Wer wissen will, wie schnell sich Wärme in einem Werkstoff ausbreitet – nicht nur ob er gut oder schlecht leitet, sondern wie schnell sich ein Temperaturfeld verändert – braucht die Temperaturleitfähigkeit. Sie ist der Kennwert hinter jeder instationären Erwärmung: beim Härten, beim Schweißen, beim Spannen heißer Bauteile oder beim Abkühlen einer frisch bearbeiteten Welle. Dieser Beitrag erklärt die Definition, liefert die Formel samt Einheit, zeigt eine Werte-Tabelle für gängige Metalle und Werkstoffe, rechnet ein konkretes Beispiel durch und ordnet die Größe in den Werkstatt- und Vorrichtungsbau-Alltag ein.

Diese Kenngröße (Formelzeichen a, englisch „thermal diffusivity“) beschreibt, wie schnell sich eine Temperaturänderung in einem Material räumlich ausbreitet. Sie ist damit keine reine Materialeigenschaft für den Wärmestrom selbst, sondern ein zusammengesetzter Wert, der drei Größen verknüpft: die Wärmeleitfähigkeit λ, die Dichte ρ und die spezifische Wärmekapazität c. Während die Wärmeleitfähigkeit angibt, wie gut ein Material Wärme im stationären, also zeitlich konstanten Zustand transportiert, beschreibt dieser Kennwert das instationäre Verhalten – also wie schnell sich ein Temperaturprofil im Bauteil verändert, wenn sich Randbedingungen ändern.

Ein Werkstoff mit hohem Wert gleicht Temperaturunterschiede schnell aus: Ein lokal erhitzter Bereich „spürt“ die Umgebungstemperatur rasch, Wärmespitzen verteilen sich zügig im Bauteil. Ein Werkstoff mit niedrigem Wert bleibt dagegen länger ungleichmäßig temperiert – lokale Hitze bleibt lokal, was zu Wärmespannungen, Verzug oder ungleichmäßiger Wärmebehandlung führen kann.

Sie berechnet sich nach folgender Formel:

a = λ / (ρ · c)

Dabei gilt:

• a = Temperaturleitfähigkeit in m²/s (praxisüblich meist in mm²/s angegeben)
• λ (Lambda) = Wärmeleitfähigkeit in W/(m·K)
• ρ (Rho) = Dichte in kg/m³
• c = spezifische Wärmekapazität in J/(kg·K)

Die SI-Einheit ist m²/s. Da diese Werte für technische Werkstoffe sehr klein ausfallen, wird in der Praxis fast ausschließlich mm²/s verwendet (1 m²/s = 1.000.000 mm²/s). Metalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit, geringer Dichte und moderater Wärmekapazität – wie Silber, Kupfer oder Aluminium – erreichen die höchsten Werte, während Dämmstoffe, Kunststoffe und Flüssigkeiten am unteren Ende liegen.

Die folgende Tabelle zeigt die berechneten Werte gängiger Werkstoffe bei Raumtemperatur (ca. 20 °C), ermittelt aus Standardwerten für Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifische Wärmekapazität:

Auffällig: Luft hat trotz sehr geringer Wärmeleitfähigkeit einen überraschend hohen Wert – das liegt an ihrer extrem niedrigen Dichte. Edelstahl dagegen leitet Wärme deutlich schlechter als unlegierter Baustahl, weil die Legierungselemente die Wärmeleitfähigkeit stark senken, während Dichte und Wärmekapazität ähnlich bleiben. Diese Werte sind Richtwerte aus Standard-Werkstoffdaten; für sicherheits- oder normrelevante Berechnungen sollten stets die Herstellerdatenblätter des konkret verwendeten Werkstoffs herangezogen werden.

Für die meisten Anwendungen reicht die Berechnung aus λ, ρ und c über die oben genannte Formel. In Fällen, in denen keine verlässlichen Einzelwerte vorliegen oder eine hohe Genauigkeit gefordert ist, wird der Wert auch direkt gemessen – am gebräuchlichsten mit der Laser-Flash-Methode nach DIN EN ISO 22007-4 bzw. ASTM E1461. Dabei wird eine dünne Probe auf einer Seite kurz mit einem Laserimpuls erhitzt, während auf der gegenüberliegenden Seite der zeitliche Temperaturverlauf erfasst wird. Aus der Zeit, bis die Temperatur auf der Rückseite einen bestimmten Anteil der Maximaltemperatur erreicht, lässt sich der Wert direkt berechnen, ohne λ, ρ und c getrennt bestimmen zu müssen. Dieses Verfahren ist besonders bei neuen Werkstoffkombinationen, Verbundwerkstoffen oder beschichteten Bauteilen relevant, bei denen Tabellenwerte aus der Literatur nicht ohne Weiteres übertragbar sind. Für Standardwerkstoffe wie Baustahl, Aluminium oder Edelstahl genügt in der Praxis jedoch meist die Berechnung mit Katalogwerten, wie sie auch in der Tabelle oben verwendet wurden.

Angenommen, ein Vorrichtungskörper aus Baustahl soll hinsichtlich seines thermischen Verhaltens beurteilt werden. Bekannt sind:

• Wärmeleitfähigkeit λ = 50 W/(m·K)
• Dichte ρ = 7.850 kg/m³
• spezifische Wärmekapazität c = 460 J/(kg·K)

Einsetzen in die Formel a = λ / (ρ · c):

a = 50 / (7.850 · 460) = 50 / 3.611.000 ≈ 0,0000139 m²/s

Umgerechnet in die praxisübliche Einheit:

a ≈ 13,9 mm²/s

Zum Vergleich: Ein baugleicher Vorrichtungskörper aus Aluminium (a ≈ 98 mm²/s) würde Temperaturunterschiede rund siebenmal schneller ausgleichen als die Stahlvariante. Das zeigt, warum dieser Kennwert bei der Werkstoffauswahl für thermisch beanspruchte Bauteile eine wichtigere Rolle spielt, als es die reine Wärmeleitfähigkeit vermuten lässt.

