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Kupfer ist ein rotbraunes Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, hoher Formbarkeit und einer natürlichen, korrosionsbeständigen Oxidschicht. Die Kombination vieler dieser Eigenschaften macht es für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich, vom Kochen über Dekorationsartikel bis hin zu technischen Anwendungen.
Reines Kupfer hat nur begrenzte Einsatzmöglichkeiten. Es wird insbesondere in elektronischen Steckverbindern, Drähten und Kommunikationskabeln verwendet. Durch die Legierung von Kupfer mit anderen Metallen werden seine Einsatzmöglichkeiten jedoch erweitert und seine Eigenschaften verändert.
In diesem Blog erfahren Sie mehr über reines Kupfer, verschiedene Arten von Kupferlegierungen und die Eigenschaften von Kupfer, die es seit jeher zu einem nützlichen Metall machen.
Was ist Kupfer?
Kupfer ist ein Metall und ein Element im Periodensystem mit der Ordnungszahl 29 und einer Atommasse von 63.546. Kupfer hat das Symbol „Cu“ und der Name Kupfer leitet sich vom lateinischen Wort „cuprum“ ab.
Kupfer hat verschiedene Farbtöne, wobei ein Rot- oder Orangeton dominiert. Kupfer hat einen natürlichen Glanz und ist ein reflektierendes Metall. Kupfer kann in Luft und Feuchtigkeit ein anderes Aussehen annehmen.
An der Luft verblasst die helle Kupferfarbe zu einem braunroten Farbton und in Salzwasser entwickelt das Kupfer eine grüne Patina.
Woraus besteht Kupfer?
Kupfer ist ein Element (eine reine Substanz) mit nur einer Atomart. Kupfer besteht aus Kupferatomen und kommt natürlich in Form von Kupfererzen wie Chalkopyrit oder Cuprit vor. Diese Erze werden abgebaut und zu Kupfer verarbeitet.
Kupfer kann auch als reines Metall vorliegen. Diese Form von Kupfer wird als gediegenes Kupfer bezeichnet. Kupferatome sind in einer Kristallgitterstruktur miteinander verbunden, und die Anziehungskräfte zwischen diesen Atomen stellen metallische Bindungen dar.
Kupfer hat ein kubisch-flächenzentriertes Gitter (FCC) und jedes Kupferatom ist von 12 anderen Packungsdichten umgeben, was die Stabilität maximiert.
Physikalische Eigenschaften von Kupfer
Eigenschaft
Wert (Einheiten)
Signaldichte
8.96 g / cm³
Schmelzpunkt
1,085 ° C
Siedepunkt
2927 ° C
Elektrische Leitfähigkeit
100 % IACS bei 20 °C
Wärmeleitfähigkeit
400 W m‑1 K‑1
Elektrischer widerstand
1.72 × 10‑8 Ω m
Quelle: Webelemente
Elektrische Leitfähigkeit von Kupfer
Reines Kupfer ist eines der leitfähigsten Materialien. Laut International Annealed Copper Standard (IACS) hat Kupfer bei 100 °C 20 % IACS und eine elektrische Leitfähigkeit von 58 x 106 S/m.
Eigenschaft
Wert (Einheiten)
Elastizitätsmodul
130 GPa
Poisson-Verhältnis
0.34
Brinellhärte
874 MN m-2
Duktilität
Hoch (0.62) von 1 (perfekte Duktilität)
Formbarkeit
Hoch
Ermüdungsfestigkeit
100 MPa für 100 x 10^6 Zyklen (CW 21%) Streifenform
Tabelle der mechanischen Eigenschaften von Kupfer. Quelle: Ausfallkriterien & Webelemente & MDPI
Zugfestigkeit von Kupfer
Die Zugfestigkeit von Kupfer ist die maximale Belastung, die es aushalten kann, ohne dünner zu werden oder zu brechen.
Geglühtes Kupfer hat eine Zugfestigkeit von 210 MPa, kaltverformtes Kupfer kann eine Zugfestigkeit von bis zu 400 MPa aufweisen. Bei Raumtemperatur kaltverformtes Kupfer (30 %) hat eine Zugfestigkeit von über 300 MPa.
Quelle: Researchgate
Duktilität von Kupfer
Kupfer weist eine hervorragende Duktilität auf. Es wird in Stromleitungen und elektrischen Leitungen in Haushaltskabeln verwendet. Duktilität beschreibt die Fähigkeit eines Materials, sich in dünne Formen ziehen oder in enge Formen biegen zu lassen.
