Reines Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von 205–237 W/m·K und liegt damit unter den gängigen Metallen nur hinter Silber und Kupfer. Bei Legierungen sinkt dieser Wert auf etwa 117–218 W/m·K. Doch die Spitzenplatzierung ist nicht alles: Pro Masseneinheit leitet Aluminium etwa 1,4-mal mehr Wärme ab als Kupfer, weshalb Kühlkörper, Kühlplatten und Wärmetauscher so häufig daraus gefertigt werden. Bei der Auswahl kommt es auf drei Faktoren an: den Wert bei Ihrer Betriebstemperatur, den Kompromiss zwischen Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit sowie die für die Anwendung geeignete Legierung.
Was macht Aluminium zu einem außergewöhnlichen Wärmeleiter?
Metalle leiten Wärme hauptsächlich über freie Elektronen. Elektronen, die sich durch das Kristallgitter bewegen, transportieren Wärme von der heißen zur kalten Seite; je weniger Kollisionen sie dabei erleben, desto besser leitet das Material. Reines Aluminium hat ein gleichmäßiges Gitter und enthält nur sehr wenige Verunreinigungen, sodass sich die Elektronen nahezu ungehindert bewegen können und sowohl seine Wärmeleitfähigkeit als auch seine elektrische Leitfähigkeit hoch bleiben. Durch Legieren ändert sich dies: Gelöste Elemente wirken als Streuzentren, Elektronen werden von ihrer Bahn abgelenkt und die Leitfähigkeit sinkt.
Wie freie Elektronen Wärme transportieren
Wärmeleitung und elektrische Leitung nutzen dieselben freien Elektronen, daher steigen und fallen sie in der Regel gemeinsam. Reines Aluminium erreicht fast 237 W/m·K, was in etwa dem Wert von 60% Kupfer entspricht. Daraus ergibt sich folgende Faustregel: Jede Beimischung, die die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium erheblich verschlechtert, verringert dessen Wärmeleitfähigkeit in etwa im gleichen Verhältnis.
Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Wärmediffusivität
Die beiden Werte geben Aufschluss über unterschiedliche Aspekte. Die Wärmeleitfähigkeit (k) gibt an, wie viel Wärme im stationären Zustand fließen kann – dieser Wert wird für die Dimensionierung eines Kühlkörpers herangezogen. Die Wärmediffusivität (α) gibt an, wie schnell sich eine Temperaturänderung ausbreitet – ob sich das Bauteil gleichmäßig erwärmt oder es zu lokalen Überhitzungen kommt. Der α-Wert von Aluminium liegt bei etwa 91 mm²/s und damit um eine Größenordnung über dem von Edelstahl. Deshalb erwärmen sich Aluminiumkühlkörper schnell und bleiben gleichmäßig warm. Bestimmen Sie den stationären Zustand anhand von k; prüfen Sie α, wenn die Aufwärmzeit oder lokale Überhitzungen eine Rolle spielen.
Werte der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Aluminiumlegierungsreihen
Die folgenden Werte sind Messungen im stationären Zustand bei Raumtemperatur (20–25 °C). Die Angabe in W/m·K gibt an, wie viele Watt pro Grad Temperaturunterschied durch einen 1 m³ großen Materialwürfel fließen; es ist mit Abweichungen von einigen W/m·K zwischen den Datenblättern der Lieferanten und den Abmessungen sowie den Daten der jeweiligen Güteklasse zu rechnen.
Referenztabelle zur Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen
| Material | Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Reines Aluminium (1xxx) | 222–237 | 1050 ≈ 229, 1100 ≈ 222; beste Leitfähigkeit, geringste Festigkeit |
| 3003 (3xxx) | 163–193 | Manganlegierung; mäßige Festigkeit bei geringem Verlust |
| 5052/5083 (5xxx) | 117–200 | Die Leitfähigkeit nimmt ab, wenn der Magnesiumgehalt steigt; gute Korrosionsbeständigkeit |
| 6061-T6 (6xxx) | ≈ 167 | Das übliche Gleichgewicht zwischen Kraft und Leitfähigkeit |
| 6063-T5 (6xxx) | 200–209 | Typisch für extrudierte Kühlrippen |
| 7075 (7xxx) | 125–157 | Hochfestigkeit für die Luft- und Raumfahrt bei höchsten Kosten für die Leitfähigkeit |
| Reines Kupfer (Referenz) | 385–401 | Etwa 60–70% höher als bei Aluminium |
| Edelstahl 304 (Referenz) | 14–25 | Nur 1/10 bis 1/15 von Aluminium |
Die 1xxx-Serie weist die beste Wärmeleitfähigkeit auf, ist jedoch für Konstruktionsteile zu weich; die 6xxx-Serie leitet Wärme zwar weniger gut, kann aber Lasten aufnehmen und gleichzeitig Wärme ableiten, weshalb sie in praktischen Kühlkörperkonstruktionen vorherrscht.
