Плотность и теплопроводность
Два параметра, без которых не обходится ни один расчёт веса конструкции и ни один подбор материала для теплообменника, электрода или радиатора. Собрали типичные диапазоны плотности и теплопроводности по всем 10 группам металлов и сплавов, которые поставляет АЭРИС, со ссылкой на источники и пояснением, откуда берётся разброс внутри группы.
Плотность показывает, сколько граммов вещества умещается в одном кубическом сантиметре, и измеряется в г/см³. Это исходная величина для расчёта массы детали или конструкции при заданном объёме: для инженера, для закупщика это ещё и основа перевода тонн проката в кубометры при планировании поставки.
Теплопроводность измеряется в ваттах на метр на кельвин, Вт/(м·К), и показывает, сколько тепловой энергии проходит через метровый образец материала за секунду при разнице температур на его концах в один градус. Параметр критичен для теплообменников, радиаторов, форм литья под давлением, электродов контактной сварки и любых узлов, где важно быстро отвести или, наоборот, удержать тепло.
Оба параметра сильно зависят от химического состава и термообработки конкретной марки внутри группы. Цифры ниже стоит воспринимать как ориентир для предварительного расчёта, а точное паспортное значение уточнять по сертификату на конкретную плавку или партию.
Медь и медные полуфабрикаты, катанка, прутки, шины, остаются эталоном теплопроводности среди конструкционных металлов. У бескислородной меди высшей чистоты (Cu-OFE, AERIS 1105) теплопроводность близка к теоретическому максимуму для металлов при комнатной температуре. Примеси кислорода, серебра или фосфора в марках вроде М1 и М2 снижают показатель на несколько процентов, но разброс внутри группы остаётся узким по сравнению с легированными сплавами.
Латуни, сплавы меди с цинком, теряют в плотности и теплопроводности по мере роста доли цинка: чем выше содержание Zn, тем легче сплав и тем ниже его теплопроводность относительно чистой меди. Свинецсодержащие автоматные латуни (ЛС59−1 и аналоги) и деформируемые безсвинцовые марки (Л63, Л68) дают близкие, но не идентичные цифры, поэтому паспортное значение конкретной партии стоит уточнять у поставщика.
Группа «бронзы» объединяет оловянные, алюминиевые, бериллиевые и хромистые сплавы меди, поэтому разброс плотности и теплопроводности здесь самый широкий среди всех 10 групп. Алюминиевые бронзы легче меди из-за низкой плотности алюминия и проводят тепло заметно хуже. Бериллиевые бронзы (БрБ2, AERIS на основе CuBe2) после закалки и старения набирают прочность при средней теплопроводности. Хромистые бронзы (БрХ1, CuCr1, AERIS 1330) после термообработки приближаются по теплопроводности к чистой меди, поэтому их используют для электродов контактной сварки и кристаллизаторов.
Чистый никель и его сплавы с медью, мельхиор, монель, держат плотность в узком диапазоне около 8,8−8,9 г/см³, но теплопроводность падает в разы по мере роста легирования. У монеля 400 (AERIS на основе NiCu30) она примерно в четыре раза ниже, чем у чистого никеля: твёрдый раствор меди в никелевой решётке сильнее рассеивает свободные электроны, которые переносят тепло.
Титан почти вдвое легче стали, поэтому по плотности попадает в один диапазон с некоторыми алюминиевыми и магниевыми сплавами. С теплопроводностью ситуация обратная: технически чистый титан (ВТ1−0) проводит тепло в 2−3 раза лучше, чем двухфазный сплав ВТ6 (Ti-6Al-4V, AERIS 1509), где алюминий и ванадий создают барьеры для теплового потока в кристаллической решётке.
Алюминий и его деформируемые сплавы держат плотность в узком коридоре, а теплопроводность расходится сильно: технически чистый алюминий (АД0, аналог 1100) проводит тепло почти как медь в пересчёте на массу, тогда как высокопрочные сплавы серии 7xxx с цинком и медью (аналог 7075) проводят тепло почти вдвое хуже из-за легирующих добавок.
Магниевые сплавы, самые лёгкие металлы в каталоге АЭРИС, применяются там, где вес критичен: авиационные кронштейны, корпуса электроники, спортивный инвентарь. Теплопроводность литейных сплавов системы Mg-Al-Zn (АЗ91 и аналоги) заметно ниже, чем у технически чистого магния, потому что алюминий и цинк искажают кристаллическую решётку и рассеивают тепловые фононы.
Цинк и цинковые сплавы для литья под давлением (система ZAMAK, Zn-Al-Cu) держат плотность и теплопроводность в довольно узком диапазоне, потому что доля легирующих добавок, алюминия, меди, магния, в этих сплавах невелика и обычно не превышает 4−5%.
Нержавеющие стали проводят тепло заметно хуже конструкционных углеродистых из-за высокого содержания хрома и никеля в твёрдом растворе. Аустенитные марки (AISI 304, 316, 321) держат самую низкую теплопроводность в группе, ферритные и мартенситные (430, 420, 17−4PH) проводят тепло на 40−50% лучше при близкой плотности.
Конструкционные углеродистые и низколегированные стали держат теплопроводность на уровне 45−54 Вт/(м·К), близком к чистому железу. Инструментальные стали с высоким содержанием хрома, вольфрама и молибдена (Х12МФ, Р6М5 и аналоги) проводят тепло заметно хуже, вплоть до 20 Вт/(м·К): легирующие карбиды затрудняют перенос тепла кристаллической решёткой.
Значения даны при температуре около 20 °C как типичный диапазон для группы, а не паспортная характеристика одной плавки. Источники: ASM Metals Handbook, MatWeb, AZoM, техкарты Wieland, Aurubis, KME, Sandvik, ГОСТы на группы сплавов.
Магний, алюминий и титан дают наименьшую массу при заданном объёме детали. Магний легче алюминия примерно на треть, но уступает ему по коррозионной стойкости и часто требует защитного покрытия. Титан примерно вдвое легче стали при сравнимой или более высокой прочности, поэтому его выбирают там, где вес и прочность важны одновременно, а бюджет позволяет более высокую цену проката.
Для теплообменников, радиаторов, кристаллизаторов и электродов контактной сварки на первом месте теплопроводность, а не масса. Медь и высокопроводящие хромистые бронзы (БрХ1, CuCr1) держат теплопроводность в 5−8 раз выше конструкционной стали. Алюминий проигрывает меди по абсолютной теплопроводности, но выигрывает по теплопроводности на килограмм массы, поэтому в авиационных и автомобильных радиаторах чаще применяют именно его.
Для деталей, где важно замедлить перенос тепла между зонами с разной температурой, например, крепёж и корпусные элементы рядом с горячим узлом, подходят металлы с низкой теплопроводностью: нержавеющие аустенитные стали, титановые сплавы, инструментальные стали с высоким легированием. Здесь низкая теплопроводность работает как преимущество, а не недостаток.
У чистых металлов и слаболегированных сплавов теплопроводность и электропроводность растут и падают синхронно (закон Видемана-Франца), поэтому измерение электропроводности в % IACS часто используют как быструю входную проверку партии меди и медных сплавов. У сильно легированных сплавов, где прочность набирается за счёт твёрдого раствора или дисперсионного твердения, эта связь ослабевает, и полагаться на неё как на единственный критерий не стоит.
Пришлите требования по массе конструкции, тепловой нагрузке или условиям эксплуатации, технолог АЭРИС подберёт марку с подтверждёнными плотностью и теплопроводностью и подскажет доступный сортамент.
