Qual é a temperatura operacional máxima segura para placas de aquecimento de alumínio versus aço inoxidável?

O alumínio não pode ser usado para uma placa de aquecimento que tenha que atingir 300°C. Ele torceria e deformaria mesmo com a menor força de pressão. Se você estiver buscando faixas de calor maiores, é importante conhecer o teto de temperatura dos materiais típicos das placas. As placas de aquecimento são utilizadas para laminação, cura de compósitos, formação de vidro e prensagem a quente. O campo é dominado por dois materiais: alumínio (leve, condutor e barato) e aço inoxidável (forte, durável e resistente ao calor). É essencialmente uma questão de escolher a temperatura entre eles. Conhecer os limites máximos de temperatura seguros para placas de alumínio e aço inoxidável garante que a placa seja capaz de sustentar a temperatura do ponto de ajuste e as cargas mecânicas colocadas sobre ela durante o processamento.

Placas de alumínio: o carro-chefe do{0}calor médio
O alumínio tem uma alta condutividade térmica (200–250 W/m·K para ligas como 6061), o que leva a um aquecimento rápido-e a uma boa homogeneidade de temperatura. Também é leve e facilmente usinado em designs complexos com canais de aquecimento incorporados ou poços de termopar. Mas o calcanhar de Aquiles do alumínio é a perda de resistência a temperaturas elevadas.

Limite de temperatura e comportamento mecânico
Para a maioria das ligas de alumínio, como 6061-T6, a liga de grau de placa mais popular, a temperatura máxima segura de operação contínua é de cerca de 200 graus (392 graus F). Além deste limite o material começa a recozer; a microestrutura endurecida por precipitação se dissolve lentamente e a liga perde a têmpera. Como resultado, há um declínio acentuado no limite de escoamento e na dureza. 6061 o alumínio a 250 C tem menos de 50% de seu limite de escoamento à temperatura ambiente. Em tensões de prensagem tão baixas quanto 1–2 MPa (cerca de 150–300 psi), a placa pode ser permanentemente deformada (flacidez, arqueamento ou formação de depressões superficiais que prejudicam a uniformidade de contato).

Na prática, as placas de alumínio raramente são empregadas em aplicações de suporte de carga acima de 180 graus. Alguns projetos irão para 220 graus se for necessária uma pequena placa sem carga (por exemplo, aquecimento de contato sem força externa), mas ainda há a chance de alteração dimensional.

A discrepância do revestimento de PTFE
PTFE (politetrafluoretileno) é usado como revestimento em muitas placas de aquecimento de alumínio para fornecer uma superfície de liberação anti-aderente. O PTFE pode ser usado continuamente em temperaturas de até cerca de 500 graus F (260 graus). O substrato de alumínio não sobreviveu a 260 graus. Descobriu-se que o revestimento de PTFE sobrevive em um substrato de alumínio a 260 graus. Por mais que o revestimento aguente, todo o processo tem um teto rígido, conforme ditado pelo limite de temperatura da substância da placa. Se a temperatura estiver acima de 200 graus, será necessário aço, mesmo que o processo exija uma superfície-antiaderente (o aço também pode ser revestido com PTFE, mas a aderência é mais difícil).

Expansão Térmica do Alumínio
O alumínio tem um coeficiente de expansão térmica bastante alto (cerca de 23 x 10 ^ -6 / C para 6061). Uma placa de alumínio com 300 mm de comprimento, aquecida de 20 a 200 graus, expande cerca de 1,2 mm. Esta expansão deve ser compensada através de ranhuras de montagem, trilhos-guia ou conectores flexíveis. A falha em fornecer o desenvolvimento térmico pode resultar em aquecedores empenados ou danificados.

Placas de aço inoxidável: o carro-chefe de alta temperatura
Para temperaturas da placa acima de 250 graus, o aço inoxidável é o preferido, especialmente os graus austeníticos 304 e 316. O aço mantém muitas de suas qualidades mecânicas até e acima de 400°C. acima disso, o limite depende da liga e da tensão admissível.

Limites de temperatura para classes representativas
Temperatura Máxima de Serviço Seguro do Material (contínua) Notas
Alumínio 6061-T6 200 grau (392 graus F)A resistência diminui rapidamente acima de 180 graus Alumínio 7075-T6 130 grau (266 graus F) Limite de temperatura inferior devido a problemas de corrosão sob tensão
Aço inoxidável 304 800 graus (1472 graus F) Limite prático da placa ~500 graus devido aos limites do aquecedor e do isolamento
Aço inoxidável 316 800 grau (1.472 graus F) Semelhante ao 304; Melhor resistência ao cloreto
Aço inoxidável 430 (ferrítico) 750 graus (1382 graus F) Menor custo, menos moldável
Aço ferramenta grau13 550 H (1022 graus F) Endurecido,-resistente ao desgaste; estampagem a quente
Para placas de aquecimento, a temperatura máxima segura prática para o aço inoxidável normalmente não é restrita pelo aço em si, mas pelos elementos do aquecedor, isolamento e materiais do termopar. As placas de aço inoxidável podem ser operadas com segurança em temperaturas entre 400-500 graus (750-930 graus F) quando equipadas com aquecedores internos apropriados (como componentes com revestimento metálico com isolamento-mineral) e isolamento de alta temperatura (como fibra cerâmica ou mica). Algumas placas formadoras de vidro especiais usam aquecedores revestidos de Inconel e isolamentos de alto desempenho para atingir até 650 graus.

