Herausgeber: Deutsches Kupferinstitut, Auskunfts- und Beratungsstelle fuer die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen. Am Bonneshof 5, 40474

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1 Herausgeber: Deutsches Kupferinstitut, Auskunfts- und Beratungsstelle fuer die Verwendung von Kupfer und Kupferlegierungen. Am Bonneshof 5, Düsseldorf, Telefon (02 11) , Telefax: (02 11) Mailbox: (02 11) oder (02 11)

2 1. Was ist Kupfer? 2. Geologische Bildung der Kupfererze 3. Geschichtliches 4. Vorkommen 5. Verfügbarkeit 6. Gewinnung 7. Rückgewinnung 8. Umweltverträglichkeit 9. Kupfersorten und Werkstoffe 10. Eigenschaften 1 1. Verarbeitung 12. Verwendung 13. Wirtschaftliches Aus unserem täglichen Leben ist Kupfer nicht wegzudenken. Wir finden es, um nur einige Beispiele zu nennen, als Draht in elektrischen Leitungen, als Rohr in Kaltwasser-, Warrnwasser- oder Heizungsinstallationen und als Blech für Dachdeckungen und Wandbekleidungen. 1. Was ist Kupfer? Kupfer, das rote Metall mit dem che- mischen Symbol Cu, steht im periodischen System der Elemente in der ersten Nebengruppe über Silber und Gold. Mit diesen Edelmetallen hat das Kupfer Ähnlichkeiten. So sind Kupfer und Gold die beiden einzigen farbigen metallischen Elemente; Kupfer und Silber sind die beiden besten Leiter für Wärme und Elektrizität [lj. 2. Geologische Bildung der Kupfererze Nach den Vorstellungen über die Ent- stehung der Erde haben sich die primären, sulfidischen Kupfererze im wesentlichen in der Abkühlungsperiode der noch feuerflüssigen Erdkugel gebildet und im Erdinnern angesammelt. Durch Brüche der ersten festen Schale der Erde sind sie später von dort aufgestiegen und haben, teils im Innern der uns noch zugänglichen Erdkruste, teils auf dieser selbst, primäre Lagerstätten, aber auch sedimentäre Abfolgen gebildet. Wegen seiner starken Affinität zu Schwefel wird Kupfer bei der primären Lagerstättenausbildung fast immer in sulfidischer Form gebunden. Oxidische Kupfererze sind durch Verwitterung sulfidischer Minerale entstanden. 3. Geschichtliches Kupfer hat die Kulturgeschichte maßgeblich beeinflußt. Die Bekanntschaft des Menschen mit dem Kupfer reicht weit zurück. Kupferwurdevor über Jahren in der Steinzeit von den Menschen als erstes Metall verwendet. Und für fast 5000 Jahre blieb Kupfer das einzige genutzte Metall. Alle metallischen Geräte damaliger Zeit waren aus Kupfer. Erst etwa 4000 v. Chr. kam Gold als zweites Metall hinzu, wie Bild 1 verdeutlicht [21 [3]. Da Kupfer in der Natur auch gediegen vorkam (das größte bisher gefundene Kupferstück wog 420 t [4]), wurde es bereits sehr früh zum Gebrauchsmetall des Menschen. In der Frühzeit sind solche Kupferstücke wohl als eine Art Stein angesehen worden. Der Mensch erkannte, Bild l (DKI A 5101) Erste wirtschaftliche Nutzung verschiedener Metalle [2] daß sich dieser seltsame Stein ohne zu splittern durch Hämmern formen und härten ließ. Mit dieser Erkenntnis begann die Metallzeit. Vermutlich vollzog sich die Entwicklung stufenweise: 1.Der Mensch formte und verfestigte das Kupfer durch Hämmern, ohne es vorher zu erwärmen. 2. Er lernte es, das verfestigte Kupfer zu erhitzen, um eine weitere Formgebung zu erleichtern. 3. Er lernte, das gediegene, metallische Kupfer weiter bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen, in Steinformen zu gießen und durch Hämmern zu verfestigen. 4. Er lernte, das Kupfer aus Erzen zu gewinnen. 5. Er lernte, Kupfer zunächst mit Zinn und dann mit vielen anderen Metallen zu legieren. Hierzu gibt es auch klare Zeitvorstellungen [5]: Reine Steinzeit (Sprödsteinzeit) vor etwa bis vor etwa Jahren; Chalkolithikum (gediegene Metalle); vor etwa bis vor etwa Jahren; erstes Schmelzen von Kupfer etwa 4500 v. Chr.; erstes Erschmelzen von Kupfer aus Erz etwa 3900 v. Chr.; älteste Zinnbronzen (1 1,1 % Sn) etwa 3500 v. Chr. Etwa 3000 v. Chr. lernten die Menschen, Silber und Blei zu verwenden und Kupfer mit Zinn zu legieren. Für viele Jahr- hunderte prägte Zinnbronze die Kulturgeschichte der Menschheit. Die Bronzezeit endete etwas abrupt etwa 1200 v. Chr. mit dem Untergang der antiken Welt und der damit verbundenen Unterbrechung der internationalen Handelswege. Die Zinnversorgung wurde schwierig, und es begann die Eisenzeit, da dieses Metall leichter verfügbar war [2]. Nach unseren heutigen Kenntnissen wurde in der frühsteinzeitlichen Siedlung Hüyük bei Konya im südlichen Anatolien schon vor 9000 Jahren Kupfer verwendet [6]. Anscheinend verbreitete sich die Kenntnis des Kupfers erst erheblich später, vermutlich von Anatolien ausgehend in andere Länder der Alten Welt. Etwa um 4800 v. Chr. wurden in Ägypten Gebrauchsgegenstände aus gediegenem Kupfer, das in der Natur gefunden wurde, durch Hämmern mit Steinwerkzeugen her- gestellt; größere Funde von Waffen und Werkzeugen aus Kupfer stammen aus der Zeit um 4000 v. Chr. Bereits um 3900 v. Chr. sollen die Ägypter Kupfer aus Malachit erschmolzen haben. Sie waren sowohl in der Gewinnung als auch in der Bild 2 (DKI A 0398) Wasserleitungsrohr aus getriebenem Kupferblech in einer Steinrinne verlegt und mit Gips überdeckt aus der Zeit um 2500 v. Chr. (Staatl. Museen, Berlin) Verwendung des Kupfers bereits sehr erfahren und betrieben um 3200 bis etwa 1160 v. Chr. einen umfangreichen Bergbau auf Malachit und Azurit (---> Abschnitt 4) auf der Halbinsel Sinai. Die Steine der Cheopspyramide wurden mit kupfernen Werkzeugen bearbeitet [41. Bild 2 zeigt ein Stück aus einer etwa 400 m langen Wasserleitüng, die um 2500 v. Chr. im Totentempel des Sahur6 verlegt wurde. Die frühe Herstellung und Verwendung von Zinnbronze begann um 3500 v. Chr. und ist ebenfalls vor allem aus Ägypten bekannt. Andere Kupfer- und Bronzegegenstände aus dem 3. Jahrtausend v. Chr. stammen aus der Gegend von Mohenjo Daro im Industal (Pakistan), aus dem Reich der Surnerer am unteren Euphrat, aus China und aus Mitteleuropa. Selbst Messing war im 3. Jahrtausend v. Chr. in Sabylonien und Assyrien bekannt. Die Arbeiten der Meister der griechischen Antike bilden den Höhepunkt der metallhandwerklichen Kunst in vorchristlicher Zeit. Das wichtigste literarische Zeugnis zur antiken Bronzekunst ist die berühmte Schilderung der Schmiede des Hephaist in Homers Ilias. Schon damals wurde die Kunst des Schmiedens"Techne" genannt, ein Wortstamrn, aus dem sich - allerdings in erweiterter Bedeutung - das Wort Technik entwickelte. Ein bedeutendes Zeugnis der Bronzekunst dieser Zeit sind außerdem die Werkstattbilder der "Berliner Erzgießerschale", die Darstellungen einer antiken Bronzegießerei zeigend (Bild 3). Durch die Ausgrabungen einer antiken Gießerei in Olympia durch die Berliner Freie Universität wurden Kenntnisse der antiken Gießereitechnik gesichert und vertieft [7]. Als hervorragendes Beispiel zu damaliger Zeit gegossener Bronzestatuen zeigt Bild 4 die originale Statue des Apollon um 30 v. Chr. Die Römer nannten das Kupfer "aes cypriurn" (Erz aus Gypern), später cuprurn. Wahrscheinlich geht der Name der kupferreichen Mittelmeerinsel auf das assyrische Wort"kipar" zurück. Bild 3 (OKI A 51 02) Berliner Erzgleßerschale (Antikensamrnlung, Staatliche Museen zu Berlin; Photo: Ingrid Jeske)

3 Bild 4 (DKI A 5103) Statue des Apollon um 30 v.chr. (Antikensammlung, Staatliche Museen zu Berlin; Photo: Johannes Laurentius) In Mitteleuropa wurden im Raum von Helgoland vor etwa 700 Jahren Kupfererze verhüttet [8], [91. Ob hier bereits in der Bronzezeit Kupfer gewonnen wurde, wird noch untersucht. 4. Vorkommen Der Kupfergehalt in der Erdkruste beträgt im Mittel etwa 0,006 %. In der Reihenfolge der Häufigkeit aller Elemente in der Erd- Mineralname Formel Cu- Gehalt (%) * ) Kupfer gediegen Cu 99 Chalkosin Cu 2 S 79 Digenit Cu 9 S 5 78 Covellin CuS 66 (Kupferindigo) Bornit Cu 5 FeS 4 63 Enargit Cu 3 AsS 4 48 Tennantit Cu 12 As 4 S (Arsenfahlerz) Tetraedrit Cu 12 Sb 4 S Antimonfahlerz) Chalkopyrit CuFeS 2 34 (Kupferkies) Cubanit CuFe 2 S 3 23 Cuprit Cu 2 O 88 (Rotkupfererz) Tenorit CuO 80 (Schwarzkupfererz) Malachit Cu 2 (OH) 2 CO 3 57 (Kupferspat) Azurit Cu 3 (OH) 2 [CO 3 ] 2 55 (Kupferlasur) Chrysokoll CuSiO 3 + aq Atacamit Cu 2 (OH) 3 Cl 59 Brochantit Cu 4 (OH) 6 SO 4 56 Antlerit Cu 3 (OH) 4 SO 4 53 Chalkanthit CuSO 4 5H 2 O 25 Tab. 1: Wichtige Kupferrnineralien, je- weilige chemische Formel uncl Kupfergehalte in % [11] *) auf ganze Zahlen abgerundet Bild 5 Kupferminerallen: Erste Reihe (von oben nach unten): Atacarnit (Chuquieamata/Chile); Kupfer gediegen(while Pine/USA); Oxidisches Kupfererz (Chuquicamata/Chile); Zweite Reihe: Kupferschiefer(Sontra/ Deutschland); Oxidisches Kupfererz (Chingola/Sambia); Lagiges Kupfererz (Rammelsberg/Deutschland) [11 ] kruste steht Kupfer damit an der 23. Stelle [10]. Es findet sich in Spuren in praktisch allen Gesteinen. In gediegener Form, d. h. im metallischen Zustand, kommt Kupfer z. B. im Ural und in den USA am Oberen See sowie in Neu- Mexiko vor. Kupfer hat wie Eisen die Neigung, sich leicht mit Schwefel zu verbinden; deshalb treten beide Metalle häufig zusammen in Form von schwefel- haltigen Mineralien auf. Die beiden wichtigsten Kupfererze sind der Kupferkies (Chalkopyrit) und der Kupferglanz (Chalkosin). Von den bergbaulich wichtigeren Kupfererzen seien noch das sulfidische Mineral Buntkupferkies (Bornit), sowie die oxidischen Mineralien Malachit, Kupferlasur (Azurit) und Rotkupfererz (Cuprit) genannt (Bilder 5 u. 6). Für die wichtigsten Kupferrnineralien sind in Tab. 1 die chemischen Formeln und die durchschnittlichen Kupfergehalte in % genannt [11]. Bild 6 Kupterrnineralien: Erste Reihe (von oben nach unten): Malachit (Kupferspat) (Tocopilla/Chile); Enargit(Yauricocha/Peru);Azurit (Kupferlasur) (Tsumer/Namibia); Zweite Reihe: Covellin (Kupferindigo) (Pachapaqui/Peru); Chalkopyrit (Kupferkies) (Madrigal/Peru); Polymetallisches Gangerz (Chochabamba/Peru) [11 ] Die wichtigsten Kupferbergbaugebiete (Bild 7) sind in Afrika Sambia und der Süden des Kontinents, die Westküste Südamerikas, insbesondere Nordchile und Peru, ferner Mexiko, das Seengebiet von Nordamerika, Kanada und der Südwesten der USA, in der UdSSR die Kupferreviere von Kasachstan und Usbekistan. Ober nennenswerte Lagerstätten verfügen auch Australien, China, Indonesien, Papua-Neuguinea und die Philippinen. Von den Kupfererzvorkommen in Europa ist nur Polen von Bedeutung. In Deutschland sind die spärlich vorhandenen Kupfervorkommen erschöpft bzw. nicht mehr wirtschaftlich abbaubar. 5. Verfügbarkeit Die heute bekannten Kupferreserven (1991) werden auf 552 Mio t geschätzt, von denen unter gegenwärtigen Bedingungen 321 Mio t wirtschaftlich abbaubar Bild 7 (DKI A 0221) Kupfer in der Welt*). Die Bergwerksproduktion von Kupfererzen hatte 1994 einen Kupferinhalt von rund t; Die Produktion von raffiniertem Kupfer hatte raffiniertes Kupfer aus Rücklaufmaterialien eingeschlossen - einen Kupferinhalt von rund t [13]. Die prozentualen Anteile der bedeutendsten Kupferproduzenten zeigen die Tabellen 2 Lind 3. *) Kupferverbrauch s. Abschn. 13

