Теплопроводность алюминия: данные о сплавах, влияние отпуска и почему это важно

Практическая отправная точка: теплопроводность алюминия

Если вы указываете алюминиевый радиатор для преобразователя питания, драйвера светодиода или узла нагревателя, первым обычно идет одно число: теплопроводность алюминия. Чистый алюминий рядом 237 Вт/м·К , но экструдированный сплав на вашем чертеже почти наверняка будет ниже. Эта разница не является лабораторной деталью; это меняет толщину ребер, площадь опорной пластины и стоимость сборки.

Для большинства экструдированных теплоотводящих деталей вариантами по умолчанию являются 6063-Т5 и 6061-Т6. 6063-T5 обеспечивает около 209 Вт/м·К, а 6061-T6 ближе к 167 Вт/м·К. Этот зазор в 42 Вт/м·К определяет, сколько ребер вам понадобится и насколько быстро деталь отводит тепло от источника.

Медь проводит тепло намного лучше, но алюминий остается практическим выбором для многих радиаторов, профилей нагревателей и конструктивных деталей, поскольку он весит примерно на треть меньше меди и стоит меньше за деталь. Если сравнивать тепловые характеристики на килограмм, алюминий трудно превзойти.

Что измеряет теплопроводность и почему единицы измерения имеют значение

Теплопроводность (k) определяет, насколько быстро тепло проходит через материал при температурном градиенте. Выраженный в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К), он показывает, сколько ватт проходит через куб со стороной 1 м, когда одна грань на 1 К горячее, чем противоположная. Более высокий k означает более низкое внутреннее сопротивление тепловому потоку.

Как это измеряется

Для объемных алюминиевых изделий производители используют такие методы, как метод лазерной вспышки для небольших образцов и методы с использованием защищенной горячей пластины или метода измерения теплового потока для больших секций. Температура измерения имеет значение, поскольку проводимость алюминия снижается при повышении температуры выше комнатной. Технический паспорт, в котором указана только одна цифра, может не отражать ваш фактический рабочий диапазон.

Что на практике означает диапазон проводимости алюминия

Такое значение, как 167 Вт/м·К, звучит абстрактно, пока вы не сравните профиль длиной 100 мм с поперечным сечением 1000 мм². При разнице температур в 20 К эта деталь проводит примерно 33 Вт, если она сделана из 6061-T6, и около 42 Вт, если она сделана из 6063-T5. В реальном радиаторе эта разница выражается в более коротких ребрах, меньшем сопротивлении воздушному потоку или меньшей общей оболочке.

Теплопроводность алюминиевых сплавов: типовые значения

Чистый алюминий обладает самой высокой проводимостью среди всех алюминиевых материалов, но чистый металл слишком мягок для большинства конструкционных и теплоотводящих профилей. Легирующие элементы, такие как кремний, магний, медь и цинк, рассеивают электроны и снижают проводимость. Затем при термообработке эти элементы перегруппировываются в частицы, поэтому один и тот же сплав может иметь разные значения k при разных состояниях.

Почему 6063-T5 и 6061-T6 доминируют в экструдированных радиаторах

6063 часто называют экструзионным сплавом, поскольку он сочетает в себе хорошее качество поверхности, умеренную прочность и режим Т5 с высокой проводимостью. 6061 прочнее и легче обрабатывается, но его проводимость ниже. Если в конструкции необходимы ребра и монтажная пластина, 6063-T5 обычно обеспечивает лучшие тепловые характеристики при том же весе. 6061-T6 имеет смысл, когда деталь также подвергается механическим нагрузкам. А изготовленный на заказ алюминиевый профиль экструзии может иметь форму, позволяющую использовать сильные стороны каждого сплава, сохраняя при этом низкое термическое сопротивление.

