{ "slug": "thermal-expansion-coefficients", "title": "Współczynniki rozszerzalności termicznej materiałów CNC (CTE)", "description": "CTE dla 22 materiałów CNC w µm/m·°C wraz z zakresem temperatur pokrywanym przez każdą wartość oraz przykłady obliczeniowe, co te różnice robią pasowaniom i kontroli.", "lang": "pl", "tables": [ { "caption": "Współczynnik rozszerzalności termicznej (CTE) według materiału i zakresu temperatur", "columns": [ "Materiał (gatunek)", "CTE (µm/m·°C)", "Zakres temperatur", "Znaczenie inżynierskie", "Źródło" ], "rows": [ { "Materiał (gatunek)": "Aluminum 1060 (commercially pure)", "CTE (µm/m·°C)": "23.6", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Najwyższy CTE wśród popularnych metali CNC; projekty szyn zbiorczych i radiatorów muszą przewidzieć szczeliny rozszerzalności", "Źródło": "ASM Handbook Vol. 2 via matmake.com" }, { "Materiał (gatunek)": "Aluminum 6061-T6", "CTE (µm/m·°C)": "23.6", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Najczęściej obrabiany stop aluminium; CTE nie zależy od stanu (O, T4, T6 i T651 — wszystkie 23.6)", "Źródło": "ASM Handbook Vol. 2, 10th ed.; MIL-HDBK-5J" }, { "Materiał (gatunek)": "Aluminum 6061-T6", "CTE (µm/m·°C)": "24.6", "Zakres temperatur": "20–200 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Średnia w podwyższonej temperaturze rośnie ~4%; powyżej 150 °C użyj CTE właściwego dla zakresu", "Źródło": "MIL-HDBK-5J; ASM Handbook Vol. 2" }, { "Materiał (gatunek)": "Aluminum 7075-T6", "CTE (µm/m·°C)": "23.6", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Stop lotniczy; ten sam CTE co 6061 mimo dwukrotnie wyższej granicy plastyczności — upraszcza projektowanie oprzyrządowania ze stopów mieszanych", "Źródło": "matmake.com; arcuscnc.com" }, { "Materiał (gatunek)": "Copper C11000 (ETP)", "CTE (µm/m·°C)": "17.0", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Materiał szyn zbiorczych i złączy; niezgodność CTE z aluminium (23.6) powoduje zmęczenie złączy w końcówkach bimetalicznych", "Źródło": "fabdigit.com (C11000-O properties)" }, { "Materiał (gatunek)": "Copper C11000 (ETP)", "CTE (µm/m·°C)": "17.0", "Zakres temperatur": "20–300 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Średni CTE w szerokim zakresie; wartość z karty katalogowej producenta", "Źródło": "jtcopper.com C11000 datasheet" }, { "Materiał (gatunek)": "Brass C36000 (free-cutting)", "CTE (µm/m·°C)": "20.5", "Zakres temperatur": "20–100 °C (approx.)", "Znaczenie inżynierskie": "Stop miedzi o najwyższej obrabialności; CTE między miedzią a aluminium — istotny dla wkładek mosiężnych w obudowach aluminiowych", "Źródło": "mechcodex.com C36000 thermal table" }, { "Materiał (gatunek)": "Carbon steel AISI 1045 (annealed)", "CTE (µm/m·°C)": "11.6", "Zakres temperatur": "0–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Podstawowa stal wałów i kół zębatych; CTE około połowy aluminium — połączenia śrubowe aluminium–stal dają 0.12 mm różnicy na każde 100 mm przy ΔT = 100 °C", "Źródło": "theworldmaterial.com AISI 1045 physical properties" }, { "Materiał (gatunek)": "Carbon steel AISI 1045 (annealed)", "CTE (µm/m·°C)": "12.3", "Zakres temperatur": "0–200 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Średnia w podwyższonej temperaturze; rośnie wraz z zakresem temperatur", "Źródło": "theworldmaterial.com AISI 1045" }, { "Materiał (gatunek)": "Alloy steel AISI 4140 (normalized)", "CTE (µm/m·°C)": "12.3", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Stal o wysokiej wytrzymałości na wały i osie; CTE