Kupfer

Die grüne Patina auf dem Dach des Bremer Rathauses ist ein klassisches Indiz für die Verwendung von Kupferblech, einem der traditionellsten Werkstoffe überhaupt. Sie besteht aus ungiftigem Kupfercarbonat und / oder Kupferhydroxidsulfat und schützt das Schwermetall vor Korrosion. Kupferdächer haben eine besonders lange Lebensdauer und können der Witterung für mehrere hundert Jahre ausgesetzt sein. Neben Legierungen, die zu fast 100 % aus Kupfer bestehen, haben vor allem Legierungen aus Kupfer und Zink (z. B. Messing) sowie solchen aus Kupfer und Zinn eine hohe Bedeutung in vielen Anwendungsbereichen.

Kupfer-Zinn-Legierungen mit mindestens 60 % Cu sind als „Bronzen“ bekannt. Entsprechend des Anteils der verschiedenen Legierungselemente, unterscheidet man Phosphor-, Zinn-, und Aluminiumbronzen. Sie werden in der Kunst seit Jahrtausenden verwendet. Ein prominentes Beispiel sind die Bremer Stadtmusikanten, die von Gerhard Marcks 1953 gegossen wurden und einen Platz direkt neben dem Rathaus gefunden haben. Angeblich soll das Umfassen der Beine des Esels direkt oberhalb der Knöchel Glück bringen. Auf Grund des hohen touristischen Interesses ist die Patina an diesen Stellen verschwunden.

Eigenschaften

Mit einer Dichte von 8,92 g / cm³ zählt Kupfer zu den Schwermetallen. Im Vergleich weist Magnesium beispielsweise nur einen Dichtewert von 1,74 g / cm³ auf und ist damit fünf Mal leichter. Ohne Patina hat Kupfer eine hellrote Farbe. Man kennt diese insbesondere von Rohren, elektrischen Drähten und Leitungen. Auf Grund seiner außerordentlich guten elektrischen Leitfähigkeit ist die Elektrotechnik der bedeutendste Anwendungsbereich. Ähnlich gute Eigenschaften hat Kupfer bei der Leitung von Wärme.

Der Zusatz von Nickel führt zu einer silberweißen oder edelstahlartigen Oberfläche. Daher werden Kupferlegierungen mit Zink und Nickel auch Neusilber genannt. Der Schmelzpunkt des Werkstoffs liegt bei einer Temperatur von 1083 °C. Die Festigkeitswerte des Materials sind abhängig von den jeweiligen Legierungsbestandteilen. Reinkupfer hat im Vergleich zu seinen Legierungen die geringste Festigkeit. Die Zufuhr von Wärme reduziert diese bei allen Kupfersorten.

Auf Grund seiner Kristallstruktur besitzt Kupfer eine hohe Duktilität, also eine sehr gute Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Gegenüber Sauerstoff, wässrigen Lösungen, schwefelfreien Ölen und anderen organischen Stoffen besitzt das Schwermetall eine gute Korrosionsbeständigkeit. Schwefelhaltige Substanzen greifen Kupfer in der Regel an (Beispiel: vulkanisiertes Gummi). Zusammen mit den Luftnebenbestandteilen Wasserdampf, Kohlensäure und Kohlendioxid oxidiert Luftsauerstoff die Kupferoberfläche und bildet die bekannte grüne Patina, die das Metall langfristig vor weiterer Korrosion schützt und auch beständig gegen Meerwasser ist. Nicht verwechseln sollte man die Patina mit Grünspan. Dieser ist giftiges Kupferacetat, das aus einer Reaktion von Essigsäure mit Kupfer hervorgeht. Daher sind Kupferbehältnisse nicht geeignet zur Lagerung und zum Transport von Fruchtsäften, Weinen und säurehaltigen Flüssigkeiten.

Anwendung

60 % der gesamten Kupferproduktion wird in der Elektroindustrie zu Kabeln und Leitungen verarbeitet. Ein weiterer großer Anteil geht in den Sanitärund Baubereich. Typische Verwendungsbeispiele sind Leiterbahnen, Spulen, Wicklungen von Transformatoren und Generatoren. In der Architektur sind Dächer aus Kupferblechen besonders beliebt.

Durch seine guten Reflexionseigenschaften für Infrarotstrahlung wird der Werkstoff für die Laser-Herstellung verwendet. Auf Grund der keimhemmenden Wirkung ist Kupfer für den Kesselbau bei Brauereien oder Trinkwasserleitungen beliebt. Ähnliche Eigenschaften werden bei Tür- und Fenstergriffen genutzt.

Die gute Wärmeleitung macht den Werkstoff außerdem für Kühlschlangen interessant. Außerdem ist Kupfer seit der Antike ein wichtiger Werkstoff für die Münzherstellung. Heute besteht das 50 €-Cent Stück aus dem so genannten „Nordischen Gold“, einer Legierung aus 89 % Kupfer, 5 % Aluminium, 5 % Zink und 1 % Zinn. Im Kunstbereich kommen Kupferbleche auf Grund der leichten Verarbeitbarkeit häufig zum Einsatz. Emailliertes Kupfer wird auch für Schmuck verwendet.