4 sind. Die potentiell nutzbaren Kupfer- vorräte (Ressourcen) sind jedoch etwa dreimal so groß wie die obengenannten Gesamtreserven [12]. Und es werden immer noch weitere Vorkommen entdeckt. Außerdem entwikkelt man neue Gewinnungsverfahren für arme Erziager, so daß Kupfer auch in Zukunft in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht. Eine wesentliche Kupferquelle ist die Kupferrückgewinnung (s. Abschn. 7). In Deutschland werden ca. 45 % des heutigen Kupferbedarfes durch Recycling gedeckt. Weitere Reserven liegen ferner in den maritimen "Manganknollen" (Bild 8) und in Kupferschielerlagern vor. Große Mengen sog. Manganknollen lagern auf den Tiefseeböden vor allem des Pazifischen Ozeans; meist in Tiefen um 5000 m (Bild 9). Die Manganknollen der Tiefsee, deren Förderung in ferner Zukunft Bedeutung gewinnen kann, enthalten etwa 1 % Cu (Bild 10). Der Kupferinhalt der Manganknollen wird auf insgesamt 0,7 x 109 t geschätzt [ 1 1 ]. Zur Größe der Kupferreserven läßt sich zusammenfassend feststellen: Die abbauwürdigen Kupferreserven hängen stark vom Kupferpreis ab. Die bekannten Kupfervorkommen und damit auch die Kupferreserven haben sich bisher im Laufe der Jahre ständig vergrößert. Dieser Trend wird sich auch in Zukunft fortsetzen. Die Gründe dafür sind: Die Entwicklung neuer Technologien für Exploration und Gewinnung. Die Erforschung bislang unbekannter Teile der Erde. Die Verbesserung der Verfahren zur Rückgewinnung von Kupfer. Die Nutzung der Manganknollen der Weltmeere in ferner Zukunft. Bild 10 Durchschnittliche Metallgehalt von Manganknollen. Auf dem Anschnitt der dargestellten Manganknolle aus dem Zentral- pazifik wurden folgende Metallgehalte ermittelt: 1,3 % Cu; 1,4 % Ni; 27 % Mn; 8 % Fe und 0,2 % Co [11] Der auf das Produkt bezogen abnehmende Einsatz von Kupfer (Miniaturisierung). 6. Gewinnung Die "Fördererze" haben erheblich ge- ringere Kupfergehalte als die reinen Kup- ferrnineralien (---> s. Tab. 1). Die heute geförderten Erze enthalten meist nur ca. 1 %, auf einigen großen Gruben sogar nur etwa 0,3 % Cu. 6.1 Bergbau Kupfererze werden sowohl im Untertagebau als auch im Tagebau gewonnen. Die riesigen porphyrischen Kupferlagerstätten mit geringen Kupfergehalten des Erzes «1 % Cu) lassen sich nur durch den kostengünstigeren Tagebau und mit modernsten Abbaurnethoden wirtschaftlich nutzen. Die terassenförmigen Tagebaue dieser Kupferlagerstätten stellen die größten Erzgruben der Welt dar (Bild 11). Ihre Ausmaße erstrecken sich nicht selten über mehr als einen Quadratkilometer Fläche bei Abbauteufen von mehreren hundert Metern. Der größte Kupfererztagebau ist z. Z. die Chuquicamata-Grube (Chile). Die abgebauten Mengen belaufen sich auf bis zu t Kupfererz pro Tag [11]. Obwohl sehr viel weniger Kupfer als Eisen erzeugt wird, bewegt der Kupferbergbau der westlichen Welt jährlich eine Gesteinsrnenge, die etwa der Menge entspricht, die der gesamte Eisenbergbau der Welt bewegt. Derzeit stammen über 50 % des gewonnenen Primärkupfers aus Tagebauen. Bild 11 (DKI A 3371) Kupfertagebau. Große Lagerstätten verhältnismäßig armer Kupfererze werden im Tagebau abgebaut. Bild 12 (DKI A 3864) Flotationsanlage Vielfach sind ursprünglich sulfidische Erzlagerstätten durch oxidierende Einflüsse im Bereich der Erdoberfläche in oxidische Mineralien verwandelt worden. Deshalb beginnt auf vielen Lagerstätten der Bergbau von der Erdoberfläche ausgehend mit dem Abbau oxidischer Kupfermineralien, um bei zunehmender Teufe nach und nach schließlich das Gebiet der sulfidischen Erze zu erreichen. 6.2 Aufbereitung Vor der Verhüttung erfolgt die Abtrennung der in den Fördererzen vorhandenen großen Mengen "tauben" Begleitgesteins (Gangart) von den kupferhaltigen Erzteilen. Das Erz wird zunächst durch Erzbrecherzerkleinert und in Kugelmühlen zu Pulver gemahlen, wobei die Freilegung der einzelnen Mineralphasen häufig erst bei Korngrößen kleiner 100 pm erfolgt. Die Erzanreicherung zu Kupferkonzentraten erfolgt bei sulfidischen Kupfererzen nach dem Verfahren der Schwimmaufbereitung (Flatation) (Bild 12). Hierbei werden Mineralien in einer Erztrübe aufgrund unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften voneinander getrennt. Dazu wird feingemahlenes Roherz in Wasser aufgeschlämmt, dem bestimmte, die Senetzbarkeit der Mineralien beeinflussende Chemikalien und Schaumbildner zugesetzt werden; Luft wird in feiner Verteilung am Boden der Behälter eingeblasen. Die sulfidischen Kupfermineralteilchen sind hydrophob, hängen sich an die Luftbläschen und werden von diesen in den oben überlaufenden Schaum Bild 9 Manganknollenverteilung auf den Ozeanböden [14]

5 gehoben, während sich die tauben Gesteinskörnchen - die Gangart - am Behälterboden sammeln, Man erhält auf diese Weise Erzkonzentrate, deren Kupfergehalt meistens zwischen 20 und 30 % liegt. Sehr reiche Konzentrate enthalten bis zu 50 % Kupfer. Ein Flotationsverfahren besteht meistens - abhängig von der Mineralogie des Roherzes - aus mehreren Stufen, um möglichst reine Konzentrate und hohe Ausbringungsraten zu erreichen. Zunächst wird in einer Vorflotation möglichst viel Kupfer in einem Vorkonzentrat ausgebracht. Dieses Zwischenprodukt durchläuft nach einer eventuellen Nachmahlung weitere Reinigungs- und Nachreinigungsstufen, ehe es als Kupferendkonzentrat eingedickt und getrocknet wird. Gemischte sulfidisch-oxidische Erze mit zunehmenden Anteilen an oxidischen Erzen verhalten sich bei der Flotation ungünstig. Sie werden mit oder ohne vorangehende Röstung entweder naßmetallurgisch oder nach einem mit der Flotation kombinierten Verfahren verarbeitet. Aus oxidischen Kupfererzen wird normalerweise das Kupfer naßmetallurgisch gewonnen. Dazu wird das zerkleinerte Erz in Tanks mit Schwefelsäure behandelt und Kupfer aus dem Erz herausgelaugt. Dieses Verfahren kann auch auf Erz- und Rückstandshalden, sowie auf ganze Lagerstätten angewendet werden, sofern das Gestein die erforderliche Durchdringung mit Schwefelsäure erlaubt. Das gelöste Kupfer wird anschließend durch geeignete Extraktionsverfahren aus der Lauge ausgefällt. 6.3 Verhüttung Kupferkonzentrate werden ausschließlich schrnelzmetallurgisch (pyrometallurgisch) und oxidische Kupfererze 15 bis 20 % der Kupfererze) naßmetallurgisch (hydrornetallurgisch) verarbeitet. Den Reaktionsablauf der pyro- und hydrometallurgischen Kupfergewinnungsverfahren zeigt Bild 13., Wegen der hohen Investitionskosten von mehreren 100 Mio DM lohnt sich die schmelzmetallurgische Verarbeitung nur bei hohen Kapazitäten von über t Sulfidische Erze Oxidische Erze Bild 13 (DKI A 5104) Gewinnung von Metallen - Gewinnung von Kupfer [15] Kupfer pro Jahr. Der Standort der Hütte ist nicht an die Nähe der Mine gebunden, da der Transport von Kupferkonzentraten auch über große Entfernungen wirtschaftlich ist (Lohnhütte). Hydrometallurgische Verarbeitung ist dagegen bereits bei kleineren Kapazitäten, zum Teil bereits bei unter t Kupfer pro Jahr, wirtschaftlich. Sulfidische Erze werden im Anschluß an die schmeizmetallurgische Gewinnung durch Feuer-Raffination und Raffinations- Elektrolyse, oxidische Erze durch Reduktions-Raffination zu Kupferkathoden verarbeitet Schrnelzrnetallurgische Gewinnung Die Gewinnung des Rohkupfers aus Kupferkonzentraten, vorzugsweise aus Kupferkies (CuFeS2), erfolgt in mehreren Reaktionsstufen. Dabei sind drei Wege möglich (Bild 13): o Der ältere Weg führt über die drei Arbeitsgänge: Teilrästen, Steinschmelzen, Konverterbetrieb. o Das heute am häufigsten verwendete Verfahren: Schwebeschmelzverfah- ren, Konverterbetrieb. o Dritter Weg: Kornbination der drei Einzelarbeitsgänge zu einem kontinuierlichen Prozeß. Grundsätzlich ist der Reaktionsablauf für alle eingesetzten schmelzmetallurgischen Gewinnungsverfahren gleich. Er führt über die Verfahrensstufen Schmelzen zu Kupferstein (Cu-Gehalt 30 bis 80 %), Konvertieren zu Blisterkupfer (Cu-Gehalt 96 bis 99 %) mit nachfolgender Feuer-Raffination zu Anadenkupfer (Cu-Gehalt > 99 %, Sauerstoffgehalt < 0,2 %). Um Kupferstein, ein Gemisch aus Schwefelkupfer und Schwefeleisen, zu er- zeugen, werden Kupferkonzentrate unter Zugabe von Schlackenbildnern (Si02) OXidierend erschmolzen. Je nach Verfahren wird dabei ein mehr oder weniger großer Teil der notwendigen Schmelzenergie durch teilweise Oxidation des Schwefels zu Schwefeldioxid und des Eisens zu Eisenoxid gewonnen. Für das Verschmelzen zu Kupferstein kommt es auf das richtige Mengenverhältnis zwischen Kupfer, Eisen und Schwefel an. Häufig muß deshalb zunächst ein Teil des Schwefels durch eine Erzröstung entfernt werden. Der Kupferstein trennt sich von der entstehenden, spezifisch leichteren Schlacke (Hauptbestandteile: Fe0, Si02, Ca0, A1203), die als flüssige Schicht auf dem flüssigen Kupferstein schwimmt. Beim Erschrnelzen von Kupferstein wird grundsätzlich zwischen Bad- und Schwebeschmelzverfahren unterschieden. Dabei finden beim ersteren Verfahren im Erzflarnrnofen die Reaktionen überwiegend in der flüssigen Phase und beim letzteren in der Gasphase statt. Die nachgeschaltete Schmelzzone beim Schwebeschmelzverfahren dient nur der Trennung von Kupferstein, Schlacke und Flugstaub. In Gebieten, in denen elektrische Energie kostengünstig zur Verfügung steht, werden zum Konzentratschmelzen auch Elektroöfen eingesetzt. Badschmelzverfahren haben den Nachteil eines hohen Brennstoffverbrauchs. Dafür ist der Erzflammofen unempfindlich beim Einsatz unterschiedlicher Vorstoffe und erlaubt Bild 14 (1)KI A 5105) Gewinnung von Metallen - Pyrornetallurgie des Kupfers [15] auch die Verarbeitung feuchter Kon- zentrate. Durch Vorheizen der Verbrennungsluft und den Einsatz von Sauerstoffbrennern wurde die Wirtschaftlichkeit des Erzflammofens erheblich verbessert. Standardmäßig hat sich heute für große Kapazitäten ein Schwebesehrnelzverfahren (Bild 14), das Outokumpu-Verfahren, durchgesetzt [6]: Ein Reaktionsschacht dient hierbei zugleich dem Rösten und Schmelzen der vorgetrockneten Konzentrate. In einem darunter liegenden Absetzherd trennen sich Stein und Schlacke. Einem Abgasschacht sind Abhitzekessel und Filteranlagen nachgeschaltet, in denen aus den abströmenden Gasen Flugstaub abgeschieden wird. Das in den gefilterten Ofengasen enthaltene SO2 wird in Kontaktanlagen zu Schwefelsäure umgesetzt. Die Schlacke, die man aus dem Ofen abfließen läßt, hat oft eine solche Zusammensetzung, daß sie für Uferbefesti- gungen, zum Straßenbau und als Spurendünger verwendet werden kann. Der von Zeit zu Zeit dicht über dem Ofenboden abgestochene Kupferstein wird in einen Konverter gegossen (Bild 1 5). Hier wird durch Einblasen von Luft in den flüssigen Kupferstein zuerst das restliche Eisensulfid oxidiert, wobei Schwefel als gasförmiges SO2 mit dem Abgas weggeführt und auf Schwefelsäure verarbeitet wird, während das Eisen mit zugeschlagener Kieselsäure eine Schlacke bildet, die abgegossen wird. Bild 15 (DKI A 3885) Ausgießender Kupfer konverter

