Reinaluminium hat bei annähernder Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 235–237 W/m·K. Das entspricht ungefähr 136–137 Btu/(h·ft·°F).
Der häufig angeführte Wert von 237 W/m·K gilt für Reinaluminium. Die meisten technischen Bauteile bestehen aus Legierungen mit geringerer Wärmeleitfähigkeit. Für 6061-T6 werden beispielsweise häufig etwa 167 W/m·K bei 20 °C angegeben.
Der richtige Auslegungswert hängt von Legierung, Zustand, Temperatur und Produktform ab.
Wärmeleitfähigkeit von Aluminium nach Legierung
Die Tabelle enthält repräsentative Werte bei Raumtemperatur. Es handelt sich um Referenzwerte und nicht um garantierte Werkstoffgrenzwerte.
| Aluminiumwerkstoff | Zustand oder Bedingung | Wärmeleitfähigkeit, W/m·K | Btu/(h·ft·°F) | Praktische Einordnung |
|---|---|---|---|---|
| Reinaluminium | Nahe Raumtemperatur | 235–237 | 135.8–136.9 | Höchster Referenzwert in dieser Tabelle |
| 1100 | Repräsentative NIST-Kurvenanpassung bei 293 K | ≈212 | ≈122.5 | Handelsübliche hochreine Güte |
| 3003 | O | 193 | 111.5 | Gute Wärmeleitfähigkeit und Umformbarkeit |
| 5052 | O | 138 | 79.7 | Korrosionsbeständige Blechlegierung |
| 6061 | T6/T651 | 167 | 96.5 | Gängige Konstruktions- und Zerspanungslegierung |
| 6063 | T6 | ≈200 | ≈115.6 | Gängige Strangpresslegierung für Kühlkörper |
| 7075 | T6 | 130 | 75.1 | Hohe Festigkeit, geringere Wärmeleitfähigkeit |
Lesen Sie die Tabelle unter Berücksichtigung dieser Quellenbeschränkungen:
- Das Ergebnis für 1100 wird aus einer älteren NIST-Kurvenanpassung berechnet. Die Gleichung gilt für 4–300 K.
- NIST kennzeichnet beide Legierungsseiten als veraltet und nicht mehr gepflegt. Angegeben werden 2 % Kurvenanpassungsfehler für 1100 und 0,5 % für 6061-T6.
- Diese Prozentwerte beschreiben die Anpassung der jeweiligen Gleichung an die zugrunde liegenden Daten. Sie sind weder Bereiche der Werkstoffstreuung noch Konstruktionstoleranzen.
Verwenden Sie die Tabelle für Vergleiche und Vorberechnungen. Für die endgültige Freigabe sind vom Lieferanten zertifizierte Werkstoffprüfdaten zu verwenden.
Warum veröffentlichte Aluminiumwerte voneinander abweichen
Reinaluminium leitet Wärme hauptsächlich über bewegliche Elektronen. Legierungsatome stören das Kristallgitter und streuen diese Elektronen.
Die Wirkung hängt vom jeweiligen Element und seinem Zustand ab. Gelöste Legierungsatome verringern die Leitfähigkeit in der Regel stärker als ausgeschiedene Atome. Eine Wärmebehandlung kann daher die Leitfähigkeit verändern, ohne die Legierungsbezeichnung zu ändern.
Aus demselben Grund ist auch der Zustand wichtig. Kaiser gibt für 6061 im Zustand O 180 W/m·K und im Zustand T6/T651 167 W/m·K an. Festigkeit und Leitfähigkeit stehen häufig in einem Zielkonflikt.
Auch zuverlässige Quellen können voneinander abweichen. Die NIST-Gleichung für 6061-T6 ergibt etwa 154 W/m·K bei 293 K. Kaiser nennt 167 W/m·K bei 20 °C.
Die Differenz kann auf unterschiedliche Datensätze, Halbzeugformen oder Prüfannahmen zurückzuführen sein. Behandeln Sie 154 und 167 als Vergleichsfälle verschiedener Quellen, nicht als Unsicherheitsgrenzen.
Verwenden Sie sie nur für eine vorläufige Sensitivitätsanalyse, wenn keine zur Produktform passenden Daten verfügbar sind. Zertifizierte Projektdaten müssen die Auslegungsgrenzen festlegen.
Das Temperaturverhalten hängt von der Güte ab. Die NIST-Anpassung für 6061-T6 ändert sich zwischen 77 und 293 K deutlich und steigt von etwa 84 auf 154 W/m·K.
Die NIST-Anpassung für 1100 verläuft in die entgegengesetzte Richtung. Im selben Intervall fällt der Wert von etwa 290 W/m·K auf 212 W/m·K.
Diese Datensätze reichen von kryogenen Temperaturen bis zur Raumtemperatur. Sie können das Verhalten oberhalb der Raumtemperatur nicht vorhersagen.
