Technologielexikon KUPFER
Kupfer
Kupfer ist ein chemisches Element mit dem Symbol Cu und der Ordnungszahl 29. Es ist ein Metall der 4. Periode in der 11. Gruppe im Periodensystem. Der lateinische Name cuprum ist abgeleitet von aes cyprium „Erz von der Insel Zypern", wo im Altertum Kupfer gewonnen wurde. Kupfer, war eins der ersten Metalle, welche die Menschheit in ihrer Entwicklung kennenlernte. Da Kupfer in bestimmten Lagerstätten gediegen vorliegt, und leicht zu verarbeiten ist, wurde es bereits von den ältesten bekannten Kulturen vor etwa 10.000 Jahren verwendet.
Kupfer als unlegiertes Metall hat eine Zugfestigkeit von 200 - 250 N/mm², ein handelsüblicher Stahl 880 N/mm². Kupfer ist also ein weiches Metall. Kupfer wird hauptsächlich für die Wärmeübertragung und als elektrischer Leiter verwendet. Darüber hinaus werden Kupfer und seine Legierungen aufgrund seiner Farbe und Oxidationsbeständigkeit für die künstlicheriche Gestaltung, siehe Verwendungen, eingesetzt.
Verwendung
Kupfer wird für Münzen, Stromkabel, Schmuck, Besteck, Armaturen, Kessel, Präzisionsteile, Kunstgegenstände, Musikinstrumente, Rohrleitungen und vieles mehr verwendet.
Lieferformen
Bleche, Bänder, Stangen, Rohre und Drähte
Einteilung der Kupfersorten
Die von den Kupferraffinerien hergestellten Kupfersorten können nach dem Raffinationsverfahren unterteilt werden in
- feuerraffiniertes Kupfer und
- elektrolytisch raffiniertes Kupfer
Für den Anwender wichtiger ist die Unterscheidung nach Kennzeichen, die mit der Behandlung des geschmolzenen Kupfers vor dem Vergießen zusammenhängen
- sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer,
- desoxidiertes Kupfer und
- sauerstofffreies Kupfer
Knet-Kupfersorten nach DIN 1787, Zusammensetzung und Hinweise auf die Verwendung
¹) ISO = International Organization for Standardization
(DKI = Deutsches Kupfer Institut)
Physikalische Eigenschaften (Anhaltswerte)
Dichte: 8,94 g/cm³
Wärmeleitfähigkeit: 330 - 394 W/(mk)
elektrische Leitfähigkeit: 59,62 m/§Ùmm²
Schmelzpunkt: 1083°C
Warmumformtemperatur: 750 - 950°C
Weichglühtemperatur: 250 - 500°C
Entspannungstemperatur: 150 - 200 C
Kupferlegierungen
Kupfer ist mit vielen Elementen mischbar. Durch Zulegieren bestimmer Metalle, z.B. Zink, lassen sich Eigenschaften der Kupferlegierung, bsw. die Festigkeit, gezielt einstellen.
Messing
Zu den bekanntesten Kupferlegierungen zählen die vielen Messingsorten. Messing ist eine Legierung aus Kupfer mit unterschiedlichen Anteilen an Zink (Zn). Das goldgelbe Messing war bereits im antiken Griechenland bekannt. Die verschiedenen Messingsorten unterscheiden sich durch ihren Zinkanteil. Messing kann bis zu 3% Blei einhalten, bei höheren Bleianteilen spricht man von Sondermessing. Bei allen Legierungen beträgt der Kupferanteil mindestens 50%. Der Zinkanteil liegt zwischen 5% und 40%. Wie sich die Kaltumformbarkeit und die Zerspannbarkeit in Abhängigkeit vom Zinkgehalt ändern, zeigt der Ausschnitt aus dem Phasendiagramm für Messing.
Verwendung
Messing wird wegen seiner goldähnlichen Farbe für Verzierungen und Beschläge verwendet. Viele Blechblasinstrumente werden aus Messing gefertigt. Im Mittelalter fertigte man sehr viele Gegenstände des Kunsthandwerks oder liturgische Gefäße aus Messing.
Technische Verwendung für Messing findet sich dort, wo gleichzeitig gute elektrische Leitfähigkeit und mechanische Stabilität gefragt sind.
Lieferformen
Bleche, Bänder, Stangen, Rohre und Drähte
physikalische Eigenschaften (Anhaltswerte)
Dichte: 8,4 g/cm³ (CuZn37)
Wärmeleitfähigkeit: 100 - 114 W/(mk)
Schmelzpunkt: je nach Zinkgehalt 900 - 925°C
Warmumformtemperatur: 750 - 900°C
Weichglühtemperatur: 450 - 680°C
Entspannungstemperatur: 200 - 300°C
Teildiagramm
Bronze
Bronze ist eine Kupfer-Zinn-Legierung, die seit Jahrtausenden bekannt ist.