6 Anteil Anteil (Kupferinhalt) in 1000 t in % 1. Chile ,6 2. USA ,6 3. GUS*) 900 9,3 4. Kanada 626 6,5 5. Sambia 560 5,8 6. Australien 430 4,5 7. Polen 391 4,0 8. Peru 362 3,8 9. China 550 3,6 10. Indonesien 334 3,5 11. Mexiko 291 3,0 12. Papua-Neuguinea 203 2,1 13. Südafrika 185 1,9 14. Portugal 130 1,4 15. Philippinen 105 1,1 Tab. 2: Bergwerksproduktion von Kupfererzen 1994; Kupferinhalt der Gesamtproduktion rund t; Anteile der bedeutendsten Kupferproduzenten [13] *) GUS und andere Staaten der ehem. UdSSR Anteil Anteil (Kupferinhalt) in 1000 t in % 1. USA ,6 2. GUS * ) ,4 3. Chile ,3 4. Japan ,9 5. China 684 6,0 6. Deutschland 592 5,2 7. Kanada 550 4,9 8. Polen 405 3,6 9. Sambia 370 3,3 10. Australien 336 3,0 11. Belgien 317 2,8 12. Peru 253 2,2 13. Spanien 188 1,7 14. Mexiko 183 1,6 15. Philippinen 153 1,4 Tab. 3: Produktion von raffiniertem Kupfer 1994; Kupferinhalt der Gesamtproduktion rund t (raffiniertes Kupfer aus Rücklaufmaterial eingeschlossen); Anteile der bedeutendsten Hersteller von raffiniertem Kupfer *) GUS und andere Staaten der ehem. UdSSR Beim weiteren Verblasen zerlegt sich dann auch das Kupfersulfid, so daß der Konverterinhalt schließlich aus flüssigem Rohkupfer und einer stark kupferhaltigen Schlacke besteht. Dieses Rohkupfer enthält 96 bis 99 % Cu. Es erstarrt durch die Ausscheidung von etwas SO2-Gas gewöhnlich blasig (Blasen- oder Blisterkupfer). In neuerer Zeit gewinnen unter den Badschmelzverfahren die Direktverfahren, die in einem Zuge alle drei Verfahrensschritte Rösten, Schmelzen sowie Verblasen in sich vereinen, mehr und mehr an Bedeutung. Großtechnische Anwendung haben auf diesem Gebiet das Mitsubishi- Verfahren und der Noranda-Prozeß erlangt. Obwohl beim Mitsubishi-Verfahren der Verschleiß der Sauerstoff/Luft-Lanzen und die Qualität des erzeugten Blisterkupfers problematisch sind, wurde bei diesem Prozeß der bisher einzige kontinuierlich und wirtschaftlich arbeitende Konverter integriert. Die Entwicklung neuer Technologien erfolgte sowohl aus ökonomischen wie aus ökologischen Gründen mit folgenden Zielen [11]: Einsparung von Energie, Verbesserung des Umweltschutzes, Optimierung der Produktivität, Verarbeitung von verunreinigten Konzentraten, Möglichkeit des direkten Einsatzes von Recyclingmaterialien. Während sich die Badschmelzverfahren gut für den direkten Einsatz von Rücklaufmaterialien (s. Æ 7) eignen, ist dies bei den Schwebeschmelzverfahren nur in begrenztem Maße möglich. Das bestimmt unter Umständen auch die Auswahl des Prozesses, da die Rückgewinnung aus Sekundärmaterialien eine immer größere Bedeutung gewinnt Naßmetallurgische Gewinnung Durch die etwa 1970 erfolgte Einführung der Solventextraktionstechnik (Laugung mit Schwefelsäure und organischen Extraktionsmitteln) mit dem daran anschließenden Elektro-winning-Prozeß (Winning-Elektrolyse) wurde die hydrometallurgische Verarbeitung vorzugsweise von oxidischen Kupfererzen entscheidend verbessert. Die gewonnenen SXEW- Kathoden stehen qualitativ den durch Raffinationselektrolyse gewonnenen Kathoden nicht nach. Das verdeutlicht auch der Anstieg der Produktion von naßmetallurgisch erzeugtem Kupfer in der westlichen Welt. Die Produktion stieg von rund t 1989 auf rund t Zur Zeit werden rund 10% der gesamten Kupferproduktion hydrometallurgisch erzeugt. Mittels Solventextraktion werden oxidische und gemischt oxidisch/sulfidische Erze, die sich nicht oder nur schwer durch Flotation anreichern lassen, zu SXEW-Kathoden verarbeitet. Erze dieses Typs finden sich häufig in den oberen Schichten von sulfidischen Kupfererzlagerstätten, so daß diese zum Teil vor der eigentlichen Ausbeutung zunächst hydrometallurgisch abgebaut werden. Es scheint aber auch lohnend, aus Rückständen mit geringen Kupfergehalten ( 0,5% Cu) nach diesem Verfahren das Kupfer zu gewinnen. 6.4 Raffination Kupfer wird im Schmelzfluß und/oder durch Elektrolyse raffiniert. Die Feuerraffination wird von der elektrolytischen Raffination immer mehr zurückgedrängt. Z. Z. werden nur noch etwa 10 % des Kupfers im Schmelzfluß raffiniert. Der elektrolytischen Raffination geht jedoch immer eine Feuerraffination voraus, um schon in dieser Stufe so viel Verunreinigungen wie möglich zu verschlacken und dadurch die Elektrolyse zu entlasten. Außerdem hat diese Vorraffination im Schmelzfluß den Zweck, die im Blisterkupfer reichlich vorhandenen Elemente Schwefel und Sauerstoff letzteren durch das Polen (Æ 6.4.1) so weit zu entfernen, daß sie bei der elektrolytischen Raffination nicht stören Feuer-Raffination Je nachdem, ob bei der Feuer-Raffination (Bild 17) von festen Ausgangsstoffen Blisterkupfer in erstarrter Form oder Schrotten oder flüssigem Blisterkupfer ausgegangen wird, ist zwischen zwei Fällen zu unterscheiden: Umschmelzen im Flammofen (ASAR CO-Ofen) und anschließendes Polen im Trommelofen (Anodenofen). Polen von flüssigem Blisterkupfer im Trommelofen. Das erneute Aufschmelzen des Blisterkupfers ist insofern nachteilig, als der Flammofen einen schlechten thermischen Wirkungsgrad hat und große Abgasmengen entstehen. Im Raffinierflammofen werden Verunreinigungen, die im Roh- oder Altkupfer (Bild 16) enthalten sind, durch Einblasen von Luft in das flüssige Metall oxidiert und entfernt. Am Ende dieses Vorganges enthält das Kupfer eine erhebliche Menge von Kupfer(I)-oxid. Um die letzten Mengen von Schwefel zu entfernen und vor allem, um den Sauerstoffgehalt des Kupfers auf 500 ppm bis 2000 ppm zu senken, wird das Kupfer in den Drehofen (Anodenofen) überführt. Während früher frische Buchen- oder Birkenstämme zum Polen in das mit Koksgrus oder ausgeglühter Holzkohle abgedeckte flüssige Metall eingebracht wurden, werden heute überwiegend Bild 17 (DKI A 1472) Altrnetalle decken als Rücklaufmaterial einen erheblichen Teil des Kupferbedarfes

7 Erdgas, Propan, Naphta, Reformiergas oder Ammoniak als Reduktionsmittel eingesetzt. Durch die Bildung von flüchtigen organischen Verbindungen in den Reduktionsmitteln wird das Kupfer(I)-oxid unter Bildung von Wasserdampf und Kohlendioxid zu Kupfer reduziert und in den gießfertigen Zustand gebracht. Dieses feuerraffinierte, zähgepolte Kupfer soll noch geringe Mengen Sauerstoff enthalten. Dieser geringe Sauerstoffgehalt im zähgepolten Kupfer verhindert die Wasserstoffaufnahme und wirkt deshalb bei den Gußformaten während der Erstarrung der Lunkerbildung entgegen und macht leicht oxidierbare Verunreinigungen, die die Eigenschaften des erstarrten Kupfers beeinträchtigen könnten, durch Überführung in ihre Oxide unschädlich. Das Kupfer wird z. T. in einer Stranggießanlage zu Formaten wie Rundbolzen, Walzplatten und Kerbblöckchen, der größte Teil jedoch in der Kupferhütte zu Anoden vergossen. Die meisten Anoden werden auf großen sich drehenden Anodengießrädern(Bilder 14, 19) in 20 bis 30 offene Formen gegossen. Jedoch werden auch nach einem neueren Verfahren Anodenbleche kontinuierlich in einem Spalt zwischen zwei wassergekühlten Stahlbändern gegossen und mit einem Plasmabrenner kontinuierlich aus dem Band herausgeschnitten. Für die im Anschluß Bild 19 (DKI A 3862) Gießen von Anoclenplatten Bild 20 (DKI A 3372) Kupferelektrolyse; die Elektrolyse liefert Kupfer mit einem Reingehalt von über 99,95 % Bild 21 (DKI A 3373) Kathoden frisch aus der Elektrolysezelle gezogen folgende Elektrolytische Raffination wird von den Anoden gute Planheit und hohe Gewichtskonstanz gefordert Elektrolytische Raffination Da bereits sehr geringe Verunreinigungen die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer stark herabsetzen (Æ Bild 28), ist die Elektrolytische Raffination (Bild 18) ein hervorragendes Verfahren, um den Anforderungen der Elektrotechnik hinsichtlich Leitfähigkeit gerecht zu werden. Am Beispiel der Anoden- und Kathodenanalysen einer modernen Kupferhütte verdeutlicht Tab. 4 die Raffinationswirkung der Elektrolyse. Zur Elektrolytischen Raffination werden in die mit Kupfersulfatlösung gefüllten Elektrolysebäder nebeneinander die aus unreinem Kupfer gegossenen Anodenplatten (Bild 19) und aus Elektrolytkupfer hergestellte dünne Kathoden-Startbleche (Bild 20) bzw. Dauerkathoden aus Edelstahl gehängt. Durch den elektrischen Strom geht das Kupfer an den Anoden in Lösung und wird an den Kathoden als sehr reines Metall niedergeschlagen (Bild 21). Von den Verunreinigungen des Anodenkupfers werden unedlere Elemente zwar anodisch gelöst, aber nicht an der Kathode abgeschieden (z. B. Nickel, Arsen), während andere edle Elemente wie Gold, Silber, Platin oder solche Elemente wie Blei oder Selen, die unlösliche Verbindungen bilden, an der Anode nicht gelöst werden, sondern als Schlamm zu Boden sinken und dann aus diesem "Anoden- schlamm" gewonnen werden. Die Gewinnung der Edelmetalle stellt einen wesentlichen Anteil der Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse dar. Durch Einführung des ISA-Prozesses mit Dauerkathoden aus Edelstahl konnten in der Elektrolyse ein höherer Automatisierungsgrad, eine Erhöhung der Kapazität und Einsparungen an Energie erreicht werden. Die bei der elektrolytischen Raffination gewonnenen Kathodenplatten werden Element Anode Kathode (g/t) (g/t) Silber (Ag) Selen (Se) 510 <0,5 Tellur (Te) 130 <1 Arsen (As) Antimon (Sb) Wismut (Bi) 60 <0,2 Blei (Pb) 990 <1 Nickel (Ni) 1080 <2 Tab.4: Raffinationswirkung einer modernen Kupferelektrolyse (Beispiel: Norddeutsche Affinerie) [11]

8 Bild 23 (DKI A3374) Gießwalzdraht-Herstellung von Kupfer. Teilansicht: Gießrad wieder eingeschmolzen und zu Formaten für die Halbzeugherstellung vergossen. Zur Herstellung von Kupferdraht für die Elektroindustrie werden Drahtbarren nur noch in geringem Umfang verwendet. Die neuere Technik bevorzugt heute den kontinuierlich erzeugten Gießwalzdraht (8 oder 12mm f), der in Form von großen Bunden (3 bis 5 t) direkt an die Ziehereien geliefert wird (Bilder 22 und 23). Es ergibt sich damit ein wirtschaftlicher Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Verfahren, da die Anwärmung der Draht-barren (wire bars) eingespart wird und die Verfahren die kontinuierliche und wirtschaftliche Fertigung großer Ringgewichte erlauben. Große Ringgewichte wiederum ermöglichen bei den nachfolgenden Ziehprozessen große Einsparungen. 7. Rückgewinnung Die Rückgewinnung (Recycling) ist bei Kupfer eine seit Jahrtausenden geübte Praxis [16]. Der Grund dafür ist die problemlose Umschmelzbarkeit. Hinzu kommt, daß die Elektrolytische Raffination es ermöglicht, unedle und edle Verunreinigungen aus Kupfer abzutrennen. Deshalb kann Kupfer aus Altmaterialien ohne Einbuße an Qualität beliebig oft zurückgewonnen werden. Und es gibt keine Qualitätsunterschiede zwischen Primär- und Sekundärkupfer, das heißt zwischen aus Neumetallen oder aus Altmetallen hergestelltem Kupfer [11]. Durch Recycling werden Ressourcen geschont und Energieeinsparungen erzielt. Da sich diese Einsparungen wirtschaftlich rechnen, werden alle Rücklaufmaterialien in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt. Die klassische Recyclingrate, das Verhältnis der jährlich eingesetzten Menge an Sekundärkupfer zur gesamten Kupferproduktion, liegt seit Jahren oberhalb von 40 %. Diese klassische Recyclingrate ist insofern irreführend, als sie nicht den wahren Grad der Wiederverwendung von Altkupfer ausdrückt. Das hat folgende Gründe: Infolge des Wirtschaftswachstums der letzten Jahre ist der Verbrauch größer als der mögliche Rückfluß an Sekundärkupfer. Der Einsatz von Kupfer erfolgt zum überwiegenden Anteil in langlebigen Verbrauchsgütern, so daß Kupfer erst nach vielen Jahren als Altkupfer (Schrott) zurückfließt. Diesen Sachverhalt verdeutlicht die Tabelle 5, in der die durchschnittlichen Rücklaufzeiten einiger bedeutender Kupferanwendungen zusammengestellt sind. Anwendungsbereich Jahre aus Kraftfahrzeugen nach 8 bis 10 aus kleinen Elektromotoren nach 10 bis 12 aus Kabeln nach 30 bis 40 aus Gebäuden nach 60 bis 80 Bild 24 (DKI A3350) Fließschema einer Recyclinghütte Legt man eine durchschnittliche Nutzungsdauer von etwa 35 Jahren für Kupferanwendungen zugrunde, so ergibt sich eine echte Recyclingrate, die auf die Produktion vor 35 Jahren bezogen ist, von etwa 80 %. Rücklaufmaterialien, aus denen Kupfer zurückgewonnen wird, fallen in den unterschiedlichsten Formen an. Diese werden unterteilt in Neuschrott, meist saubere Produktionsabfälle wie z. B. Stanzabfälle, Späne, in Altschrott wie z. B. Kabelschrott, Armaturenschrott, Elektronikschrott und Zwischenprodukte oder Reststoffe wie z. B. Krätzen, Filterstäube, Galvanikschlämme und andere oft minderwertige Stoffe. Reinkupfer und sortenreiner Legierungsschrott werden in Halbzeugwerken und Gießereien direkt wieder eingeschmolzen, ohne einen Raffinationsprozeß in der Kupferhütte durchlaufen zu müssen. In diese Kategorie gehört auch der in großen Mengen anfallende Kabelschrott. Aus Umweltgründen werden die Kunststoffummantelungen heute nicht mehr abgebrannt, sondern die Kabel werden in Granulatoren zerkleinert und Kunststoffe und Kupfer mechanisch voneinander getrennt. Dabei wird etwa 95 % Kupfer mit einer Reinheit von mehr als 99,5 % gewonnen. Unreine Legierungsschrotte und feinteilige, meist minderwertige Sekundärmaterialien wie z. B. Krätzen, Filterstäube, Galvanikschlämme usw. gehen an die Kupferhütten und werden dort zu Kupferanoden aufgearbeitet (Bild 24). Daneben fallen spezielle Schrotte an, die mittels komplexer Sonderverfahren aufgearbeitet werden. Dazu gehören z. B. die in immer größeren Mengen anfallenden Elektronikschrotte und Ätzlösungen aus der Leiterplattenfertigung. Da diese Rücklaufmaterialien anderenfalls aufwendig entsorgt werden müßten und Elektronikschrott noch 20 % Kupfer und 1000 g/t Gold und Platin enthält, lohnen sich komplexe Aufarbeitungsverfahren [11]. 8. Umweltverträglichkeit Werkstoffauswahl unter dem Gesichtspunkt der Umweltverträglichkeit wird heute anhand des Begriffes Ökobilanz diskutiert. Als Bewertungsmaßstäbe für die Auswahl und den Einsatz von Werkstoffen und Produkten werden sparsamer Umgang mit Ressourcen und Energie sowie minimale Beeinträchtigung der Umwelt herangezogen. Da die Bewertung der Umweltschädigung durch die verschiedenen Schadstoffe sehr problematisch ist, beschränken sich die meisten Ökobilanzen zunächst auf eine Bestandsaufnahme, auf die Ermittlung des Energiebedarfs und auf eine Stoffbilanz (Input/Output-Analyse), auf die sogenannte Sachbilanz. Für den Werkstoff Kupfer wurde im Auftrag des DKI am Institut für Metallhüttenwesen und Elektrometallurgie der RWTH Aachen eine Sachbilanz der Kupfergewinnung und -verarbeitung erstellt [17]. Einige der Ergebnisse, die die Umweltverträglichkeit beschreiben, seien hier genannt: Der Energiebedarf bei der primären Kupfererzeugung konnte in den letzten Jahren erheblich verringert werden (Bilder 25 und 26). Der Gesamtenergiebedarf für die Produktion von Sekundär-Kupfer beträgt nur 35 bis 40 % des Bedarfs für die Primärproduktion. Bild 26 (DKI A 5109) Gesamtenergiebedarf bei der Produktion von Primär- und Sekundärkupfer (17)

