Vad är den maximala säkra driftstemperaturen för värmeplattor i aluminium kontra rostfritt stål?

Aluminium kan inte användas för en värmeplatta som måste uppnå 300 C. Den skulle vrida sig och deformeras även med minsta tryckkraft. Om du trycker in i större värmeintervall är det viktigt att känna till temperaturtaket för typiska valsmaterial. Värmeplattor används för laminering, komposithärdning, glasformning och varmpressning. Fältet domineras av två material, aluminium (lätt, ledande och billigt) och rostfritt stål (starkt, hållbart och värmebeständigt). Det är i huvudsak en fråga om att välja temperatur mellan dem. Att känna till de maximala säkra temperaturgränserna för tryckplattor av rostfritt stål garanterar att tryckplattan kan upprätthålla börvärdestemperaturen och mekaniska belastningar på den under bearbetningen.

Aluminum Platens The Medium-Heat Workhorse
Aluminium har en hög värmeledningsförmåga (200–250 W/m·K för legeringar som 6061) vilket leder till snabb uppvärmning-och god temperaturhomogenitet. Den är också låg vikt och lätt bearbetad till intrikata konstruktioner med inbäddade värmekanaler eller termoelementbrunnar. Men aluminiums akilleshäl är förlusten av styrka vid förhöjda temperaturer.

Temperatur och mekaniskt beteende gräns
För de flesta aluminiumlegeringar, t.ex. 6061-T6, den mest populära legeringen av platta, är den maximala säkra kontinuerliga drifttemperaturen cirka 200 grader (392 grader F). Bortom denna tröskel börjar materialet att härda; den utfällningshärdade mikrostrukturen löses långsamt och legeringen tappar humöret. Som ett resultat av detta sker en brant nedgång i sträckgräns och hårdhet. 6061 aluminium vid 250 C har mindre än 50 % av sin rumstemperatur sträckgräns. Vid pressspänningar så låga som 1–2 MPa (cirka 150–300 psi), kan plattan deformeras permanent (sjunkande yta, böjning eller likformig buktning av ytan).

I praktiken används aluminiumplattor sällan i lastbärande applikationer över 180 grader. Vissa konstruktioner kommer att gå till 220 grader om en liten olastad platta behövs (t.ex. kontaktuppvärmning utan extern kraft) men det finns fortfarande chansen för dimensionsförändringar.

PTFE-beläggningsavvikelsen
PTFE (polytetrafluoreten) används som beläggning på många värmeplattor i aluminium för att ge en yta som inte -sticker. PTFE kan användas kontinuerligt vid temperaturer upp till cirka 500 grader F (260 grader). Aluminiumsubstratet överlevde inte vid 260 grader. PTFE-beläggningen visade sig överleva på ett aluminiumsubstrat vid 260 grader. Oavsett hur mycket beläggningen kan ta, har hela processen ett hårt tak, vilket dikteras av temperaturgränsen för plattans ämne. Om temperaturen är över 200 grader krävs stål även om processen kräver en non-stick-yta (stål kan också beläggas med PTFE, men vidhäftningen är svårare).

Termisk expansion av aluminium
Aluminium har en ganska hög termisk expansionskoefficient (cirka 23 x 10^-6 / C för 6061). En aluminiumplatta 300 mm lång, uppvärmd från 20 till 200 grader, expanderar runt 1,2 mm. Denna expansion måste kompenseras med hjälp av monteringsspår, styrskenor eller flexibla kopplingar. Underlåtenhet att sörja för termisk utveckling kan resultera i buckling eller skadade värmare.

Plattor i rostfritt stål: Högtemperaturarbetshästen
För platttemperaturer över 250 grader är rostfritt stål att föredra, speciellt de austenitiska kvaliteterna 304 och 316. Stål behåller mycket av sina mekaniska egenskaper upp till och över 400 C . över det beror gränsen på legeringen och den tillåtna spänningen.

Temperaturgränser för representativa betyg
Material Maximal säker drifttemperatur (kontinuerlig) Anmärkningar
Aluminium 6061-T6 200 grad (392 grader F) Styrkan minskar snabbt över 180 grader Aluminium 7075-T6 130 grad (266 grader F) Lägre temperaturgräns på grund av spänningskorrosionsproblem
Rostfritt stål 304 800 grad (1472 grader F) Praktisk valsgräns ~500 grader på grund av värme- och isoleringsgränser
Rostfritt stål 316 800 grad (1 472 grader F) liknande 304; Bättre kloridbeständighet
Rostfritt stål 430 (ferritisk) 750 grader (1382 grader F) Lägre kostnad, mindre formbar
Verktygsstål H13 550 grad (1022 grader F) Härdat, slitstarkt-; varmstämpling
För uppvärmningsplattor är den praktiska maximala säkra temperaturen för rostfritt stål normalt inte begränsad av själva stålet, utan av värmeelementen, isoleringen och termoelementmaterialen. Plattor av rostfritt stål kan användas säkert vid temperaturer mellan 400-500 grader (750-930 grader F) när de är utrustade med lämpliga interna värmare (som mineral-isolerade metallmantlade komponenter) och högtemperaturisolering (såsom keramisk fiber eller glimmer). Vissa speciella glasformningsplattor använder Inconel-klädda värmare och högpresterande isolering för att nå upp till 650 grader.