Die beiden Begriffe werden häufig verwechselt, meinen aber unterschiedliche Dinge:

• Wärmeleitfähigkeit (λ) beschreibt den Wärmestrom im stationären Zustand – wie viel Wärme pro Zeit durch einen Werkstoff fließt, wenn sich die Temperaturverteilung nicht mehr ändert.
• Diese Kenngröße (a) beschreibt, wie schnell sich eine Temperaturänderung im instationären Zustand ausbreitet, also bevor ein Gleichgewicht erreicht ist.

Ein Werkstoff kann eine hohe Wärmeleitfähigkeit, aber durch hohe Dichte und Wärmekapazität trotzdem einen moderaten Wert für a haben. Für die Auslegung von Prozessen mit wechselnden thermischen Lasten – etwa beim Zerspanen, Schweißen oder Härten – ist daher a die relevantere Größe, weil sie die zeitliche Reaktion des Bauteils auf Temperaturänderungen beschreibt.

In der Zerspanung entsteht an der Werkzeugschneide kurzfristig erhebliche Prozesswärme, die über Werkstück, Spannmittel und Vorrichtung abgeführt werden muss. Ein hoher Wert beim Spannmittel- oder Vorrichtungswerkstoff sorgt dafür, dass sich lokale Erwärmung schnell im Bauteil verteilt, statt punktuell hohe Temperaturgradienten zu erzeugen. Das ist besonders bei folgenden Anwendungen relevant:

• Präzisionsspannmittel: Ungleichmäßige Erwärmung von Spannfuttern oder Spanndornen kann zu minimalen, aber bei engen Toleranzen relevanten Formabweichungen führen. Werkstoffe mit hohem a-Wert gleichen solche Gradienten schneller aus.
• Hochgeschwindigkeitszerspanung: Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und kurzen Zykluszeiten bleibt wenig Zeit für den Temperaturausgleich – der thermische Diffusionswert des Vorrichtungswerkstoffs entscheidet mit, wie schnell sich ein thermisches Gleichgewicht einstellt.
• Schleif- und Feinbearbeitungsprozesse: Hier sind Maßtoleranzen oft im µm-Bereich – thermisch bedingte Ausdehnung durch ungleich verteilte Wärme kann die Fertigungsgenauigkeit direkt beeinflussen.
• Werkstoffwahl für Vorrichtungskörper: Aluminium-Vorrichtungen gleichen Temperaturunterschiede deutlich schneller aus als Stahlvorrichtungen – ein Aspekt, der bei der Auslegung thermisch sensibler Spannlösungen neben Steifigkeit und Gewicht mit abgewogen werden sollte.

Diese Zusammenhänge zeigen: Die Temperaturleitfähigkeit ist kein rein akademischer Wert, sondern ein praktisch relevanter Kennwert bei der Auswahl von Werkstoffen für Spannmittel, Vorrichtungen und thermisch beanspruchte Bauteile im Maschinenbau.

Welche Einheit hat die Temperaturleitfähigkeit?

Die SI-Einheit ist m²/s. In der Praxis wird meist mm²/s verwendet, da die Werte in m²/s unhandlich klein wären.

Welches Metall hat den höchsten Wert?

Unter den gängigen Metallen hat Silber den höchsten Wert (ca. 174 mm²/s), gefolgt von Gold und Kupfer. Für den industriellen Einsatz sind meist Kupfer oder Aluminium relevant.

Warum ist Edelstahl ein schlechterer Wärmeleiter als Baustahl?

Die Legierungselemente in Edelstahl (z. B. Chrom, Nickel) senken die Wärmeleitfähigkeit deutlich, während Dichte und Wärmekapazität ähnlich bleiben. Dadurch sinkt auch a auf etwa ein Viertel des Werts von unlegiertem Baustahl.

Ist die Größe temperaturabhängig?

Ja. Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifische Wärmekapazität ändern sich mit der Temperatur, daher variiert auch a – meist moderat im technisch relevanten Temperaturbereich, aber nicht zu vernachlässigen bei großen Temperaturspannen.

Wie wird dieser Wert in der Praxis gemessen? Standardmäßig über die Laser-Flash-Methode (DIN EN ISO 22007-4 / ASTM E1461): Eine Probe wird kurz erhitzt, der Temperaturverlauf auf der Rückseite gemessen und daraus der Wert direkt berechnet – ohne λ, ρ und c einzeln bestimmen zu müssen.

Statt die Formel a = λ / (ρ · c) händisch mit Katalogwerten durchzurechnen, lässt sich der passende Wert für den eigenen Werkstoff und die eigene Anwendung direkt mit unserem kostenlosen Online-Rechner ermitteln: Werkstoff oder Kennwerte eingeben, Ergebnis in mm²/s ablesen und mit den Referenzwerten aus der Tabelle oben vergleichen. Das spart Zeit bei der Vorauslegung von Spannmitteln und Vorrichtungskörpern und liefert auf einen Blick, ob ein Werkstoff Temperaturunterschiede eher schnell ausgleicht oder länger ungleichmäßig temperiert bleibt – eine wichtige Information, bevor ein Bauteil in die Fertigung geht.