Der Zinngehalt beträgt bei Knetlegierungen bis zu 8 %, bei Gusslegierungen bis zu 12 %. Neben Zinn wird auch Aluminium als Legierungselement verwendet. Man spricht dann von Aluminiumbronzen, die besonders korrosionsbeständig sind. Bronze existiert aber nicht nur als Zweistoffverbindung. Für Mehrstoffverbindungen werden Zink und Blei, für Gusslegierungen auch Nickel, zulegiert.
Damit beim Gießen reduzierende Bedingungen vorherrschen, wird Phosphor hinzugegeben. Deswegen sind in bestimmten Legierungen, Restmengen an Phosphor zu finden.
Verwendung
Kunstguss, Glocken, Schlagzeugbecken, Maschinenteile, Lagerwerkstoff, Elektronikindustrie, Steckverbinder
Lieferformen
Bänder, Stangen, Rohre, Drähte
Häufig verwendete Bronze
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EN - Kurzzeichen |
DIN - Werkstoffnummer |
UNS - Werkstoffnummer |
|
Cu Sn 4 |
2.1016 |
C51100 |
|
Cu Sn 6 |
2.1020 |
C51900 |
|
Cu Sn 8 |
2.1030 |
C52100 |
Quelle: DKI
physikalische Eigenschaften
Dichte: 8,8 g/cm³
Wärmeleitfähigkeit: 67 - 118 W/mk
Schmelzpunkt: 1000°C
Warmumformtemperatur: 750 - 850°C
Weichglühtemperatur: 500 - 700°C
Entspannungstemperatur: 200 - 300°C
Neusilber
Legierungen aus Kupfer, Nickel und Zink werden wegen der silberähnlichen Farbe als Neusilber bezeichnet.
Gebräuchliche Legierungen haben zwischen 45 - 62% Kupfer, 7-26% Nickel, Rest Zink. Eventuell mit Spurenelementen wie Blei, Zinn oder Eisen.
Neusilber hat eine gute Korrosionsbeständigkeit und im Vergleich zu Messing erhöhte Festigkeitswerte. Ferner ergeben sich ein höherer elektrischer Widerstand und dementsprechend eine geringere Wärmeleitfähigkeit.
Verwendung
Fertigung von Essbestecken, feinmechanische und elektrotechnische Geräte, Reißverschlüsse, Schmuckgegenstände.
Häufig verwendete Legierungen
|
EN - Kurzzeichen |
DIN - Werkstoffnummer |
UNS - Werkstoffnummer |
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CuNi18Zn27 |
2.0742 |
C77000 |
|
CuNi18Zn20 |
2.0740 |
C76400 |
Quelle: DKI
physikalische Eigenschaften (Anhaltswerte)
Dichte: 8,1 - 8,7g/cm³ (je nach Legierung)
Wärmeleitfähigkeit: 33 - 42 W/(mk)
Schmelzpunkt: ab ca. 900°C je nach Legierung ansteigend
Warmumformtemperatur: 900 - 980°C
Weichglühtemperatur: 600 - 750°C
Entspannungstemperatur: 300 - 400°C
Niedriglegierte Kupferwerkstoffe
Die niedriglegierten Kupferwerkstoffe werden in nicht aushärtbare und aushärtbare Legierungen eingeteilt.
In nicht aushärtbare Legierungen dienen Zusätze von Silber, Eisen, Zinn oder Zink dazu, die Festigkeit und Entfestigungstemperatur zu erhöhen.
Zusätze von Beryllium, Chrom, Zirkon und Nickel mit Silizium bis insgesamt 3% ergeben aushärtbare Legierungen. Weil die Löslichkeit der genannten Elemente im Kupfer mit der Temperatur sinkt, kommt es zu einer Phasenausscheidung. Die Legierung wird dadurch aushärtbar. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Zugabe von Legierungselementen herabgesetzt. Festigkeit und Härte steigen.
Verwendung
Derartige Legierungen werden hauptsächlich in der Elektronik und Elektrotechnik verwendet. Besonders hohe Anforderungen werden an Werkstoffe für halbleiterträger (Lead frames) gestellt.
häufig verwendete Legierungen
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EN - Kurzzeichen |
DIN - Werkstoffnummer |
UNS - Werkstoffnummer |
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CuNi2Si |
2.0855 |
C70260 |
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CuCr1Zr |
2.1293 |
C18200 |
|
CuFe2P |
2.1310 |
C19400 |
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CuFe0,1P |
2.1310 |
C19210 |
Quelle: DKI
Wärmebehandlung
Wärmebehandlung ist ein verändern der technologischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen.