Hållbarhet vid höga temperaturer
AISI 304 rostfritt stål håller cirka 70 % av sin rumstemperatur sträckgräns vid 500 grader. Med andra ord, en platta byggd för en presskraft på 50 ton vid omgivningstemperatur kommer fortfarande att klara cirka 35 ton vid 500 grader. Aluminium däremot behåller bara 10–20 % av sin styrka vid 250 grader . Stål är det föredragna materialet vid temperaturer över 250 grader eftersom det inte kryper eller glödger under normala industriella presstryck.

Termisk ledningsförmåga pussel
Den primära begränsningen för rostfritt stål är dess dåliga värmeledningsförmåga. Typ 304 stål, som har en rumstemperatur värmeledningsförmåga på ungefär 15 W/m·K, har en värmeledningsförmåga på cirka 18 W/m·K vid 500 grader. Detta är cirka 10 till 12 gånger mindre än för aluminium. Som ett resultat:

För att eliminera kalla fläckar måste värmeelementen placeras betydligt närmare varandra (t.ex. . 30–50 mm avstånd istället för 80–100 mm för aluminium).

Termiska gradienter över plattan tar längre tid att utjämna, därför måste värmezoner utformas noggrant och plattkroppar göras tjockare för att fördela värme.

Upprampningsperioderna är mycket längre för samma värmeeffekt.

Många högtemperaturplattor i rostfritt stål är internt borrade för patronvärmare eller ingjutna värmare för att kompensera och de kan ha flera oberoende värmezoner med individuella styrenheter.

Andra väsentliga frågor
Termisk expansion av
Rostfritt stål expanderar med cirka 17 × 10⁻⁶ / grad (grad 304), vilket är mindre än aluminium men fortfarande betydande. En 300 mm stålplatta uppvärmd till 500 grader expanderar ungefär 2,4 mm (från 20 grader). Detta måste kompenseras med flexibla monterings- eller glidstöd. Expansionshastigheterna för stålplattor och stålpressramar är inte mycket olika, men om en stålplatta installeras i en aluminiumram (sällan görs) är noggrann planering nödvändig.

Beständighet mot korrosion
Aluminium och rostfritt stål har båda god korrosionsbeständighet i många miljöer, men rostfritt stål är mycket bättre i närvaro av fukt, kemikalier eller högtemperaturoxidation. Aluminium har ett oxidskikt som skyddar metallen men det lagret kan försvagas i höga temperaturer eller sura/alkaliska miljöer. Rostfritt stål är det bästa valet för mat-kontakt, medicinska eller kemiska processplattor, särskilt när rengöringsmedel används.

Bearbetbarhet och kostnad
Aluminium är billigt (cirka 3-5 gånger billigare än 304 rostfritt i volym) och betydligt lättare att bearbeta. Små kontrollerbara aluminiumspån. Gummy arbetshärdande rostfritt stål behöver lägre skärhastigheter och robustare verktyg. Detta innebär att prototyper och specialanpassade plattor blir billigare i aluminium – så länge som temperaturkravet håller sig inom dess gränser.

Plattor med beläggning och temperaturfel
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 grader) och en non{1}}yta; i dessa applikationer används andra släppsystem (silikonbelagda släppark eller blankpolerat stål med släppspray).

Praktiska urvalskriterier
Maximal tallriktemperatur krävs Rekommenderad läsning
Upp till 150 graders aluminium 6061 (lämplig, snabb termisk reaktion)
150 grader till 200 grader Aluminium 6061 med lastnedstämpling; rostfritt stål om starka presskrafter krävs
200 grader -250 grader rostfritt stål (304 eller 316) – aluminium är farligt
Rostfritt stål (304, 316, 430) 250 grader till 500 grader
Över 500 grader CSpecialvärmare (Inconel-hölje) eller keramiska plattor, rostfritt stål
Abstrakt
Alternativet aluminium kontra rostfritt stål för en värmeplatta är verkligen ett temperaturproblem. Aluminium är bra till cirka 200 grader C för snabb uppvärmning, hög homogenitet, låg kostnad och enkel bearbetning. Men vid denna temperatur mjuknar den och deformeras under stress.