Обработка поверхности немного меняет картину. Анодированные покрытия улучшают износостойкость и коррозионную стойкость, но сам оксидный слой имеет низкую проводимость. В тонких анодированных слоях добавленное термическое сопротивление невелико; однако толстое твердое анодирование может уменьшить тепловой поток. Для частей, которые нуждаются как в защите, так и в проводимости, экструзионные профили из анодированного алюминия остаются распространенным выбором при условии, что толщина покрытия контролируется в соответствии с тепловым расчетом.

Факторы, снижающие теплопроводность алюминия

Состав сплава

Каждый легирующий элемент ведет себя по-разному. Магний и кремний в сплавах 6ххх снижают проводимость умеренно. Медь, как и сплавы 2ххх, вызывает большее падение. Цинк в сплавах 7xxx занимает промежуточное положение. Таким образом, выбор марки — это компромисс между проводимостью, прочностью и реакцией на обработку поверхности.

Закалка и термическая обработка

В сплавах 6ххх отпуск Т5 имеет тенденцию сохранять большую часть сформированной проводимости при экструзии, сохраняя при этом достаточную прочность для многих применений в области отвода тепла. Характер T6 может быть более сильным, но часто имеет более низкий k. Если вашим основным требованием является отвод тепла, спросите, приемлем ли T5 для структурных нагрузок в вашей части.

Температура и примеси

С повышением температуры колебания решетки сильнее рассеивают электроны, поэтому k падает. Примеси железа и кремния в деформируемых сплавах образуют интерметаллические частицы, которые также снижают проводимость. Варианты сплавов 1xxx и 6xxx с низким содержанием железа доступны, когда необходима максимальная проводимость, хотя они могут стоить дороже.

Применение данных о теплопроводности в профилях радиатора и нагревателя

Лучший алюминиевый сплав для радиатора — это не просто сплав с самым высоким k. Вам также потребуется геометрия профиля, воздушный поток, площадь поверхности и метод сборки. Экструдированные профили размещают материал именно там, где распространяется тепло и где его отводят ребра. Отправной точкой является понимание того, как взаимодействуют выбор сплава и конструкция штампа; наш Алюминиевые экструзионные сплавы и руководство по проектированию рассказывает об этом более подробно.

Экструзии радиаторов

Для силовой электроники, драйверов светодиодов и контроллеров двигателей часто бывает достаточно экструдированного радиатора с контролируемым расстоянием между ребрами. Сплав с высокой проводимостью улучшает однородность температуры, поэтому горячие точки не образуются непосредственно под местом установки компонентов. Для производства деталей наши Профили радиатора из анодированного алюминия с высокой теплопроводностью сделаны с учетом этого требования.

Профили радиаторов из анодированного алюминия с высокой теплопроводностью Поставщики, Compan Массив Посмотреть продукт →

Профили нагревателей

Корпуса обогревателей и канальные обогреватели нуждаются в равномерной температуре поверхности, чтобы воздушный поток не перегревался в одном месте. Легкий вес алюминия и его хорошая проводимость быстро распределяют тепло по профилю. Наш утеплители с высокой теплопроводностью алюминиевые профили представляют собой экструдированное решение именно для этой задачи.

Алюминиевые профили для нагревателей с высокой теплопроводностью Поставщики, Компания - Хучжоу Массив Посмотреть продукт →

Что делать с этими данными

Начните с требуемого термического сопротивления, затем выберите сплав, закалку и геометрию профиля, которые ему соответствуют. Если позволяет бюджет, создайте прототип из сплава 6063-T5 или сплава 6xxx с низким содержанием железа и измерьте фактическую температуру. Не полагайтесь только на ценности учебника; Данные поставщика, качество поверхности и материалы интерфейса — все это имеет значение.

Для экструдированных деталей, таких как радиаторы и профили нагревателей, контроль процесса производителя так же важен, как и сплав. Поставщик, который разбирается в потоке штампов, термической обработке и чистовой обработке, может обеспечить стабильные тепловые характеристики. Вот почему теплопроводность следует обсуждать на этапе проектирования, а не после того, как чертеж заморожен.