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Kupfer

2018-07-23T20:38:45

Kupfer (Cu) ist ein rötliches Metall mit der Ordnungszahl 29 im Periodensystem der Elemente. Sein Schmelzpunkt liegt bei 1083 °C und der Verdampfungspunkt bei 2567 °C. Es zählt zu den Buntmetallen. Im Periodensystem der Elemente steht es in derselben Gruppe wie das Silber und das Gold und hat daher eine chemische Ähnlichkeit zu diesen Edelmetallen (Redoxpotential von +0,34 Volt). Es liegt mit einem Massenanteil von 0,01 % in geringen Mengen in der Erdhülle vor, kommt nicht gediegen vor und ist dadurch relativ teuer. Mit einer Dichte von 8,92 g/cm3 zählt es zu den Schwermetallen. Im auskristallisierten Zustand weist es ein kubisch flächenzentriertes Kristallgitter (kfz) auf. Dadurch zählt es zu den duktilen und leicht verformbaren Werkstoffen.

Gefrästes Profilband aus Kupfer für die Elektrotechnik (Bild Profiltech GmbH)

 

Unlegiertes Kupfer hat nach Silber die zweithöchste elektrische Leitfähigkeit (58 · 106 S/m) aller Metalle und findet deshalb in der Elektrotechnik und Elektronik eine breites Anwendungsgebiet (z. B. Kabel, Kontakte, Leiterplatten). Verunreinigungen wie Phosphor und Eisen setzen die Leitfähigkeit stark herab. Deshalb werden für Leiterwerkstoffe höchste Reinheitsgrade angestrebt (Elektrolytkupfer). Auch in Hinblick auf die sehr gute Wärmeleitfähigkeit findet unlegiertes Kupfer viele Anwendungsmöglichkeiten (z. B. Wärmetauscher und Kühleinsätze im Anlagenbau, Kokillen im Gießereiwesen). Die Wärmeleitfähigkeit hängt in hohem Maße von der Reinheit des Kupfers ab. Die gute Witterungs- und Korrosionsbeständigkeit erlaubt die Verwendung von Kupfer im Bauwesen (Dachrinnen, Fassadenverkleidungen) sowie für Bauteile, die korrosiven Medien ausgesetzt sind. Der Elastizitätsmodul liegt bei 100 GPa bis 130 GPa. Durch Kaltverformung im Gusszustand wird die Festigkeit von 180 MPa bis 230 MPa (geglühter Zustand) auf Werte um 450 MPa erhöht. Die Bruchdehnung fällt allerdings von ca. 40 % (geglühter Zustand) auf 4,5 % mit Härtewerten um 100 HB. 

Das chemische Verhalten ist insbesondere durch hohe Korrosionsbeständigkeit, z. B. gegenüber Sauerstoff, wässrigen Lösungen, schwefelfreien Ölen und anderen organischen Stoffen, bestimmt. Charakteristisch ist außerdem die hohe Reaktionsfreudigkeit beim Angriff durch schwefelhaltige Substanzen. Das Zusammenwirken des Luftsauerstoffs mit den Nebenbestandteilen der Luft (Schwefeldioxid oder Kohlenstoffdioxid) bewirken bei Kupfer die bekannte grüne Patina, den Grünspan, der das darunter liegende Metall schützt.

Durch Legieren können die Eigenschaften von Kupfer in großem Umfang beeinflusst und dadurch optimiert werden. Geringe Mengen an Legierungszusätzen wie beispielsweise Silber oder Arsen führen zu einer Mischkristallhärtung. Zugaben von Chrom, Zirkonium, Cadmium, Eisen, Beryllium oder Phosphor führen zur Ausscheidungshärtung. 

Kupfer-Zink-Legierungen (Messing) – Sie sind nach DIN EN 12163 in Knetlegierungen und nach DIN EN 1982 in Gusslegierungen genormt. Die gebräuchlichsten Legierungen enthalten außer Kupfer etwa 5 % bis 45 % Zink. Zur Verbesserung der Zerspanbarkeit wird mitunter noch bis zu 3,5 % Blei zulegiert. Den Kupfer-Zink-Legierungen können weitere Legierungselemente wie Aluminium, Eisen, Mangan, Nickel, Silizium oder Zinn zur Verbesserung der Festigkeit, der Gleiteigenschaften oder der Korrosionsbeständigkeit zugegeben werden. Diese Sorten wurden früher als Sondermessing bezeichnet. Kennzeichnende Eigenschaften dieser Legierungen sind ihre gute Kaltumformbarkeit, Zerspanbarkeit, Polierbarkeit, Gießbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Kupfer-Zinn-Legierungen (Zinnbronze) – Sie sind nach DIN EN 12164 (Knetlegierungen) und DIN EN 1982 (Gusslegierungen) genormt. Sie sind die ältesten metallischen Gebrauchswerkstoffe der Menschheitsgeschichte. Gebräuchliche Knetlegierungen enthalten bis zu 8,5 % Zinn. Sie zeichnen sich durch gute Festigkeitseigenschaften, noch ausreichende Wärme- und elektrische Leitfähigkeit sowie durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.

Kupfer-Aluminium-Legierungen (Aluminiumbronze) – Diese Legierungen  kombinieren überdurchschnittlich gute mechanische (insbesondere hohe Festigkeiten) und gute physikalische Eigenschaften mit einer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit in einer Vielzahl aggressiver Medien (Meerwasser, Schwefelsäure und Salzlösungen). Sie nehmen daher unter den Kupferwerkstoffen eine besondere Stellung ein. 

Kupfer-Nickel-Legierungen (Nickelbronze) – Durch Legieren mit Nickel (bis zu 44 %) wird die Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert (auch gegenüber Meerwasser). Diese kann noch durch zusätzliches Legieren mit Eisen und Mangan erhöht werden. Mit zunehmendem Nickelgehalt steigt außerdem die Festigkeit des Werkstoffes. Die gute Warmfestigkeit ermöglicht zudem einen Einsatz bis 350 °C. Der elektrische Widerstand der Legierung ist wenig von der Temperatur abhängig und macht sie deshalb für Anwendungen in der Elektrotechnik interessant.