9 Die inländische Verarbeitung des Kupfers zu Halbzeug hat einen weitaus geringeren Energiebedarf als Aufbereitung und Verhüttung. Kupfergewinnung und -raffination sowohl aus primären als auch aus sekundären Rohstoffen sind als nahezu abfallfrei zu bezeichnen. Die anfallenden Stoffe werden zumeist als sogenannte Koppelprodukte vermarktet wie z. B. Anodenschlämme mit ihrem hohen Gehalt an Edelmetallen. Aufgrund ständiger Bemühungen seitens der Industrie und wegen strenger deutscher Umweltschutzauflagen fallen in Deutschland sehr geringe Mengen an Restemissionen an. Durch Verfahrensoptimierungen hat die Kupferindustrie in den letzten Jahren die Energie- und Ökobilanz beträchtlich verbessert. 9. Kupfersorten und Werkstoffe Die Bezeichnung Kupfer umfaßt üblicherweise außer Reinkupfer auch sauerstoffhaltige Kupfersorten, die kontrollierte Mengen Sauerstoff in Form von Kupfer(I)oxid enthalten, und sauerstofffreie Kupfersorten mit Restgehalten eines Desoxidationsmittels (vorzugsweise Phosphor). Bei den Kupfersorten und - werkstoffen ist zu unterscheiden, ob diese in Form von Kathoden oder Gußformaten von Hütten, Raffinier- und Umschmelzwerken, in Form von Halbzeug von Halbzeugwerken oder als Gußstücke von Gießereien geliefert werden. 9.1 Normung Die Einführung neuer Produktionsverfahren mit optimaler Wirtschaftlichkeit (z. B. Gießwalzdrahtfertigung) für den großen Bedarf an Drähten und Leitungen hoher elektrischer Leitfähigkeit und neue Anwendungen in der Elektronik, Tieftemperatur- und Vakuumtechnik haben zu erhöhten Anforderungen an Kupfersorten, das heißt zu einem Bedarf an hochreinen Kupfersorten, geführt. Diese hochreinen Kupfersorten sind zum Teil in den heute noch angewendeten DIN-Normen nicht enthalten. Aufgrund der inzwischen geltenden Verpflichtung, die Europäischen Normen in das nationale Normenwerk zu übernehmen, wurde die Überarbeitung der DIN-Normen zurückgestellt. Die Arbeiten an den EN-Standards sind jedoch Bezeichnungen Zusammensetzung in % spez. elektrische Benennung (Massenanteile) Leitfähigkeit, min. Kurz- Werkstoff- Cu O 2 P zeichen 3) nummer 4) min max min max MS/m 5) % IACS Kupfer und Kupferlegierungen Kupfer-Kathoden (pren 1978) 1) Cu-CATH-1 CR001A 99,99 Higher Grade Kathoden Cu-CATH-2 CR002A 99,90 Kupfer und Kupferlegierungen Vordraht aus Kupfer (pren 1977) 1) Cu-ETP-1 CW003A 99,99 0,040 58,58 101,0 Elektrolytisch raffiniertes, sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Cu-OF-1 CW007A 99,99 58,58 101,0 Sauerstofffreies Kupfer, nicht desoxidiert Kupfer und Kupferlegierungen Gegossene Rohformen aus Kupfer (pren 1976) 1) Halbzeug (Verschiedene EN-Normen) 6) Kupfer aus Cu-CATH-1-Kathoden hergestellt Cu-ETP-1 CR/CW003A 99,99 0,040 58,58 101,0 Elektrolytisch raffiniertes, sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Cu-OF-1 CR/CW007A 99,99 58,58 101,0 Sauerstofffreies Kupfer, nicht desoxidiert Cu-OFE CR/CW009A 99,99 0, ,58 101,0 Sauerstofffreies Kupfer, nicht desoxidiert, frei von im Vakuum verdampfbaren Elementen Cu-PHCE CR/CW022A 99,99 0,001 0,006 58,00 100,0 Desoxidiertes, hochleitfähiges Kupfer mit niedrigem Restphosphorgehalt, frei von im Vakuum verdampfbaren Elementen Kupfer, das nicht aus Cu-CATH-1-Kathoden hergestellt wurde Cu-ETP CR/CW004A 99,90 0,040 7) 58,00 100,0 Elektrolytisch raffiniertes, sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Cu-FRHC CR/CW005A 99,90 0,040 7) 58,00 100,0 Feuerraffiniertes, sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Cu-OF CR/CW008A 99,95 58,00 100,0 Sauerstofffreies Kupfer, nicht desoxidiert Cu-FRTP CR/CW006A 99,90 0,100 Feuerraffiniertes, sauerstoffhaltiges (gepoltes) Kupfer Phosphorhaltiges Kupfer Cu-PHC CR/CW020A 99,95 0,001 0,006 58,00 100,0 Desoxidiertes, hochleitfähiges Kupfer mit niedrigem Restphosphorgehalt Cu-HCP CR/CW021A 99,95 0,002 0,007 57,00 98,3 Desoxidiertes, hochleitfähiges Kupfer mit niedrigem Restphosphorgehalt Cu-DLP CR/CW023A 99,90 0,005 0,013 Desoxidiertes Kupfer mit begrenztem, niedrigem Restphosphorgehalt Cu-DHP CR/CW024A 99,90 0,015 0,040 Desoxidiertes Kupfer mit begrenztem, hohem Restphosphorgehalt Cu-DXP 8) CR025A 99,90 0,04 0,06 Desoxidiertes, phosphorhaltiges Kupfer Kupfer und Kupferlegierungen Blockmetalle und Gußstücke (pren 1982) Cu-C CC040A 50,0 86 9) Unlegierter, hochleitfähiger Kupfer-Gußwerkstoff Tab. 6: Europäische Normen (EN) 1) für Kupfer 2) : Kurzzeichen und Europäische Werkstoffnummern nach pren 1412; Zusammensetzung und Benennung 1) Normen in Vorbereitung 2) Die in DIN Niedriglegierte Kupferlegierungen genormten silberhaltigen Kupferwerkstoffe mit maximal 0,1 % Ag sind in der EN-Norm für Kupfer aufgenommen worden 3) Die Werkstoff-Kurzzeichen der EN-Standards sind weitgehend mit ISO (Æ Tab. 7) identisch. Cu-OFE = Oxygen Free Electronic Copper Cu-PHCE = Phosphorus Deoxidized High Conductivity Electronic Copper Cu-PHC = Phosphorus Deoxidized High Conductivity Copper Cu-HCP = High Conductivity Phosphorus Deoxidized Copper Cu-DXP = Deoxidized Phosphorus Copper 4) Vor der Werkstoffnummer führen Kathoden und Gußformate als Präfix die Buchstaben CR, Knet-Kupfer die Buchstaben CW und Kupfergußwerkstoffe die Buchstaben CC 5) MS/m > 10 6 S/m 6) Angaben sind für beide Formen mit Ausnahme des Präfix identisch 7) 0,06% O2 sind in Abstimmung zwischen Lieferanten und Abnehmer zulässig 8) Nur als gegossene Rohform, aber nicht als Halbzeug genormt 9) Für Kokillenguß 95 % IACS. Für Wärmeübertragung 55 % IACS Mindestleitfähigkeit zugunsten besserer Gießbarkeit

10 Kurzzeichen Werkstoff- Zusammensetzung Benennung nummer DIN 1708 ISO 1) DIN 1708 (Massenanteile) in % Kathodenkupfer KE-Cu Cu-CATH Cu ^ 99,90 Kathodenkupfer Sauerstoffhaltiges Kupfer 2) E1-Cu58 Cu-ETP Cu ^ 99,90 Elektrolytisch raffiniertes sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Sauerstoff 0,005 bis 0,040 E2-Cu58 Cu-FRHC Cu ^ 99,90 Feuerraffiniertes sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Sauerstoff 0,005 bis 0,040 E-Cu Cu ^ 99,90 Sauerstoffhaltiges (zähgepoltes) Kupfer Sauerstoff 0,005 bis 0,040 F-Cu Cu-FRTP Cu ^ 99,90 Feuerraffiniertes sauerstoffhaltiges (gepoltes) Kupfer Sauerstoff 0,015 bis 0,040 Sauerstofffreies Kupfer, nicht desoxidiert OF-Cu Cu-OF Cu ^ 99,95 Sauerstoff- und desoxidationsmittelfreies Kupfer Sauerstofffreies Kupfer, mit Phosphor desoxidiert SE-Cu Cu ^ 99,90 Desoxidiertes Kupfer mit niedrigem Restphosphorgehalt P ² 0,003 3) SW-Cu Cu-DLP Cu ^ 99,90 Desoxidiertes Kupfer mit begrenztem, niedrigem Restphosphorgehalt P 0,005 bis 0,014 SF-Cu Cu-DHP Cu ^ 99,90 Desoxidiertes Kupfer mit hohem Restphosphorgehalt P 0,015 bis 0,040 Tab. 7: Kupfer nach DIN 1708 (Kathoden und Gußformate): Zusammensetzung und Benennung 1) ISO = International Organization for Standardization; Cu-ETP = electrolytic tough-pitch copper; Cu-FRHC = fire-refined tough-pitch high-conductivity copper; Cu-FRTP = fire refined tough-pitch copper; Cu-OF= oxygen-free copper; Cu-DLP = phosphorus-deoxidized copper (low residual phosporus); Cu-DHP = phosphorus-deoxidized copper (high residual phosporus) 2) E1-Cu58 und E2-Cu58 sind in DIN 1787 (Kupfer, Halbzeug) als E-Cu58 mit der Werkstoffnummer enthalten (s. Tab. 3) 3) In SE-Cu kann Phosphor teilweise oder ganz durch andere Desoxidationsmittel ersetzt werden Kurzzeichen*) Lieferformen Hinweise auf die Verwendung Massel Draht- Rund- Walzflach- DIN 1708 Kerbblock barren barren barren KE-Cu Nur als Kathoden Als Einsatz zur Herstellung von Gießwalzdraht und Formaten aus Kupfer und E1-Cu58 E2-Cu58 Kupferlegierungen Zur Herstellung von Halbzeug aus E-Cu58 und von Gußstücken E-Cu57 Zur Herstellung von Halbzeug und Gußstücken F-Cu Als Vormaterial zur Herstellung von Gußstücken und Legierungen OF-Cu SE-Cu Zur Herstellung von Halbzeug mit hoher elektrischer Leitfähigkeit SW-Cu Zur Herstellung von Halbzeug ohne festgelegte elektrische Leitfähigkeit SF-Cu Zur Herstellung von Halbzeug ohne Anforderungen an elektrische Leitfähigkeit Tab. 8: Kupfer nach DIN 1708 (Kathoden und Gußformate): Lieferformen und Verwendung *) ISO-Kurzzeichen und Werkstoffnummern s. Tab. 1; E1-Cu58 und E2-Cu58 sind in DIN 1787 als E-Cu58 mit der Werkstoffnummer enthalten (s. Tab. 3) zum Zeitpunkt der Drucklegung noch nicht abgeschlossen. Die Anforderungen an die für die Gießwalzdrahtfertigung verwendeten Kathoden sind deutlich höher als die an eine Normalkathode, die für die Herstellung von Kupferlegierungen eingesetzt wird. Für higher grade -Kathoden, EN-Kurzzeichen Cu-CATH-1, wurden erheblich niedrigere zulässige Verunreinigungen festgelegt. Als hochreine Kupfersorten für elektronische, Tieftemperatur- und Vakuum- Anwendungen, weitgehend frei von im Vakuum verdampfbaren Elementen, wurden in den EN-Normen die Kupfersorten Cu-OFE und Cu-PHCE aufgenommen. Um den Übergang auf die neuen europäischen Kurzzeichen und Werkstoffnummern in den demnächst erscheinenden EN-Standards zu erleichtern, enthält Tab. 6 die neuen Werkstoffbezeichnungen mit den dazugehörigen Zusammensetzungen. 9.2 Kathoden und Gußformate Die Kupfersorten für Kathoden und Gußformate sind (noch) in DIN 1708 genormt (Æ Tab. 7). Es handelt sich hierbei um Kupfersorten, die von den Hütten-, Raffinier- und Umschmelzbetrieben in Form von Kathoden, Gußformaten (Drahtbarren, Rundbarren, Walzflachba-ren, Kerbblöckchen usw.) und Gießwalz-draht hergestellt werden (Æ Tab. 8). KE-Cu ist eine Kupfersorte, die ausschließlich in Form von Kathoden geliefert und insbesondere als Einsatz zum Erschmelzen von Kupferwerkstoffen bei hohen Anforderungen an Reinheit und elektrische Leitfähigkeit verwendet wird. Für die Herstellung von Gießwalzdraht und hochreinen Kupfersorten weitgehend frei von verdampfbaren Elementen werden nur higher grade -Kathoden, EN-Kurzzeichen Cu-CATH-1 (Æ Tab. 6), eingesetzt. E1-Cu58 ist eine elektrolytisch raffinierte, E2-Cu58 ist eine feuerraffinierte Kupfersorte. Diese beiden (zähgepolten) Kupfersorten sind sauerstoffhaltig (Æ Tab. 7) und haben eine elektrische Leitfähigkeit von mind. 58,0 m/ž mm2. Sie dienen zur Herstellung von Halbzeug aus E-Cu58 (Æ Tab. 9). E-Cu57 ist ein sauerstoffhaltiges Kupfer mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 57,0 m/ž mm2. Bei F-Cu handelt es sich um ein sauerstoffhaltiges Kupfer ohne besondere Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit.

