Теплопроводность металлов и сплавов

Медная пластина над пламенем горелки за секунды прогревается до противоположного края, а нержавеющая в тех же условиях остаётся горячей только в центре. Это и есть разница в теплопроводности — свойстве, от которого зависит, как металл ведёт себя в радиаторе, кастрюле, под сварочной дугой и лазерным лучом. Ниже — таблица значений не только для чистых металлов, но и для конкретных марок, которые реально идут в работу, а также объяснение, почему у сплавов цифры такие разные.

Что показывает коэффициент λ

Представьте пластину площадью 1 м² и толщиной 1 м, одна сторона которой на градус теплее другой. Тепловой поток сквозь неё в ваттах и есть коэффициент λ. Единица — Вт/(м·К); в старых справочниках встречаются ккал/(м·ч·°C), отсюда и «странные» дробные цифры в некоторых таблицах (1 ккал/(м·ч·°C) ≈ 1,163 Вт/(м·К)).

Важно не путать теплопроводность с теплоёмкостью. Теплоёмкость говорит, сколько энергии нужно, чтобы нагреть металл, а теплопроводность — как быстро эта энергия распространяется по нему. У алюминия, например, высоки обе величины, а у свинца обе низкие.

Таблица теплопроводности металлов и марок

Значения приведены при комнатной температуре (20–27 °C). Для марок сплавов дан диапазон: разные справочники и производители расходятся на 5–20 %, а у термоупрочняемых сплавов цифра зависит ещё и от состояния — отожжённого или закалённого.

Материал	λ, Вт/(м·К)	Зарубежный аналог
Серебро	429	—
Медь чистая / техническая М1	401 / около 390	Cu-ETP
Золото	317	—
Алюминий чистый	237	—
АД31	190–210	6063
Вольфрам	173	—
Магний	156	—
Д16, АМг6	120–130	2024, близкий к АМг6 — 5056
Латунь Л63	115–120	CuZn37
Цинк	116	—
Никель	91	—
Бронза оловянная	50–85, ниже при большом содержании олова	C51000 и др.
Железо чистое	80	—
Олово	67	—
Сталь 20, Ст3	около 52	1020, S235
Чугун серый СЧ20	50–54	EN-GJL-200
Сталь 45	около 48	C45, 1045
40Х	около 45	41Cr4, 5140
Свинец	35	—
40Х13	25–30	AISI 420
Титан чистый	22	—
ВТ1-0 (технический титан)	16–22	Grade 1–2
Нихром Х20Н80	15–19	NiCr 80/20
12Х18Н10Т	15	AISI 321
ВТ6	6–8	Ti-6Al-4V, Grade 5

Из таблицы видно несколько вещей, которые в общих таблицах «по металлам» теряются. Обычная углеродистая сталь проводит тепло в 3,5 раза лучше аустенитной нержавейки и почти в 8 раз хуже меди. Мартенситная нержавейка 40Х13 по теплопроводности примерно вдвое выше аустенитной 12Х18Н10Т. А титановый сплав ВТ6 проводит тепло втрое хуже технического титана, хотя по названию это «тот же титан». Значения выше 60–70 Вт/(м·К), которые иногда приписывают углеродистой стали, относятся к чистому железу, а не к стали.

Почему сплавы проводят тепло хуже чистых металлов

В металлах тепло переносят в основном свободные электроны — те же, что переносят электрический ток. Чем свободнее они движутся по кристаллической решётке, тем выше теплопроводность. Атомы легирующих элементов, растворённые в решётке, искажают её и работают как препятствия: электроны рассеиваются на них, и тепло передаётся хуже. Поэтому даже небольшая добавка другого элемента заметно снижает λ, а сильно легированный сплав может проводить тепло в десятки раз хуже основы.

