حداکثر دمای کارکرد ایمن برای صفحات گرمایش آلومینیوم در مقابل فولاد ضد زنگ چقدر است؟

آلومینیوم را نمی توان برای صفحه گرمایشی که باید به دمای 300 درجه سانتیگراد برسد استفاده کرد. حتی با کوچکترین نیروی فشاری می پیچید و تغییر شکل می داد. اگر به دامنه های حرارتی بیشتری فشار می آورید، دانستن سقف دمای مواد معمولی ورق بسیار مهم است. صفحات گرمایشی برای لمینیت، پخت کامپوزیت، شکل دهی شیشه و پرس گرم استفاده می شود. این میدان توسط دو ماده، آلومینیوم (سبک، رسانا و ارزان) و فولاد ضد زنگ (محکم، بادوام و مقاوم در برابر حرارت) غالب است. این اساساً به انتخاب درجه حرارت بین آنها بستگی دارد. دانستن حداکثر دمای ایمن برای ورق های فولادی ضد زنگ آلومینیوم تضمین می کند که صفحه قادر به حفظ دمای نقطه تنظیم و بارهای مکانیکی وارد شده بر روی آن در طول پردازش است.

صفحه‌های آلومینیومی با حرارت متوسط-
آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی بالایی است (200-250 W/m·K برای آلیاژهایی مانند 6061) که منجر به گرم شدن سریع و همگنی دمایی خوب می شود. همچنین وزن کمی دارد و به راحتی با کانال های بخاری تعبیه شده یا چاه های ترموکوپل به طرح های پیچیده تبدیل می شود. اما پاشنه آشیل آلومینیومی از دست دادن استحکام در دماهای بالا است.

محدودیت دما و رفتار مکانیکی
برای اکثر آلیاژهای آلومینیوم، مانند 6061-T6، محبوب‌ترین آلیاژ سطحی، حداکثر دمای کارکرد مداوم ایمن حدود 200 درجه (392 درجه فارنهایت) است. فراتر از این آستانه، مواد شروع به بازپخت شدن می کنند. ریزساختار سخت شده در اثر بارش به آرامی حل می شود و آلیاژ حالت خود را از دست می دهد. در نتیجه، کاهش شدیدی در استحکام تسلیم و سختی وجود دارد. 6061 آلومینیوم در دمای 250 درجه سانتیگراد کمتر از 50 درصد از استحکام تسلیم دمای اتاق خود را دارد در تنش‌های پرس کمتر از 1-2 مگاپاسکال (حدود 150 تا 300 psi)، صفحه می‌تواند به طور دائم تغییر شکل دهد (افتادگی، خم شدن یا ایجاد فرورفتگی سطح تماس).

در عمل، صفحات آلومینیومی به ندرت در کاربردهای تحمل بار بالای 180 درجه استفاده می شود. در صورت نیاز به یک صفحه کوچک بدون بار (مثلاً گرمایش تماسی بدون نیروی خارجی) برخی از طرح‌ها به 220 درجه می‌رسند، اما هنوز احتمال تغییر ابعاد وجود دارد.

عدم تطابق پوشش PTFE
PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) ​​به عنوان یک پوشش روی بسیاری از صفحات گرمایش آلومینیومی برای ایجاد یک سطح رها{0} غیر چسبنده استفاده می شود. PTFE را می توان به طور مداوم در دماهای تا حدود 500 درجه فارنهایت (260 درجه) استفاده کرد. زیرلایه آلومینیومی در دمای 260 درجه دوام نیاورد. مشخص شد که پوشش PTFE روی یک بستر آلومینیومی در دمای 260 درجه زنده می ماند. مهم نیست که چقدر پوشش می تواند طول بکشد، کل فرآیند دارای سقف سختی است که توسط محدودیت دمایی ماده صفحه دیکته می شود. اگر دمای بالاتر از 200 درجه باشد، حتی اگر فرآیند نیاز به سطحی نچسب داشته باشد، لازم است (فولاد را می توان با PTFE نیز روکش کرد، اما چسبندگی دشوارتر است).

