Como a liga de alumínio 6061 se compara à 7075 para material do núcleo da placa de aquecimento?

O alumínio é um material comum para aquecimento de núcleos de placas devido ao seu peso leve e boa condutividade térmica. No entanto, nem todas as ligas de alumínio são iguais. Classes comuns, como 6061 e 7075, são uma compensação-entre resistência, resistência à corrosão e capacidade de fabricação. Os engenheiros que constroem placas de aquecimento, sejam placas de aquecimento de laboratório, aquecedores de processos industriais ou estágios de aquecimento de wafers semicondutores, precisam entender essas variações para que o material selecionado possa atender aos requisitos de desempenho térmico e-de confiabilidade de longo prazo.

Comparação de ligas de alumínio 6061 vs 7075
6061 e 7075 são ligas de alumínio forjado tratáveis ​​termicamente. No entanto, os seus ingredientes de liga e consequentes características são muito diferentes.

Liga de alumínio 6061 6061 é uma liga versátil-tratável termicamente com magnésio (0,8–1,2%) e silício (0,4–0,8%) como principais constituintes da liga. É frequentemente referido como o "cavalo de batalha" da família do alumínio devido à sua{8}}mistura bem equilibrada de resistência, resistência à corrosão, usinabilidade e soldabilidade. 6061 no temperamento T6 (solução tratada termicamente e envelhecida artificialmente) tem uma resistência ao escoamento de cerca de 40 ksi (276 MPa) e resistência à tração final de 45 ksi (310 MPa).

Liga de alumínio 7075 7075 é uma liga de alta resistência cujo principal ingrediente de liga é o zinco (5,1-6,1%), com pequenas quantidades de magnésio e cobre. No revenido T6 tem um limite de escoamento de cerca de 73 ksi (503 MPa) e uma resistência à tração de 83 ksi (572 MPa) - valores semelhantes a alguns aços macios. No entanto, esta resistência é obtida à custa de uma resistência à corrosão reduzida e de uma soldabilidade inferior.

Aplicações de placas de aquecimento: principais diferenças
Na comparação entre placas de aquecimento de alumínio 6061 e 7075, quatro fatores importantes são comparados: resistência mecânica, resistência à corrosão, usinabilidade e fabricação e desempenho térmico.

Resistência Mecânica
Quando as placas devem ser aquecidas sob grandes cargas, ou devem resistir à flexão sob pressão, ou serem planas sob forças de fixação, a resistência é um fator primordial.

O 6061-T6 é adequado para muitas aplicações de placas de aquecimento, como aquecedores de processos industriais e placas de aquecimento de laboratório. Seu limite de escoamento de 276 MPa é adequado para evitar deformações permanentes sob pressões operacionais normais e tensões de montagem.

O 7075-T6 tem quase o dobro do limite de escoamento (503 MPa). Esta liga é adequada para placas de aquecimento sujeitas a cargas mecânicas intensas, como prensas de alta pressão, peças estruturais de grandes placas de aquecimento ou aplicações onde a placa deve ser muito fina, mas robusta.

Na realidade, a grande maioria dos designs de placas de aquecimento não precisa realmente da resistência total do 7075. A maior resistência do 7075 só é vantajosa se a placa for exposta a momentos de flexão significativos, cargas de impacto ou se for importante economizar peso (e, portanto, uma placa mais fina pode ser usada para a mesma capacidade de suporte de carga).

Resistência à corrosão
A escolha das placas de aquecimento de alumínio 6061 vs 7075 frequentemente se resume à resistência à corrosão, especialmente se a placa aquecida for usada em condições úmidas, marítimas ou quimicamente agressivas.

6061 tem boa resistência à corrosão do ar, incluindo névoa salina e exposição moderada a produtos químicos. Isso se deve à criação de uma camada de óxido de alumínio aderente e persistente. 6061 que também possui uma resistência muito boa à fissuração por corrosão sob tensão (SCC), mesmo sob cargas de tração contínuas.

7075 é muito menos resistente à corrosão. Devido à sua concentração de cobre (1,2-2,0%) e composição rica em zinco, é sensível à corrosão intergranular e, mais gravemente, à fissuração por corrosão sob tensão. Em situações que contenham íons cloreto (como atmosfera costeira ou industrial) ou quando a placa estiver sob tensões de tração residuais de fabricação ou ciclo térmico, o 7075 pode quebrar sem aviso prévio. Conseqüentemente, 7075 é comumente utilizado com revestimentos de proteção (anodização, pintura ou revestimento) onde a exposição à corrosão é prevista.

