Hoe verhoudt aluminiumlegering 6061 zich tot 7075 voor kernmateriaal van de verwarmingsplaat?

Aluminium is een veelgebruikt materiaal voor verwarmingsplaatkernen vanwege het lichte gewicht en de goede thermische geleidbaarheid. Niet alle aluminiumlegeringen zijn echter hetzelfde. Gangbare kwaliteiten, zoals 6061 en 7075, zijn een compromis tussen sterkte, corrosieweerstand en produceerbaarheid. Ingenieurs die verwarmingsplaten construeren, of het nu gaat om laboratoriumkookplaten, industriële procesverwarmers of verwarmingsfasen van halfgeleiderwafels, moeten deze verschillen begrijpen, zodat het geselecteerde materiaal kan voldoen aan de eisen op het gebied van thermische prestaties en betrouwbaarheid op de lange- termijn.

Vergelijking van aluminiumlegeringen 6061 versus 7075
6061 en 7075 zijn beide hittebehandelbare aluminiumlegeringen. Hun legeringsbestanddelen en daaruit voortvloeiende kenmerken zijn echter zeer verschillend.

6061 Aluminiumlegering 6061 is een veelzijdige, warmte-behandelbare legering met magnesium (0,8–1,2%) en silicium (0,4–0,8%) als de belangrijkste legeringsbestanddelen. Het wordt vaak het 'werkpaard' van de aluminiumfamilie genoemd vanwege de goed-gebalanceerde mix van sterkte, corrosieweerstand, bewerkbaarheid en lasbaarheid. 6061 in de T6-temperatuur (oplossing met warmtebehandeling en kunstmatig verouderd) en heeft een vloeigrens van ongeveer 40 ksi (276 MPa) en een ultieme treksterkte van 45 ksi (310 MPa).

7075 Aluminiumlegering 7075 is een legering met hoge sterkte, waarbij het belangrijkste legeringsingrediënt zink (5,1-6,1%) is, met kleine hoeveelheden magnesium en koper. In de T6-temperatie heeft het een vloeigrens van ongeveer 73 ksi (503 MPa) en een ultieme treksterkte van 83 ksi (572 MPa) - waarden die vergelijkbaar zijn met die van sommige zachte staalsoorten. Deze sterkte wordt echter verkregen ten koste van een verminderde corrosieweerstand en een inferieure lasbaarheid.

Toepassingen van verwarmingsplaten: belangrijkste verschillen
Bij de vergelijking van aluminium 6061 versus 7075 verwarmingsplaten worden vier belangrijke factoren vergeleken: mechanische sterkte, corrosieweerstand, bewerkbaarheid en fabricage, en thermische prestaties.

Mechanische sterkte
Wanneer platen onder grote belastingen moeten worden verwarmd, of bestand moeten zijn tegen buigen onder druk, of plat moeten zijn onder klemkrachten, is sterkte een belangrijke factor.

De 6061-T6 is geschikt voor vele verwarmingsplaattoepassingen, zoals industriële procesverwarmers en laboratoriumkookplaten. De vloeigrens van 276 MPa is voldoende om permanente vervorming onder normale bedrijfsdrukken en montagespanningen te voorkomen.

7075-T6 heeft bijna het dubbele van de vloeigrens (503 MPa). Deze legering is geschikt voor verwarmingsplaten die onderhevig zijn aan zware mechanische belastingen, zoals hogedrukpersen, structurele delen van grote verwarmingsplaten of toepassingen waarbij de plaat zeer dun maar toch robuust moet zijn.

In werkelijkheid heeft de overgrote meerderheid van de ontwerpen van verwarmingsplaten niet echt de volledige sterkte van 7075 nodig. De hogere sterkte van 7075 is alleen voordelig als de plaat wordt blootgesteld aan aanzienlijke buigmomenten, stootbelastingen of als het belangrijk is om gewicht te besparen (en daarom kan een dunnere plaat worden gebruikt voor hetzelfde draagvermogen).

Corrosiebestendigheid
De keuze voor aluminium 6061 versus 7075 verwarmingsplaten komt vaak neer op corrosiebestendigheid, vooral als de verwarmde plaat wordt gebruikt in vochtige, maritieme of chemisch zware omstandigheden.

6061 heeft een goede weerstand tegen luchtcorrosie, inclusief zoutnevel en matige blootstelling aan chemicaliën. Dit komt door het creëren van een blijvend hechtende aluminiumoxidelaag. . 6061 heeft ook een zeer goede weerstand tegen spanningscorrosiescheuren (SCC), zelfs onder continue trekbelastingen.

7075 is veel minder corrosiebestendig. Vanwege de koperconcentratie (1,2-2,0%) en de zinkrijke samenstelling is het gevoelig voor intergranulaire corrosie en ernstiger voor spanningscorrosie. In situaties die chloride-ionen bevatten (zoals de kust- of industriële atmosfeer) of wanneer de plaat onder resttrekspanningen staat als gevolg van fabricage of thermische cycli, kan 7075 zonder waarschuwing breken. Daarom wordt 7075 vaak gebruikt met beschermende coatings (anodiseren, schilderen of bekleding) waarbij blootstelling aan corrosie wordt verwacht.