انبساط حرارتی آلومینیوم
آلومینیوم دارای ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالایی است (حدود 23 x 10^-6 / C برای 6061). یک صفحه آلومینیومی به طول 300 میلی متر که از 20 تا 200 درجه گرم می شود، حدود 1.2 میلی متر منبسط می شود. این انبساط باید با استفاده از شکاف های نصب، ریل های راهنما یا اتصال دهنده های انعطاف پذیر جبران شود. عدم ایجاد توسعه حرارتی ممکن است منجر به کمانش یا خراب شدن بخاری شود.

صفحات فولادی ضد زنگ: اسب کاری با دمای بالا
برای دمای صفحه بیش از 250 درجه، فولاد ضد زنگ ترجیح داده می شود، به خصوص گریدهای آستنیتی 304 و 316. فولاد بسیاری از خصوصیات مکانیکی خود را تا دمای 400 درجه سانتیگراد حفظ می کند. بیش از آن، حد بستگی به آلیاژ و تنش مجاز دارد.

محدودیت های دما برای درجات نماینده
حداکثر دمای ایمن مواد (پیوسته) نکات
آلومینیوم 6061-T6 200 درجه (392 درجه فارنهایت) استحکام به سرعت بالای 180 درجه کاهش می‌یابد آلومینیوم 7075-T6 130 درجه (266 درجه فارنهایت) حد دمای پایین‌تر به دلیل مشکلات خوردگی تنشی
فولاد ضد زنگ 304 800 درجه (1472 درجه فارنهایت) محدودیت عملی ورق ~500 درجه به دلیل محدودیت‌های بخاری و عایق
فولاد ضد زنگ 316 800 درجه (1472 درجه فارنهایت) مشابه 304. مقاومت بهتر در برابر کلرید
فولاد ضد زنگ 430 (فریتی) 750 درجه (1382 درجه فارنهایت) هزینه کمتر، شکل پذیری کمتر
فولاد ابزار H13 550 درجه (1022 درجه فارنهایت) سخت شده، مقاوم در برابر سایش-; مهر زنی داغ
برای صفحات گرمایش، حداکثر دمای ایمن عملی برای فولاد ضد زنگ معمولاً توسط خود فولاد محدود نمی شود، بلکه توسط عناصر گرم کننده، عایق و مواد ترموکوپل محدود می شود. صفحات فولادی ضد زنگ را می توان در دماهای بین 400-500 درجه (750{4}}930 درجه فارنهایت) هنگامی که مجهز به گرم کننده های داخلی مناسب (مانند اجزای غلاف فلزی عایق شده معدنی) و عایق با دمای بالا (مانند الیاف سرامیکی یا میکا) باشد، کار کرد. برخی از صفحات مخصوص شکل دهی شیشه از بخاری های روکش اینکونل و عایق های با کارایی بالا برای رسیدن به 650 درجه استفاده می کنند.

حفظ قدرت در دماهای بالا
فولاد ضد زنگ AISI 304 حدود 70 درصد از استحکام تسلیم دمای اتاق خود را در 500 درجه نگه می دارد. به عبارت دیگر، صفحه ای که برای نیروی پرس 50 تنی در دمای محیط ساخته شده است، همچنان می تواند حدود 35 تن را در دمای 500 درجه مدیریت کند. در مقابل، آلومینیوم تنها 10 تا 20 درصد استحکام خود را در 250 درجه حفظ می کند. فولاد در دماهای بالاتر از 250 درجه ترجیح داده می شود زیرا تحت فشارهای معمولی پرس صنعتی خزش یا بازپخت نمی شود.

پازل رسانایی حرارتی
محدودیت اصلی فولاد ضد زنگ، هدایت حرارتی ضعیف آن است. فولاد نوع 304 که دارای رسانایی حرارتی در دمای اتاق تقریباً 15 W/m·K است، دارای رسانایی حرارتی در حدود 18 W/m·K در 500 درجه است. این حدود 10 تا 12 برابر کمتر از آلومینیوم است. در نتیجه:

برای از بین بردن لکه های سرد، عناصر بخاری باید بطور قابل توجهی نزدیکتر به هم قرار گیرند (مثلاً فاصله 50-50 میلی متر به جای 80-100 میلی متر برای آلومینیوم).