podobny do 1045 — wymienny w obliczeniach naprężeń termicznych", "Źródło": "ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com" }, { "Materiał (gatunek)": "Stainless steel 304/304L", "CTE (µm/m·°C)": "17.3", "Zakres temperatur": "0–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Austenityczna nierdzewna rozszerza się ~44% bardziej niż stal węglowa; krytyczne dla połączeń rura–tarcza w wymiennikach ciepła", "Źródło": "jnalloys.com CTE comparison table" }, { "Materiał (gatunek)": "Stainless steel 316/316L", "CTE (µm/m·°C)": "15.9", "Zakres temperatur": "0–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Niższy CTE niż 304 mimo podobnej struktury austenitycznej (dodatek molibdenu); preferowany przy projektowaniu kompensacji rurociągów morskich", "Źródło": "jnalloys.com CTE comparison table" }, { "Materiał (gatunek)": "Stainless steel 17-4PH (H900)", "CTE (µm/m·°C)": "10.8", "Zakres temperatur": "0–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Martenzytyczna stal PH; CTE najbliższy stali węglowej wśród nierdzewnych — idealna do precyzyjnych złącz lotniczych współpracujących ze strukturami stalowymi", "Źródło": "xometry.com; alloy-materials.com (20–100 °C)" }, { "Materiał (gatunek)": "Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)", "CTE (µm/m·°C)": "8.6", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Najniższy CTE wśród popularnych metali konstrukcyjnych; dobre dopasowanie do CFRP (0–2) w hybrydowych połączeniach lotniczych", "Źródło": "arcuscnc.com CTE comparison" }, { "Materiał (gatunek)": "Titanium Ti-6Al-4V (Grade 5)", "CTE (µm/m·°C)": "8.8", "Zakres temperatur": "20–100 °C (approx.)", "Znaczenie inżynierskie": "Alternatywna wartość publikowana; różnica mieści się w niepewności pomiaru (±2%)", "Źródło": "mechcodex.com Ti-6Al-4V properties" }, { "Materiał (gatunek)": "Tool steel P20 (pre-hardened, 28–32 HRC)", "CTE (µm/m·°C)": "11.7", "Zakres temperatur": "20–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Stal na bloki form; CTE musi odpowiadać stalom wkładek, by uniknąć pęknięć od naprężeń termicznych w formach wtryskowych podczas cykli termicznych", "Źródło": "ASM Handbook Vol. 1; firstmold.com (P20 context)" }, { "Materiał (gatunek)": "Tool steel H13 (hot-work, 44–52 HRC)", "CTE (µm/m·°C)": "12.0", "Zakres temperatur": "20–200 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Stal na matryce do odlewania ciśnieniowego i kucia; pracuje przy 500–650 °C temperatury powierzchni, więc CTE w podwyższonym zakresie ma znaczenie dla pasowań wkładek matrycy", "Źródło": "ASM Handbook Vol. 1; metalzenith.com" }, { "Materiał (gatunek)": "Delrin / POM (acetal homopolymer)", "CTE (µm/m·°C)": "110", "Zakres temperatur": "23–60 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Około 5× stal; wciski tworzywo–metal luzują się wraz ze wzrostem temperatury — projektuj zakłócenie przy maksymalnej temperaturze pracy", "Źródło": "firstmold.com; DuPont Delrin 500P datasheet" }, { "Materiał (gatunek)": "Nylon 6/6 (unfilled, dry-as-molded)", "CTE (µm/m·°C)": "80", "Zakres temperatur": "23–60 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Absorpcja wilgoci dodaje rozszerzalność higroskopijną ponad składnik termiczny; 50% RH podnosi efektywną zmianę wymiaru o ~0.2%", "Źródło": "DuPont Zytel 101L datasheet; ASM Handbook Vol. 21" }, { "Materiał (gatunek)": "PEEK (unfilled, e.g. Victrex 450G)", "CTE (µm/m·°C)": "47", "Zakres temperatur": "23–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Najniższy CTE wśród nieumocnionych