Opgemerkt moet worden dat verwarmingsplaten vaak worden blootgesteld aan hoge temperaturen, wat corrosieprocessen kan verergeren. Het verschil in corrosieweerstand tussen 6061 en 7075 is aanzienlijk groter boven de 100 graden C.. 6061 is het veiligste en duurzamere alternatief voor de meeste toepassingen met verwarmingsplaten, vooral bij contact met water, schoonmaakmiddelen of vochtige lucht.

Fabricage en verwerkbaarheid
Verwarmingsplaten vereisen over het algemeen bewerkingsprocedures zoals het boren van gaten voor patroonverwarmers, het frezen van groeven voor temperatuursensoren of het vlaksnijden van het oppervlak. Lasbaarheid kan ook nodig zijn voor montagebeugels of afdichtingsranden.

6061-machines met gemak. Het produceert continue spanen die gemakkelijk worden gebroken en machinaal kunnen worden bewerkt tot fijne oppervlakteafwerkingen. Het kan ook gemakkelijk worden gelast met typische TIG- of MIG-technieken, met weinig krachtverlies in de door hitte beïnvloede zone.

7075 is moeilijker te vervaardigen. Het is taaier en brosser, veroorzaakt meer gereedschapsslijtage en heeft de neiging vezelige, moeilijk te hanteren spanen te creëren. Wat nog belangrijker is, is dat 7075 niet op conventionele wijze een lasbare legering is. Het is vrij kwetsbaar voor heetscheuren en een aanzienlijke sterktedaling bij het lassen. Hardsolderen of wrijvingsroerlassen kunnen worden toegepast, maar dit zijn speciale processen.

Dit is voor de meeste fabrikanten van verwarmingsplaten een groot pluspunt bij het werken met 6061. De mogelijkheid om te boren, tappen, slijpen en lassen zonder specifiek gereedschap of warmtebehandeling na het lassen minimaliseert de productiekosten en doorlooptijd.

Thermische geleidbaarheid en thermische uitzetting
De legeringscomponenten zijn in bescheiden concentraties aanwezig, zodat beide legeringen vergelijkbare thermische eigenschappen hebben. Maar er zijn kleine verschillen:

Eigenschap 6061-T6 7075-T6 Thermische geleidbaarheid (25 graden) ~167 W/m·K ~130 W/m·K Thermische uitzettingscoëfficiënt (20-100 graden) ~23,6 µm/m·K ~23,4 µm/m·K Elektrische weerstand ~32 nΩ·m ~52 nΩ·m 6061 heeft een betere thermische geleidbaarheid (167 W/m·K versus 130 W/m·K) en geeft de warmte beter door. Een verwarmingsplaat met verbeterde thermische geleidbaarheid heeft een meer uniforme oppervlaktetemperatuur en een snellere reactie op stroomschommelingen. Het verschil van ongeveer 22% is zichtbaar bij precisietoepassingen, maar niet dominant. Het thermische spanningsbeheer is voor beide legeringen vergelijkbaar, aangezien de thermische uitzettingscoëfficiënten vrijwel gelijkwaardig zijn.

Vergelijkingstabel 6061 versus 7075 verwarmingsplaatkernen
6061-T6 legering 7075-T6 legering
Opbrengststerkte (0,2% offset) 40 ksi (276 MPa) 73 ksi (503 MPa)
Treksterkte45 ksi (310 MPa) 83 ksi (572 MPa)
Brinell-hardheid 95-150
Corrosiebestendigheid (algeheel) Goed in maritieme/chemische omgevingen Zeer goed Slecht (gevoelig voor intergranulaire corrosie en SCC)
Weerstand tegen spanning Corrosiescheuren Hoog Laag (vereist beschermende bedekking in vijandige situaties)
Bewerkbaarheid Goed (normaal gereedschap, goede spaanvorming) Redelijk tot slecht (meer gereedschapslijtage, hardere spanen)
Lasbaarheid Uitstekend (TIG/MIG met 4043 of 5356 vulmiddel) Zeer slecht (niet voor structurele lassen)
Thermische geleidbaarheid (W/m·K) ~167 ~130
Typische toepassingen van verwarmingsplaten Algemene industriële verwarmingsplaten Laboratoriumverwarmingstrappen Procestankverwarmers Halfgeleider spanplaatbasissen Compressieplaten met hoge belasting Dunne verwarmingsplaten met hoge sterkte (met beschermende afdekking)
Kosten Lager (algemeen verkrijgbaar)Hoger (speciale legering)
Toepassingsspecifieke aanbevelingen
Wanneer 6061 het materiaal bij uitstek is
De meest voorkomende legering die wordt gebruikt voor toepassingen met verwarmingsplaten is 6061. Enkele voorbeelden van situaties zijn:

Laboratorium kookplaten. De weerstand tegen corrosie wordt bevorderd door morsbestendigheid, schoonmaakchemicaliën en vochtige lucht.

