Welche Eigenschaften hat Kupfer?
Kupfer ist eines der ältesten Metalle, das in der Menschheitsgeschichte verwendet wird. Es existiert kaum ein Bereich, in dem es nicht in Verwendung ist. Vor allem ist Kupfer Teil einer jeden Technologie, die unser tägliches Leben zu dem macht, was es heute ist. Elektrischer Strom, Trinkwasserversorgung, Fassaden- und Dacheindeckung oder Kommunikation wie wir sie kennen – ohne Kupfer ist all dies nahezu völlig unmöglich.
Mit seinem rötlichen Schimmer ist es das einzige farbige Element neben Gold. Seine zahlreichen hervorragenden Eigenschaften lassen sich außerdem noch weiter verbessern, in dem man Kupfer mit anderen Metallen legiert. Messing, Bronze oder Tombak gehören dabei zu den bekanntesten Legierungen von Kupfer.
Das Vorkommen von Kupfer
Kupfer kommt in unterschiedlichen Konzentrationen und Formen in unserer Natur vor - in Seen, Flüssen, Ozeanen und auch in der Erdkruste. Das Metall hat als natürliches Spurenelement ebenso eine hohe Bedeutung für den menschlichen Stoffwechsel sowie für viele andere Organismen.
Ein wesentliches Merkmal von Kupfer ist unter anderem, dass es im Gegensatz zum Großteil der anderen Metalle auch in gediegener Form in der Natur vorkommt. Gleiches trifft lediglich noch für Silber und Gold zu, die sich im Periodensystem der Elemente ebenfalls zusammen mit Kupfer in der ersten Hauptgruppe befinden. Mit einer Dichte von 8,93 g/cm³ zählt es bereits zu den Schwermetallen.
Die Eigenschaften im Einsatz
Die bedeutendsten Eigenschaften von Kupfer sind zweifelsohne die hervorragende elektrische Leitfähigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit. Im Bereich Elektrotechnik findet das Metall dabei die häufigste Verwendung. Was die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs betrifft, so lässt sich zunächst von einem relativ weichen Metall sprechen, das in Reinform keinen warmspröden Bereich hat.
Auch bei tiefen Temperaturen versprödet Kupfer nicht. Daher lässt es sich sehr gut umformen und bearbeiten. Die Zugfestigkeit von weichem Kupfer liegt bei etwa 200 MPa, die Dehngrenze hingegen bei 40 bis 80 MPa. Wesentlich höhere Festigkeiten lassen sich durch Legierungen von Kupfer erzielen, die dann ca. 700 MPa oder gar 1500 MPa betragen kann.
Der Legierungszusatz verschlechtert dann allerdings die Leitfähigkeit des Metalls. Bemerkenswert sind auch die Dauerschwing-Festigkeitskennwerte von Kupfer, weshalb keine Sprödbrüche in schwingenden Anwendungen erwartet werden müssen.
Widerstandsfähigkeit von Kupfer
Kupfer zeichnet sich durch seine Beständigkeit gegen vielerlei äußerer Einflüsse aus, etwa gegenüber Säuren nicht oxidierender Art ohne gelösten Sauerstoff. Gleiches gilt auch für die meisten Laugen der Alkali- und Erdalkalimetalle. Bei Kontakt mit der Luft entsteht an der Oberfläche von Kupfer eine dunkelbraune, nahezu schwarze Schutzschicht, die sich im weiteren Verlauf zur allseits bekannten, grün schimmernden Patina entwickelt. Zugleich besitzt der Werkstoff eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Brauch- und Trinkwasser, weshalb Kupferrohre sehr häufig für Anwendungen dieser Art genutzt werden.
Wie lässt sich Kupfer bearbeiten?
Kupfer ist aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften und seiner Bedeutung in vielen Industriezweigen ein wesentliches Material, und dementsprechend umfasst seine Bearbeitung eine breite Palette von Techniken – sie reichen die von traditionellen mechanischen Methoden bis hin zu modernen Schweißverfahren. Durch seine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, seine Duktilität und seine Korrosionsbeständigkeit eröffnen sich spezielle Anforderungen und Möglichkeiten für die Bearbeitung von Kupfer.
Mechanische Bearbeitung von Kupfer
Kupfer fräsen und drehen
Kupfer lässt sich aufgrund seiner Weichheit gut fräsen und drehen. Moderne CNC-gesteuerte Maschinen erlauben präzise Schnitte und komplexe Formen mit hoher Oberflächengüte.
Kupfer biegen und umformen
Die Duktilität von Kupfer ermöglicht es, das Metall zu biegen und in verschiedene Formen zu bringen, ohne dass es bricht. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für die Herstellung von Rohrleitungen und elektrischen Leitern.
Kupfer bohren
Das Bohren von Kupfer ist mit den richtigen Werkzeugen und Techniken relativ einfach, wobei aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Materials für ausreichende Kühlung gesorgt werden sollte.
Schweißen von Kupfer
Das Schweißen von Kupfer stellt aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eine besondere Herausforderung dar. Wärme wird schnell vom Schweißbereich weggeleitet, was hohe Temperaturen und entsprechend leistungsfähige Schweißverfahren erfordert.
WIG-Schweißen
Eines der bevorzugten Verfahren für das Schweißen von Kupfer ist das WIG-Schweißen. Es ermöglicht eine kontrollierte Wärmezufuhr und minimiert Oxidation, was für die Erhaltung der elektrischen Leitfähigkeit von Kupferverbindungen entscheidend ist.
MIG-Schweißen
Auch das MIG-Schweißen kann für dickere Kupferteile verwendet werden, wobei hier ebenfalls auf eine angepasste Technik und ausreichende Energiezufuhr zu achten ist.
Laserschweißen von Kupfer
Das Laserschweißen bietet eine fortschrittliche Alternative für die Bearbeitung von Kupfer, besonders bei Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern.
Präzision
Das Laserschweißen ermöglicht sehr feine Schweißnähte und ist ideal für kleine oder komplexe Bauteile, bei denen herkömmliche Schweißmethoden zu ungenau wären.
Minimale thermische Beeinträchtigung
Durch den konzentrierten Energieeintrag des Lasers wird die umgebende Materialstruktur weniger beeinflusst, was bei Kupfer aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit besonders vorteilhaft ist.
Herausforderungen beim Laserschweißen
Die hohe Reflexionsrate von Kupfer für Laserlicht kann die Effizienz des Schweißprozesses beeinträchtigen. Die Verwendung von Lasern mit einer geeigneten Wellenlänge und die Anpassung der Schweißparameter können jedoch zu erfolgreichen Ergebnissen führen.
Kupfer löten
Das Löten stellt eine weitere wichtige Technik in der Verarbeitung von Kupfer dar und kann eine gute Alternative zum Schweißen sein. Aufgrund der niedrigeren Arbeitstemperaturen und der Möglichkeit, auch feine Verbindungen herzustellen, ist Löten eine ausgezeichnete Methode für elektrische Anwendungen, bei denen die Erhaltung der Leitfähigkeit im Vordergrund steht.