11 Kurzzeichen Werkstoff- Halbzeugarten 2) Besondere Eigenschaften und Hinweise auf die Verwendung nummer Bl. Bd. Ro. St. Dr. Str. Gs. Fr. Sauerstoffhaltiges Kupfer E-Cu58 3) l Halbzeug, wenn höchste Leitfähigkeit verlangt wird (Elektronik, Elektrotechnik) E-Cu l l l l l l L L Halbzeug jeder Art, wenn hohe elektrische Leitfähigkeit verlangt wird (Elektronik, Elektrotechnik) Sauerstofffreies Kupfer, nicht desoxidiert OF-Cu l l l l l l Halbzeug jeder Art, wenn höchste elektrische Leitfähigkeit und Wasserstoffbeständigkeit verlangt werden; gut schweiß- und hartlötgeeignet; gute Oxidhaftung (Elektrotechnik, Elektronik, Vakuumtechnik) Sauerstofffreies Kupfer, mit Phosphor desoxidiert SE-Cu l l l l l l L Halbzeug jeder Art, wenn hohe Leitfähigkeit verlangt wird; bei besonderen Anforderungen an Umformbarkeit; gut schweiß- und hartlötgeeignet; wasserstoffbeständig (Elektrotechnik, Elektronik, Vakuumtechnik; Plattierwerkstoff) SW-Cu L L L L L L Halbzeug jeder Art, wenn keine Anforderungen an Leitfähigkeit gestellt werden; gut schweiß- und hartlötgeeignet; gut umformbar; wasserstoffbeständig (Apparatebau) SF-Cu L 4) L L 4) L L L L L Halbzeug jeder Art bei hohen Anforderungen an Schweiß und Hartlöteignung sowie Umformbarkeit, wenn Leitfähigkeit nicht verlangt wird; wasserstoffbeständig (Apparatebau, Bauwesen, Rohrleitungen) Tab. 9: Halbzeugarten und Verwendung von Kupfer nach DIN ) 1) Die Zusammensetzung entspricht den Kupfersorten nach DIN 1708 (Æ Tab. 1) 2) Bl. = Bleche; Bd. = Bänder; Ro. = Rohre; St. = Stangen; Dr. = Drähte; Str. = Strangpreßprofile; Gs. = Gesenkschmiedestücke; Fr. = Freiformschmiedestücke L = Halbzeug nach DIN bis DIN und DIN bis DIN für allgemeine Verwendung l= Halbzeug nach DIN für die Elektrotechnik 3) E-Cu58 nach DIN 1787 hat die gleiche Reinheit wie E1-Cu58 und E2-Cu58 nach DIN 1708 (Æ Tab. 1) 4) Rohre und Platten für Kondensatoren und Wärmeübertrager werden nach DIN 1785 bzw. DIN geliefert Bild 27 (DKI A 2904) Kupfer(l)-oxid im Kupfer (Sauerstoffgehalt: 0,045 %, CU20 aufleuchtend), 200: 1 Von den sauerstofffreien Kupferarten werden die Sorten SE-Cu, SW-Cu und SF- Cu mit geringen Phosphorzusätzen desoxidiert (siehe Tab. 7). 9.3 Kupfer für Halbzeug DIN 1787 unterscheidet wie auch DIN 1708 zwischen sauerstoffhaltigen, sauerstofffreien, nicht desoxidierten und sauerstofffreien, mit Phosphor desoxidierten Kupfersorten. Die sauerstoffhaltigen Kupfersorten E- Cu58 und E-Cu57 nach DIN 1787 enthalten 0,005 bis 0,040 % Sauerstoff, der im Kupfer als Kupfer(I)-oxid vorliegt (Bild 27). Diese Kupfersorten mit der hohen elektrischen Leitfähigkeit von mind. 58 bzw. 57 m/ž mm2 (Æ Tab.10) sind vor allem für die Elektrotechnik bestimmt. Sauerstoffhaltiges Kupfer ist beim Glühen in wasserstoffhaltiger Atmosphäre oder beim Schweißen und Hartlöten mit offener Flamme durch Versprödung (sog. Wasserstoffkrankheit) gefährdet. Hierbei Kurzzeichen elektrische Leitfähigkeit elektrischer Widerstand Wärmeleitfähigkeit x r l bei 20 C bei 20 C bei 20 C m/ž mm 2 ž mm 2 /m W/m K E-Cu58 ^ 58 % 0,01724 ^ 393 E-Cu57 ^ 57 % 0,01754 ^ 386 OF-Cu ^ 58 % 0,01724 ^ 393 SE-Cu ^ 57 2) % 0,01754 ^ 386 SW-Cu 52 0, SF-Cu 41 bis 52 0,02439 bis 0, bis 364 Tab. 10: Physikalische Eigenschaften (Richtwerte) 1) von Kupfersorten nach DIN ) Gemeinsame Eigenschaften: Dichte bei 20 C: 8,9 kg/dm 3 ; Schmelzpunkt: 1083 C; Wärmeausdehnungskoeffizient (25 bis 300 C): ² /K 2) SE-Cu kann auch mit einer elektrischen Leitfähigkeit von ^58 m/ž mm 2 geliefert werden Kurz- An- Dicke Zug- 0,2 %- Bruch- Vickers- Brinellzeichen hänge festigkeit Dehn- dehnung härte härte zahl 1) grenze R m R p 0,2 A 5 mm N/mm 2 N/mm 2 % min. min. max. min. max. SW-Cu F 20 2).10 über bis 250 max SF-Cu H 40 3) bis F von 0,2 220 bis 260 max H 40 bis F von 0,2 240 bis 300 min H 70 bis F von 0,2 290 bis 360 min H 90 bis F von 0,2 min 360 min 320 H 110 bis Tab. 11: Bänder und Bleche nach DIN 17670; Festigkeitseigenschaften 1).10 = weich;.26 = halbhart;.30 = hart;.32 = federhart 2) Bei Bestellung mit F-Zahl 3) Bei Bestellung mit H-Zahl kann der Wasserstoff in das glühende Kupfer eindringen, reagiert mit dem vorhandenen Kupfer(I)-oxid unter Bildung von Wasserdampf, dessen Druck das Gefüge aufweitet und die Brüchigkeit verursacht. Die Gefahr der Wasserstoffkrankheit ist insbesondere beim Gasschweißen und Flammlöten mit schwer-

12 Kurz- Festig- Anhänge- Abmessungen Zugfestigkeit 0,2-Grenze Bruch- Brinellhärte zeichen 1 ) keits- zahl 2 ) entsprechend dehnung HB 2,5/62,5 zustand den R m R p 0,2 A 5 Maßnormen N/mm 2 N/mm 2 % min. E-Cu57 0,1 bis 1 38 F bis 250 max. 120 E-Cu58 über 1 bis 5 45 SE-Cu F25.26 F F fließenden Messingloten gegeben. Sie kann durch Wärmebehandlung und Schweiß- bzw. Lötverfahren, die dem 0,1 bis 1 min bis 300 über 1 bis bis ,1 bis 1 min bis 360 über 1 bis bis ,1 bis 1 3 min. 360 min. 320 über 1 bis bis bis bis bis 120 Tab. 12: Kupfer für die Elektrotechnik, Bleche und Bänder nach DIN 40500, T. 1; Festigkeitseigenschaften 1 ) In DIN T. 4 ist auch OF-Cu enthalten 2 ) s. Tab. 5, Fußnote 1 ) Kurzzeichen 1 ) Werkstoff- Zusammen Hinweise für die Verwendung nummer setzung (Massenanteile) (DIN ) 2 ) in % G-CuL GK-CuL Cu min. 98 Rost- und Schaltkühlkästen, Kühlringe, Schlackenformen, Blasformen für Hochöfen G-CuL Cu min. 99,6 GK-CuL Schaltbauteile, Kontaktbacken, Elektrodenarme, G-CuL Elektrodenhalter, stromführende Teile für die Elektronik G-SCuL Cu min. 99,7 GK-CuL GK-SCuL Tab. 13: Kupfer-Gußwerkstoffe nach DIN 17655; Zusammensetzung undverwendung 1 ) Lieferformen: G= Formguß; GK= Kokillenguß 2 ) Guß-Kupfer ist in ISO 197 enthalten Kurzzeichen elektrische elektrischer Wärme- Schmelzpunkt Leitfähigkeit Widerstand leitfähigkeit bzw. -bereich x r l bei 20 C bei 20 C bei 20 C m/ž mm 2 ž mm 2 /m W/m K C min. max. min. G-CuL35 GK-CuL35 G-CuL45 GK-CuL45 G-CuL50 G-SCuL50 GK-CuL50 GK-SCuL , bis , , Tab. 14: Physikalische Eigenschaften (Richtwerte)*) von Kupfer-Gußwerkstoffen nach DIN *) Gemeinsame Eigenschaften: Dichte bei 20 C: 8,9 kg/dm 3 ; Wärmeausdehnungskoeffizient (25 bis 300 C): ² /K Kurzzeichen Zugfestigkeit 0,2-Grenze Bruchdehnung Brinellhärte R m R p 0,2 A 5 HB 10/1000 N/mm 2 N/mm 2 % G-CuL35 GK-CuL35 G-CuL45 GK-CuL45 G-CuL50 G-SCuL50 GK-CuL50 GK-SCuL Tab. 15: Kupfer-Gußwerkstoffe nach DIN17655; Festigkeitseigenschaften (Mindestwerte) Kupfer keinen Sauerstoff anbieten, vermieden werden. Die Überprüfung der Wasserstoffbeständigkeit an Drähten aus Kupfer und Kupfer- Knetlegierungen ist in DIN Bl. 2 festgelegt. Die sauerstofffreie, nicht desoxidierte Kupfersorte OF-Cu ist aus Kathoden unter Ausschluß von Sauerstoff und Desoxidationsmitteln erschmolzen. Sie ist gut schweiß- und hartlötgeeignet sowie wasserstoffbeständig, hat eine elektrische Leitfähigkeit von mind. 58 m/ž mm2 (Æ Tab. 10) und ist in einer Sonderqualität frei von ausdampfbaren Elementen lieferbar. Diese Eigenschaften werden beim Bau elektronischer Geräte und in der Vakuumtechnik, z. B. bei der Verwendung von Vakuumkontakten, genutzt. Außerdem findet OF-Cu in der Raumfahrttechnik, bei Linearbeschleunigern und Supraleitern zunehmend Verwendung. Die sauerstofffreien, mit Phosphor desoxidierten Kupfersorten SE-Cu, SW-Cu und SF-Cu sind ebenfalls wasserstoffbeständig. Zur Desoxidation mit Phosphor wird dem schmelzflüssigen, zähgepolten Kupfer Phosphor in geringem Überschuß in Form einer Kupfer- Phosphor-Vorlegierung mit etwa 10 bis 15 % P zugesetzt. SE-Cu hat infolge seines niedrigen Restphosphorgehaltes von etwa 0,003% eine hohe elektrische Leitfähigkeit von über 57 m/ž mm2 (Æ Tab. 10), ist jedoch auch mit einer Leitfähigkeit von über 58 m/ž mm2 lieferbar und kommt vor allem in der Elektrotechnik und Elektronik zum Einsatz. Im SE-Cu kann Phosphor teilweise oder ganz durch andere Desoxidationsmittel ersetzt werden. SE-Cu ist gut schweiß- und hartlötgeeignet. Wie OF-Cu ist auch SE-Cu in einer Sonderqualität frei von ausdampfbaren Elementen erhältlich, die für die Verwendung in der Vakuumtechnik ebenfalls gut geeignet ist. SW-Cu ist eine Kupfersorte mit begrenztem, niedrigem Restphosphorgehalt von 0,005 bis 0,014 % ohne genau festgelegte elektrische Leitfähigkeit (etwa 52 m/ ž mm2) und guter Schweiß- und Hartlöteignung. Sie wird im Apparatebau verwendet. SF-Cu ist eine Kupfersorte mit begrenztem, hohem Restphosphorgehalt von 0,015 bis 0,040 %, an die in bezug auf elektrische Leitfähigkeit keine Anforderungen gestellt werden. Sie ist sehr gut schweiß- und hartlötgeeignet und die wichtigste Kupfersorte für Rohrleitungen, den Apparatebau und das Bauwesen. 9.4 Guß-Kupfersorten Die Kupfer-Gußwerkstoffe sind in DIN genormt. Die Bezeichnung sowie die Zusammensetzung dieser Kupfersorten sind in Tab.13 zusammengestellt. Nach DIN wird für alle Kupfersorten eine Mindestleitfähigkeit garantiert (Tab. 14). G-CuL35 und GK-CuL35 sowie G-CuL45 (für höhere Anforderungen an die Leitfähigkeit) finden in der Eisenhüttentechnik (Bild 34) bei Kühlkästen, Blas-formen, Sauerstofflanzen usw. Verwen-dung. In diesem Bereich ist neben der guten Wärmeleitfähigkeit (Tab. 14) auch die Kor- -rosionsbeständigkeit gegenüber Brauchund Industriewasser von Bedeutung. Mit GK-CuL45, G-CuL50 und GK-CuL50 sind drei Kupfersorten angegeben, die