Deve-se notar que as placas de aquecimento são frequentemente expostas a altas temperaturas, o que pode agravar os processos de corrosão. A lacuna na resistência à corrosão entre 6061 e 7075 é significativamente mais pronunciada acima de 100 graus C. 6061 é a alternativa mais segura e durável para a maioria das aplicações de placas de aquecimento, especialmente em contato com água, soluções de limpeza ou ar úmido.

Fabricação e Trabalhabilidade
As placas de aquecimento geralmente exigem procedimentos de usinagem, como fazer furos para aquecedores de cartucho, fresar ranhuras para sensores de temperatura ou cortar a superfície para obter nivelamento. A soldabilidade também pode ser necessária para montagem de suportes ou vedação de bordas.

6061 máquinas com facilidade. Produz cavacos contínuos que são facilmente quebrados e podem ser usinados com acabamentos superficiais finos. Também é facilmente soldado pelas técnicas TIG ou MIG típicas, com pouca perda de resistência na zona afetada pelo calor.

7075 é mais difícil de fabricar. É mais resistente e mais frágil, causando maior desgaste da ferramenta e tende a criar cavacos fibrosos e difíceis de manusear. Mais importante ainda, o 7075 não é uma liga soldável por meios convencionais. É bastante vulnerável a trincas a quente e a uma queda substancial de resistência na soldagem. Brasagem ou soldagem por fricção podem ser empregadas, mas estes são processos especiais.

Esta é uma grande vantagem em trabalhar com 6061 para a maioria dos fabricantes de placas de aquecimento. A capacidade de perfurar, rosquear, retificar e soldar sem ferramentas específicas ou tratamento térmico pós-soldagem minimiza o custo de fabricação e o tempo de entrega.

Condutividade Térmica e Expansão Térmica
Os componentes da liga estão presentes em concentrações modestas, de modo que ambas as ligas possuem características térmicas semelhantes. Mas existem pequenas diferenças:

Propriedade 6061-T6 7075-T6 Condutividade térmica (25 graus) ~167 W/m·K ~130 W/m·K Coeficiente de expansão térmica (20-100 graus) ~23,6 µm/m·K ~23,4 µm/m·K Resistividade elétrica ~32 nΩ·m ~52 nΩ·m 6061 tem melhor condutividade térmica (167 W/m·K vs 130 W/m·K) e transfere melhor o calor. Uma placa de aquecimento com condutividade térmica aprimorada tem uma temperatura superficial mais uniforme e uma resposta mais rápida às flutuações de energia. A diferença de cerca de 22% é aparente em aplicações de precisão, mas não dominante. O gerenciamento da tensão térmica é comparável para ambas as ligas, pois os coeficientes de expansão térmica são virtualmente equivalentes.

Tabela de comparação 6061 versus 7075 núcleos de placas de aquecimento
Liga 6061-T6 Liga 7075-T6
Resistência ao rendimento (compensação de 0,2%) 40 ksi (276 MPa) 73 ksi (503 MPa)
Resistência à tração45 ksi (310 MPa) 83 ksi (572 MPa)
Dureza Brinell 95-150
Resistência à corrosão (geral) Boa em ambientes marinhos/químicos Muito boa Ruim (propenso à corrosão intergranular e SCC)
Resistência à corrosão sob tensão HighLow (precisa de cobertura protetora em situações hostis)
Usinabilidade Boa (ferramentas regulares, boa formação de cavacos) Regular a Ruim (mais desgaste da ferramenta, cavacos mais duros)
Soldabilidade Excelente (TIG/MIG com enchimento 4043 ou 5356) Muito Fraca (não para soldas estruturais)
Condutividade Térmica (W/m·K) ~167 ~130
Aplicações típicas de placas de aquecimento Placas de aquecimento industriais gerais Estágios de aquecimento de laboratório Aquecedores de tanques de processo Bases de mandril semicondutores Placas de compressão de alta carga placas de aquecimento finas de alta resistência (com cobertura protetora)
Custo Menor (amplamente disponível) Maior (liga especial)
Recomendações Específicas de Aplicação
Quando 6061 é o material de escolha
A liga mais comum usada para aplicações de placas de aquecimento é a 6061. Alguns exemplos de situações são:

Placas quentes de laboratório. A resistência à corrosão é favorecida pela resistência a derramamentos, produtos químicos de limpeza e ar úmido.

