Яка максимальна безпечна робоча температура для нагрівальних пластин з алюмінію та нержавіючої сталі?

Алюміній не можна використовувати для нагрівання плити, яка повинна досягати 300 C. Він скручувався б і деформувався навіть від найменшого натискання. Якщо ви прагнете до ширших діапазонів тепла, важливо знати максимальну температуру для типових плитних матеріалів. Нагрівальні плити використовуються для ламінування, затвердіння композитів, формування скла та гарячого пресування. У цій сфері домінують два матеріали: алюміній (легкий, електропровідний і дешевий) і нержавіюча сталь (міцна, довговічна і термостійка). По суті, це питання вибору температури між ними. Знання максимально безпечних температурних обмежень для алюмінієвих валиків з нержавіючої сталі гарантує, що валик здатний витримувати задану температуру та механічні навантаження під час обробки.

Алюмінієві пластини. Середньо{0}}теплова робоча конячка
Алюміній має високу теплопровідність (200–250 Вт/м·К для таких сплавів, як 6061), що забезпечує швидке нагрівання-і хорошу однорідність температури. Він також має невелику вагу та легко оброблений у складні конструкції з вбудованими нагрівальними каналами або колодцями для термопар. Але ахіллесовою п'ятою алюмінію є втрата міцності при підвищених температурах.

Межа температури та механічної поведінки
Для більшості алюмінієвих сплавів, як-от 6061-T6, найпопулярнішого сплаву валика, максимальна безпечна безперервна робоча температура становить приблизно 200 градусів (392 градуси F). За цим порогом матеріал починає відпалюватися; мікроструктура, що зміцнилася осаджуванням, повільно розчиняється, і сплав втрачає свій характер. Як наслідок, спостерігається різке зниження межі текучості та твердості. 6061 алюміній при 250 C має менш ніж 50% межі текучості при кімнатній температурі. За тиску тиску до 1–2 МПа (приблизно 150–300 фунтів на кв.

На практиці алюмінієві плити рідко використовуються для навантажень, що перевищують 180 градусів. Деякі конструкції можуть досягати 220 градусів, якщо потрібен крихітний ненавантажений валик (наприклад, контактне нагрівання без зовнішньої сили), але все ще існує ймовірність зміни розмірів.

Невідповідність покриття PTFE
PTFE (політетрафторетилен) використовується як покриття на багатьох алюмінієвих нагрівальних плитах, щоб створити антипригарну поверхню. PTFE можна безперервно використовувати при температурах приблизно до 500 градусів F (260 градусів). Алюмінієва підкладка не витримала при 260 градусах. Було виявлено, що покриття з PTFE зберігається на алюмінієвій підкладці при 260 градусах. Незалежно від того, скільки може зайняти покриття, весь процес має жорстку стелю, як це продиктовано межею температури речовини валика. Якщо температура перевищує 200 градусів, необхідна сталь, навіть якщо для процесу необхідна антипригарна поверхня (на сталь також можна нанести PTFE, але це складніше).

Теплове розширення алюмінію
Алюміній має досить високий коефіцієнт теплового розширення (близько 23 x 10^-6 / C для 6061). Алюмінієвий валик довжиною 300 мм, нагрітий від 20 до 200 градусів, розширюється приблизно на 1,2 мм. Це розширення необхідно компенсувати за допомогою монтажних пазів, напрямних або гнучких з’єднувачів. Недотримання теплового розвитку може призвести до викривлення або пошкодження нагрівачів.

Пластини з нержавіючої сталі: високотемпературна робоча конячка
Для температур плити понад 250 градусів краща нержавіюча сталь, особливо аустенітні марки 304 і 316. Сталь зберігає більшу частину своїх механічних якостей до 400 C і вище. при цьому межа залежить від сплаву та допустимої напруги.

Температурні межі для репрезентативних сортів
Матеріал Максимальна безпечна робоча температура (безперервна) Примітки
Алюміній 6061-T6 200 градусів (392 градуси F) Міцність швидко знижується вище 180 градусів Алюміній 7075-T6 130 градусів (266 градусів F) Нижня межа температури через проблеми корозії під напругою
Нержавіюча сталь 304 800 градусів (1472 градуси F) Практична межа валика ~500 градусів через обмеження на нагрівач та ізоляцію
Нержавіюча сталь 316 800 градус (1472 градус F) Подібно до 304; Краща стійкість до хлоридів
Нержавіюча сталь 430 (феритна) 750 градусів (1382 градуси F) Нижча вартість, менш піддається формуванню
Інструментальна сталь H13 550 ступеня (1022 градуси F) Загартована, зносостійка-; гаряче тиснення
Для нагрівальних плит практична максимальна безпечна температура для нержавіючої сталі зазвичай обмежується не самою сталлю, а нагрівальними елементами, ізоляцією та матеріалами термопар. Пластини з нержавіючої сталі можна безпечно експлуатувати при температурах від 400-500 градусів (750-930 градусів F), якщо вони обладнані відповідними внутрішніми нагрівачами (такими як компоненти з мінеральною-ізоляцією в металевій оболонці) та високотемпературною ізоляцією (наприклад, керамічне волокно або слюда). Деякі спеціальні склоформувальні валики використовують нагрівачі, покриті інконелем, і високоефективну ізоляцію для досягнення температури до 650 градусів.

