Kupfersorten bilden eine der wichtigsten Gruppen der Handelsmetalle und werden wegen ihrer hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer guten Verarbeitbarkeit geschätzt. Sie sind nichtmagnetisch und lassen sich problemlos durch Weich- und Hartlöten verbinden, während viele Kupfersorten auch mit verschiedenen Gas-, Lichtbogen- und Widerstandsschweißverfahren geschweißt werden können. Das Verständnis dafür, wie diese Sorten gruppiert und bezeichnet werden, ist der Ausgangspunkt für die Auswahl des richtigen Werkstoffs für eine bestimmte Anwendung.
Kupfersorten werden in sechs Gruppen unterteilt: Kupfer, verdünnte Kupferlegierungen, Messing, Bronze, Kupfer-Nickel-Legierungen und Neusilberlegierungen. Jede Gruppe wird durch ihre Hauptlegierungselemente definiert und nimmt innerhalb des Unified Numbering System (UNS) einen bestimmten Bereich ein.
Abbildung 1: Überblick über die sechs Gruppen von Kupfersorten
Die erste Gruppe, die Kupferlegierungen, besteht im Wesentlichen aus handelsüblichem reinem Kupfer. Dieses Material ist normalerweise weich und duktil und enthält weniger als etwa 0,7 % Gesamtverunreinigungen. Sorten von handelsüblichem reinem Kupfer werden mit den UNS-Nummern C10100 bis C13000 bezeichnet.
Innerhalb dieser Produktfamilie wird elektrolytisches Hartpech-Kupfer (C11000) aus Kathodenkupfer hergestellt, d. h. aus elektrolytisch raffiniertem Kupfer. Es ist die am häufigsten verwendete aller elektrischen Kupfersorten und bietet eine hohe elektrische Leitfähigkeit von über 100 % IACS. Obwohl C11000 denselben Sauerstoffgehalt wie C12500 aufweist, unterscheidet es sich im Schwefelgehalt und in der Gesamtreinheit, da es weniger als 50 ppm an metallischen Gesamtverunreinigungen, einschließlich Schwefel, enthält.
Auch die sauerstofffreien Kupfersorten C10100 und C10200 gehören zu dieser Produktfamilie. Sie werden durch Induktionsschmelzen von Kathodenkupfer höchster Qualität unter nicht oxidierenden Bedingungen hergestellt, die durch ein Granulat aus Graphit sowie eine schützende, wasserstoffarme Reduktionsatmosphäre gewährleistet werden. Aufgrund ihrer hohen Reinheit eignen sie sich besonders für anspruchsvolle elektrische und elektronische Anwendungen.
Die zweite Gruppe, die verdünnten Kupferlegierungen, enthält geringe Mengen verschiedener Legierungselemente, die hinzugefügt werden, um eine oder mehrere der grundlegenden Eigenschaften von Kupfer zu verändern. Diese Zusätze werden gering gehalten, damit das Material einen Großteil der Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit von reinem Kupfer beibehält und gleichzeitig Verbesserungen wie eine höhere Festigkeit, Härte oder Beständigkeit gegen Erweichung erzielt.
Messing bildet die dritte Familie und besteht aus Kupferlegierungen, bei denen Zink das Hauptlegierungselement ist. Durch Variieren des Zinkgehalts und Hinzufügen geringerer Mengen von Elementen wie Blei, Zinn oder Aluminium lässt sich eine breite Palette an Farben, Festigkeiten sowie Formbarkeit und Bearbeitbarkeit erzielen. Als Gruppe nehmen Knetmessinge den UNS-Bereich ab C20500 ein. Sie gehören zu den am häufigsten verwendeten Kupferlegierungen und kommen in Sanitärarmaturen, Befestigungselementen, Zierbeschlägen und elektrischen Bauteilen zum Einsatz.