Eine kritische Übersicht aus dem Jahr 2025 fasst güteabhängige Kurven bei höheren Temperaturen zusammen. Verwenden Sie für die genaue Legierung und den genauen Zustand einen temperaturabhängigen Datensatz.
Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu spezifischer Wärmekapazität und Temperaturleitfähigkeit
Diese Eigenschaften beantworten unterschiedliche thermische Fragestellungen.
| Eigenschaft | Symbol und Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|
| Wärmeleitfähigkeit | k, W/(m·K) |
Wärmestrom bei einem Temperaturgradienten |
| Spezifische Wärmekapazität | cp, J/(kg·K) |
Energiebedarf zur Änderung der Werkstofftemperatur |
| Temperaturleitfähigkeit | α, m²/s |
Geschwindigkeit der Reaktion des Temperaturfeldes |
Die Temperaturleitfähigkeit verknüpft alle drei Werkstoffgrößen: α = k/(ρcp). Eine hohe Wärmeleitfähigkeit bedeutet nicht automatisch eine hohe Wärmekapazität.
Verwenden Sie die spezifische Wärmekapazität von Aluminium zur Berechnung gespeicherter Energie oder transienter Erwärmung. Verwenden Sie die Wärmeleitfähigkeit für stationären Wärmestrom durch eine bekannte Geometrie.
Berechnung des Wärmestroms durch Aluminium
Für eindimensionale stationäre Wärmeleitung gilt das Fourier-Gesetz:
Q = k × A × ΔT / L
Der entsprechende Wärmeleitwiderstand lautet:
Rcond = L / (k × A)
| Symbol | Bedeutung | SI-Einheit |
|---|---|---|
Q | Wärmeübertragungsrate | W |
k | Wärmeleitfähigkeit | W/(m·K) |
A | Fläche senkrecht zum Wärmestrom | m² |
ΔT | Temperaturdifferenz | K |
L | Wärmeleitweg | m |
Die MIT-Unterlagen zur Wärmeübertragung enthalten dieselbe Beziehung für eine ebene Platte.
Betrachten Sie eine Platte aus 6061-T6 mit einer Wärmequellenfläche von 25 × 25 mm. Die Platte ist 5 mm dick und überträgt 20 W.
Mit k = 167 W/(m·K):
Rcond = 0.005/(167 × 0.000625) = 0.0479 K/W
ΔT = 20 × 0.0479 = 0.96 K
Der ideale Temperaturabfall im Vollmaterial beträgt damit etwa 0.96 K. Reinaluminium würde bei gleicher Geometrie etwa 0.68 K ergeben.
Die Abschätzung berücksichtigt weder Wärmespreizwiderstand noch Grenzflächen, Konvektion, Strahlung oder ungleichmäßige Erwärmung. Diese Anteile können den Widerstand der massiven Platte übersteigen.
Aluminium oder Kupfer für die Wärmeübertragung
Kupfer hat bei 295 K eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 400 W/m·K. Aluminium ist deutlich leichter.
| Randbedingung | Kupfer | Aluminium |
|---|---|---|
| Gleiche Dicke und Fläche | Geringerer Wärmeleitwiderstand | Höherer Wärmeleitwiderstand |
| Gleiche Masse | Kleineres verfügbares Volumen | Etwa 3,3-faches Volumen |
| Typischer Fertigungsvorteil | Gute Wärmeverteilung | Geringe Masse und einfache Extrusion |
Die NIST-Referenztabelle nennt 8.96 g/cm³ für Kupfer und 2.70 g/cm³ für Aluminium. Bei gleicher Geometrie transportiert Kupfer Wärme im Festkörper wirksamer.
Bei gleicher Masse verändert sich der Konstruktionsraum. Aluminium kann mehr Volumen, Oberfläche oder Rippenlänge bereitstellen. Das Endergebnis hängt von Geometrie, Luftstrom, Grenzflächen und Fertigungsgrenzen ab.
Deshalb verwenden viele Kühlkörper Aluminiumrippen mit einem Kupferboden oder einer Heatpipe. Die Konstruktion weist jedem Metall eine geeignete Aufgabe zu.
Vergleichen Sie bei Kostenbetrachtungen gelieferte Baugruppen mit gleicher thermischer Leistung. Berücksichtigen Sie Metallmasse, Halbzeugform, Bearbeitung, Fügen, Oberflächenbehandlung und Logistik.
Vermeiden Sie ein festes Preisverhältnis der Rohmetalle. Wenn Kupfer einen Preisaufschlag verursacht, quantifizieren Sie den damit erzielten Vorteil bei Temperatur, Bauraum oder Masse.
Welche Aluminiumlegierungen eignen sich für gängige thermische Bauteile?
