Kupfer

Seit fast 6000 Jahren haben Kupfer und seine Legierungen eine große technische Bedeutung. Kupfer ist unser erstes Gebrauchsmetall und es ist auch heute für die Technik unverzichtbar. Ein ICE-Zug enthält beispielsweise ca. 7500 kg Kupferwerkstoffe. Der weltweite Verbrauch des Metalls beziffert sich auf etwa 20 Mio. t pro Jahr. Kupfer ist nur zu ca. 0,01 % an der Erdkruste beteiligt und demzufolge zählt es nicht zu den häufigen chemischen Elementen. Seine speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften entscheiden über den technischen Einsatz.

Eigenschaften von Kupfer

Wichtige physikalische und mechanische Kennwerte des reinen Kupfers sind in Tab.1 aufgelistet.

Tab. 1 Kennwerte von reinem Kupfer
(Bei RT, Angaben zu mechanischen Eigenschaften sind Orientierungswerte)

Kenngröße Wert
 Ordnungszahl  29
 Dichte  8,9 g/cm3
 Schmelztemperatur    1.085 °C (1.358 K)
 Elektrische Leitfähigkeit  59·106 S/m
 Wärmeleitfähigkeit  400 W/m·K
 E-Modul  125.000 MPa
 Zugfestigkeit  250 MPa
 Bruchdehnung  60 %
 Härte   30 HB
 Normalpotential 0,34 V 

Kupfer hat eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird. Sie ist stark vom Reinheitsgrad abhängig, maßgebend sind hierbei die Anteile an Sauerstoff in Form von Kupferoxid. Auch durch kleine Mengen von Legierungselementen kann die Leitfähigkeit stark gesenkt werden. Kupfer ist diamagnetisch.
Die Wärmeleiteifähigkeit von Kupfer ist hervorragend, sie erreicht nahezu den doppelten Wert von Aluminium und etwa das zehn- bis fünfzehnfache von Stahl.

Die mechanischen Eigenschaften sind unter Berücksichtigung der hohen Dichte als mäßig zu bewerten. Die Festigkeit von Kupfer technischer Reinheit lässt sich durch Kaltumformung erheblich steigern. Bei ausreichend hohem Umformgrad fallen sogar Zugfestigkeit und 0,2-Dehngrenze zusammen.

Kupfer kristallisiert im kubisch-flächenzentrierten Gitter und hat keine allotropen Modifikationen. Bedingt durch das kfz-Gitter lässt es sich sehr gut umformen. Da Kupfer nicht kaltspröde wird, kann es auch bei tiefen Temperaturen noch plastisch verformt werden. Aufgrund seiner hohen Zähigkeit neigt Kupfer zum Schmieren, wodurch es eine schlechte Zerspanbarkeit und ein hoher Werkzeugverschleiß ergeben. Beim Schweißen von Kupfer können alle Schweißverfahren angewendet werden, besonders geeignet sind jedoch Verfahren mit Schutzgasanwendung (MIG, WIG). Kupfer ist im geschmolzenen Zustand dickflüssig; die Gießbarkeit ist daher schlecht.

Mit einem positiven Normalpotential von +0,34 V steht Kupfer in der elektrochemischen Spannungsreihe auf der Seite der Edelmetalle, wird dieser Gruppe aber nicht zugerechnet. Dieses elektrochemische Verhalten verleiht dem Metall eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit. Gegen Witterung, Wasser und Dampf ist Kupfer beständig. In der Atmosphäre bildet sich ein grüner Überzug (Patina) aus Kupfercarbonat, -sulfat und -chlorid, der das Metall vor weiterem Korrosionsangriff schützt. Bei Luftausschluss wird Kupfer von verdünnter Schwefelsäure, Salzsäure und Essigsäure nicht angegriffen. Bei gleichzeitiger Einwirkung von Luft ist das Metall jedoch gegen alle Säuren unbeständig, so entsteht z.B. Kupferacetat (giftiger Grünspan) beim Einwirken von Essigsäure.

Gewinnung von Kupfer

Die Gewinnung von reinem Kupfer erfolgt meist aus schwefelhaltigen (sulfidischen) Erzen mit einem Kupfergehalt von bis zu 4 %. Das Schema der Gewinnung ist vereinfacht in Abb. 1 dargestellt. Die Erze werden mithilfe von Flotation bis auf ca. 10 % Kupferanteil angereichert. Danach wird die Methode der Feuer-Raffination angewandt. In drei Stufen wird Anoden-Kupfer (99,5 % Cu) hergestellt. Um technisch reines Kupfer zu gewinnen, wenden wir die Methode der Elektrolyse an. Im Gegensatz zum Aluminium wird die Elektrolyse-Raffination des Kupfers in einem wässrigen Elektrolyt durchgeführt wird. Dadurch werden keine hohen Energiemengen benötigt. Das Produkt der Elektrolyse ist das Kathoden-Kupfer mit ca. 99,9 % Cu. Für noch höhere Reinheitsgrade wird die Elektrolyse-Raffination wiederholt.

 

 

 

Abb. 1 Gewinnung von Kupfer (vereinfacht)

Anwendung von Kupfer

Wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit ist die Elektrotechnik das Hauptanwendungsgebiet von Kupfer (ca. 50 % der Kupferproduktion). Ein gutes Beispiel sind Induktionsspulen (Abb. 2a). Für elektrotechnische Zwecke werden elektrolytisch raffinierte Kupfersorten mit definierten Zusammensetzungen und Eigenschaften hergestellt.

         

Abb. 2 Anwendungsbeispiele für reines Kupfer a Induktionsspulen, b Destilationsanlage in einer Brennerei

Dank guter Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit wird Kupfer in der Bauindustrie, z.B. für Wasserleitungen und Heizungssysteme verwendet. Einen ganz speziellen Einsatz findet Kupfer in Brennereien als Baumaterial für deren Destillationsanlagen (Abb. 2b). <<