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Aus dem Facharchiv: Lernen & Können
Werkstoffkunde – Kupfer – Vorkommen und Gewinnung (5)

Metalle treten im Mineralbereich überwiegend als chemische Verbindungen mit Sauerstoff (Oxide) oder mit Schwefel (Sulfide) auf; nur ganz selten sind sie in gediegener Form zu finden. Zu diesen Ausnahmen zählt – neben den Edelmetallen Gold und Silber – auch Kupfer. Im Beitrag sind die Eigenschaften des Werkstoffs Kupfer aufgeführt.

Industrielle Kupferelektrolyse – der Brückenkran transportiert das Kathodenkupfer (Foto: Aurubis AG)

Industrielle Kupferelektrolyse – der Brückenkran transportiert das Kathodenkupfer (Foto: Aurubis AG)

Kupfervorkommen

Eines der wichtigsten Nichteisenmetalle ist Kupfer, es kommt in der Natur als Halbedelmetall (gediegener Zustand) und in vielen Erzen vor. Je etwa 20 % der heutigen Weltvorräte an Kupfererzen liegen in Afrika (Sambia, Kongo und Namibia), in Südamerika (Chile und Peru) und in den USA, gefolgt von Kanada, Indonesien, Australien, der Mongolei und den Nachfolgestaaten der Sowjetunion. In Mitteleuropa gibt es (global gesehen kleinere) Vorkommen vor allem in Mitteldeutschland im Mansfelder Land und am Rammelsberg im Harz, in Niederschlesien und in den Zentralalpen Österreichs.

Förderung und Bedeutung von Kupfererzen

Der Bergbau Südamerikas versorgt den halben Globus mit Kupfer. In den Anden liegen die weltgrößten Minen. Kupferbergbau hat in Südamerika eine enorme Bedeutung: Chile und Peru sind die beiden größten Kupferproduzenten der Welt. An der Jahresförderung hält Chile im 21. Jahrhundert über 30 %, USA und Indonesien etwa 10 %, Russland, Peru, Australien und China je 5–8 %.

Kupfer gewann schon in der Vorantike eine zentrale Bedeutung, da es einer der Hauptbestandteile von Bronze ist. Die Entwicklung des Kupferbergbaus und der Verhüttung, wenn auch anfangs in kleinem Maßstabe, markiert das Ende der Steinzeit. Der lateinische Name Cuprum bedeutet „Erz von der griechischen Insel Zypern“, auf der im Altertum Kupfer gewonnen wurde.

Der Kupferbergbau begann in Mitteleuropa während der Kupfersteinzeit. Von der Bronzezeit bis ins 17. Jahrhundert hatte er eine große wirtschaftliche Bedeutung, ab dem 18. Jahrhundert ging er wegen zu kleinen Lagerstätten merklich zurück. In den letzten Jahrzehnten wurde der Großteil der Bergwerke geschlossen. Historisch lag der europäische Kupferbergbau – wie bei den meisten Erzen – überwiegend in der Verantwortung der Landesherren und fast immer förderte er die Entwicklung wohlhabender Städte (wie Kitzbühel, Goslar, Eisleben, Hettstedt, Mansfeld, Schwaz).

Weltweit hat sich die Gewinnung von Kupfer seit 1900 etwa alle 20 Jahre verdoppelt und stieg in den 100 Jahren auf das 40-fache (etwa 15 Mio. Jahrestonnen), was vor allem auf den Bedarf der Elektroindustrie zurückgeht. Das weiche und zähe Buntmetall ist ein sehr guter Strom- und Wärmeleiter und wird für hochwertige Stromkabel, für galvanische Elemente und für verschiedene Legierungen wie Bronze, Messing und Neusilber benötigt.

Gewinnung

Bei den heute zur Verfügung stehenden technologischen Verfahren und bei den aktuellen Kupferpreisen ist eine Verhüttung bereits bei einem Kupfergehalt des Erzes von 2 % bis 5 % wirtschaftlich. Bei der Kupfer-Verhüttung werden mehrere Techniken verwendet:

  • trockenes Verfahren durch Rösten und trockenes Erhitzen in Schacht- oder Flammöfen,
  • nasses Verfahren, speziell für arme Erze: zerkleinertes Erz in wässriger Lösung, Ausfällen durch Eisenpulver oder durch Erhitzen ➝ Zementkupfer,
  • Feuer-Raffination im Flammofen oder Garherd.