Verarbeitung

Kupfer lässt sich bestens kalt verformen. Mit der entsprechenden Ausrüstung sind selbst Treibarbeiten mit dem Hammer sehr gut durchzuführen. Der Werkstoff lässt sich sehr gut tiefziehen. Auf Grund von Versprödungserscheinungen durch Ausscheidung von Verunreinigungen sollten Biegungen nicht bei Temperaturen zwischen 350 °C und 650 °C vorgenommen werden.

Da Kupfer dazu neigt zu schmieren, sind zerspanende Bearbeitungsprozesse wie Fräsen oder Drehen nur mit mäßigem Erfolg durchzuführen. Zur Erzielung passabler Ergebnisse sollten Schneidwerkzeuge (Bohrer, Sägeblätter) hinterschliffen sein und Bohrerspitzen einen Spitzenwinkel um 140° besitzen. Da Kupfer zur Aufnahme von Gasen neigt, wird es nur selten vergossen. Cu-Gussteile sind porös und haben kein Gefüge mit gleichmäßig guten Eigenschaften. Zur Herstellung von Halbzeugen werden Cu-Barren warm oder kalt zu Blechen und Bändern gewalzt oder zu Drähten und Rohren gepresst bzw. gezogen.

Kupfer lässt sich sehr gut löten. Schweißen unter Schutzgas ist möglich. Zum Kleben eignen sich vor allem Reaktionsklebstoffe auf der Basis von Epoxidharz, Polyurethan oder Cyanacrylat. Für besonders stabile Klebungen sollten die Klebefläche vorher angeraut werden. Auch unterschiedliche Materialien lassen sich mit Reaktionsklebstoffen verbinden. Im Modellbau können auch Ruderer L 530 oder UHU hart verwendet werden.

Zur Erzielung einwandfreier Kupferoberflächen lassen sich Schleif- und Poliertechniken komplikationsfrei anwenden. Soll die Oberfläche glänzend bleiben, ist eine Lackierung mit einem Klarlack unumgänglich. Außerdem sind Kupferwerkstoffe mit chemischen Mitteln ganz hervorragend und dauerhaft zu färben. Die notwendigen Chemikalien gibt es in der Drogerie oder Apotheke. Einen gleichmäßigen Überzug erreicht man, wenn man das Metall vollständig in ein Bad mit der wässrigen Chemikalienlösung taucht. Der Behälter sollte dabei aus Glas, Porzellan oder Polyethylen sein. Größere Teile müssen mit dem Pinsel oder einem Tuch bestrichen bzw. betupft werden. Gummihandschuhe und Schutzbrille sind empfehlenswert. Vor dem Verfärben muss allerdings die Oxidschicht von der Metalloberfläche entfernt werden. Dies geschieht durch Waschen mit Spülwasser, in stark verdünnter Schwefelsäure, durch Abschleifen oder Reinigung mit Flussmittel, wie es beim Löten verwendet wird. Wenn beim abschließenden Spülen keine Wassertropfen mehr abperlen, ist das Metall sauber. Vor dem Färben ist zu empfehlen, den gewünschten Farbton an einem Reststück zu prüfen.

Grünspan: 3 Teile Kupfercarbonat, 1 Teil Ammoniumchlorid (Salmiak), 1 Teil Kupferacetat, 1 Teil Weinstein und 8 Teile Essigsäure (Essigessenz) mischen und mit Pinsel oder Tuch auf das Metall auftragen. Nach einigen Tagen bildet sich die grüne Oberflächenschicht. Grünspaneffekte können auch mit fertigem Patiniermittel und anschließender Nachbehandlung erzeugt werden. Eine preiswertere Alternative ist der Saft des Dosensauerkrauts.

Braun: 2 Teelöffel Kalischwefelleber (Kaliumsulfid) in 4,5 Litern heißem Wasser lösen. Das zu färbende Teil dann solange in die Lösung tauchen, bis sich der gewünschte Farbton eingestellt hat. Abschließend mit kaltem Wasser abspülen.

Schwarz: 1 Teelöffel Kalischwefelleber (Kaliumsulfid) und gut 1 / 4 Teelöffel Ammoniakwasser in 1 Liter kaltem Wasser lösen. Das Werkstück eintauchen, bis sich der gewünschte Farbton eingestellt hat.

Lieferformen

Kupferdraht ist in Durchmessern von bis zu 0,1 mm erhältlich. Weitere typische Kupferhalbzeuge sind nahtlos gezogene Rohre, gewalzte Bänder und Bleche. Auch Bronzen werden als Rohre, Stangen und Bleche angeboten. Chile ist das Land mit der größten Kupferproduktion weltweit. Auf Grund des stark gestiegenen Werkstoffpreises wird Kupfer in zunehmendem Maße recycelt. Das Preisniveau ist höher im Vergleich zu Stahlwerkstoffen und vergleichbar mit Aluminium.

Alternativen

Edelstahl, Chrombeschichtungen, elektrische Leitungen aus Silber