באילו חומרים משתמשים לחימום פלטות ביישומים בטמפרטורה אולטרה-גבוהה מעל 300 מעלות?

לוחות חימום מאלומיניום (סוג סטנדרטי, מצופות PTFE) מוגבלות ל-. 260 מעלות בערך. עבור פרוצדורות הדורשות 300 מעלות, 400 מעלות או אפילו יותר, נפרסת סוג מובהק של חומרים וטכנולוגיות חימום. לוחות חימום אולטרה-בטמפרטורה גבוהה הם רכיבים חיוניים במגוון רחב של מגזרים כגון ייצור מוליכים למחצה, ריפוי מרוכבים, יצירת זכוכית ובדיקות חומרים בטמפרטורה גבוהה. הבחירה בחומר הפלטה וסוג המחמם מבטיחה פעולה אמינה, פיזור חום אחיד וחיי שירות ארוכים תחת לחץ תרמי עז.

קריטריונים לבחירת חומר עבור לוחות בטמפרטורה גבוהה
Traditional materials are no longer viable at >300 מעלות: אלומיניום (נקודת התכה של 660 מעלות אך מאבדת במהירות מעל 200 מעלות) ו-PTFE (שימוש רציף מקסימלי 260 מעלות). הפרמטרים העיקריים לבחירת חומרי הצלחת הם:

טמפרטורת פעולה רציפה מקסימלית - החומר חייב להיות בעל חוזק מכני ועמידות בפני חמצון או זחילה בטמפרטורה שצוינה.

מוליכות תרמית - ככל שהמוליכות גבוהה יותר כך אחידות הטמפרטורה לאורך הצלחת טובה יותר.

מקדם התפשטות תרמית (CTE) - חייב להתאים לזה של תנורי חימום משובצים וחומרי הרכבה כדי למנוע לחץ מיותר.

עמידות בפני קורוזיה וחמצון - בעלת משמעות מיוחדת באוויר או באטמוספרות תהליכיות קשות.

עלות ויכולת עיבוד - היבטים מעשיים לייצור.

אפשרויות לחומר צלחת בטמפרטורות מעל 300 מעלות
בחירת החומר תלויה בטווח הטמפרטורות הספציפי, באחידות הדרושה ובסביבת התהליך. אלו הם החומרים הפופולריים ביותר בשימוש.

נירוסטה (304, 316, 321)
לוחות נירוסטה טובים עד כ-500 C (300 C אמין). לדרגות 304 ו-316 עמידות חזקה לחמצון וחוזק בינוני. עבור רכיבה תרמית חוזרת, דרגה 321 (מיוצבת עם טיטניום) מציעה עמידות מעולה בפני קורוזיה בין-גרגירית.

לנירוסטה, לעומת זאת, מוליכות חום נמוכה יחסית (כ-15 W/m·K עבור 304, לעומת 205 W/m·K עבור אלומיניום). לעתים קרובות יש צורך בצלחות עבות יותר (15-25 מ"מ) כדי להשיג טמפרטורת פני שטח אחידה. אם הצלחת אינה עבה מספיק, או אם מחממים מוצבים קרוב מדי לפני השטח, עלול להתפתח עיוות. בטמפרטורות העולות על 500 מעלות החמצון של פלדות אל חלד מאיץ ונדרשות סגסוגות ניקל גבוהות.

ניקל-סגסוגות כרום (Incoloy, Inconel)
סגסוגות ברזל של ניקל-כרום- לשימוש קשה כמו Incoloy (800, 825) ו-Inconel (600, 625) לחומרים אלו יש חוזק טוב מאוד ועמידות חמצון עד 800 מעלות ועוד. הם החומרים המועדפים לחימום צלחות באוויר או באווירה קורוזיבית בטמפרטורות של 500-800 מעלות.

ל- Incoloy 800 יש טמפרטורה רציפה מקסימלית של סביב 870 מעלות. עם מוליכות תרמית של כ-11-15 W/m·K, זה דומה לנירוסטה. יש לו תכולת ניקל גבוהה אשר עמיד בפני חמצון ופיצוח קורוזיה של כלוריד. ניתן להשתמש ב-Inconel 600 עד 1090 מעלות, אולם המוליכות התרמית יורדת לכ-15 W/mK בטמפרטורת הסביבה ו-20 W/mK ב-800 מעלות. סגסוגות אלו עולות הרבה יותר מפלדת אל-חלד אך הן בדרך כלל הבחירה הישימה היחידה עבור תהליכים בטמפרטורה גבוהה במיוחד.

אלומיניום יצוק ברונזה או ברזל רקיע
ברונזה יצוקה מאלומיניום (סגסוגת אלומיניום נחושת) היא מועמדת חזקה ליישומים בטמפרטורה גבוהה בינונית (300-450 מעלות) שכן היא בעלת חוזק יוצא דופן ומוליכות תרמית מעולה (~40-60 W/m·K). זה נמצא בשימוש נרחב עבור מתנות פלטות חמות וציוד דפוס שבו העברת חום חשובה. אבל ברונזה אלומיניום לא מקובל מעל 500 מעלות בגלל חמצון.

