Wärmeleitfähigkeit von Aluminium: Legierungsdaten, Tempereffekte und warum es wichtig ist

Ein praktischer Ausgangspunkt: Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium

Wenn Sie einen Aluminium-Kühlkörper für einen Leistungswandler, einen LED-Treiber oder eine Heizbaugruppe spezifizieren, fällt normalerweise eine Zahl zuerst auf: die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium. In der Nähe sitzt reines Aluminium 237 W/m·K , aber die extrudierte Legierung in Ihrer Zeichnung wird mit ziemlicher Sicherheit niedriger sein. Dieser Unterschied ist kein Labordetail; Dadurch ändern sich die Rippendicke, die Grundplattenfläche und die Montagekosten.

Für die meisten extrudierten Wärmeableitungsteile sind 6063-T5 und 6061-T6 die Standardoptionen. 6063-T5 bietet etwa 209 W/m·K, während 6061-T6 eher bei 167 W/m·K liegt. Dieser Abstand von 42 W/m·K bestimmt, wie viele Lamellen Sie benötigen und wie schnell das Teil die Wärme von der Quelle ableitet.

Kupfer leitet Wärme viel besser, aber Aluminium bleibt die praktische Wahl für viele Kühlkörper, Heizprofile und Strukturteile, da es etwa ein Drittel so viel wie Kupfer wiegt und pro Teil weniger kostet. Wenn man die Wärmeleistung pro Kilogramm vergleicht, ist Aluminium kaum zu schlagen.

Welche Wärmeleitfähigkeitsmaße und warum Einheiten wichtig sind

Die Wärmeleitfähigkeit (k) gibt an, wie schnell Wärme bei einem Temperaturgradienten durch ein Material fließt. Ausgedrückt in Watt pro Meter Kelvin (W/m·K) gibt es an, wie viele Watt durch einen 1 m großen Würfel fließen, wenn eine Seite 1 K heißer ist als die gegenüberliegende Seite. Ein höheres k bedeutet einen geringeren inneren Widerstand gegen den Wärmefluss.

Wie es gemessen wird

Für Massenaluminiumprodukte verwenden Hersteller Methoden wie die Laserblitztechnik für kleine Proben und Methoden mit geschützter Heizplatte oder Wärmeflussmesser für größere Abschnitte. Die Messtemperatur ist wichtig, da die Leitfähigkeit von Aluminium abnimmt, wenn die Temperatur über Raumtemperatur steigt. Ein Datenblatt, das nur eine Zahl angibt, spiegelt möglicherweise nicht Ihren tatsächlichen Betriebsbereich wider.

Was der Leitfähigkeitsbereich von Aluminium in der Praxis bedeutet

Ein Wert wie 167 W/m·K klingt abstrakt, bis man ein 100 mm langes Profil mit einem 1000 mm² Querschnitt vergleicht. Bei einem Temperaturunterschied von 20 K leitet dieses Teil etwa 33 W, wenn es aus 6061-T6 gefertigt ist, und etwa 42 W, wenn es aus 6063-T5 gefertigt ist. Bei einem echten Kühlkörper führt dieser Unterschied zu kürzeren Rippen, einem geringeren Luftstromwiderstand oder einer kleineren Gesamthülle.

Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen: Typische Werte

Reines Aluminium hat die höchste Leitfähigkeit in der Aluminiumfamilie, aber reines Metall ist für die meisten Struktur- und Wärmeableitungsprofile zu weich. Legierungselemente wie Silizium, Magnesium, Kupfer und Zink streuen Elektronen und verringern die Leitfähigkeit. Durch die Wärmebehandlung werden diese Elemente dann in Partikel umgewandelt, weshalb dieselbe Legierung in verschiedenen Zuständen unterschiedliche k-Werte aufweisen kann.

Warum 6063-T5 und 6061-T6 extrudierte Kühlkörper dominieren

6063 wird oft als Extrusionslegierung bezeichnet, da sie eine gute Oberflächenqualität, mäßige Festigkeit und eine T5-Vergütung mit hoher Leitfähigkeit vereint. 6061 ist stärker und leichter zu bearbeiten, aber seine Leitfähigkeit ist geringer. Wenn das Design Rippen und eine Montageplatte erfordert, liefert 6063-T5 normalerweise eine bessere Wärmeleistung bei gleichem Gewicht. 6061-T6 ist dann sinnvoll, wenn das Teil auch mechanische Belastungen trägt. A kundenspezifisches Aluminium-Strangpressprofil kann so geformt werden, dass die Stärken jeder Legierung genutzt und gleichzeitig der thermische Widerstand niedrig gehalten wird.