Хорошо это видно на меди и её сплавах: чистая медь — около 400 Вт/(м·К), латунь с 37 % цинка — примерно 120, оловянная бронза — 50–85. У стали та же картина: чистое железо — 80, углеродистая сталь — около 50, а нержавейка с 18 % хрома и 10 % никеля — всего 15. Хром и никель в ней растворены в решётке, и каждый атом мешает электронам. Именно растворённые элементы, а не включения или карбиды, — главная причина низкой теплопроводности нержавейки.

Связь с электросопротивлением: закон Видемана — Франца

Раз тепло и ток переносят одни и те же электроны, эти величины связаны. Закон Видемана — Франца утверждает, что отношение теплопроводности к электропроводности пропорционально абсолютной температуре:

λ / σ = L · T, где L ≈ 2,44·10⁻⁸ Вт·Ом/К² — число Лоренца.

Проверим на меди: удельное электросопротивление 1,72·10⁻⁸ Ом·м, температура 293 К. Расчёт даёт λ ≈ 2,44·10⁻⁸ × 293 / 1,72·10⁻⁸ ≈ 416 Вт/(м·К) — справочное значение 401, совпадение хорошее. Для 12Х18Н10Т с сопротивлением около 7,25·10⁻⁷ Ом·м формула даёт примерно 10 Вт/(м·К), а реально — 15. Разница объясняется тем, что у сильно легированных сплавов электроны переносят тепло так плохо, что заметную долю начинают вносить колебания самой решётки. Практический вывод простой: хороший проводник тока почти всегда хорошо проводит и тепло, а по таблице электросопротивления можно грубо оценить теплопроводность сплава, которого нет в справочнике.

Как теплопроводность меняется при нагреве

Тут поведение расходится. Медь, алюминий и углеродистая сталь при нагреве проводят тепло хуже: решётка колеблется сильнее и чаще сбивает электроны с пути. У сильно легированных сплавов она, наоборот, растёт.

Материал	20 °C	200 °C	500 °C
Медь	401	≈ 390	≈ 372
Алюминий	237	≈ 236	≈ 221
Сталь 20	52	49	39
12Х18Н10Т	15	18	23

У алюминия зависимость не монотонная: около 100–130 °C его теплопроводность даже немного выше, чем при комнатной температуре, и заметно падать она начинает лишь после 200 °C. Самое важное для практики — что разрыв между углеродистой сталью и нержавейкой при нагреве сокращается: при 20 °C он около 3,5 раза, а при 500 °C — уже примерно 1,7 раза. Поэтому расчёты для горячих узлов — печей, выхлопных трактов, теплообменников — ведут по значениям при рабочей температуре, а не по комнатной таблице. Так же растёт с температурой теплопроводность 40Х13 и титанового сплава ВТ6.

Теплопроводность и температуропроводность — не одно и то же

Ощущение «быстро нагревается» или «долго остаётся горячим» описывает другая величина — температуропроводность: a = λ / (ρ · c), где ρ — плотность, c — удельная теплоёмкость. Она показывает, как быстро выравнивается температура в материале. У меди она около 115 мм²/с, у алюминия — около 98, у углеродистой стали — примерно 12–19, а у нержавейки 12Х18Н10Т — около 4 мм²/с, то есть в 25–30 раз ниже, чем у меди. Именно поэтому нагретая зона на нержавейке остаётся локальной и долго не «расползается». Связь массы и объёма металла подробно разобрана в статье о плотности металлов.