Nutzen Sie diese Tabelle als Vorauswahl. Vor der Serienfertigung muss das Projekt jedoch zunächst durch Simulation und Prototypenprüfung verifiziert werden.
| Thermisches Bauteil | Ausgangspunkt | Vor der Auswahl prüfen |
|---|---|---|
| Stranggepresster luftgekühlter Kühlkörper | 6063-T5 oder T6 | Rippengeometrie, Festigkeit, Zustand und Oberfläche |
| Gefräste Kühlplatte, Grundplatte oder Gehäuse | 6061-T6 | Kanalgestaltung, Dichtheit, Fügeverfahren und Daten der Halbzeugform |
| Umgeformter Kühler oder Wärmetauscher | 3003 im erforderlichen Zustand | Umformung, Löten, Korrosion und Plattiersystem |
| Korrosionsbeanspruchtes umgeformtes Gehäuse oder Wärmetauscher | 5052 im erforderlichen Zustand | Geringere Leitfähigkeit, Wanddicke und Fügeverfahren |
| Festigkeitsdominierte thermische Struktur | 7075-T6 | Ob die Festigkeit die geringere Leitfähigkeit rechtfertigt |
| Wärmeverteiler mit hoher Leitfähigkeit | 1100 oder hochreines Aluminium | Grenzen bei Festigkeit, Fügen und Fertigung |
Die Hydro-Daten zu 6063 nennen Kühlkörper als typische Anwendung. Die Empfehlungen bringen außerdem 3003 und 3103 mit Wärmetauschern und HVACR-Komponenten in Verbindung.
Die endgültige Auswahl hängt weiterhin von Zeichnung, Belastung, Umgebung, Verfahren und den zertifizierten Eigenschaften des Halbzeugs ab.
Was verändert die thermische Leistung eines realen Bauteils?
Legierung und Zustand
Die Leitfähigkeit sinkt, wenn gelöste Atome und Gitterfehler Elektronen streuen. Durch Auslagern kann sich das Verhältnis von gelösten Atomen und Ausscheidungen verändern. Der Leitfaden zu T5 und T6 erläutert diese Zustandswege.
Produktform und Verarbeitung
Platten, Strangpressprofile, Schmiedeteile und Gussteile können unterschiedliche Gefüge aufweisen. Gussporosität unterbricht ebenfalls Wärmeleitpfade. Verwenden Sie nach Möglichkeit Daten, die zum gelieferten Halbzeug passen.
Geometrie und Grenzflächen
Dicke, Kontaktfläche, Ebenheit und Wärmeleitmaterial beeinflussen den Widerstand. Rippenfläche und Luftstrom bestimmen den Wärmeübergang an das umgebende Fluid. Die Wärmeleitfähigkeit des Vollmaterials ist nur ein Anteil.
Eloxieren und Beschichtungen
Die anodische Oxidschicht leitet Wärme schlechter als das Aluminiumsubstrat. Eine beschichtete Anlagefläche kann daher zusätzlichen Kontaktwiderstand verursachen.
Die freiliegende Oberfläche kann sich anders verhalten. Eloxieren kann den Emissionsgrad erhöhen und den Wärmeübergang durch Strahlung verbessern. Der Nutzen ist größer, wenn Strahlung einen relevanten Anteil der Kühlung ausmacht.
Eine Studie zu natürlich gekühlten Kühlkörpern zeigte, dass das Ergebnis von den Betriebsbedingungen abhängt. Geben Sie Beschichtungsart, -dicke und die Maskierung der Kontaktflächen im thermischen Modell an. Begriffe zu Oberflächen finden Sie im Leitfaden zum Eloxieren Typ I, II und III.
Auswahl eines Wertes für Simulation oder Konstruktion
- Bestimmen Sie die genaue Legierung und den genauen Zustand.
- Passen Sie den Wert an die Betriebstemperatur an.
- Bestätigen Sie Produktform und Werkstoffrichtung.
- Bevorzugen Sie staatliche Daten, Normen oder Datenblätter der Hersteller.
- Prüfen Sie, ob der Wert gemessen oder berechnet wurde.
- Führen Sie Sensitivitätsfälle mit niedrigen, nominalen und hohen Werten durch.
- Validieren Sie kritische Baugruppen unter realistischen Randbedingungen.
ASTM E1461-13(2022) behandelt die Flash-Messung der Temperaturleitfähigkeit. Die Wärmeleitfähigkeit kann anschließend aus Dichte und Wärmekapazität bestimmt werden. Methode und Eingangsgrößen müssen zusammen mit dem angegebenen Wert dokumentiert werden.
Wichtigste Erkenntnis
Verwenden Sie 235–237 W/m·K nur für Reinaluminium nahe Raumtemperatur. Für handelsübliche Bauteile sind Daten zu verwenden, die Produktform und Zustand entsprechen.
Modellieren Sie anschließend Geometrie, Grenzflächen, Luftstrom und Oberflächenzustand getrennt. Bestätigen Sie diese Größen, bevor Sie die Legierung wechseln.