Kupfer ist aufgrund seiner FCC-Struktur dehnbar, wodurch Atomschichten leicht übereinander gleiten können. Kupfer lässt sich leicht formen und zu Spulen verarbeiten; dies ist ein weiterer Grund, warum Kupferdrähte in Motoren verwendet werden.
Kupferkorrosionsbeständigkeit
Kupfer weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. An der frischen Luft und in Süßwasser (ungesalzenem Wasser) ist Kupfer sehr langlebig. Die Korrosionsbeständigkeit von Kupfer beruht auf der natürlichen Oxidbildung in Luft und Wasser.
Kupfer bildet eine dünne Kupferoxidschicht, die eine weitere Oxidation des darunterliegenden Kupfers verhindert. Kupfer entwickelt eine grüne Patinaschicht (Kupfercarbonat) oder Kupfersulfat, die reines Kupfer in feuchter Umgebung schützt.
Viele Kupferlegierungen weisen für bestimmte Anwendungen und Umgebungen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf. Beispielsweise sind Kupferlegierungen wie Bronze korrosionsbeständiger als reines Kupfer.
Das mit Kupfer vermischte Zinn in Bronze reduzierte Lochfraß und Erosion. Viele Schiffspropeller bestehen aus Kupfer- und Messinglegierungen mit anderen Metallen und Nichtmetallen wie Phosphor, um die Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser zu erhöhen.
Verschiedene Arten von Kupferlegierungen
Die verschiedenen Kupfersorten unterscheiden sich in der Menge der Legierungselemente, die dem Kupfer zugesetzt sind. Durch die Erhöhung des Anteils verschiedener Legierungselemente entstehen unterschiedliche Kupferlegierungen.
Zu den gängigen Kupferlegierungen gehören:
Messing
Messing ist eine Kupfer-Zink-Legierung mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit und guter Bearbeitbarkeit. Messing selbst ist in vielen Legierungen erhältlich, wird aber hauptsächlich in Munitionshülsen und Dekorationsartikeln verwendet. Die CNC-Bearbeitung von Messing ist relativ einfach und ermöglicht daher die Verwendung in Ventilen und Rohrverbindungen.
Bronze
Bronze ist eine weitere Kupferlegierung mit einer typischen Zusammensetzung von 85 – 95 % Kupfer und 5 – 12 % Zinn. Weitere Metalle oder Nichtmetalle wie Silizium sorgen für zusätzliche Festigkeit. Bronze weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in Meerwasser auf und findet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im maritimen Bereich.
Bronze weist eine gute Beständigkeit gegen Lochkorrosion auf und hat eine höhere Zugfestigkeit als reines Kupfer. Sie weist eine bessere Verschleißfestigkeit und Härte als reines Kupfer auf, hat jedoch eine geringere Duktilität.
Nickel-Silber
Neusilber besteht hauptsächlich aus Kupfer, Zink und Nickel. Diese Kupferlegierung enthält kein Silber und dient lediglich der Glanzgebung.
Neusilber wird typischerweise in Musikinstrumenten, Tasten und Schmuck verwendet. Neusilber weist im Vergleich zu Messing- und Bronze-Kupferlegierungen eine geringere Duktilität, Härte und Festigkeit auf, hat aber eine glänzende, attraktive Oberfläche, die an Silber erinnert.
Kupfernickel
Kupfernickel sind Legierungen aus Kupfer und Nickel mit Legierungsmetallen wie Eisen oder Mangan in geringen Mengen.
Kupfernickel haben eine mäßige Zugfestigkeit, aber eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Kupfernickeltypen wie C71500 werden in Schiffen, Schiffsrümpfen und Meerwasseraufbereitungsanlagen wie Entsalzungstanks verwendet.
Verschiedene Formen von Kupfer
Massives Kupfer wird in Anwendungen selten verwendet und bei der Kupferherstellung wird der Großteil des aus Kupfererzen gewonnenen Kupfers in reine Kupferformen wie Drähte und Platten oder Kupferlegierungen wie verschiedene Messing- und Bronzesorten umgewandelt.
Neben Kupferlegierungen finden Sie auch verschiedene Kupferformen, die Ihren Anforderungen entsprechen.
