Conduttività termica dell'alluminio: dati sulle leghe, effetti della tempra e perché è importante

Un punto di partenza pratico: la conduttività termica dell'alluminio

Se si specifica un dissipatore di calore in alluminio per un convertitore di potenza, un driver LED o un gruppo riscaldatore, di solito viene indicato per primo un numero: la conduttività termica dell'alluminio. L'alluminio puro si trova vicino 237 W/m·K , ma la lega estrusa nel tuo disegno sarà quasi sicuramente inferiore. Questa differenza non è un dettaglio di laboratorio; cambia lo spessore delle alette, l'area della piastra di base e il costo dell'assemblaggio.

Per la maggior parte delle parti estruse con dissipazione del calore, 6063-T5 e 6061-T6 sono le opzioni predefinite. 6063-T5 offre circa 209 W/m·K, mentre 6061-T6 è più vicino a 167 W/m·K. Questo divario di 42 W/m·K determina quante alette sono necessarie e quanto velocemente la parte allontana il calore dalla fonte.

Il rame conduce il calore molto meglio, ma l’alluminio rimane la scelta pratica per molti dissipatori di calore, profili di riscaldatori e parti strutturali perché pesa circa un terzo del rame e costa meno per pezzo. Quando si confrontano le prestazioni termiche per chilogrammo, l’alluminio è difficile da battere.

Cosa misura la conduttività termica e perché le unità sono importanti

La conduttività termica (k) quantifica la velocità con cui il calore fluisce attraverso un materiale sotto un gradiente di temperatura. Espresso in watt per metro-kelvin (W/m·K), indica quanti watt passano attraverso un cubo di 1 m quando una faccia è 1 K più calda della faccia opposta. Un k più alto significa una minore resistenza interna al flusso di calore.

Come viene misurato

Per i prodotti sfusi in alluminio, i produttori utilizzano metodi come la tecnica del flash laser per piccoli campioni e metodi con piastra calda protetta o flussometro per sezioni più grandi. La temperatura di misurazione è importante perché la conduttività dell'alluminio diminuisce quando la temperatura aumenta al di sopra della temperatura ambiente. Una scheda tecnica che riporta un solo numero potrebbe non riflettere il raggio d'azione effettivo.

Cosa significa in pratica il range di conduttività dell'alluminio

Un valore come 167 W/m·K sembra astratto finché non si confronta un estruso lungo 100 mm con una sezione trasversale di 1000 mm². Con una differenza di temperatura di 20 K, quel pezzo conduce circa 33 W se realizzato in 6061-T6 e circa 42 W se realizzato in 6063-T5. In un vero dissipatore di calore, questa differenza si traduce in alette più corte, minore resistenza al flusso d'aria o un involucro complessivo più piccolo.

Conducibilità termica delle leghe di alluminio: valori tipici

L'alluminio puro ha la più alta conduttività nella famiglia dell'alluminio, ma il metallo puro è troppo morbido per la maggior parte dei profili strutturali e di dissipazione del calore. Elementi leganti come silicio, magnesio, rame e zinco disperdono gli elettroni e riducono la conduttività. Il trattamento termico riorganizza quindi questi elementi in particelle, motivo per cui la stessa lega può mostrare k diversi a stati diversi.

Perché 6063-T5 e 6061-T6 dominano i dissipatori di calore estrusi

La 6063 è spesso chiamata lega per estrusione perché combina una buona qualità superficiale, una resistenza moderata e uno stato T5 ad alta conduttività. Il 6061 è più resistente e più facile da lavorare, ma la sua conduttività è inferiore. Quando il progetto necessita di alette più una piastra di montaggio, il 6063-T5 solitamente offre prestazioni termiche migliori a parità di peso. 6061-T6 ha senso quando la parte trasporta anche carichi meccanici. A profilo di estrusione di alluminio personalizzato può essere modellato per sfruttare i punti di forza di ciascuna lega mantenendo bassa la resistenza termica.