ניתן להשתמש בברזל רקיע (ברזל יצוק נודולרי) עד כ-600 מעלות עם מוליכות תרמית של כ-30-40 W/m·K. זול יותר מסגסוגות ניקל וניתן ליצור צורות מסובכות. ברזל רקיע עם זאת רגיש להצטברות פני השטח ב-500 מעלות צלזיוס, אלא אם הוא מצופה או מנוצל באווירה מבוקרת.

חומרים חלופיים אקזוטיים
עבור יישומי הטמפרטורה הגבוהים ביותר (800-1200 מעלות) משתמשים בלוחות קרמיים (אלומינה, סיליקון קרביד) או לוחות גרפיט. ללוחות הקרמיקה מוליכות תרמית נמוכה מאוד (20-30 W/m·K עבור סיליקון קרביד, 3-5 W/m·K עבור אלומינה) שעלולה ליצור אי-אחידות בטמפרטורה, אלא אם כן נבנה בקפידה עם התקני חימום מפוזרים. לצלחות גרפיט יש מוליכות תרמית טובה (100-150 W/mK). עם זאת, החמצון מתחיל מעבר ל-400 מעלות ודורש אטמוספרה מגינה (וואקום או גז אינרטי). חומרים אלו נמצאים מחוץ לטווח של פלטות חמות תעשייתיות רגילות, אך מוזכרים לשם השלמות.

טכנולוגיות לחימום צלחות בטמפרטורה גבוהה
המחמם המוטבע בצלחת או מחובר לצלחת חייב להיות מסוגל לעמוד גם בטמפרטורות גבוהות. מחממי PTFE סטנדרטיים מבודדים או גומי סיליקון אינם מקובלים מעל 260 מעלות. סוגי המחמם להלן משמשים עבור לוחות טמפרטורה גבוהות במיוחד.

מחממי מחסנית - טמפ' גבוהה
מחממי מחסנית הם מחממי התנגדות גליליים המותאמים לחורים מיוחדים שנקדחו בצלחת. עבור שירות מעל 300 מעלות, חומר המעטפת חייב להיות סגסוגת ניקל גבוהה (Incoloy 800, Inconel 600) או נירוסטה עם עמידות חמצון מקובלת. הבידוד הפנימי הוא תחמוצת מגנזיום דחוסה (MgO) אשר יציב ל-> 800 מעלות. מחממי מחסנית יכולים להגיע לטמפרטורות פני השטח של 750 מעלות ויותר.

לתנורי חימום אלו יש צפיפות הספק טובה מאוד (עד 50 W/cm 2 ) וניתן לסדרם ברשת ליצירת טמפרטורת צלחת אחידה. עם זאת, יש לקחת בחשבון את חוסר ההתאמה של ה-CTE בין מעטפת המחמם לחומר הצלחת. התאמה רופפת (מרווח של 0.05-0.10 מ"מ) מאפשרת הרחבה והחלפה של המחמם.

מחממי רצועה או פסים מבודדים מיקה
תנורי חימום מבודדי נציץ עשויים מחוט התנגדות הכרוך על ליבת נציץ הדחוסה בין יריעות נציץ ומצופה במעטפת מתכת (נירוסטה או אינקולי). בדרך כלל תנורי חימום אלו מהודקים סביב הפריפריה או מוברגים לצד התחתון של פלטת חימום. בידוד מיקה מדורג לפעולה רציפה בטמפרטורות של עד 480 מעלות (חלק מהדרגות עד 650 מעלות [). מחממי מיקה הם אידיאליים עבור יישומי לוחות בטמפרטורה גבוהה שונים, כאשר טמפרטורת מעטפת המתכת מגיעה ל-450-600 מעלות.

ניתן ליצוק מחממי פס (חתך-מלבני) לתוך הצלחת או להדק אותם בחריצים מעובדים. יש להם צפיפות וואט נמוכה יותר (לעיתים קרובות 5-15 W/cm2) מאשר מחממי מחסניות, אבל קל יותר להחלפה.

תנורי חימום חשמליים סיבים קרמיים
עבור טמפרטורות צלחת מעל 600 מעלות נעשה שימוש בתנורי חימום מבודדים בסיבים קרמיים. אלה משתמשים בחוט התנגדות (FeCrAl או NiCr) המוכנס לשמיכת סיבים קרמיים או לוח קרמי- שנוצר בוואקום. הבידוד הקרמי חזק עד 1200 מעלות. תנורי חימום כאלה משמשים לעתים קרובות כלוחות רדיאטור- חופשיים, שאינם מכוסים בלוח מתכת. אם עדיין נדרשת לוחית מתכת (נניח לתמיכה מכנית או אפילו חלוקת טמפרטורה), ניתן למקם מחמם קרמי מאחורי לוחית Incoloy דקיקה, הלוח מחומם על ידי קרינה והולכה.