tworzyw inżynieryjnych; zbliża się do aluminium w podwyższonej temperaturze — realny zamiennik metalu w środowiskach z cyklami termicznymi", "Źródło": "makerstage.com (citing Victrex); criterionprecision.com (45–55)" }, { "Materiał (gatunek)": "PEEK (30% glass-filled, GF30)", "CTE (µm/m·°C)": "27", "Zakres temperatur": "23–100 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Umocnienie szkłem obniża CTE ~43%; wybierane, gdy stabilność wymiarowa podczas cykli termicznych jest krytyczna", "Źródło": "makerstage.com PEEK grade comparison (Victrex)" }, { "Materiał (gatunek)": "ABS (general purpose, unfilled)", "CTE (µm/m·°C)": "90", "Zakres temperatur": "23–60 °C", "Znaczenie inżynierskie": "Wysoki CTE ogranicza zastosowanie w zespołach precyzyjnych; akceptowalny dla obudów konsumenckich z hojnym luzem", "Źródło": "firstmold.com; Cycolac/Terlux datasheets" } ] }, { "caption": "Kiedy różnica staje się wymiarem", "columns": [ "Przypadek", "Obliczenie", "Wynik", "Odpowiedź konstrukcyjna" ], "rows": [ { "Przypadek": "Obudowa 6061-T6 (CTE 23.6) przykręcona do podstawy ze stali 1045 (CTE 11.6), rozstaw otworów 200 mm, ΔT = 50 °C", "Obliczenie": "ΔL(Al) = 23.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 200 × 50", "Wynik": "0.236 mm vs 0.116 mm — 0.120 mm differential", "Odpowiedź konstrukcyjna": "Przy zaledwie 0.1 mm luzu śruby złącze się zaklinowuje przy ΔT = 50 °C. Użyj otworów podłużnych, luzu ≥ 0.3 mm lub podkładek elastycznych; dla oprzyrządowania precyzyjnego łącz aluminium z aluminium albo stal ze stalą." }, { "Przypadek": "Konstrukcja stalowa (CTE 12.0) przykręcona bezpośrednio do panelu CFRP (CTE ~1.0 w kierunku włókien), rozpiętość 300 mm, ΔT = 80 °C", "Obliczenie": "(12.0 − 1.0) × 10⁻⁶ × 300 × 80", "Wynik": "0.264 mm relative slip per cycle", "Odpowiedź konstrukcyjna": "Wkładka Ti-6Al-4V (CTE 8.6) zmniejsza niezgodność do 7.6 µm/m·°C po obu stronach i redukuje ruch różnicowy o ~30% — dlatego w lotniczych połączeniach kompozytowych dominują wkładki tytanowe." }, { "Przypadek": "Tuleja Delrin (CTE 110) wciśnięta w obudowę stalową (CTE 11.6): OD 25 mm, zakłócenie 0.05 mm przy 20 °C, praca przy 80 °C", "Obliczenie": "ΔL(POM) = 110 × 10⁻⁶ × 25 × 60; ΔL(steel) = 11.6 × 10⁻⁶ × 25 × 60", "Wynik": "0.165 mm vs 0.017 mm — 0.148 mm of interference lost (−0.098 mm, i.e. clearance)", "Odpowiedź konstrukcyjna": "Przy 80 °C wcisk staje się pasowaniem poślizgowym. Oblicz zakłócenie przy maksymalnej temperaturze pracy, zatrzymaj POM mechanicznie (pierścienie osadcze, radełkowanie) albo zmień na PEEK (CTE 47) lub PEEK ze szkłem (CTE 27)." }, { "Przypadek": "Detal 6061 o długości 500 mm obrabiany przy 30 °C w warsztacie, sprawdzany przy 20 °C (temperatura odniesienia ISO 1)", "Obliczenie": "23.6 × 10⁻⁶ × 500 × 10", "Wynik": "0.118 mm — reads 500.000 mm at 30 °C, 499.882 mm at 20 °C", "Odpowiedź konstrukcyjna": "Dla prac ±0.05 mm ten błąd to 2.4× pasmo tolerancji: wygrzej detale do 20 °C ± 1 °C przed ostateczną kontrolą albo zastosuj kompensację w procesie." }, { "Przypadek": "Blok formy P20 (CTE 11.7) z wkładką rdzenia H13 (CTE 12.0), średnica wkładki 100 mm, ΔT = 60 °C, zaprojektowany luz 0.02 mm", "Obliczenie": "12.0 × 10⁻⁶ × 100 × 60; 11.7 × 10⁻⁶ × 100 × 60", "Wynik": "0.072 mm vs 0.070 mm — clearance grows only 0.002 mm", "Odpowiedź konstrukcyjna": "P20 z H13 jest termicznie zgodne (niezgodność 0.3 µm/m·°C). Wkładka ze stopu miedzi z berylem (CTE 16.6) względem P20 traci 0.029 mm luzu przy tym samym ΔT — projektuj wkładki BeCu z zapasem na wzrost." } ] } ] }