Il trattamento superficiale cambia leggermente l'immagine. I rivestimenti anodizzati migliorano la resistenza all'usura e alla corrosione, ma lo strato di ossido stesso ha una bassa conduttività. Negli strati anodizzati sottili, la resistenza termica aggiunta è piccola; tuttavia, l'anodizzazione dura e spessa può ridurre il flusso di calore. Per le parti che necessitano sia di protezione che di conduzione, profili estrusi di alluminio anodizzato rimangono una scelta comune, a condizione che lo spessore del rivestimento sia controllato per adattarsi al progetto termico.

Fattori che riducono la conduttività termica dell'alluminio

Composizione della lega

Ogni elemento di lega si comporta diversamente. Il magnesio e il silicio nelle leghe 6xxx riducono moderatamente la conduttività. Il rame, come nelle leghe 2xxx, provoca un calo maggiore. Lo zinco nelle leghe 7xxx si trova nel mezzo. La selezione di un grado è quindi un compromesso tra conduttività, resistenza e risposta alla finitura superficiale.

Tempera e trattamento termico

Nelle leghe 6xxx, uno stato fisico T5 tende a preservare maggiormente la conduttività dell'estrusione così come formata, fornendo comunque una resistenza sufficiente per molte applicazioni di dissipazione del calore. Un temperamento T6 può essere più forte ma spesso presenta un k inferiore. Se il tuo requisito principale è lo spostamento del calore, chiedi se T5 è accettabile per i carichi strutturali nella tua parte.

Temperatura e impurità

All’aumentare della temperatura, le vibrazioni del reticolo disperdono gli elettroni in modo più forte, quindi k diminuisce. Le impurità di ferro e silicio nelle leghe lavorate formano particelle intermetalliche che riducono anche la conduttività. Quando è necessaria la massima conduzione, sono disponibili varianti a basso contenuto di ferro delle leghe 1xxx e 6xxx, sebbene possano costare di più.

Applicazione dei dati di conduttività termica nei profili del dissipatore di calore e del riscaldatore

La migliore lega di alluminio per un dissipatore di calore non è semplicemente quella con il k più alto. Sono inoltre necessari la geometria del profilo, il flusso d'aria, l'area superficiale e il metodo di assemblaggio. I profili estrusi posizionano il materiale esattamente dove si diffonde il calore e dove le alette lo diffondono. Il punto di partenza è capire come interagiscono la scelta della lega e la progettazione dello stampo; nostro leghe di alluminio per estrusione e guida alla progettazione lo copre in modo più dettagliato.

Estrusioni di dissipatori di calore

Per l'elettronica di potenza, i driver LED e i controller dei motori, spesso è sufficiente un dissipatore di calore estruso con spaziatura delle alette controllata. Una lega ad alta conduttività migliora l'uniformità della temperatura in modo che non si formino punti caldi direttamente sotto l'area di montaggio del componente. Per le parti di produzione, il ns Profili dissipatori in alluminio anodizzato ad alta conducibilità termica sono realizzati tenendo presente questo requisito.

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Profili del riscaldatore

Gli involucri dei riscaldatori e i riscaldatori per condotti necessitano di una temperatura superficiale uniforme in modo che il flusso d'aria non venga surriscaldato in un unico punto. La leggerezza e la buona conduttività dell'alluminio diffondono rapidamente il calore lungo il profilo. Il nostro riscaldatori ad alta conducibilità termica profili in alluminio sono una soluzione estrusa per questo preciso compito.

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Cosa fare con questi dati

Inizia con la resistenza termica richiesta, quindi scegli una lega, un temperamento e una geometria del profilo che la soddisfino. Se il budget lo consente, prototipa con 6063-T5 o una lega 6xxx a basso contenuto di ferro e misura le temperature effettive. Non fare affidamento solo sui valori dei libri di testo; i dati dei fornitori, la finitura superficiale e i materiali di interfaccia sono tutti importanti.

Per le parti estruse come dissipatori di calore e profili di riscaldamento, il controllo del processo da parte del produttore è importante quanto la lega. Un fornitore che comprende il flusso dello stampo, il trattamento termico e la finitura può fornire prestazioni termiche costanti. Questo è il motivo per cui la conduttività termica dovrebbe essere discussa durante la fase di progettazione, non dopo che il disegno è stato congelato.