טבלת בחירת חומרי לוחות חימום-בטמפרטורה גבוהה
הטבלה הבאה מתארת ​​את המאפיינים העיקריים של חומרי לוחות חימום טיפוסיים בטמפרטורה גבוהה.

חומר מקסימום דרגת טמפ' רציפה מוליכות תרמית W/m·K עלות יחסית יישומים אופייניים
אלומיניום (6061) 200 (מצופה) 205 נמוך לא מתאים מעל 260 מעלות נירוסטה 304 500 15 נמוך מטרה כללית עד 500 מעלות ; סיכון לעיוות
פלדת אל חלד 321 550 15 נמוכה-עמידה בינונית לרכיבה תרמית
Incoloy 800 870 11-15 גבוה 500-800 מעלות ; עמידות לחמצון
Inconel 600 1090 15-20 טמפרטורות גבוהות במיוחד; אטמוספרות קורוזיביות
יצוק אלומיניום ברונזה 450 40-60 מנצח MediumGood; כלי דפוס
ברזל רקיע 600 30-40 נמוך-בינוני זול עד 600 מעלות; קנה מידה למעלה
סיליקון קרביד (קרמי) 1400 20-30 פריכות גבוהה מאוד בטמפרטורה גבוהה
עיצוב לוחות - שיקולים מעשיים
אי התאמה של התרחבות תרמית
אם אתה מטמיע מחממי מתכת (מחסניות כאלה) בצלחת מחומר אחר, עליך לשקול את ההבדל במקדם ההתפשטות התרמית (CTE). לדוגמה, למחמם מחסנית של Incoloy יש CTE של בערך 15 x 10⁻⁶/מעלה, וללוחית Incoloy יש CTE דומה, לכן אין אי התאמה. עם זאת, לוחית נירוסטה (CTE ~17), עם מחממי Inconel (CTE ~14) תיצור מתח גזירה בעת חימום. התאמת שחרור וטמפרטורה גבוהה נגד התפיסה של-תרכובת או נייר כסף גרפיט מאפשרים תנועה יחסית.

התנגדות לחמצון
עבור צלחות שעובדות ב-500 C באוויר, החמצון של פני השטח הוא בלתי נמנע. ציפוי תחמוצת דק עשוי להיות נסבל, אך אבנית משמעותית יכולה לשנות את הפליטה ולזהם את התהליך. ניקוי תקופתי או יישום של ציפויים קרמיים בטמפרטורה גבוהה (למשל על בסיס אלומינה) יכולים לסייע בהפחתת האבנית. ביישומים קריטיים ניתן להשתמש בטיהור גז אינרטי (חנקן או ארגון) סביב הצלחת.

צלחת הרכבה למחמם
בטמפרטורות גבוהות, בדרך כלל נמנעים מהלחמה או ריתוך של תנורי חימום לתוך הצלחת, שכן החלפה בלתי אפשרית. הידוק מכני (למחממי רצועה) או מחממי מחסנית נשלפים בחורים קדחו הם האפשרויות המומלצות. יש למרוח משחה תרמית או חומר מילוי מוליך (לדוגמה על בסיס גרפיט-) בין המחמם לצלחת כדי להגביר את העברת החום ולמלא פערים עקב התפשטות.

לסיכום
פלטות חימום ליישומים בטמפרטורה גבוהה העולה על 300 מעלות זקוקות לחומרים ייחודיים ולטכנולוגיית מחמם. אלומיניום ו-PTFE, סטנדרטיים, מגיעים ל-260 מעלות בערך. מחממי מיקה-או מחממי מחסנית בפלטות נירוסטה חסכוניים לטווח של 300-500 מעלות, אך יש להתמודד עם עיוות וחמצון. סגסוגות ניקל-כרום (Incoloy, Inconel) עדיפות כחומרי לוח לטווח של 500-800 מעלות באמצעות מחממי מחסניות בטמפרטורה גבוהה (Incoloy sheath, MgO insulation) או מחממי סיבים קרמיים. בטווח של 300-600 מעלות, ברונזה יצוק אלומיניום וברזל רקיע יש שימושים מיוחדים שבהם מועדפת מוליכות חום. כל רכיב יישבר במהירות אם חריגה מהטמפרטורה הרציפה המקסימלית. כך מגדירים גבולות החומר את מעטפת ההפעלה הקיימא. על ידי בחירה מתאימה של חומרי לוחות וסוגי חימום, ניתן לעצב לוחות חימום אמינים בטמפרטורה גבוהה לתהליכים תעשייתיים תובעניים.