Wie die Temperatur die Zahlen beeinflusst
Die Temperatur ist der Wert, der am leichtesten übersehen wird. Reines Aluminium weist Werte zwischen etwa 236 W/m·K bei 0 °C und 220 bei 527 °C auf; der Wert steigt zunächst an, bevor er wieder abfällt, und sinkt dann nach dem Schmelzen stark auf etwa 92 W/m·K ab. Die Angaben bei Raumtemperatur beziehen sich nur auf stationäre Werte bei 20–25 °C; verwenden Sie daher den Wert bei Ihrer tatsächlichen Betriebstemperatur.
Faktoren, die die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen beeinflussen
Die Legierungszusammensetzung und die Wärmebehandlung legen den Wert für eine bestimmte Güteklasse fest; die Betriebstemperatur entscheidet darüber, welcher Wert gilt. Durch die Legierung wird der Wert von 205–237 W/m·K für reines Aluminium auf die Wertebereiche der jeweiligen Serie angepasst, und die Wärmebehandlung verschiebt diesen Wert innerhalb einer Güteklasse.
Wie sich Legierungselemente auf die Wärmeleitfähigkeit auswirken
Legierungselemente verbessern die Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Formbarkeit – und jedes einzelne von ihnen verringert in gewissem Maße die Leitfähigkeit:
- Kupfer: erhebliche Festigkeitssteigerungen auf Kosten der Leitfähigkeit; die Grundlage für die 2xxx-Legierungen in der Luft- und Raumfahrt
- Silizium: gute Fließfähigkeit beim Druckgießen, verringert jedoch deutlich die Leitfähigkeit in Lösung
- Magnesium: Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit; ein höherer Gehalt führt zu höheren Kosten bei der Wärmeleitung, und die magnesiumreichen 5xxx-Sorten weisen die größten Einbußen auf
- Zink: Die Quelle der Festigkeit der 7xxx-Serie und der größte Nachteil hinsichtlich der Leitfähigkeit
Der Effekt ist quantifizierbar: Reines Aluminium liegt bei etwa 237 W/m·K und 6061-T6 bei etwa 167, was einer Differenz von etwa 40% entspricht.
Wie die Wärmebehandlung die Wärmeleitfähigkeit verändert
Die Wärmeleitfähigkeit derselben Legierung ändert sich je nach Temper: 6061-O hat einen Wert von etwa 180 W/m·K und 6061-T6 von etwa 167. „O“ bezeichnet den geglühten Zustand; „T4“, „T5“, „T6“ und „T7“ entsprechen verschiedenen Lösungs- und Auslagerungsbehandlungen, wobei der daraus resultierende Ausscheidungszustand die Leitfähigkeit beeinflusst. Vergleichen Sie die Datenblätter stets unter Berücksichtigung der angegebenen Warmbehandlungsbezeichnung.
Aluminium im Vergleich zu Kupfer, Stahl und anderen Wärmeleitern
Unter den gängigen Metallen liegt Silber mit etwa 428 W/m·K an der Spitze, Kupfer weist Werte zwischen 385 und 401 auf, Aluminium zwischen 205 und 237 und Edelstahl 304 nur zwischen 14 und 25.
Wenn Kupfer Aluminium übertrumpft
Kupfer leitet im stationären Zustand etwa 2,3-mal so viel Wärme wie 6061-Aluminium, was es zur idealen Lösung bei hoher Leistungsdichte, auf engstem Raum und bei hohem Wärmefluss macht – dünne Wärmeverteiler, Sammelschienen, IGBT-Grundplatten. Die Nachteile sind eine weitaus höhere Dichte als bei Aluminium sowie ein höherer Materialpreis. Kombiniert man beide Materialien, ergibt sich in der Regel eine Hybridkonstruktion aus einem Aluminiumkörper mit Kupferrohren oder -einsätzen: Kupfer übernimmt den Weg für den hohen Wärmefluss, Aluminium sorgt für die leichte Struktur.
Edelstahl 304 spielt eine ganz andere Rolle: Er leitet nur 1/10 bis 1/15 so gut wie Aluminium, und Stahl wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit ausgewählt, nicht wegen seiner Leitfähigkeit.
Gewichtsnormiert: Aluminium gewinnt
Teilt man die Leitfähigkeit durch die Dichte, kehrt sich das Bild um. Für gewichts- und kostenorientierte Konstruktionen wie Kühlkörper und Kühlplatten ist dieser Vergleich entscheidend:
| Material | Wärmeleitfähigkeit (W/m·K) | Dichte (g/cm³) | k/ρ (W·cm³/(m·K·g)) | Rolle |
|---|---|---|---|---|
| Reines Aluminium | 205–237 | 2.70 | 62–76 | Kühlkörper, Kühlplatten, Wärmetauscher; Gewichtsvorteil |
| Kupfer | 385–401 | 8.96 | 43–45 | Anwendungen mit hoher Leistung und begrenztem Platzangebot |
| Kohlenstoffstahl | 45–58 | 7.85 | 5,7–7,4 | Kostengünstige Industriegebäude |
| Rostfreier Stahl 304 | 14–25 | 8.00 | 1,9–3,8 | Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit |
| Titan | ≈ 22 | 4.51 | 4.9 | Gewichtsreduzierung in der Luft- und Raumfahrt |
Die spezifische Leitfähigkeit von Aluminium beträgt etwa das 1,4-Fache derjenigen von Kupfer (62–76 gegenüber 43–45).
