Kupfer ist neben Stahl einer der wichtigsten strategischen Werkstoffe. Es ist seit der Antike vor allem wegen der Tatsache bekannt, dass es ein Grundbestandteil der Bronze ist, daher der Name der Bronzezeit. Seine lateinische Etymologie weist auf die Herkunft hin – Cuprum – ist anders gesagt ein Material, das aus Zypern stammt, denn dort wurde es für die Antike am häufigsten abgebaut. Obwohl sich der größte Tagebau derzeit in Chile befindet – Chuquicamata, ist auch Polen einer der Hauptproduzenten, wobei sich die wichtigsten Lagerstätten im sog. Lubin-Głogów-Kupfergebiet befinden.
Präsenz von Kupfer im täglichen Leben ist erstaunlich - früher wurde es zur Herstellung von Denaren verwendet, heute wird es zur Herstellung von Euro-Münzen genutzt, und es wird sogar als Zusatzstoff in Feuerwerkskörpern gebraucht, wodurch eine schöne blaue Farbe entsteht - während der Explosion oxidieren die Kupfermoleküle und strahlen infolgedessen ein Licht dieser Farbe aus.
Wie wird Kupfer hergestellt?
Kupferstein wird aus Kupferpyrit gewonnen. Das Ausgangsmaterial wird mit Schlacke behandelt und dann vom Kupferstein getrennt, der weiterverarbeitet wird, bis er in Form von Rohkupfer vorliegt (in der 2 % des Inhalts aus unedlen Metallen wie Eisen und Zink sowie aus Edelmetallen wie Silber und Gold bestehen). Im Elektrolyseprozess werden alle anderen Metalle von Kupfer getrennt und es entsteht elektrolytisches Kupfer mit einer Reinheit von fast 100%.
Was sind die Eigenschaften von Kupfer?
Zu den zahlreichen Eigenschaften von Kupfer gehören:
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sehr gute Stromleitfähigkeit – an zweiter Stelle nach Silber, aber besser als Gold – daher wird es in der Elektrik und Elektronik verwendet; ein mittelgroßes Auto enthält bis zu 22,5 kg Kupfer; es wird auch als Blitzschutzmaterial verwendet,
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Beständigkeit gegen ultraviolette Strahlung – verwendet in Anti-UV-Isolierungen,
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Korrosionsbeständigkeit – aus diesem Grund besteht die Freiheitsstatue in New York aus 80 Tonnen Kupfer, das von der norwegischen Visnes-Mine transportiert wurde; es war die einzig richtige Wahl, da es im Seeverkehr nicht dem Salzwasser des Ozeans ausgesetzt war,
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Hervorragende Zerspanbarkeit und Verformbarkeit - wie wir genau wissen und was durch die Prozesse bestätigt wird, die eine CNC-Bearbeitung erfordern,
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Kupferwerkzeuge erzeugen keine Funken - deshalb werden sie in gefährlichen Umgebungen und explosionsgefährdeten Gebieten eingesetzt,
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bekämpft Bakterien-, Pilz- und Virenstämme - deshalb wird es in einigen Teilen der Welt verwendet: antibakterielle Kupfertürklinken (insbesondere in Krankenhäusern und öffentlichen Einrichtungen), und in der Landwirtschaft werden sog. Kupferspritzmittel eingesetzt,
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es ist recyclingfähig - 80% des jemals geförderten Kupfers wird kontinuierlich verwendet, da es im Recyclingprozess nicht an Qualität verliert - es wird in Leiterplatten in elektronischen Geräten verwendet und ist auch das primäre Supraleitermaterial im Großen Hadronen-Speicherring CERN in der Schweiz (auch als Large Hadron Collider bekannt).
Was ist die Zerspanbarkeit von Kupfer?
Reines Kupfer ist aufgrund seiner Dehnbarkeit und Formbarkeit schwer zu bearbeiten. Aus diesem Grund werden Zn-, Sn-, Al- und Si-haltige Legierungen verwendet, die einen günstig geformten Span für die Bearbeitung bilden. Die Zerspanbarkeit von Pb-, Se- und Te-haltigen Legierungen ist mit der von Automatenstahl vergleichbar.
Die Verarbeitung von Kupfer zeichnet sich durch eine geringe Anfälligkeit für Ablagerungen an den Werkzeugschneiden aus. Die Anwesenheit solcher Ablagerungen auf Werkzeugen führt zu einem Anstieg der Kräfte und Temperaturen während der CNC-Bearbeitung. In dieser Hinsicht verhält sich Kupfer ähnlich wie Titanlegierungen, weißes Gusseisen oder gehärteter Stahl.
Kupferlegierungen werden nach dem sog. Universal Machinability Rating (UMR) eingestuft, wobei als Referenz die Zerspanbarkeit (100%) von Messing CZ121 ≈ MO58 (CuZn40Pb2) gilt, wobei u. a. die Spangröße, die erforderliche Kraft oder die Oberflächengenauigkeit berücksichtigt werden. Bei verschiedenen Werkstoffen wird er einfach als Zerspanbarkeitsindex bezeichnet - einige Quellen geben auch Automatenmessing CuZn39Pb3 als Referenzmaterial an.
Welche Eigenschaften hat Kupfer?
Auf der Grundlage des Universal Machinability Rating werden drei grundlegende Gruppen unterschieden:
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UMR > 60% – Kupferlegierungen, die Blei, Tellur oder Schwefel enthalten und sich durch sehr gute Zerspanbarkeit auszeichnen,
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UMR 30 – 60% – Kupferlegierungen mit guter Zerspanbarkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung zufriedenstellender sonstiger Eigenschaften, bilden längere Späne,
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UMR < 30% – hochfeste Kupferlegierungen, bei denen die Verarbeitung von Kupfer aufgrund des erheblichen Anstiegs der Zerspanungstemperatur und der Notwendigkeit niedrigerer Bearbeitungsgeschwindigkeiten schwierig ist; sie bilden ungünstige, lange, schleppende Späne und tragen zu einer höheren Abnutzung der Werkzeuge bei.
Die meisten Kupferwerkstoffe für elektrische Anwendungen haben einen niedrigen Zerspanungsindex von 18-30, müssen aber sehr oft nicht bearbeitet werden. Die CNC-Bearbeitung von Kupfer ist für die optische Industrie gut geeignet.
Wofür wird Kupfer in der Industrie hauptsächlich verwendet?
Heutzutage wird Kupfer vor allem bei der Herstellung von Elektrokabeln verwendet. Es wird geschätzt, dass etwa 60 % des verfügbaren Kupfers in dieser Branche verbraucht wird. Darüber hinaus wird es in der Bauindustrie für Dachdeckungen und Wasserversorgungsanlagen eingesetzt. Die Kupferwasserleitung selbst wurde erstmals im alten Ägypten verwendet und die nach mehr als 4000 Jahren gefundenen Rohre sind in einem sehr guten Zustand erhalten geblieben (heute sind sie im Berliner Nationalmuseum zu sehen).
Kupfer wird auch in der Konstruktion von Behältern für nukleare Abfälle verwendet (deren Haltbarkeit auf über 100.000 Jahre geschätzt wird) - Schweden ist Vorreiter dieser Lösung. Etwa 15 % des Kupfers werden in der Maschinenbauindustrie verwendet, der größte Teil davon in Maschinen- und Ausrüstungsteilen, bei denen eine Kupferbearbeitung oder Vibrationsschleifen erforderlich war. Daher ist die Analyse des Werkstoffs Kupfer ein äußerst wichtiger Bestandteil der Vorbereitung und des Verständnisses des gesamten Produktionsprozesses.
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