Industriële procesverwarmers - Een goede corrosiebestendigheid moet bestand zijn tegen contact met water, stoom of milde chemische oplossingen.

Verwarmde platen, voor lamineren of persen – De plaat kan worden blootgesteld aan vocht van lijm of hars. 6061 is bestand tegen putcorrosie

Gelaste montage - Thermowells, beugels of montageflenzen moeten lasbaar zijn.

Bewerkte verwarmingsplaten - Complexe patronen voor patroonverwarmers of sensorkanalen zijn gemakkelijker te maken in 6061.

Kostengevoelige taken - 6061 zijn gemakkelijker beschikbaar en goedkoper per pond.

In de praktijk heeft 6061 de juiste combinatie van kwaliteiten - voldoende sterkte, sterke corrosieweerstand, behoorlijke thermische geleidbaarheid en productiegemak - om het de standaardoptie te maken voor verwarmingsplaatkernen.

Wanneer te gebruiken 7075 7075 wordt alleen geadviseerd als de verwarmingsplaat mechanische belastingen moet ondersteunen die groter zijn dan de capaciteit van 6061. Voorbeelden zijn:

Compressiegieten onder hoge druk - De plaat mag niet buigen onder een klemkracht van enkele tonnen zonder blijvende vervorming.

Dunne, lichtgewicht verwarmingsplaten - Ruimtevaart- of draagbare apparatuur wanneer het gewicht beperkt is en een dunnere plaat (vanwege de grotere sterkte van de 7075) massa bespaart.

Zeer hoge statische belastingen - De plaat draagt ​​zware onderdelen of heeft grote boutvoorspanningen.

Kiest u voor 7075, dan zijn er nog andere maatregelen die u moet nemen:

De plaat moet worden geanodiseerd (idealiter hard geanodiseerd of gecoat met een corrosieremmende coating) om corrosie te voorkomen.

Een spanningsverlichtende warmtebehandeling moet vóór de definitieve bewerking worden uitgevoerd om de resterende trekspanningen als gevolg van de bewerking tot een minimum te beperken.

De operationele omgeving moet droog of beschermd zijn (bijvoorbeeld in een afgesloten behuizing met droogmiddel).

Niet lassen. Gebruik mechanische bevestiging.

Opgemerkt moet worden dat 7075 zelfs met beschermende coatings nog steeds gevoelig is voor spanningscorrosie tijdens lange levensduur, vooral bij verhoogde temperaturen. Daarom geven veel ingenieurs de voorkeur aan 6061 voor elke verwarmingsplaat die naar verwachting meer dan een paar jaar meegaat in een ongecontroleerde omgeving.

Verwarmingsplaten – Speciale thermische overwegingen
Vaak moeten de verwarmingsplaten in cycli worden verwarmd en gekoeld. 6061 en 7075 hebben vergelijkbare thermische uitzettingscoëfficiënten, daarom is de differentiële uitzetting tussen de plaat en ingebedde verwarmingselementen (meestal staal of incoloy) vergelijkbaar. Maar 6061 heeft een betere thermische geleidbaarheid (167 versus 130 W/m·K), wat twee praktische voordelen heeft:

Snellere reactie op temperatuur - Warmte van patroonverwarmers of ingegoten- elementen verspreidt zich sneller over de plaat.

Verbeterde temperatuuruniformiteit - Minder temperatuurverschillen tussen de verwarmingsposities en de randen van de plaat.

Voor precisieverwarmingstoepassingen, zoals halfgeleiderwafelhouders of laboratoriumreactieblokken, maakt de grotere thermische geleidbaarheid van 6061 dit de voorkeurskeuze, ongeacht sterkteoverwegingen.

Ter afsluiting
Als we aluminium 6061 vergelijken met 7075 voor het kernmateriaal van verwarmingsplaten, is 6061 voor de grote meerderheid van de toepassingen de legering die de voorkeur verdient. Het biedt een uitstekende combinatie van voldoende sterkte (40 ksi opbrengst), hoge corrosieweerstand, goede thermische geleidbaarheid (167 W/m·K) en uitstekende bewerkbaarheid en lasbaarheid. Deze eigenschappen leiden tot een lange levensduur, betrouwbare prestaties en goedkopere fabricagekosten.

De 7075 is bijna twee keer zo sterk (opbrengst 73 ksi) en is daarom goed voor het verwarmen van platen onder zware mechanische belasting. De slechte corrosieweerstand, de gevoeligheid voor spanningscorrosie, de problematische bewerkbaarheid en het niet-lasbare karakter beperken het gebruik ervan echter ernstig. De beschermende coatings en gecontroleerde omgeving zijn noodzakelijk wanneer 7075 de keuze is.

De keuze van een materiaal voor de kern van de verwarmingsplaat moet gebaseerd zijn op de algemene analyse van de betrokken thermische, mechanische en omgevingselementen. De meeste ontwerpers vinden 6061 de veilige, betrouwbare en economische keuze. Gebruik 7075 alleen als de mechanische eisen echt hoger zijn dan wat 6061 kan bieden-en let zelfs dan goed op de corrosiebescherming.