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.
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.