Kathode aus reinem Kupfer
Dies ist die reinste Kupferart, die Sie finden können. Kupferkathoden werden durch einen elektrolytischen Prozess gereinigt, bei dem sich reine Kupferionen (Cu2+) an einer Kathode bilden. Kupferkathodenplatten sind aufgrund ihrer mechanischen und elektrischen Eigenschaften nützlich.
Die meisten Kupferprodukte verwenden Kupferkathoden als Ausgangspunkt für ein anderes Produkt, und Drähte, Steckverbinder und elektrische Stifte erfordern Kupferkathoden.
Kupferkabel
Kupferdrähte werden üblicherweise aus größeren Rollen und Spulen aus Kupferdraht geschnitten. Diese Kupferdrahtstäbe werden aus Kupferkathoden warmgewalzt und zu Drähten gezogen.
Kupferdrähte werden in elektrischen Leitungen verwendet, und die meisten Elektromotoren, Transformatoren und Leitungen nutzen die hervorragende elektrische Leitfähigkeit von Kupfer. Kupferdrähte haben typischerweise eine Dicke von 0.1 mm, es gibt aber auch dünnere oder gröbere Drähte.
Kupferplatte
Kupferplatten sind flache, warmgewalzte, dicke, rechteckige Stücke mit einer Dicke von über 6 mm. Kupferbleche haben eine geringere Dicke und werden in Stanz-, CNC-Schneid- und Biegevorgängen zur Herstellung verschiedener Teile verwendet.
Kupferrohr
Kupfer ist im Vergleich zu anderen Metallen ein duktiles Metall und lässt sich leicht zu Hohlzylindern, Kupferrohren und Kupferstangen ziehen.
Kupfer kann geschweißt, hartgelötet und durch Weichlöten verbunden werden, weshalb Kupferrohre ideal für Heizsysteme und den Transport kalter Flüssigkeiten in Kühlleitungen geeignet sind.
Kupferpulver (für den 3D-Metalldruck)
Kupferpulver wird im 3D-Metalldruck und beim Sintern zur Reparatur kritischer Kupferkomponenten verwendet. Kupfer hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und kann in der Pulvermetallurgie eingesetzt werden.
Kupferpulver wird auch in Tinten und Sinterteilen verwendet.
Kupferherstellungsprozess
Metalle wie Gold und Silber kommen oft in reiner Form vor. Kupfer kommt hauptsächlich in Mineralerzen vor, und die Gewinnung von reinem Kupfer aus diesen Erzen ist ein schrittweiser Prozess.
Kupferabbau
Festes Kupfer kommt in Sulfid- und Kupferoxiderzen vor. Diese Erze werden unterirdisch gefördert. Zur Gewinnung der Kupfersulfiderze wird eine Kombination aus Tagebau und Untertagebau eingesetzt.
Dies ist der erste Schritt bei der Gewinnung von natürlichem Kupfer.
Zerkleinern von Kupfererzen
Der nächste Schritt der Kupferproduktion erfordert das Zerkleinern und Mahlen von Kupfererz. Der Großteil des Kupfererzes besteht aus Sulfiderz. Durch Flotation (hydrophobe und hydrophile Trennung) werden Kupferverbindungen vom Abraumgestein getrennt.
Verhüttung
Die abgeschöpfte Schlammmischung mit einem Kupfergehalt von etwa 40 % wird getrocknet und zum Schmelzen in einen Ofen geschickt. Im Ofen oxidieren Schwefel und Eisen zu Schwefeloxid und Eisensilikat, die sich leicht entfernen lassen.
Dadurch wird das Kupfer weiter konzentriert, das geschmolzene Kupfer ist eine Mischung aus Kupfersulfid und Verunreinigungen.
Raffination
Kurz vor der Raffination werden das Kupfersulfid und die Verunreinigungen durch über 1000 °C heiße Luft geleitet, wodurch alle Verunreinigungen oxidiert und verbrannt werden. Dadurch entsteht zwar reines Kupfer, das jedoch winzige Luftbläschen bildet.
Das Kupfer wird in einem Ofen erneut mit Luft geschmolzen, wodurch Restschwefel entfernt wird. Durch das Rühren der Mischung mit grünem Holz werden weitere Gase freigesetzt, wodurch nahezu reines Kupfer entsteht. Kupfer ist in diesem Stadium zu etwa 99 % rein.