Die folgende Tabelle zeigt Anhaltswerte für die Wärmebehandlung von nicht aushärtbaren Kupferwerkstoffen. (alle Angaben in °C; Quellen: DKI-Informationsdrucke)
|
Werkstoff |
Anlassen Spannungsarmglühen |
Weichglühen Rekristallisieren |
Homogenisieren |
|
Kupfer und silberlegiertes Kupfer |
100 - 150 |
400 - 500 |
entfällt |
|
Messing (CuZn) |
250 - 300 |
450 - 600 |
entfällt |
|
Bronze (CuSn), Knetwerkstoffe |
200 - 300 |
475 - 675 |
ca. 700 |
|
Neusilber (CuNiZn) |
250 - 400 |
580 - 650 |
entfällt |
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CuAl-Legierungen (Al-Bronze) |
250 - 300 |
ca. 600 |
entfällt |
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CuNi-Legierungen |
280 - 500 |
620 - 900 |
entfällt |
Weichglühen/ Spannungsarmglühen
Während des Weichglühens werden Spannungen innerhalb des Metalls abgebaut. Die Verfestigung nimmt ab. Die Dehnbarkeit wird erhöht. Dadurch werden weitere Verarbeitungsschritte wie Walzen, Ziehen oder Stanzen ermöglicht.
Wie stark dabei das Gefüge verändert wird hengt von der Art der Wärmebehandlung ab.
Erholung
Die Umformung eines Metalls setzt das Wandern von Versetzungen voraus. Die Versetzungen stauen sich mit zunehmenden Umformgrad an den Korngrenzen und erschweren somit die Umformung. Beim Erholen werden Spannungen im Material durch Umordnung und Auslöschung von Versetzungen verringert. Das Gefüge bleibt erhalten. Die Korngrenzen bewegen sich nicht.
Rekristallisation
Wird ein Metall hinreichend stark verformt entstehen bei der anschließenden Wärmebehandlung, oberhalb der Rekristallisierungstemperatur, kleine Körner im Gefüge. Diese wachsen bis zum Zusammenstoßen der Korngrenzen. Dadurch wird das verformte Gefüge vollständig aufgezehrt. Der Keim für das neu entstehende Korn ist die Versetzung im Kristallgitter. Die Höhe der Rekristallisationstemperatur hängt von der Legierung ab. Die treibende Kraft für das Wandern der Korngrenzen ist die Verringerung der freien Enthalpie des Gitters. Das heißt die Verformungsenergie, die im verformten Gefüge gespeichtert ist, wird wieder abgebaut. Im nachfolgenden Diagramm ist dargestellt, dass sowohl der Umformgrad, als auch eine erhöhte Temperatur, Voraussetzung für die Rekristallisation sind.
Zur Rekristallisation von dünnen Bändern und Fertigungsmaterial wird üblicherweise ein Durchlaufofen verwendet. Hierzu eignet sich insbesondere ein horizontaler Bandschwebeofen bei dem die Bänder auf einem Schutzgaspolster berührungslos bei geringsten Bandzügen mit hochkonvektion geglüht werden.
Dicke Bändern können in einen vertikal angeordneten Durchlaufofen oder in einen stationären Ofen (Langzeit Coilglühe) geglüht werden.
Das nachfolgende Diagramm und die Schliffbilder sollen den Rekristallisationsprozess veranschaulichen.
Anlassen
Anlassen ist eine anschließende Wärmebehandlung zum Spannungsabbau und gegebenenfalls zur Bildung von Ausscheidungen aus dem übersättigten Mischkristall. Dünne Bänder aus Kupfer und Kupferlegierungen für die Elektronik werden häufig nach dem Schlusswalzen bei Temperaturen zwischen 160°C und 400°C angelassen.
Bei besonders hohen Ansprüchen an die Planheit der Bänder werden diese zusätzlich auf Streckbiegerichtmaschinen gerichtet.
Homogenisieren
Einige Kupferlegierungen müssen nach dem Gießen vor der Weiterverarbeitung homogenisiert werden. Beim Homogenisieren wird das Band auf ca. 650°C erwärmt und über mehrere Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Bei der Erstarrung entstandene Seigerungen werden durch Diffusionsbeschleunigung aufgelöst. Die Auflösung führt zur Entstehung von übersättigten Mischkristallen. Es findet eine Kornvergröberung statt.