Aquecedores de processos industriais - Uma boa resistência à corrosão deve resistir ao contato com água, vapor ou soluções químicas suaves.

Placas aquecidas, para laminação ou prensagem – A placa pode ser submetida à umidade de adesivos ou resinas 6061 resiste à corrosão

Montagem soldada - Poços termométricos, suportes ou flanges de montagem devem ser soldáveis.

Placas de aquecimento usinadas - Padrões complexos para aquecedores de cartucho ou canais de sensores são mais fáceis de fazer em 6061.

Tarefas sensíveis ao custo - 6061 estão mais facilmente disponíveis e são menos dispendiosas por quilo.

Na prática, o 6061 tem a combinação certa de qualidades - resistência suficiente, forte resistência à corrosão, condutividade térmica decente e facilidade de produção - para torná-lo a opção padrão para núcleos de placas de aquecimento.

Quando usar 7075 7075 só é recomendado quando a placa de aquecimento deve suportar cargas mecânicas acima da capacidade de 6061. Exemplos são:

Moldagem por compressão de alta pressão - A placa não deve dobrar sob várias toneladas de força de fixação sem distorção permanente.

Placas de aquecimento finas e leves - Equipamento aeroespacial ou portátil quando o peso é escasso e uma placa mais fina (devido à maior resistência do 7075) economiza massa.

Cargas estáticas muito altas - A placa carrega componentes pesados ​​ou tem pré-cargas de parafusos grandes.

Se você escolher 7075, existem outras medidas que você deve tomar:

A placa deve ser anodizada (de preferência anodizada dura ou revestida com um revestimento inibidor de corrosão) para evitar corrosão.

O tratamento térmico de alívio de tensão deve ser feito antes da usinagem final para minimizar as tensões de tração residuais da usinagem.

O ambiente operacional deve ser seco ou protegido (por exemplo, em um invólucro vedado com dessecante).

Não solde. Use fixação mecânica.

Deve-se notar que mesmo com revestimentos protetores, o 7075 ainda é suscetível à corrosão sob tensão durante longas vidas úteis, especialmente em temperaturas elevadas. Portanto, muitos engenheiros preferem o 6061 para qualquer placa de aquecimento que dure mais do que alguns anos em um ambiente não controlado.

Placas de aquecimento – considerações térmicas especiais
Freqüentemente, as placas de aquecimento precisam ser aquecidas e resfriadas em ciclos. 6061 e o 7075 tem coeficientes de expansão térmica semelhantes, portanto, a expansão diferencial entre a placa e os aquecedores embutidos (geralmente aço ou Incoloy) é semelhante. Mas o 6061 tem melhor condutividade térmica (167 versus 130 W/m·K), o que apresenta duas vantagens práticas:

Resposta mais rápida à temperatura - O calor dos aquecedores de cartucho ou dos elementos moldados-se distribui mais rapidamente pela placa.

Melhor uniformidade de temperatura - Menos diferenças de temperatura entre as posições do aquecedor e as margens da placa.

Para aplicações de aquecimento de precisão, como mandris de wafer semicondutores ou blocos de reação de laboratório, a maior condutividade térmica do 6061 o torna a escolha preferida, independentemente das considerações de resistência.

Para concluir
Comparando o alumínio 6061 com o 7075 para o material do núcleo da placa de aquecimento, o 6061 é a liga preferível para a grande maioria das aplicações. Ele oferece uma excelente combinação de resistência suficiente (rendimento de 40 ksi), alta resistência à corrosão, boa condutividade térmica (167 W/m·K) e excelente usinabilidade e soldabilidade. Essas qualidades levam a uma longa vida útil, desempenho confiável e custos de fabricação mais baratos.

O 7075 é quase duas vezes mais forte (rendimento de 73 ksi), portanto, é bom para aquecer placas sob cargas mecânicas intensas. No entanto, sua baixa resistência à corrosão, sensibilidade à corrosão sob tensão, usinabilidade problemática e caráter não soldável limitam severamente seu uso. Os revestimentos protetores e ambientes controlados são necessários quando o 7075 é a seleção.

A seleção de um material para o núcleo da placa de aquecimento deve basear-se na análise geral dos elementos térmicos, mecânicos e ambientais envolvidos. A maioria dos projetistas considera o 6061 a escolha segura, confiável e econômica. Use o 7075 somente quando os requisitos mecânicos forem realmente maiores do que o 6061 pode fornecer-e, mesmo assim, preste muita atenção à proteção contra corrosão.