Es entsteht als Barrenmaterial das Ausgangsmaterial für diverse Weiterverarbeitungsprozesse. Für die Elektrotechnik werden z. B. durch Walzverfahren Stromschienen gefertigt. Aus einem durch Walzen hergestellten „Mutterdraht“ werden durch Ziehverfahren Drähte gefertigt, die dann zu elektrischen Leitungen werden.

Eigenschaften

Aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften ist Kupfer einer der nützlichsten Werkstoffe, der sich zudem noch durch das Legieren mit anderen Metallen immer weiter optimieren lässt. Man findet Kupfer mit seinem chemischen Zeichen Cu (von Cuprum) im periodischen System der Elemente in der ersten Nebengruppe zusammen mit Silber und Gold. Denn mit beiden Metallen hat Kupfer Ähnlichkeit: Kupfer und Gold sind die beiden einzigen farbigen metallischen Elemente, Kupfer und Silber sind die beiden besten Leiter für Wärme und Elektrizität.

Kenndaten von Kupfer:

  • elektrische Leitfähigkeit bei 20 °C: 57 m/(Ω · mm2)
  • Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C: 394 W/m · K
  • Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit: 0,0039/K
  • Reinheitsgrad: 99,9 %
  • Gitteraufbau: kubisch-flächenzentriert
  • Schmelzpunkt: 1 083 °C
  • Dichte: 8,9 kg/dm3.

„Wasserstoffkrankheit“. Kupfer nimmt bei höheren Temperaturen Wasserstoff auf, der sich mit dem im Kupfer gebundenen Sauerstoff zu Wasserdampf umwandelt. Da dieser im Kupfer nicht diffundieren kann, steigt der innere Druck enorm an, bis es den Werkstoff sprengt. Solche Zerstörung durch zahlreiche feine Risse in den Korngrenzen können beim Glühen in H2-haltiger Atmosphäre (z. B. Leuchtgas) oberhalb von 500 °C auftreten – z. B. beim Löten mit reduzierter Flamme.

Schweißen: Wenn Schweißbarkeit gefordert ist, dann ist möglichst sauerstofffreies Kupfer einzusetzen. Diese Kupfersorten werden meistens mit Phosphor desoxidiert.

Elektrische Leitfähigkeit: Wird eine gute elektrische Leitfähigkeit vom Kupfer verlangt, dann wird z. B. mit glühender Holzkohle desoxidiert oder mit anderen Verfahren, die dafür sorgen, dass der restliche Wasserstoff entweicht. So wird praktisch ein „O-freies“ dichtes Kupfer mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und guter Kaltverformbarkeit erreicht. Phosphor sollte möglichst nicht gebunden sein, da das zur deutlichen Herabsetzung der elektrischen Leitfähigkeit führt.

Zerspanen: Kupfer neigt beim Zerspanen zum „Schmieren“. Speziell geformte Schneiden lassen das Ergebnis verbessern. Wenn die elektrische Leitfähigkeit keine Rolle spielt, dann wird das zu zerspanende Material entweder mechanisch kaltverfestigt oder durch Legierung besser zerspanbar gemacht.

Beständig: Kupfer ist beständig gegen Wasser, Dampf, Rauchgase, nichtoxidierende Säuren (HCL, H2SO4). Da Kupfer mit Azetylen hochexplosives Kupferazetylid bildet, ist Kupfer dort verboten, wo man eine Berührung mit Azetylen nicht ausschließen kann.

Grünspan: Mit Fruchtsäuren (Essigsäuren) bildet Kupfer unter Luftzutritt (also nicht beim Kochen) den giftigen Grünspan. Die grüne Färbung auf Kupferdächern ist kein Grünspan, sondern eine schützende Patina.

Wiederverwertung: Kupfer punktet unter ökologischen und ökonomischen Bedingungen, denn Kupfer ist zu 100 % recycelbar, energieeffizient und hilft, den CO2-Ausstoß zu verringern.

Autor: K.-H. Bleiß

Der Beitrag ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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