گرادیان های حرارتی در سراسر صفحه طول می کشد تا برابر شوند، بنابراین مناطق گرمایشی باید به دقت طراحی شوند و بدنه های صفحه برای توزیع گرما ضخیم تر شوند.

دوره های افزایش سطح شیب دار برای همان قدرت بخاری بسیار طولانی تر است.

بسیاری از صفحات فولادی ضد زنگ با دمای بالا به صورت داخلی برای بخاری های کارتریج یا ریخته گری در بخاری ها برای جبران آن سوراخ می شوند و ممکن است چندین منطقه گرمایش مستقل با کنترل کننده های جداگانه داشته باشند.

سایر مسائل مادی
انبساط حرارتی از
فولاد ضد زنگ در حدود 17 × 10-6 / درجه منبسط می شود (درجه 304) که کمتر از آلومینیوم است اما همچنان قابل توجه است. یک صفحه فولادی 300 میلی متری که تا دمای 500 درجه گرم می شود تقریباً 2.4 میلی متر (از 20 درجه) منبسط می شود. این باید با نصب انعطاف پذیر یا تکیه گاه های کشویی جبران شود. نرخ انبساط صفحات فولادی و قاب های پرس فولادی تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند اما اگر ورق فولادی در اسکلت آلومینیومی نصب شود (به ندرت انجام می شود) برنامه ریزی دقیق ضروری است.

مقاومت در برابر خوردگی
آلومینیوم و فولاد ضد زنگ هر دو در بسیاری از تنظیمات مقاومت به خوردگی خوبی دارند، اما فولاد ضد زنگ در حضور رطوبت، مواد شیمیایی یا اکسیداسیون در دمای بالا بسیار بهتر است. آلومینیوم دارای یک لایه اکسید است که از فلز محافظت می کند، اما این لایه می تواند در دماهای بالا یا محیط های اسیدی/قلیایی ضعیف شود. فولاد ضد زنگ بهترین انتخاب برای صفحات تماسی، پزشکی یا شیمیایی، مخصوصاً زمانی که از مواد پاک کننده استفاده می شود، است.

ماشینکاری و هزینه
آلومینیوم ارزان است (حدود 3{4}}5 برابر ارزانتر از 304 ضد زنگ حجمی) و پردازش آن بسیار آسان تر است. تراشه های آلومینیومی کوچک قابل کنترل. فولاد ضد زنگ سخت کاری صمغی به سرعت های برش آهسته تر و ابزارهای محکم تر نیاز دارد. این بدان معناست که نمونه‌های اولیه و صفحات سفارشی در آلومینیوم ارزان‌تر می‌شوند - تا زمانی که دمای مورد نیاز در محدوده خود باقی بماند.

صفحات با پوشش و عدم تطابق دما
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 درجه ) و سطح نچسب. در این کاربردها از سیستم‌های آزادسازی دیگر استفاده می‌شود (ورق‌های آزاد با روکش سیلیکونی یا فولاد صیقلی لخت با اسپری رهاسازی).

معیارهای انتخاب عملی
حداکثر دمای صفحه مورد نیاز مطالعه توصیه شده
تا 150 درجه آلومینیوم 6061 (واکنش حرارتی مناسب و سریع)
آلومینیوم 6061 150 درجه تا 200 درجه با کاهش بار. فولاد ضد زنگ در صورت نیاز به نیروهای پرس قوی
فولاد ضد زنگ 200 درجه -250 درجه (304 یا 316) - آلومینیوم خطرناک است
فولاد ضد زنگ (304، 316، 430) 250 درجه تا 500 درجه
بالاتر از 500 درجه C هیترهای ویژه (پوشش اینکونل) یا صفحات سرامیکی، فولاد ضد زنگ
چکیده
گزینه آلومینیوم در مقابل فولاد ضد زنگ برای صفحه گرمایش واقعاً یک مشکل دما است. آلومینیوم تا حدود 200 درجه سانتیگراد برای گرم شدن سریع، همگنی بالا، هزینه کم و ماشینکاری آسان خوب است. اما در این دما نرم می شود و تحت استرس تغییر شکل می دهد.