Industrielle Anwendungen, bei denen die thermischen Eigenschaften von Aluminium genutzt werden
Die thermischen Eigenschaften von Aluminium kommen in den Bereichen Wärmeaustausch und Kühlung, Elektronik und Elektrotechnik sowie Automobil- und Luftfahrtindustrie zum Tragen; die Kühlung von Elektronikgeräten ist dabei der größte Anwendungsbereich.
Wärmetauscher und Kühlsysteme
Platten- und Rohrlamellen-Wärmetauscher kommen in den Bereichen Klimatechnik, Kältetechnik und industrielle Verarbeitung zum Einsatz. Gelötete Aluminiumkühler aus den Legierungen 3003/4343 haben Kupfer-Messing-Konstruktionen weitgehend abgelöst, da sie 40–50% leichter sind, und die 3xxx-Serie bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Lötbarkeit und Korrosionsbeständigkeit für Wärmeaustauscherker in Großserienfertigung.
Elektronik und elektrotechnische Anwendungen
Die Kühlung von Elektronik ist der größte Anwendungsbereich von Aluminium – LED, Server, Automobilelektronik und Industrieanlagen, üblicherweise mit 6063-T5; für elektrische Sammelschienen wird 6101-T6 verwendet. Aluminium punktet bei der Geometrie der extrudierten Kühlrippen und der spezifischen Leitfähigkeit (k/ρ, höher als bei Kupfer; siehe Vergleichstabelle), doch der Gesamtwiderstand des Kühlkörpers wird ebenso sehr durch die Grenzfläche, die Rippenfläche und den Luftstrom bestimmt wie durch die Leitfähigkeit des Materials; bei Hochleistungskonstruktionen kommen häufig Heatpipes oder Kupfereinsätze zum Einsatz.
Automobil- und Luftfahrtindustrie
In der Automobilelektronik und im Wärmemanagement von Elektrofahrzeugbatterien kommen Aluminium-Kühlplatten zum Einsatz, die eine ausgewogene Festigkeit der Werkstoffe 6061-T6 und 6063-T6 aufweisen. Bei Wärmetauschern für die Luft- und Raumfahrt wird mit den Werkstoffen 2024-T3 und 7075-T6 ein Kompromiss zwischen Wärmeleitfähigkeit und Gewicht eingegangen.
Schlussfolgerung
Die Auswahlprozedur ist einfach: Legen Sie zunächst die Betriebstemperatur und den Wärmefluss fest, dann die mechanischen Anforderungen und wählen Sie schließlich die Werkstoffsorte nach Wert und Kosten aus. Berücksichtigen Sie die Leitfähigkeit bei der tatsächlichen Betriebstemperatur; prüfen Sie bei hoher Leistung den Einsatz von Kupfer oder Kupfer-Aluminium-Hybriden; verwenden Sie 6061-T6, wenn das Bauteil Lasten tragen muss, und 6063-T5 oder 1100 für reine Wärmeableiter; vermeiden Sie dicke Beschichtungen auf Wärmepfaden und vergleichen Sie Datenblätter mit den entsprechenden Zustandsangaben.
Falls Ihr thermisches Bauteil gegossen oder maschinell bearbeitet Was die Stückzahl angeht, senden Sie uns bitte die Zeichnung zu – wir werden die Qualität und die Kosten anhand Ihrer tatsächlichen Anforderungen prüfen.
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium?
Reines Aluminium hat einen Wärmeleitkoeffizienten von 205–237 W/m·K; bei gängigen Legierungen liegt dieser Wert je nach Sorte und Härtegrad zwischen etwa 117 und 218 W/m·K.
Wie hoch ist die Wärmeleitfähigkeit von 6061-Aluminium?
6061-T6 liegt bei etwa 167 W/m·K; 6063-T5 bei etwa 200–209 W/m·K.
Was leitet Wärme besser: Aluminium oder Kupfer?
Kupfer leitet im stationären Zustand 60–70% mehr, aber pro Masseneinheit leitet Aluminium etwa 1,4-mal mehr Wärme ab.
Was leitet Wärme besser: Aluminium oder Edelstahl?
Aluminium leitet Wärme 10- bis 15-mal besser als Edelstahl 304 (205–237 gegenüber 14–25 W/m·K); Edelstahl wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit gewählt, nicht wegen seiner Wärmeleitfähigkeit.
Warum leiten Aluminiumlegierungen weniger Wärme als reines Aluminium?
Legierungselemente lösen sich im Gitter auf und werden zu Streuzentren, wodurch sich die mittlere freie Weglänge der freien Elektronen verkürzt. Die 1xxx-Reihe liegt im Bereich von 222–237 W/m·K; die 7xxx-Reihe sinkt auf 125–157 W/m·K.