13 Land, Kurzz. d. Kupfer, aus Cu-CATH-1 ( higher Kupfer, nicht aus Cu-CATH-1- Desoxidiertes, phosphorhaltiges Kupfer Region, Normen- grade )-Kathoden gefertigt Kathoden gefertigt Organisation Institute Werkst.-Kurzzeichen, Werkst.-Nr. Werkstoff-Kurzzeichen, Werkstoff-Nummer Werkstoff-Kurzzeichen, Werkstoff-Nummer Deutschland DIN 1) 1) 1) / (2.0080) 2) E-Cu57/E-Cu58 OF-CU (F-Cu) SE-Cu SW-Cu SF-Cu Europa EN 3) CW003A CW007A CW009A CW004A CW005A CW008A CW006 CW020A CW022A CW021A CW023A CW024A Cu-ETP-1 Cu-OF-1 Cu-OFE Cu-ETP Cu-FRHC Cu-OF Cu-FRTP Cu-PHC Cu-PHCE Cu-HCP Cu-DLP Cu-DHP International ISO 4) Cu-OFE Cu-ETP Cu-FRHC Cu-OF Cu-FRTP Cu-DLP Cu-DHP USA UNS 5) C10100 C11000 C11020 C10200 C ) C10300 C10800 C12000 C12200 OFE ETP FRHC OF FRTP OFXLP OFLP DLP DHP Belgien NBN CuE OF-Cu CuP Großbritanien BS C101 C110 C110 C101 C102 C103 C104 C103 C106 Finnlannd SFS Cu-ETP Cu-FRHC Cu-OF Cu-DLP Cu-DHP Frankreich NF Cu-c2 Cu-c2 Cu-a1 Cu-a2 Cu-c1 Cu-a3 Cu-c1 Cu-b2 Cu-b1 Italien UNI Cu-ETP Cu-OF Cu-FRTP Cu-DLP Cu-DHP Polen PN Cu99,99B Cu99,99 Cu99,9E Cu99,95B Cu99,9R Cu99,85R MOOB B M1E MOB M1R M2R Schweden SIS Cu-ETP Cu-OF Cu-FRTP Cu-DHP Schweiz SN/VSM Cu-OFE Cu-OFE Cu-ETP Cu-OF Cu-HCP Cu-DLP Cu-DHP Spanien UNE C-1110 C-1310 C-1420 C-1410 Cu-ETP Cu-OF Cu-FRTP Cu-DLP Cu-DHP GUS GOST 99,99 99,99 99,90 99,90 99,90 99,97 99,95 99,50 MOO MOO M1r V3 M1 MOOb MO M3r PRC China GB T1 Cu1/2 T1 Cu1/2 T2/T3 T1 Cu1/2 TU1/Tu2 TP1 TP2 Japan JIS C1011 C1011 C1100 C1020 C1201 C1220/21 Indien IS ETP HC FRTP Australien AS 101A 101A 110A 110A 102A 120C 122A OFE OFE ETP FRHC OF DLP DHP Kanada CSA Cu-ETP Cu-OF Cu-FRTP Cu-DLP CuDHP PAN COP CuOF C10100 CuOF C1100 C11020 C10200 Cu-OF C12500 C10300 C10800 C12000 C12200 AMERICAN (Grade 1) CuOFE (Gr1) ETP/ETPHC Cu-FRHC Cu-BDHC (Grade 2) FRTP Cu-OFXLP Cu-OFXLP Cu-DLP Cu-DHP Südafrika SABS Cu-ETP Cu-FRHC Cu-FRTP Cu-DHP Tab. 16: Normenvergleich der Kupfersorten; Knetwerkstoffe 7) 1) Da zur Zeit EN-Normen erarbeitet werden, wurden die DIN-Normen nicht dem Stand der Technik angepaßt, obwohl aus Cu-CATH-1 gefertigte Kupfersorten geliefert werden 2) Seit 1973 nicht mehr in DIN 1787 genormt 3) Europäische Normen des Europäischen Komitees für Normung 4) International Organization for Standardization 5) Unified Numbering System for Metals and Alloys 6) Wurde 1992 aus UNS gestrichen 7) Kupfergehalte und Menge und Art der zulässigen sonstigen Elemente, die nach DIN oder EN festgelegt sind, können von den Festlegungen nach anderen Normen abweichen. 10. Eigenschaften Die gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit sind die wichtigsten Eigenschaften des Werkstoffes Kupfer. Die große Be- Land, Kurzz. d Kupfer-Gußwerkstoffe Region Normen- Organisation Institute: Werkstoff-Kurzzeichen, Werkstoff-Nummer ) Deutschland DIN G-/GK-CuL35 G-/GK-CuL45 G-/GK-CuL50 G-/GK-SCuL50 CC040A 3) Europa EN 2) Cu-C International ISO 4) G-Cu C80500/C80700 C80100 USA UNS 5) C80900/C81100 C80300 Großbritanien BS HCC1 Frankreich NF Cu(U) Italien UNI Cu99,50 Cu99,75 Australien AS 801A C80500/C80700 C80100 Kanada CSA C80900/C81100 C80300 PAN C80500/C80700 C80100 AMERICAN COP C80900/C81100 C80300 Tab. 17: Normenvergleich der Kupfersorten; Gußwerkstoffe 6) 1) Sauerstofffreier, schweiß- und hartlötbarer Kupfer-Gußwerkstoff 2) Europäische Normen des Europäischen Komitees für Normung 3) Nach EN sind nicht die Mindest-Kupfergehalte, sondern die Mindestleitfähigkeiten festgelegt: Elektrotechnik: Sandguß min. 50 MS/m Kokillenguß " 55 MS/m Wärmetechnik: Allgemein 32 MS/m 4) International Organization for Standardization 5) Unified Numbering System for Metals and Alloys 6) Kupfergehalte und Menge und Art der zulässigen sonstigen Elemente, die nach DIN oder EN festgelegt sind, können von den Festlegungen nach anderen Normen abweichen. hauptsächlich in der Elektrotechnik verwendet werden (Æ Tab. 13). Soll an Gußstücken aus Kupfer hartgelötet oder geschweißt werden, sind die sauerstofffreien Qualitäten G-SCuL50 oder GK-SCuL50 zur Vermeidung der Wasserstoffkrankheit zu bevorzugen. 9.5 Normenvergleich der Kupfersorten: DIN, EN, ISO und nationale Normen verschiedener Länder In den Tabellen 16 und 17 sind für Knetund Gußwerkstoffe den Normenbezeichnungen nach DIN, EN und ISO die äquivalenten Bezeichnungen der verschiedenen Kupferqualitäten nach nationalen Normen verschiedener Länder gegenübergestellt. Die chemische Analyse der Kupfersorten und die Menge der zulässigen Verunreinigungen sind nicht für alle gegenübergestellten Werkstoffe gleich, sondern weichen in einigen Fällen geringfügig voneinander ab.

14 deutung dieses Werkstoffes für die Technik ergibt sich aber erst durch die Kombination verschiedener guter Eigenschaften. Die wichtigsten Eigenschaften der Kupfer- Knetwerkstoffe ( Tab. 9) sind in Tab. 10 und 12 und der Kupfer-Gußwerkstoffe (Æ Tab. 11) in Tab. 14 und 15 zusammengestellt PhysikalischeEigenschaften Als einziges Metall hat Kupfer eine lachsrote Farbe. Es ist wie anfangs bereits erwähnt neben Gold das einzige farbige metallische Element. Mit der Dichtevon 8,9 kg/dm3 zählt Kupfer wie Gold zu den Schwermetallen. Es hat einen Schmelzpunkt von 1083 C und einen Siedepunkt von 2595 C. Die hervorragendste Eigenschaft des Kupfers ist die hohe Leitfähigkeit für Wärme und Elektrizität ( Tab. 10 und 14), die nur noch von derjenigen des Silbers übertroffen wird. Setzt man die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer jeweils gleich 100, ergeben sich für die wichtigsten Edel- und Gebrauchsmetalle folgende Werte (bei 20 C): Metall elektrische Wärme- Leitfähigkeit leitfähigkeit in % (Kupfer = 100%) Silber Kupfer Gold Aluminium Magnesium Zink Nickel Cadmium Kobalt Eisen Platin Zinn Blei 8 9 Titan 4 4 Die elektrische Leitfähigkeit von hochreinem Kupfer (² 99,998% Cu) kann annähernd den Wert 60 m/ž mm2 erreichen. Tab. 10 enthält Kennwerte des spezifischen elektrischen Widerstandes der Kupfersorten nach DIN 1787 bei 20 C. Wird bei von 20 C abweichenden Temperaturen gemessen, ist die Änderung des spezifischen elektrischen Widerstandes um ž mm2/m pro K Bild 28 Einfluß von Zusätzen auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer (18,19) Bild 32 Fesstigkeitskennwert von Blechen aus SF-Cu im Tieftemperaturbereich (23) zu berücksichtigen (Zunahme bei steigender Temperatur). Phosphor setzt wie alle im festen Kupfer löslichen Beimengungen die elektrische Leitfähigkeit herab (Bild 28). Deshalb ist die elektrische Leitfähigkeit der phosphordesoxidierten, sauerstofffreien Kupfersorten je nach Größe des Phosphor-Restgehaltes mehr oder weniger vermindert. Ein Einfluß auf die elektrische Leitfähigkeit des Kupfers ist auch durch zunehmende Kaltumformung feststellbar. So hat SE-Cu im weichen Zustand (F 20) eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 57 m/ž mm2, im kaltverformten Zustand (F37) aber nur noch einen Wert von 55 m/ž mm2. Die Wärmeleitfähigkeit von sehr reinem Kupfer kann bei 20 C nahezu 395 W/m K erreichen ( Tab.10). Durch Beimengungen wie z. B. Phosphor wird sie ebenfalls vermindert. So setzt ein Phosphorgehalt von etwa 0,05 die Wärmeleitfähigkeit des Kupfers auf 293 W/m K herab ( SF-Cu in Tab. 10). Die Wärmeausdehnung ist mit /K (von 25 bis 300 C) größer als bei Eisen, jedoch geringer als bei vielen anderen Metallen. Die spezifische Wärme von Kupfer (20 bis 400 C) beträgt 0,38 J/g K, die Schmelzwärme 214 J/g. Weiches Kupfer hat bei 20 C einen Elastizitätsmodul von 100 kn/mm2 und einen Schubmodul von etwa 40 kn/mm Festigkeitseigenschaften Tab. 11 enthält die Festigkeitseigenschaften von Bändern und Blechen nach DIN aus SW- und SF-Kupfer nach DIN 1787 in Abhängigkeit vom Werkstoffzustand. Für Bänder und Bleche aus E-Cu58, E- Cu57 und SE-Cu gilt DIN T.1 (Tab. 12); in dieser Norm sind entsprechend den Anforderungen der Elektrotechnik andere Abmessungsunterteilungen der Bänder und Bleche festgelegt als in DIN Weiches Knet-Kupfer hat eine Zugfestigkeit von wenigstens 200 N/mm2 und eine Bruchdehnung von über 40 %. Durch zunehmende Kaltumformungkann die ss des reinen Kupfers auf Werte über 400 N/mm2, die Brinellhärte von 50 bis auf über 100 gesteigert werden; dabei nimmt aber die Dehnung stark ab (Bild 29). Die Festigkeitseigenschaften von weichgeglühtem SF-Cu bei erhöhten Temperaturen sind Bild 30 zu entnehmen. Daraus geht hervor, daß reines Kupfer keinen warmspröden Bereich hat und sich auch im warmen Zustand gut umformen läßt. Die Festigkeitseigenschaften von Kupfer bei erhöhten Temperaturen und Langzeitbeanspruchung werden durch das Zeitstandverhalten ( Bild 31) beschrieben. Aufgetragen sind die Zeitstandfestigkeiten und Zeitdehngrenzen des Werkstoffes SF-Cu für verschiedene Belastungszeiten als Funktion der Temperatur. Der Verlauf der Festigkeitskennwerte bei tiefen Temperaturen in Bild 32 zeigt, daß Kupfer auch bei tiefen Temperaturen nicht versprödet. Deshalb ist Kupfer für Anwendungen in der Tieftemperaturtechnik, z. B. für den Bau von Kältema-schinen, hervorragend geeignet. Da Kupfer auch beachtliche Dauerschwingfestigkeitskennwerte aufweist (Bild 33),

15 ist Kupfer auch als Werkstoff für schwingende Beanspruchungen geeignet, ohne daß Sprödbrüche befürchtet werden müssen. Festigkeitseigenschaften der Guß-Kupfersorten nach DIN sind in Tab. 15 enthalten Chemische Eigenschaften Korrosionsbeständigkeit In seinen chemischen Verbindungen tritt das Kupfer ein- und zweiwertig auf, in einigen Ausnahmefällen z. B. im K3[CuF6] auch dreiwertig, in einem Fall nämlich im CS2(CuF6) sogar vierwertig. Kupfer zeichnet sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit aus; sie beruht auf seiner geringen Reaktionsenthalpie. In der Atmosphäre auch in Meeresluft ist Kupfer sehr beständig [24]. Seine Oberfläche überzieht sich zunächst mit einer dunkelbraunen bis fast schwarzen Schutzschicht, die mit der Zeit meist in die von alten Kupferdächern her bekannte grüne Patina übergeht. Patina ist ein Gemisch von basischen Kupfersalzen (Sulfat, Carbonat, in Meeresnähe auch Chlorid), deren Mengenverhältnis von der Konzentration der entsprechenden Grundstoffe in der Luft bestimmt wird. Ungünstig wirken feuchte Ammoniak- und Schwefelwasserstoffdämpfe. Gegen Trink- und Brauchwasser (Kaltund Warmwasser) ist Kupfer gut beständig. Deshalb ist es ein ausgezeichneter Werk-stoff für Wasserleitungen. Die Beständig-keit ist an die Bildung einer gleichmäßigen Schutzschicht gebunden [25]. In wässerigenlösungen zeigt Kupfer als einziges Gebrauchsmetall ein Normalpotential, das edler als dasjenige von Wasserstoff ist. Daher wird es nicht unter Entwicklung von Wasserstoff angegriffen. Dennoch ist Korrosion in wässerigen Lösungen in Gegenwart von Oxidationsmitteln wie z. B. Kupfer(II)- oder Eisen- (III)-ionen nicht ausgeschlossen. Kupfer hat die Neigung, in beiden Oxidationsstufen mit wässerigen Lösungen von Cyani-den, Halogeniden und Ammoniak wasserlösliche Komplexverbindungen zu bilden; deshalb ist seine Korrosionsbeständigkeit gegenüber diesen Agenzien begrenzt. Gegenüber Säuren ist das Korrosionsverhalten von Kupfer außer von deren Art und Konzentration auch von der Menge des vorhandenen Sauerstoffs bzw. eines Oxidationsmittels abhängig. In nichtoxidierenden Säuren, die keinen gelösten Sauerstoff enthalten, ist Kupfer beständig. Alkalische wässerige Lösungen der Hydroxide und Carbonate der Erdalkaliund Alkalimetalle mit Ausnahme von NH3 wirken nur wenig auf Kupfer ein Physiologische Eigenschaften Kupfer ist ein lebensnotwendiges Spurenelement für Pflanze, Tier und Mensch [26]. Es ist in den meisten natürlichen Nahrungsmitteln in Spuren enthalten. Kupfermangel in Böden und im Tierfutter muß durch Kupferzuführung behoben werden. Hohe Kupfergehalte haben einen unangenehmen Geschmack zur Folge, der einen relativen Schutz vor zu hoher Kupferaufnahme darstellt. Metallisches Kupfer ist für den Menschen ungefährlich. Es verursacht keine Berufserkrankungen. Gegen Stäube und Rauche sind gemäß den allgemein geltenden Bestimmungen Atemschutzmasken zu tragen. 11. Verarbeitung des Kupfers Halbzeugarten und Lieferformen der genormten Kupfersorten sind Tab. 8 und 9 zu entnehmen. Allgemeine Hinweise auf die Weiterverarbeitung enthält Tab Schmelzen und Gießen Das Schmelzen von Kupfer erfolgt entweder in brennstoffbeheizten oder in Induktionsöfen [27, 28]. Für Kupfer wird eine neutrale oder oxidierende Schmelzführung empfohlen. Im letzteren Fall wird eine Wasserstoffaufnahme (hohe Wasserstofflöslichkeit der Schmelze) durch einen Sauerstoffüberschuß verhindert. Anschließend ist mit geeigneten Mitteln, meist mit einer Kupfer- Phosphor-Vorlegierung, zu desoxidieren. Die neutrale Schmelzführung erfolgt unter dem Schutz einer Schmelzbadabdeckung, um die Einwirkung von Luftsauerstoff und - feuchtigkeit zu verhindern. Diese Schmelzweise hat den Vorteil, daß der Abbrand auf ein Mindestmaß beschränkt und die Aufnahme nichtmetallischer Verunreinigungen nicht zusätzlich herbeigeführt wird. Bild 34 (DKI All 86) Schachtkühlkästen aus G-CuL35 mit 99,6 % Cu (elektrische Leitfähigkeit 65 % 1.A.C.S.*) für Hochöfen; Sandguß mit angeschweißten Stahmanschetten aus St37. Stückgewicht 185 kg *) 100 % 1.A.C.S.; 0 58 m/[2 - mm] Bild 35 (DKI A 3376) Kokillengußteile aus reinem Kupfer, GK-CuL50 a) Drosselspule: Gewicht 0,815 kg, Abmessungen 117 mm x 59 mm x 50 mm b) Messerkontakt: Gewicht 0,760 kg, Abmessungen 200 mm x 50 mm x 12 mm Kurz- Gieß- Kalt Warm- Zerspan- Verbindungsarbeiten Oberflächenbehandlung zeichen barkeit um- um- barkeit*) Weich- Hart- Gas- Schutzgas- Wider- mecha- elektro- Galvani- Eignung formung formung löten löten schweißen schweißen standa- nisches chem. sierbar- für Tauchschweißen Polieren Polieren keit verzinnung Kupfersorten nach DIN 1787 E-Cu58 sehr gut sehr gut schlecht sehr gut gut schlecht mittel schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut E-Cu57 sehr gut sehr gut schlecht sehr gut gut schlecht mittel schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut OF-Cu sehr gut sehr gut schlecht sehr gut sehr gut gut gut schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut SE-Cu sehr gut sehr gut schlecht sehr gut sehr gut gut gut schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut SW-Cu sehr gut sehr gut schlecht sehr gut sehr gut gut gut schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut SF-Cu sehr gut sehr gut schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut mittel sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut Guß-Kupfer nach DIN G-CuL35 gut schlecht gut mittel gut gut mittel sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut G-CuL45 gut schlecht gut mittel mittel gut schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut G-CuL50 gut schlecht gut mittel schlecht mittel schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut G-SCuL50 gut schlecht gut gut sehr gut sehr gut schlecht sehr gut sehr gut sehr gut sehr gut Tab.18: Hinweise auf die Weiterverarbeitung von Kupfer *) Eine sehr gute Zerspanbarkeit bei gleichzeitiger hoher elektrischer Leitfähigkeit bewirken bereits geringe Legierungszusätze von Tellur oder Schwefel (Æ CuTeP oder CuSP in DIN )