Збереження міцності при високих температурах
Нержавіюча сталь AISI 304 зберігає близько 70% межі текучості при кімнатній температурі при 500 градусах. Іншими словами, валик, створений для пресової сили 50 тонн при температурі навколишнього середовища, все ще зможе витримувати близько 35 тонн при 500 градусах. Алюміній, навпаки, зберігає лише 10–20% своєї міцності при 250 градусах. Сталь є кращим матеріалом при температурах вище 250 градусів, оскільки вона не повзає та не відпалюється під нормальним тиском промислового преса.

Головоломка про теплопровідність
Основним недоліком нержавіючої сталі є її погана теплопровідність. Сталь типу 304, яка має теплопровідність при кімнатній температурі приблизно 15 Вт/м·K, має теплопровідність приблизно 18 Вт/м·K при 500 градусах. Це приблизно в 10-12 разів менше, ніж у алюмінію. В результаті:

Щоб усунути холодні плями, нагрівальні елементи слід розташовувати значно ближче один до одного (наприклад, . 30–50 мм на відстані замість 80–100 мм для алюмінію).

Для вирівнювання теплових градієнтів на валику потрібно більше часу, тому зони нагріву повинні бути ретельно спроектовані, а корпуси валиків товщі для розподілу тепла.

Періоди наростання значно триваліші за тієї самої потужності нагрівача.

Багато пластин з високотемпературної нержавіючої сталі висвердлюються зсередини для картриджних нагрівачів або відливаються в нагрівачі для компенсації, і вони можуть мати кілька незалежних зон нагріву з окремими контролерами.

Інші матеріальні питання
Теплове розширення
Нержавіюча сталь розширюється приблизно на 17 × 10⁻⁶/градус (марка 304), що менше, ніж алюміній, але все одно значно. 300-мм сталевий валик, нагрітий до 500 градусів, розшириться приблизно на 2,4 мм (від 20 градусів). Це необхідно компенсувати гнучкими монтажними або ковзними опорами. Швидкість розширення сталевих плит і сталевих пресових рам не сильно відрізняється, але якщо сталеву плиту встановлено в алюмінієву раму (це робиться рідко), потрібне ретельне планування.

Стійкість до корозії
Алюміній і нержавіюча сталь мають хорошу стійкість до корозії в багатьох ситуаціях, але нержавіюча сталь набагато краща в присутності вологи, хімічних речовин або високотемпературного окислення. Алюміній має оксидний шар, який захищає метал, але цей шар може бути послаблений у високих температурах або кислотних/лужних середовищах. Нержавіюча сталь є найкращим вибором для валиків для-харчових, медичних або хімічних процесів, особливо якщо використовуються засоби для чищення.

Оброблюваність і вартість
Алюміній недорогий (приблизно в 3-5 разів дешевший за нержавіючу сталь 304 за об’ємом) і його значно легше обробляти. Маленькі керовані алюмінієві чіпи. Нержавіюча сталь, що зміцнюється, потребує меншої швидкості різання та більш міцного інструменту. Це означає, що прототипи та нестандартні валики стають дешевшими з алюмінію – доки вимога до температури залишається в межах.

Валики з покриттям і невідповідністю температури
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 градусів ) і -антипригарною поверхнею; у цих випадках використовуються інші системи звільнення (пластини з силіконовим покриттям або оголена полірована сталь із розпилювачем).

Практичні критерії відбору
Максимальна необхідна температура валика. Рекомендовано прочитати
Алюміній 6061 до 150 градусів (придатний, швидка термічна реакція)
Алюміній 6061 від 150 до 200 градусів зі зниженням навантаження; з нержавіючої сталі, якщо потрібні сильні сили пресування
200 градусів -250 градусів Нержавіюча сталь (304 або 316) – алюміній небезпечний
Нержавіюча сталь (304, 316, 430) від 250 градусів до 500 градусів
Вище 500 градусів C. Спеціальні нагрівачі (з інконельним покриттям) або керамічні плити, нержавіюча сталь
Анотація
Варіант нагрівального валика з алюмінію чи нержавіючої сталі справді є проблемою температури. Алюміній витримує температуру близько 200 градусів Цельсія для швидкого нагрівання, високої однорідності, низької вартості та легкої обробки. Але при цій температурі він розм'якшується і деформується під впливом напруги.