Где теплопроводность решает на практике

• Радиаторы и теплообменники. Медь и алюминий проводят тепло в 4–25 раз лучше сталей, поэтому тепло успевает растечься по всему оребрению и работает вся площадь. Медь выбирают ради максимальной теплопроводности, алюминий — ради меньшей массы и цены;
• Посуда. Нержавейка плохо распределяет тепло по дну — над конфоркой образуются горячие пятна, и еда пригорает по центру. Поэтому у хорошей посуды капсульное или многослойное дно: внутри алюминиевый или медный слой разгоняет тепло, а снаружи и внутри остаётся нержавейка, которая контактирует с продуктами;
• Сварка меди. Тепло дуги мгновенно уходит в массу детали, и кромки не успевают расплавиться. Поэтому медь толщиной уже от нескольких миллиметров подогревают: по рекомендациям британского института сварки TWI, при аргонодуговой сварке листа 6–10 мм — до 100–200 °C, а для толстых сечений — до 350–450 °C и выше;
• Сварка алюминия. Алюминий плавится при температуре более чем вдвое ниже стали, но токи для него нужны выше — тепло быстро отводится от шва. Подробно об этом — в статье какая температура алюминия;
• Сварка нержавейки. Обратная ситуация: тепло остаётся рядом со швом, а тепловое расширение у аустенитной стали примерно в полтора раза больше, чем у углеродистой. Отсюда сильное коробление. Помогают меньшее тепловложение, контроль температуры между проходами и медные подкладки, которые работают как теплоотвод;
• Лазерная резка. Медь и алюминий режутся труднее стали по двум причинам сразу: они сильно отражают излучение и быстро уводят тепло из зоны реза. Волоконные лазеры с длиной волны около 1 мкм справляются с ними заметно лучше, чем CO₂-лазеры.

Миф: нержавеющая сталь проводит тепло примерно как обычная — это же тоже сталь. На самом деле аустенитная нержавейка 12Х18Н10Т проводит тепло примерно в 3,5 раза хуже углеродистой стали 20: около 15 Вт/(м·К) против 52. Причина — 18 % хрома и 10 % никеля, растворённые в решётке и мешающие электронам переносить тепло. Это не мелочь из справочника: из-за низкой теплопроводности нержавейку иначе варят, иначе режут, и посуда из неё без многослойного дна греется неравномерно.

Частые вопросы

Какой металл лучше всего проводит тепло?

Серебро — около 429 Вт/(м·К). На втором месте медь, около 401, за ней золото и алюминий. Из-за цены в технике чаще всего используют медь и алюминий.

Во сколько раз нержавейка проводит тепло хуже обычной стали?

При комнатной температуре аустенитная нержавейка 12Х18Н10Т проводит тепло примерно в 3,5 раза хуже углеродистой стали. При нагреве разрыв сокращается: при 500 °C он составляет около 1,7 раза.

Почему медь подогревают перед сваркой?

Медь очень быстро отводит тепло от места сварки, и кромки не успевают расплавиться. Подогрев снижает разницу температур между швом и остальной деталью, и дуга начинает проплавлять металл.

Чем теплопроводность отличается от температуропроводности?

Первая величина описывает поток тепла сквозь материал. Температуропроводность учитывает ещё плотность и теплоёмкость и показывает, как быстро в материале выравнивается температура.

Связаны ли теплопроводность и электропроводность?

Да. В металлах тепло и ток переносят одни и те же свободные электроны, поэтому хорошие проводники тока обычно хорошо проводят и тепло. Количественно эту связь описывает закон Видемана — Франца.

Тепло: рекордсмены — серебро (429 Вт/(м·К)) и медь (401), за ними алюминий; углеродистая сталь — около 50, аустенитная нержавейка — 15, титановый сплав ВТ6 — 6–8; легирующие элементы, растворённые в решётке, рассеивают электроны и тормозят перенос тепла; при нагреве у меди, алюминия и углеродистой стали λ падает, у нержавейки растёт, поэтому для горячих узлов берут значения при рабочей температуре.

Практика МТМ: на складе есть металлы с самой разной теплопроводностью — медный лист и медный прокат для теплообменников и токопроводящих деталей, алюминиевый лист для радиаторов и корпусов, латунь, нержавеющий лист и углеродистая сталь. Режим резки и сварки на собственном производстве подбираем под теплофизику конкретной марки: на лазерной резке учитываем отражающую способность меди и алюминия, на сварочных работах — коробление нержавейки и отвод тепла в медных деталях. Подобрать металл под задачу и уточнить наличие можно по телефону +7 (812) 409-45-58 или через форму на сайте.