16 Um die Aufnahme schädlicher Verunreinigungen aus der Ofenatmosphäre zu ver-meiden, empfiehlt sich bei beiden Schmelzweisen die Abdeckung der Schmelz-oberfläche mit ca. 15 cm ausge-- glühter Holzkohle. Etwa vorhandener Wasserstoff läßt sich am besten mit einer Spülgasbehandlung, z. B. mit Stickstoff oder Argon, entfernen. Gießen läßt sich Kupfer nach den meisten Gießverfahren, z. B. dem Sand- (Bild 34), Kokillen- (Bild 35), Strang-, Formmaskenoder Feingießverfahren. Bei der Herstellung von Formen ist ein Schwindmaß von 1,8 bis 2,2 % zu berücksichtigen. Bild 38 (DKI A 3378) Kupfervasen, durch Drücken hergestellt 11.2 Spanlose Formgebung Gegossenes Kupfer läßt sich infolge seines ausgezeichneten Formänderungsvermögens in alle Halbzeugarten wie Bleche, Bänder, Rohre, Stangen, Drähte sowie Gesenk- und Freiformschmiedestücke sehr gut umformen. Bleche, Bänder, Rohre, Stangen und Drähte werden über Formate wie Walzbarren, Rundbarren usw. gefertigt. Halbzeug aus Kupfer (außer Draht) wird fast nie direkt aus dem schmelzflüssigen Zustand hergestellt. Die Formate können aber in ihren Dimensionen eng an der endgültigen Abmessung liegen. Zur Herstellung von Blechen und Bändern werden Walzbarren aus Kupfer auf etwa 800 bis 950 C vorgewärmt und bis auf eine Dicke von 10 bis 20mm warmgewalzt. Diese Vorwalzbleche werden dann in der Regel gefräst und in kaltem Zustand evtl. unter Einschaltung von Zwischenglühungen und Beizen bis zu den erforderlichen Dicken fertiggewalzt (Bilder 36 und 37). Kupferbleche und - bänder lassen sich wegen ihrer guten Kaltumformbarkeit durch Tiefziehen (Tiefungswerte siehe DIN 17670, T. 1), Drücken (Bild 38), Treiben usw. weiterverarbeiten. Kupferrohre werden üblicherweise aus gegossenen Rundbarren hergestellt, die zu einem Rohr stranggepreßt (Bilder 39 und 40) oder warmgewalzt werden. Die Rohrrohlinge werden durch Kaltumformung auf Pilgerschrittwalzwerken oder Ziehbänken stufenweise auf den Endquerschnitt gebracht (Bilder 41 und 42). Am wirtschaftlichsten werden Kupferrohre Bild 37 (DKI A 0222) Schema des Walzens : a) Blechwalzen, b) Bandwalzen Bild 41 (DKI A 0509) Ringziehmaschine für nahtlose Kupferrohre iin großen Längen als Ringe auf Trommelziehmaschinen fertig gezogen. Eine Sonderform sind Rippenrohre für Wärmeübertrager (s. DIN17679) mit gewalzten, schraubenlinienförmig angeordneten Außenrippen (Bild 43). Zur Herstellung von Stangen aus Kupfer werden zunächst vorgewärmte Preßrundbarren auf einer Strangpresse (Æ Bild 39) zu Strängen verpreßt (Bild 44). Bei der anschließenden Kaltumformung auf den gewünschten Endquerschnitt wird der Preßstrang auf Ziehbänken durch eine Matrize gezogen (Bild 45). Drähte werden entweder als Gießwalzdraht sofort nach dem Guß in der Gießhitze gewalzt (s. Bilder 22 und 23) oder es werden Drahtbarren auf 800 bis 900 C erwärmt und auf Kaliberwalzwerken zu Walzdraht von 8 oder 12mm ausgewalzt, anschließend gebeizt und für

17 Bild 49 (DKI A 0222) Schema das Gesenkschleclens (Warmpressens) Bild 46 (DKI A 3379) Mehrdrahtziehmaschine Bild 47 (DKI A 3888) Presse zum Gesenkschmieden Bild 48 (DKI A 3888) Presse zum Gesenkschmieden Bild 50 (DKI A 4787) Wärrneableiter aus E- Cu57 für Wärmeübertrager; Gesenkschleclestück; Gewicht ca. 485 g; o 80 mm Bild 51 (DKI A 0521) Schema des Freiformschmiedens Bild 52 (DKI A 3381) Freiformschmiedestück aus CuCrZr; Schweißrollen für Widerstandsschweißung, Stückgewicht 350 kg (Bilder 46 und 47). Kupfer läßt sich beim Drahtziehen mit einer Querschnittsverminderung von mehr als 99 % ohne Zwischenglühungen umformen. Bei der Herstellung von Gesenkschmiedestücken werden meist Stangenabschnitte nach Anwärmen auf die Umformungstemperatur in eine den Werkstoff allseitig umschließende Hohlform (Gesenk) eingelegt und unter dem kräftigen Druck einer Presse umgeformt (Bilder 48 bis 50). Dagegen sind Freiformschmiedestücke durch Schlag oder Druck umgeformtes Halbzeug, das vorwiegend mit einfachen, den Werkstoff nicht allseitig umschließenden Werkzeugteilen (z. B. Flachbahnen, Sättel) hergestellt worden ist (Bilder 51 und 52). Verfahren der spanlosen Formgebung werden nicht nur zur Herstellung von Halbzeug aus Kupfer, sondern auch für die Fertigung von Bauteilen mit endabmessungsnaher Form eingesetzt. Bauteile verwickelter Form lassen sich z. B. durch Fließpressen, Sintern von Kupferpulver oder durch galvanoplastische Verfahren herstellen. Fließpreßteile werden bei Raumtemperatur durch den Druck eines Stempels in einem offenen oder auch geschlossenen Gesenk verformt. Die drei Hauptgruppen des Fließpressens sind: Vorwärts-, Rückwärts- und Kombinationsfließpressen. Beim Vorwärtsfließpressen fließt das zu verformende Kupfer in Richtung der Stempelbewegung, beim Rückwärtsfließpressen gegen die Stempelbewegung. Das Kombinationsfließpressen (Bild 53) vereint beide Verfahren. Die Grundplatte in Bild 54 wurde durch Rückwärtsfließpressen, das Gehäuse durch Kombinationsfließpressen gefertigt. Einen wichtigen Platz nimmt auch die Formgebung über Metallpulver ein, mit der Teile hergestellt werden können, die mit anderen Verfahren nur schwer oder gar nicht zu fertigen sind. Zur Aufnahme des Kupferpulvers wird das Werkzeug zunächst in Füllstellung (Bild 55), zur Erzeugung des Preßkörpers in Preßstellung und schließlich zur Freilegung des Preßkörpers in Abzugsstellung gefahren. Durch den Sinterprozeß erhält der Kupferpreßling die für seinen Einsatz notwendige Bild 53 (DKI A 1190) Fließpressen mit der und gegen die Stempelbewegung (kombiniertes Fließpressen); schematische Darstellung

18 Bild 54 (DKI A 1191) Kaltfließpreßteile aus SE-Kupfer. Vierkant-Grundplatte aus SE-CU mit Innenzapfen für ein elektronisches Bauteil; Abmessungen: 30 mm x 30 mm x 10mm. Durchlauferhitzer-Gehäuse aus SE-CU für eine Haushaltsmaschine; Länge 83 mm, o 32 mm. Beide Teile wurden bei Raumtemperatur fließgepreßt. Festigkeit. In den meisten Fällen ist der Preßling nach dem Sintern einbaufähig. Höhere Forderungen an die Maßgenauigkeit erfüllt ein anschließender Kalibriervorgang (Bild 56). Aus Kupferpulver meist mit Zusätzen von anderen Metallund Nichtmetallpulvern werden z. B. Bremsbeläge, Kupplungslamellen, poröse oder mit Schmierstoff getränkte Gleitlager, Teile für Büromaschinen u.a. hergestellt. Nicht zu vergessen ist außerdem die Galvanoplastik, bei der Kupfer auf einer Mutterform elektrolytisch abgeschieden wird. Das gleiche Verfahren wird angewendet, um Kupferfolien auf einer rotierenden Trommel abzuscheiden und kontinuierlich abzuziehen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß sich die dünnen Kupferfolien (Standarddicke 35 µm) auf der Trommelseite mit blanker, auf der anderen Seite mit rauher Oberfläche abscheiden. Die rauhe Oberfläche ist günstig für Klebeverbindungen. Derartige Folien werden in großem Umfang für gedruckte Schaltungen verwendet Wärmebehandlung Die Entspannungsglühtemperatur, bei der Spannungsspitzen im Werkstoff abgebaut werden, die durch Kaltumformung erzielten Festigkeitseigenschaften jedoch im wesentlichen erhalten bleiben, liegt bei 100 bis 150 C. Die Weichglühtemperatur, bei der die Git-terstörungen des verfestigten Kupfers abgebaut werden, liegt üblich zwischen 400 und 500 C. Die Weichglühtemperatur des durch Kaltumformung verfestigten Kupfers hängt vom Umformungsgrad, von etwa vorhandenen Begleitelementen und auch von der Glühzeit ab. Die Rekristallisationstemperatur ist um so niedriger, je stärker vorher kaltverformt wurde (Bild 57). Bereits kleine Gehalte gewisser Beimengungen wie z.b. Silber, Arsen und Nickel setzen die Rekristallisationstemperatur erheblich herauf. Bei Verwendung wasserstoffhaltiger Gase als Glühatmosphäre ist zu beachten, daß nur die sauerstofffreien Kupfersorten wasserstoffbeständig sind. Wird eine blanke Oberfläche verlangt, glüht man in nichtoxidierender Atmosphäre in einem Blankglühofen Spanabhebende Bearbeitung Unlegiertes Kupfer hat die erwünschte Eigenschaft einer hohen Zähigkeit bei großer Dehnung. Diese Eigenschaft, verbunden mit einer relativ niedrigen Festigkeit, bedingt eine schlechte Zerspanbarkeit, die man in Kauf nehmen muß. Bei relativ niedrigen Schnittkräften neigt der Werkstoff zur Aufbauschneidenbildung. Außerdem bilden sich sehr lange Flachwendel oder Wirrspäne, die schwierig abzuführen sind. Abwandernde Teile der Aufbauschneide und Späne, die den Spanfluß stören, erschweren die Herstellung guter Oberflächen durch spanende Bearbeitung. Voraussetzung für gute, glatte Oberflächenqualitäten sind eine scharfe Schneide, gute Spanabfuhr und um eine Aufbauschneidenbildung weitgehend zu vermeiden ausreichende Schmierung mit Schneidölen. Als Werkzeugewerden Schnellstahl und Hartmetall verwendet, für hohe Ansprüche an Oberfläche und enge Toleranzen auch Diamantwerkzeuge. Der Aufbauschneidenbildung kann durch große Spanwinkel, scharfe Schneiden und polierte Oberflächen entgegengewirkt werden. Zur Verminderung der Reibung und zur Abführung der Reibungswärme sind Kühl- und Schmiermittel erforderlich. Der Schmierfilm zwischen Werkstück und Werkzeug vermindert den Verschleiß. Als Schmiermittel werden Schneidöle bzw. Schneidöl- Wasser-Emulsionen verwendet. Die Schmiermittel für Kupfer müssen möglichst schwefelfrei sein, weil sonst Verfärbungen auftreten. Schon durch geringe Zusätze von Tellur, Schwefel oder Blei als Spanbrecher wird die Zerspanbarkeit von Kupfer ohne we sentliche Beeinträchtigung der Leitfähigkeit erheblich verbessert. Solche Werkstoffe sind z. B. CuTeP und CuSP nach DIN Sie lassen sich auf Automaten zerspanen Verbindungsarbeiten Kupfer läßt sich nach allen bekannten Verfahren einwandfrei verbinden. Neben dem Löten ist vor allem das Schweißen das wichtigste Verbindungsverfahren Schweißen Die bekannten Schmelzschweißverfahren (Gas-, WIG- und MIG-) bereiten keine Schwierigkeiten, sofern die besonderen Eigenschaften des Kupfers berücksichtigt werden. Als Schweißzusätze werden S-CuAg oder S-CuSn nach DIN 1733 verwendet. Wegen der hohen Wärmeleitfähigkeit des Kupfers ist es erforderlich, zu schweißende Kupferteile größerer Wanddicke im Schweißbereich vorzuwärmen, je nach Wanddicke und Verfahren auf 200 bis 600 C [30]. Zum Schmelzschweißen sind vorzugsweise sauerstofffreie Kupfersorten zu verwenden, denn durch den Einfluß der Schweißwärme und bei gleichzeitiger Einwirkung des in der Schweißflamme enthaltenen Wasserstoffs kann sauerstoffhaltiges Kupfer spröde werden. Dies gilt insbesondere für das Gasschweißen, das für Kupfer noch vielfach eingesetzt wird, beispielsweise im Baustellen- und Montagebetrieb. Heute wird Kupfer vorwiegend unter Inertgasschutz geschweißt. Das MIG- Verfahren eignet sich vor allem für große Fülleistungen bei Wanddicken über 10 mm. Für Wanddicken unter 6mm und bis etwa 16 mm ist das WIG-Verfahren überlegen, wenn doppelseitig-gleichzeitig geschweißt werden kann.die Kupfer- Gußwerkstoffe nach DIN (Æ Tab. 13) sind ebenfalls gut schmelzschweißgeeignet. Jedoch kann für G-CuL50 und GK-CuL50 wegen des Ge-haltes an Sauerstoff der Erfolg der Schmelzschweißung nicht garantiert werden. Von den Widerstands-Schweißverfahren wird für Kupfer das Stumpfschweißen angewendet (z. B. zum Verbinden von Drähten). Die Anwendung des Punkt- und Nahtschweißens beschränkt sich wegen der hohen Leitfähigkeit des Kupfers auf dünne und dünnste Querschnitte. Vorteilhaft sind für bestimmte Anwendungen einige neuere Schweißverfahren wie z.b. Kaltpreßschweißen, Kaltfließpreßschweißen, Ultraschallschweißen, Reibschweißen, Diffusionsschweißen, Wolfram- Plasmaschweißen (WP), Mikroplasma- Schweißen, Impuls-Lichtbogenschweißen (MIG und WIG), Elektronenstrahl-

