Einleitung
Reineisen findet aufgrund seiner ausgezeichneten magnetischen und thermophysikalischen Eigenschaften häufige Anwendung in elektromagnetischen Bauteilen, bei denen ein effizienter Wärmetransport entscheidend ist. Dazu zählen unter anderem Transformatorenkerne, Elektromotoren, Induktionsspulen sowie Komponenten in der Leistungselektronik, in denen sowohl magnetische als auch thermische Belastungen auftreten. Eine präzise Kenntnis der thermischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich ist daher essenziell, um Bauteile zuverlässig auszulegen und das Betriebsverhalten unter realen Einsatzbedingungen sicher zu simulieren.
Das Wissen über die WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit ist entscheidend, da sie maßgeblich bestimmt, wie effizient Wärme innerhalb eines Materials transportiert wird. In Anwendungen mit Reineisen – insbesondere in elektromagnetischen Bauteilen – beeinflusst sie direkt die Temperaturverteilung, die Wärmeabfuhr und damit die Betriebssicherheit sowie die Lebensdauer der Komponenten. Eine unzureichende Wärmeableitung kann zu lokalen Überhitzungen, Effizienzverlusten oder sogar zum Ausfall führen. Daher bildet die genaue Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit eine zentrale Grundlage für die thermische Auslegung, Optimierung und Simulation industrieller Systeme.
Methode und Messbedingungen
Die Laser-Flash-Analyse (LFA, siehe Abbildung 1) dient in erster Linie zur Bestimmung der TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit α eines Materials. In Kombination mit der DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte ρ und der spezifischen Wärmekapazität cp kann daraus die Wärmeleitfähigkeit λ berechnet werden (λ = α · cp · ρ).
Bei der Messung wird die Unterseite der Probe durch einen kurzen Laserimpuls erwärmt. Der daraus resultierende Temperaturanstieg auf der gegenüberliegenden Seite wird mithilfe eines Infrarotdetektors erfasst. Anhand dieses zeitlichen Temperaturverlaufs und entsprechender mathematischer Modelle lässt sich anschließend die Temperaturleitfähigkeit des Materials bestimmen.
Durch den Einsatz eines speziellen Saphir-Probenhalters für Metallschmelzen (Abbildung 2) konnte eine Reineisenprobe mit der LFA 707 StratoFlash® Classic kontinuierlich vom festen in den flüssigen Zustand vermessen werden.
Mit der DSC 500 Pegasus®, ausgestattet mit Rhodium-ofen, wurde die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität cp im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1600 °C bestimmt.
Die Messbedingungen sind in Tabelle 1 übersichtlich zusammengefasst.
Tabelle 1: LFA-Messbedingungen
| Temperaturbereich | RT - 1600 °C |
| Probenhalter | Saphir für Metallschmelzen |
| Probengröße | Ø 1,39 mm; Dicke ~ 1,4 mm; planparalle Flächen |
| Beschichtung | Grafit |
| Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.Spezifische Wärmekapazität | mittels DSC 500 Pegasus® |
| Atmosphäre | Ar |
| Heizrate | variabel 10 bis 20 K/min |
| Energie | 650 V; 600 μs |
Ergebnisse und Diskussion
In Abbildung 3 wird das typische Verhalten von Reineisen inklusive der Curie-Umwandlung (≈770 °C) dargestellt. Sowohl die Temperaturleitfähigkeit (rote Kurve) als auch die spezifische Wärmekapazität (schwarze Kurve) zeigen an diesem Punkt deutliche Veränderungen (lokales
Minimum bzw. Maximum). Die Curie-Umwandlung ist somit in der Temperaturleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazität gut erkennbar, während die Wärmeleitfähigkeit (blaue Kurve) in diesem Bereich keinen Effekt zeigt. Im Schmelzbereich oberhalb von 1525 °C nehmen die Temperatur- und Wärmeleitfähigkeit signifikant ab, da die Gitterstruktur aufgelöst wird und kein Wärmetransport durch Phononen mehr erfolgt.
Zusammenfassung
Von fest bis flüssig: Mit der LFA 707 StratoFlash® Classic und einem speziellen Saphir-Probenhalter lassen sich Metalle kontinuierlich bis in die Schmelze charakterisieren. Die gewonnenen Daten liefern wertvolle Einblicke in das temperaturabhängige Wärmeleitverhalten und bilden eine verlässliche Grundlage für Simulation, Materialauswahl und Bauteiloptimierung – auch unter extremen Einsatzbedingungen.