoelementa. Ploče od nehrđajućeg čelika mogu sigurno raditi na temperaturama između 400-500 stupnjeva (750-930 stupnjeva F) kada su opremljene odgovarajućim unutarnjim grijačima (kao što su mineralno-izolirane komponente obložene metalom) i izolacijom za visoke temperature (kao što su keramička vlakna ili tinjac). Neke posebne ploče za oblikovanje stakla koriste grijače obložene Inconelom i izolaciju visokih performansi za postizanje temperature do 650 stupnjeva.

Zadržavanje čvrstoće na visokim temperaturama
Nehrđajući čelik AISI 304 zadržava oko 70% svoje granice razvlačenja pri sobnoj temperaturi na 500 stupnjeva. Drugim riječima, ploča napravljena za silu pritiska od 50 tona na temperaturi okoline i dalje će moći upravljati oko 35 tona na 500 stupnjeva. Nasuprot tome, aluminij zadržava samo 10-20% svoje čvrstoće na 250 stupnjeva. Čelik je poželjan materijal na temperaturama iznad 250 stupnjeva budući da ne puže niti se žari pod normalnim pritiscima industrijske preše.

Zagonetka toplinske vodljivosti
Primarno ograničenje nehrđajućeg čelika je njegova slaba toplinska vodljivost. Čelik tipa 304, koji ima toplinsku vodljivost pri sobnoj temperaturi od otprilike 15 W/m·K, ima toplinsku vodljivost od oko 18 W/m·K na 500 stupnjeva. To je oko 10 do 12 puta manje nego kod aluminija. Kao rezultat toga:

Da biste uklonili hladne mrlje, grijaći elementi moraju biti postavljeni znatno bliže jedan drugome (npr.. 30–50 mm razmak umjesto 80–100 mm za aluminij).

Toplinskim gradijentima preko ploče potrebno je više vremena da se izjednače, stoga se zone grijanja moraju pažljivo projektirati, a tijela ploča moraju biti deblja za distribuciju topline.

Razdoblja povećanja su mnogo duža za istu snagu grijača.

Mnogo visokotemperaturnih ploča od nehrđajućeg čelika je iznutra izbušeno za patronske grijače ili je uliveno u grijače radi kompenzacije i mogu imati nekoliko neovisnih zona grijanja s pojedinačnim regulatorima.

Ostala materijalna pitanja
Toplinsko širenje
Nehrđajući čelik širi se oko 17 × 10⁻⁶ / stupanj (grada 304), što je manje od aluminija, ali je još uvijek značajno. Čelična ploča od 300 mm zagrijana na 500 stupnjeva proširit će se približno 2,4 mm (od 20 stupnjeva). To se mora kompenzirati fleksibilnim montažnim ili kliznim nosačima. Brzine ekspanzije čeličnih ploča i čeličnih okvira za prešu nisu jako različite, ali ako je čelična ploča ugrađena u aluminijski okvir (rijetko se radi), potrebno je pažljivo planiranje.

Otpornost na koroziju
Aluminij i nehrđajući čelik imaju dobru otpornost na koroziju u mnogim okruženjima, ali nehrđajući čelik je mnogo bolji u prisutnosti vlage, kemikalija ili oksidacije na visokoj temperaturi. Aluminij ima oksidni sloj koji štiti metal, ali taj sloj može oslabiti na visokim temperaturama ili kiselim/lužnatim sredinama. Nehrđajući čelik najbolji je izbor za ploče za-dodir s hranom, medicinske ili kemijske procese, osobito kada se koriste sredstva za čišćenje.

Obradivost i cijena
Aluminij je jeftin (oko 3-5 puta jeftiniji od nehrđajućeg čelika 304 po volumenu) i znatno ga je lakše obraditi. Mali aluminijski čipovi koji se mogu kontrolirati. Gumasti nehrđajući čelik koji se stvrdnjava pri radu treba manje brzine rezanja i čvršći alat. To znači da prototipovi i prilagođene ploče postaju jeftiniji u aluminiju – sve dok je zahtjev za temperaturom unutar svojih granica.

Ploče s premazom i neusklađenost temperature
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 stupnjeva ) i neprianjajućom površinom; u ovim primjenama koriste se drugi sustavi za odvajanje (ploče za odvajanje obložene silikonom ili goli polirani čelik sa sprejom za odvajanje).

Praktični kriteriji odabira
Potrebna maksimalna temperatura ploče Preporučeno očitavanje
Do 150 stupnjeva Aluminij 6061 (prikladno, brza toplinska reakcija)
150 stupnjeva do 200 stupnjeva aluminija 6061 sa smanjenjem opterećenja; nehrđajućeg čelika ako su potrebne jake sile pritiska
200 stupnjeva -250 stupnjeva Nehrđajući čelik (304 ili 316) – aluminij je opasan
Nehrđajući čelik (304, 316, 430) 250 stupnjeva do 500 stupnjeva
Iznad 500 stupnjeva C Posebni grijači (obloženi Inconelom) ili keramičke ploče, nehrđajući čelik
Sažetak
Opcija aluminij u odnosu na nehrđajući čelik za grijaću ploču zapravo je problem temperature. Aluminij je dobar do oko 200 stupnjeva C za brzo zagrijavanje, visoku homogenost, nisku cijenu i laku obradivost. Ali na ovoj temperaturi omekšava i deformira se pod stresom.