Durch die Oberflächenbehandlung verändert sich das Bild leicht. Eloxierte Beschichtungen verbessern die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, die Oxidschicht selbst weist jedoch eine geringe Leitfähigkeit auf. Bei dünnen Eloxalschichten ist der zusätzliche Wärmewiderstand gering; Eine dicke Hartanodisierung kann jedoch den Wärmefluss verringern. Für Teile, die sowohl Schutz als auch Leitung benötigen, Eloxierte Aluminium-Strangpressprofile bleiben eine gängige Wahl, sofern die Beschichtungsdicke so gesteuert wird, dass sie zum thermischen Design passt.

Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium verringern

Legierungszusammensetzung

Jedes Legierungselement verhält sich anders. Magnesium und Silizium in 6xxx-Legierungen verringern die Leitfähigkeit mäßig. Kupfer verursacht wie in 2xxx-Legierungen einen größeren Abfall. Zink in 7xxx-Legierungen liegt dazwischen. Die Auswahl einer Sorte ist daher ein Kompromiss zwischen Leitfähigkeit, Festigkeit und Reaktion auf die Oberflächenbearbeitung.

Anlass- und Wärmebehandlung

Bei 6xxx-Legierungen tendiert eine T5-Vergütung dazu, einen größeren Teil der Leitfähigkeit des Strangpressteils im geformten Zustand zu bewahren und dennoch ausreichend Festigkeit für viele Wärmeableitungsanwendungen bereitzustellen. Ein T6-Temperament kann stärker sein, geht aber oft mit einem niedrigeren K einher. Wenn Ihr Hauptbedarf darin besteht, Wärme zu transportieren, fragen Sie, ob T5 für die strukturellen Belastungen in Ihrem Teil akzeptabel ist.

Temperatur und Verunreinigungen

Mit steigender Temperatur streuen Gitterschwingungen die Elektronen stärker, sodass k sinkt. Eisen- und Siliziumverunreinigungen in Knetlegierungen bilden intermetallische Partikel, die ebenfalls die Leitfähigkeit verringern. Wenn maximale Leitfähigkeit erforderlich ist, stehen eisenarme Varianten der 1xxx- und 6xxx-Legierungen zur Verfügung, die jedoch möglicherweise mehr kosten.

Anwenden von Wärmeleitfähigkeitsdaten in Kühlkörper- und Heizprofilen

Die beste Aluminiumlegierung für einen Kühlkörper ist nicht einfach die mit dem höchsten k. Sie benötigen außerdem Profilgeometrie, Luftstrom, Oberfläche und Montagemethode. Extrudierte Profile platzieren das Material genau dort, wo sich die Wärme ausbreitet und wo die Rippen sie abgeben. Der Ausgangspunkt besteht darin, zu verstehen, wie die Wahl der Legierung und das Design der Matrize zusammenwirken. unsere Aluminium-Strangpresslegierungen und Design-Leitfaden behandelt das ausführlicher.

Kühlkörperprofile

Für Leistungselektronik, LED-Treiber und Motorsteuerungen reicht oft ein extrudierter Kühlkörper mit kontrolliertem Lamellenabstand aus. Eine Legierung mit hoher Leitfähigkeit verbessert die Temperaturgleichmäßigkeit, sodass sich keine Hot Spots direkt unter dem Bauteilmontagebereich bilden. Für Produktionsteile ist unser Kühlkörperprofile aus eloxiertem Aluminium mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden unter Berücksichtigung dieser Anforderung erstellt.

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Heizprofile

Heizungsgehäuse und Kanalheizungen benötigen eine gleichmäßige Oberflächentemperatur, damit der Luftstrom nicht an einer Stelle überhitzt wird. Das geringe Gewicht und die gute Leitfähigkeit von Aluminium verteilen die Wärme schnell entlang des Profils. Unser Aluminiumprofile mit hoher Wärmeleitfähigkeit sind eine extrudierte Lösung für genau diese Aufgabe.

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Was tun mit diesen Daten?

Beginnen Sie mit der erforderlichen Wärmebeständigkeit und wählen Sie dann eine Legierung, Härte und Profilgeometrie aus, die dieser entspricht. Wenn das Budget es zulässt, erstellen Sie einen Prototyp mit 6063-T5 oder einer eisenarmen 6xxx-Legierung und messen Sie die tatsächlichen Temperaturen. Verlassen Sie sich nicht nur auf Lehrbuchwerte; Lieferantendaten, Oberflächenbeschaffenheit und Schnittstellenmaterialien sind von Bedeutung.

Bei extrudierten Teilen wie Kühlkörpern und Heizprofilen ist die Prozesskontrolle des Herstellers ebenso wichtig wie die Legierung. Ein Lieferant, der den Düsenfluss, die Wärmebehandlung und die Endbearbeitung versteht, kann eine konstante thermische Leistung liefern. Aus diesem Grund sollte die Wärmeleitfähigkeit während der Entwurfsphase besprochen werden, nicht erst nachdem die Zeichnung eingefroren ist.