19 chweißen (EB), Laserstrahlschweißen (LB) und Sprengschweißen (Plattierung) [30], [31] Löten Zum Hartlöten dickerer Teile aus Kupfer können Messinglote und phosphorhaltige Kupferlote nach DIN 8513, T. 1, verwendet werden. Größere Bedeutung besitzen jedoch silberhaltige Hartlote nach DIN 8513, Teil 2 und 3. Sie haben niedrigere Arbeitstemperaturen, vermindern die Gefahr der Grobkornbildung und gestatten höhere Lötgeschwindigkeiten [32, 33]. Weit verbreitet ist das flußmittelfreie Hartlöten von Kupfer mit den phosphorhaltigen Loten L-CuP8/CP 201, L-CuP7/CP 202, L-CuP6/CP 203, L-Ag15P/CP 102, L-AgSP/CP 104 und L-Ag2P/CP 105. Im übrigen sind Flußmittel der Typen F- SH1/FH10 (für silberhaltige Hartlote mit Arbeitstemperaturen bis 800 C) bzw. F-SH2//FH21 (für Hartlote mit Arbeitstemperaturen über 800 C) nach DIN 8511, Bl. 1, einzusetzen. (Zur Zeit der Drucklegung befinden sich die zukünftigen europäischen Normen EN1044 [Lote] und EN1045 [Flußmittel] noch im Entwurfsstadium. Die zukünftig zu erwartenden Lotund Flußmittelbezeichnungen erscheinen daher nachgestellt.) Für autogene Lötverfahren (Flammlötungen) sind sauerstofffreie Kupfersorten vorzusehen. Zu beachten ist, daß beim Hartlöten die durch Kaltumformung erzielten höheren Festigkeitseigenschaften des Kupfers verlorengehen. Die größte Bedeutung haben Lötverbindungen in der Kupferrohr-Installation. Dabei werden Leitungen größeren Durchmessers ohne Bedenken hartgelötet. Vorzugsweise gelangen für Kupfer/Kupfer- Verbindungen in der Rohrinstallation die Hartlote L-CuP6/CP 203 oder L-Ag2P/CP 105 ohne Flußmittel zum Einsatz. Außerdem sind für Kupferrohrinstallationen die hochsilberhaltigen Lote L- Ag44/AG203, L-Ag34Sn/AG 106 und L- Ag45Sn/AG 104 in Verbindung mit dem Flußmittel F-SH1 nach DIN 8511 (bzw. zukünftig FH10 nach EN 1045) zugelassen [34]. Im Lebensmittelbereich werden die zinnhaltigen Silberhartlote nach DIN 8513, Teil 3, verwendet (z. B. L-Ag45Sn/AG104 bzw. L-Ag34Sn/AG106). Auf die bislang z. T. üblichen cadmiumhaltigen Lote sollte aus Gesundheitsgründen generell verzichtet werden. Die Guß-Kupfersorten nach DIN17655 werden wie die Knet-Kupfersorten nach DIN1787 hartgelötet. Bei G-CuL50 und GK-CuL50 ist die Hartlöteignung nur gewährleistet, wenn bei kurzzeitigem Lötvorgang eine Wasserstoffaufnahme verhindert wird. Zum Weichlöten kommen Zinn-Blei-Lote, im allgemeinen mit 50 oder 60% Sn, nach DIN EN bzw. E-DIN (bislang DIN 1707) in Frage. Für gröbere Teile können antimonarme Weichlote, z. B. S-Pb55Sn45 (L-Sn50Pb(Sn)), für Feinlötungen die antimonfreien Weichlote wie z. B. S-Pb50Sn50 bzw. S-Pb50Sn50E (L-Sn50Pb) oder S-Sn60Pb40 bzw. S-Sn60Pb40E (L-Sn60Pb) verwendet werden. Auch Sonderweichlote wie S-Sn97Ag3 (L-SnAg5) oder S-Sn97Cu3 (L-SnCu3) sind geeignet. Im Lebensmittelsektor sollen und für Lötungen an Trinkwasserleitungen dürfen nur diese beiden bleifreien Lote eingesetzt werden. (Detaillierte Bestimmungen siehe DVGW- Regelwerk oder [34, 35]). Bei Anforderungen an eine höhere Temperaturbeständigkeit stehen auch warmfeste Sonderweichlote zu Verfügung. Als Weichlötflußmittel kommen für Kupfer die Typen (F-SW11), (F-SW21), (F-SW22), 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3, 2.2.2, (F-SW24 bzw. F-SW25) in Betracht. (Die Systematik bei der Klassifizierung der Weichlotflußmittel ist in DIN und EN unterschiedlich, näheres s. DIN-EN ). Für die Elektrotechnik und Elektronik sind die Zinn-Blei-Weichlote (antimonfrei) L-Sn60PbCu (für Bäder) und S-Sn60Pb38Cu2 (L-Sn60PbCu) (als Röhrenlot mit Flußmittelfüllung) von großer Bedeutung. Hier kommen hauptsächlich die Flußmitteltypen (F-SW26), (F-SW31) und (F-SW32) auf Kolophoniumbasis zur Anwendung. Die Guß-Kupfersorten nach DIN werden selten weichgelötet. Sie verhalten sich jedoch löttechnisch wie die Knetkupfersorten nach DIN Kleben Das Kleben wird für Kupfer als wärmearmes Fügeverfahren angewendet, so in der Elektrotechnik und Elektronik, im Kunsthandwerk sowie in der Innenarchitektur usw. Für die verschiedensten Anwendungen stehen bewährte Klebstoffe zur Verfügung. Klebschichten haben eine hohe Isolierwirkung, die in vielen Fällen erwünscht ist. Bei Bedarf kann aber auch durch Zusätze z. B. von Kupferpulver eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Klebschicht erzielt werden Mechanische Verbindungen Verbindungen von Kupfer durch mechanische Verfahren z. B. durch Nieten, Schrauben oder Falzen werden im Apparate- und Maschinenbau sowie im Bauwesen vielfach angewendet. Nietverbindungen sind eine Alternative für dauerhafte, nicht lösbare Verbindungen von Bauteilen aus Kupfer. Übliche Nietwerkstoffe sind SF-Cu und CuZn37. Schraubenverbindungen sind dagegen lösbare Verbindungen. Außer SF-Cu kommen als Schraubenwerkstoffe CuTeP, CuZn36Pb, CuZn40Pb2, CuSn6 oder CuNi2Si zum Einsatz. Falzverbindungen werden u. a. bei Kupferdachdeckungen und Kupferbauklempnerarbeiten angewendet. Wegen ihrer hervorragenden Kaltformbarkeit lassen sich Kupferbleche und -bänder leicht falzen Oberflächenbehandlung Kupfer ist ein auf der Oberfläche besonders gut zu bearbeitender und veredelnd zu behandelnder Werkstoff. Schleifen erfolgt auf Scheiben, die mit dem Schleifmittelkorn belegt oder völlig durchsetzt sind. Schleifen mit Band und Bürsten hat sich ebenfalls bewährt. Poliert wird auf Tuch- oder Filzscheiben mit pastenförmigen oder flüssigen Poliermitteln. Kupfer kann chemisch geglänzt oder elektrolytisch poliert werden. Dazu wendet man Säurelösungen mit Zusatzmitteln an. Zum reinigenden Beizen dienen Schwefelund Amidosulfosäure sowie Amidopersulfatlösungen und verdünnte Borfluorwasserstoffsäure. Zeigt die Oberfläche keinen Zunder, dann kann anstatt zu beizen besser chemisch geglänzt werden. Metallisch reine Kupferoberflächen können mit Chromatierlösung schwach aufglänzend behandelt werden; dabei entsteht gleichzeitig ein zeitweiliger passivierender Schutz gegen Anlaufen und schwache Korrosionseinflüsse. Überzüge aus Zinn und Zinn-Blei fördern die Löteignung des Kupfers. Durch Nickelschichten erzielt man dekorative Wirkungen. Vor einem galvanischen Verchromen des Kupfers wird meist vernickelt. Nickel-Kobalt-Überzüge führen zu gezielten magnetischen Eigenschaften, aber auch zu verschleißbeständigen Oberflächen. Nickel-Mangan- Schichten sind hitzebeständiger als Nickelschichten. Funktionelle Bauteile aus Kupfer können nach zahlreichen Verfahren, z. B. durch CVD1), PVD2), Ion- Plating, im Vakuum oder schmelzflüssig, elektrolytisch oder mechanisch mit nahezu allen Metallen, Legierungen und Hartstoffen beschichtet werden. Durch thermische Verfahren werden Diffusionszonen aus Legierungen mit Kupfer erzeugt. Im Kunsthandwerk wird Kupfer vielfach chemisch gefärbt [36]. Im Bauwesen werden Kupferbleche für Sonnenkollektoren durch chemische und galvanische Verfahren geschwärzt und für Dachdeckungen künstlich patiniert geliefert. lieren ist ebenfalls ein beliebtes Veredelungsverfahren im Kunsthandwerk und in der Metallwarenindustrie. wird auch dann zum bewährten Überzug für Kupfer, wenn es gilt, Anlagenteile z. B. für die chemische und pharmazeutische Industrie gegen chemischen Angriff zu schützen. Lackieren mit Klarlacken erhält den natürlichen Farbton des Kupfers lange Zeit, oft über Jahre hinaus. Lackiert werden auch gefärbte Kupferteile [37]. 12. Verwendung Allgemeine Hinweise auf die Verwendung von Kupfer wurden bereits in den Tabellen 8 und 9 gegeben. Die Vielfalt der Verwendungsmöglichkeiten von Kupfer kann nachstehend ergänzt durch einige Bildbeispiele nur unvollständig aufgezeigt werden Kupfer Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit ist Kupfer derwerkstoff für die Elektrotechnik. Heute wird mehr als die Hälfte der gesamten Kupfererzeugung in der Elektrotechnik verbraucht. Als besonders interessante Anwendungsgebiete sind die Nachrichtentechnik, Funk und Fernsehen, die Elektronik und die elektronische Datenverarbeitung zu erwähnen. Kupfer wird in Form von Drähten, blank und isoliert, als Einzelleiter, Litze oder Kabel, verwendet, aber auch in Form von 1 2 chemische Abscheidung aus der Dampfphase physikalische Abscheidung aus der Dampfphase

20 Blechen, Bändern, Folien, Rohren, Stangen und Profilen oder Guß. Es kommt z. B. in Wicklungen elektrischer Maschinen und Spulen, Generatoren, Transformatoren, Strom-Leitsystemen, in Schaltgeräten und anderen elektrischen Installationen verschiedenster Art zum Einsatz. Einige Anwendungsbeispiele zeigen die Bilder 35 und 58 bis 62. Die chemische Industrie setzt Kupfer wegen seiner ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit gegenüber vielen Medien und wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit für Wärmeübertrager, Destillierkolonnen und Kolonnenböden, Kühlanlagen, Elektrofilterbleche, Rohrleitungen und Dichtungen sowie für viele andere Apparateteile ein. Aus den gleichen Gründen findet Kupfer auch in der Erdölindustrie und bei der Gewinnung flüssiger Luft, in der Nahrungsmittel-, der Brauerei- und Getränkeindustrie (Bild 63), der Papierindustrie (Bild 64) sowie in anderen Industriezweigen vielseitige Verwendung. In der Hütten- und Gießereiindustrie wird Kupfer wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit bevorzugt dort eingesetzt, wo große Wärmemengen schnell abgeführt werden müssen, beispielsweise für Blasformen, Sauerstofflanzen und Schachtkühlkästen von Bild 61 (DKI A 3384) Kontakthalteraus GK- CuL50 (Kokillenguß); Gewicht 1,890 kg; elektrische Leitfähigkeit ml Hochöfen (s. Bild 34), sowie für Tiegel von Lichtbogen-Umschmelzanlagen (Bild 65) und Stranggießkokillen (Bilder 66 und 67), in welchen Metallschmelzen schnell erstarren sollen und für Gießwalzanlagen (Bild 68). Bild 65 (DKI A 3385) Tiegel aus Kupfer für Lichtbogen-Umschmelzanlagen Bild 66 (OKI A 1198) Kokillen aus Kupfer für Stahl- und NE-Metall-Strangguß Bild 58 (DKI A 3382) Einbau der fertigisolierten Zwischenschichtformspulen aus Flachdraht (Material E-Cu58) in das Stänclerblechpaket eines Hochspannungs-Asynchronmotors Bild 62 (DKI A 5087) Strornschinen in Schaltanlagen hergestellt aus hochleitfähigern E-Cu Bild 67 (DKI A 5081) Wassergekühlte Kokille für den kontinuierlichen Strangguß von Stahl mit Kühleinsatz aus hoch wärrneleitfähigem Kupferwerkstoff Bild 59 (DKI A 3383) Einlegen der Wicklung aus Flachkupfer (Material CuAg) in den Induktor eines zweipoligen Hochspannungs- Synchronmotors Bild 63 (DKI A 0532) In dieser Destillierblase aus Kupfer wird Whisky destilliert, der dann hochprozentig in Eichenfässern einige Jahre gelagert wird (Foto: Fred Methner, Berlin) Bild 60 (DKI A 0526) HF-Energiekabei (Sendekabel) mit Anschlußkabel Bild 64 (DKI A 0539) Rohrleitungen aus SF- Cu (256 mm x 3 mm und 84 mm x 2 mm) in einer Papierfabrik Bild 68 (OKI A 3387) Gießräder aus Kupfer

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