Retenção de resistência em altas temperaturas
O aço inoxidável AISI 304 mantém cerca de 70% de sua resistência ao escoamento em temperatura ambiente a 500 graus. Por outras palavras, uma placa construída para uma força de prensagem de 50 toneladas à temperatura ambiente ainda será capaz de gerir cerca de 35 toneladas a 500 graus. O alumínio, por outro lado, retém apenas 10–20% de sua resistência a 250 graus. O aço é o material preferido em temperaturas acima de 250 graus, uma vez que não se deforma nem recoze sob pressões normais de prensa industrial.

Quebra-cabeça de condutividade térmica
A principal limitação do aço inoxidável é a sua baixa condutividade térmica. O aço tipo 304, que tem uma condutividade térmica à temperatura ambiente de aproximadamente 15 W/m·K, tem uma condutividade térmica de cerca de 18 W/m·K a 500 graus. Isto é cerca de 10 a 12 vezes menos que o do alumínio. Como resultado:

Para eliminar manchas frias, os elementos do aquecedor devem ser colocados significativamente mais próximos uns dos outros (por exemplo, espaçamento de . 30–50 mm em vez de 80–100 mm para alumínio).

Os gradientes térmicos através da placa demoram mais para se equalizar, portanto as zonas de aquecimento devem ser cuidadosamente projetadas e os corpos da placa devem ser mais espessos para distribuir o calor.

Os períodos de aceleração são muito mais longos para a mesma potência do aquecedor.

Muitas placas de aço inoxidável de alta temperatura são perfuradas internamente para aquecedores de cartucho ou fundidas em aquecedores para compensar e podem ter várias zonas de aquecimento independentes com controladores individuais.

Outras questões materiais
Expansão Térmica de
O aço inoxidável se expande em torno de 17 × 10⁻⁶/grau (grau 304), o que é menor que o alumínio, mas ainda significativo. Uma placa de aço de 300 mm aquecida a 500 graus irá expandir aproximadamente 2,4 mm (de 20 graus). Isto deve ser compensado por montagem flexível ou suportes deslizantes. As taxas de expansão das placas de aço e das estruturas de prensa de aço não são muito diferentes, mas se uma placa de aço for instalada em uma estrutura de alumínio (raramente feita), é necessário um planejamento cuidadoso.

Resistência à corrosão
O alumínio e o aço inoxidável têm boa resistência à corrosão em muitos ambientes, mas o aço inoxidável é muito melhor na presença de umidade, produtos químicos ou oxidação em alta temperatura. O alumínio possui uma camada de óxido que protege o metal, mas essa camada pode ser enfraquecida em altas temperaturas ou em ambientes ácidos/alcalinos. O aço inoxidável é a melhor escolha para placas de contato com alimentos, processos médicos ou químicos, especialmente quando são utilizados agentes de limpeza.

Usinabilidade e custo
O alumínio é barato (cerca de 3-5 vezes mais barato que o aço inoxidável 304 em volume) e consideravelmente mais fácil de processar. Pequenos chips de alumínio controláveis. O aço inoxidável pegajoso para endurecimento por trabalho precisa de velocidades de corte mais lentas e ferramentas mais resistentes. Isto significa que protótipos e placas personalizadas se tornam mais baratos em alumínio – desde que os requisitos de temperatura permaneçam dentro dos seus limites.

Placas com revestimento e incompatibilidade de temperatura
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 graus) e uma superfície-antiaderente; nestas aplicações são empregados outros sistemas de liberação (folhas antiaderentes revestidas de silicone ou aço polido com spray desmoldante).

Critérios práticos de seleção
Temperatura máxima da placa necessáriaLeitura recomendada
Até 150 graus Alumínio 6061 (reação térmica rápida e adequada)
150 graus a 200 graus Alumínio 6061 com redução de carga; aço inoxidável se forem necessárias fortes forças de pressão
200 graus -250 graus Aço inoxidável (304 ou 316) – o alumínio é perigoso
Aço inoxidável (304, 316, 430) 250 graus a 500 graus
Acima de 500 graus C Aquecedores especiais (revestidos com Inconel) ou placas de cerâmica, aço inoxidável
Resumo
A opção alumínio versus aço inoxidável para uma placa de aquecimento é realmente uma questão de temperatura. O alumínio é bom até cerca de 200 graus C para aquecimento rápido, alta homogeneidade, baixo custo e fácil usinabilidade. Mas a esta temperatura ele amolece e deforma sob estresse.