Für eine noch höhere Reinheit wird eine Elektrolysezelle eingesetzt. Dieses Verfahren wird je nach Kupferbedarf eingesetzt. Das gereinigte Kupfer wird in einem Kupfersulfat- und Schwefelsäurebad zur Anode. Bei Stromzufuhr löst sich das Kupfer von der Anode, und Kupferionen lagern sich an der Kathode ab. Zurück bleibt fast 99.9 % Kupfer. Andere Metallverunreinigungen (Nickel, Silber, Gold) und Legierungselemente setzen sich am Boden des Bades ab.
Anwendungen von Kupfer
Elektrische Verwendung von Kupfer
Kupfer hat nach Silber die zweitbeste elektrische Leitfähigkeit. Copper Development Association klassifiziert verschiedene Kupfersorten gemäß dem International Annealed Copper Standard (IACS) und reines Kupfer hat 100 % IACS.
Der größte Teil des abgebauten Kupfers wird raffiniert und in elektrischen Systemen, elektrischen Kontakten und Kabeldrähten verwendet.
Motoren: Kupferplatten und -drähte werden zu Spulen für Elektromotoren gewickelt, sie haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und leiten Wärme effizient ab.
Leiterplatten: Kupferfolien leiten Signale und Kupfer wird in druckbaren Schaltungen und Leiterplatten (PCB) verwendet.
Terminals: Bei Hochleistungsbatterien und in Automobilanwendungen werden Kupferstangen als Anschlüsse verwendet.
Wassersystem
Kupfer wird in der Sanitärindustrie häufig verwendet. Kupferrohre transportieren Wasser, sind korrosionsbeständig und bleiben auch bei hohem Druck intakt.
Verschiedene Kupfersorten werden auch in Wärmetauschern und Kühlgeräten verwendet, die die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ausnutzen.
Industriemaschinen
Kupferlager und -zahnräder, insbesondere Phosphorbronze, werden in Industriemaschinen häufig wegen ihrer geringen Reibung, ihrer Funkenresistenz und ihrer hohen Verschleißfestigkeit eingesetzt.
Skulpturen
Viele Kupfersorten und -legierungen wie Bronze werden für Skulpturen, Ausstellungsstücke und Dekorationsgegenstände verwendet. Kupfer spielt eine wichtige Rolle, da es leicht zu bearbeiten ist und ästhetischen Wert bei hoher Korrosionsbeständigkeit bietet.
Schmuck
Neusilber wird für Dekorationsstücke, Anhänger und als Accessoire für alle Kupferanhänger verwendet.
Fazit
Kupfer als Metall verfügt über zahlreiche antimikrobielle Eigenschaften sowie eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, was es in verschiedenen Branchen und Anwendungen nützlich macht. Es ist wichtig, die richtige Kupfersorte für Ihre Anwendung zu finden.
Kupfer ist bei der Bearbeitung mit einigen Einschränkungen und Herausforderungen verbunden. Beispielsweise ist es im Vergleich zu Alternativen teuer und kann oxidieren. Der richtige CNC-Bearbeitungspartner unterstützt Sie bei der Herstellung von Kupferteilen und Sonderanfertigungen mit praktischen Kupferlösungen.
Häufig gestellte Fragen
Welche Wirkung hat Kupfer auf Ihren Körper?
Kupfer ist wichtig für den menschlichen Körper, da es die Bildung roter Blutkörperchen unterstützt, Nervenzellen bildet und das Immunsystem stärkt.
Was ist Kupfer als Metall?
Kupfer ist ein dehnbares, formbares, rotbraunes Metall mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. Es hat die Ordnungszahl 29 und ist das zweitleitfähigste Metall.
Welches Kupfer vom Typ L oder Typ M ist besser?
Kupfer Typ L eignet sich ideal für Hochdruckwasserleitungen und freiliegende Wasserrohre. Typ L wird auch in Gewerbegebäuden und Warmwassersystemen eingesetzt. Typ L ist langlebiger als Typ M, der einige Normen nicht erfüllt.
Welche 3 Kupfersorten gibt es?
Kupfer Typ M: Typ M ist die dünnste Kupferrohrqualität und eine kostengünstige Lösung für Niederdruckanwendungen.
Kupfer Typ L: Für allgemeine Sanitäranwendungen
Kupfer Typ K: Typ K hat die dicksten Wände und eignet sich für unterirdische Leitungen und Schläuche.