Die vierte Familie, die Bronzen, bestand traditionell aus Kupfer-Zinn-Legierungen, doch umfasst der Begriff heute mehrere Gruppen, die sich durch ihr Hauptlegierungselement auszeichnen. Dazu gehören Zinnbronzen (auch als Phosphorbronzen bezeichnet), Aluminiumbronzen, Siliziumbronzen und andere. Bronzen weisen im Allgemeinen eine höhere Festigkeit als Kupfer und Messing auf und zeichnen sich zudem durch eine gute Korrosions- und Verschleißfestigkeit aus, wodurch sie sich gut für Lager, Buchsen, Federn und Schiffsbauteile eignen. Als Gruppe nehmen die Bronzen die UNS-Bereiche von C50000 bis C69999 ein.
Die fünfte Gruppe, die Kupfer-Nickel-Legierungen, wird auch als Kupfer-Nickel oder Cupro-Nickel bezeichnet. Sie enthalten 1,5 % bis 45 % Nickel als Hauptlegierungselement. Nach dem UNS-System werden knetbare Kupfer-Nickel-Legierungen mit den Nummern C70000 bis C73499 bezeichnet. Diese Legierungen werden vor allem aufgrund ihrer hohen Beständigkeit gegen Meereswasserkorrosion in großem Umfang zur Herstellung von Münzen, Meerwasserausrüstung, Verdampfern, Wärmetauscherrohren sowie Hydraulik- und Kühlsystemen für Kraftfahrzeuge verwendet.
Die sechste Gruppe ist das Neusilber. Trotz seines Namens enthält Neusilber kein Silber und kann als eine mit Nickel versetzte Messinglegierung betrachtet werden. Der Nickelgehalt variiert erheblich, liegt jedoch je nach Anwendungsbereich in der Regel zwischen 9 % und 30 %. Der Kupfergehalt bleibt mit etwa 60 % bis 65 % relativ konstant, während der Zinkgehalt mit steigendem Nickelgehalt abnimmt. Ein höherer Nickelgehalt führt zu einer weißeren Farbe und einer höheren Korrosionsbeständigkeit, verringert jedoch gleichzeitig die Duktilität.
Neusilber wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit, seiner ansprechenden Farbe und seiner guten Kaltumformbarkeit geschätzt. Zu den typischen Produkten zählen Kühler für Kraftfahrzeuge, Kugelschreiber und Tasten von Musikinstrumenten ebenso wie Transistorgehäuse, elektrische Kontakte, Baubeschläge und Besteck. Nach dem UNS-System werden geschmiedete Neusilberlegierungen mit den Nummern C73500 bis C79999 bezeichnet.
Dieser Artikel unterteilt Kupfer in sechs Legierungsfamilien. Die zugehörigen Leitfäden der „Kupfer“-Reihe behandeln die Themen, die Sie zusätzlich dazu benötigen. Der Leitfaden „Eigenschaften von Kupfer“ beschreibt detailliert die Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit, durch die sich die einzelnen Familien voneinander unterscheiden. „Kupferspezifikationen“ erläutert die Bezeichnungssysteme, mit denen die einzelnen Güteklassen genau definiert werden, und „Kupfernormen“ legt die Rahmenbedingungen fest, die diese Bezeichnungen in verschiedenen Regionen regeln. Zusammen verbinden sie die Güteklassifizierung mit den dahinterstehenden Eigenschaften, Bezeichnungen und Normen.
Kupfersorten lassen sich in Kupfer, Kupferlegierungen mit geringem Kupferanteil, Messing, Bronze, Kupfer-Nickel-Legierungen und Neusilber-Legierungen unterteilen. Jede dieser Gruppen zeichnet sich durch ein einzigartiges Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verformbarkeit aus.
Handelsübliches reines Kupfer (UNS C10100 bis C13000) ist weich, duktil und enthält weniger als etwa 0,7 % Gesamtverunreinigungen. In verdünnten Kupferlegierungen werden gezielt geringe Mengen an Legierungselementen beigemischt, die eine oder mehrere der grundlegenden Eigenschaften von Kupfer verändern, dabei jedoch einen Großteil seiner Leitfähigkeit und Verarbeitbarkeit erhalten.
Messing ist eine Kupferlegierung, in der Zink das Hauptlegierungselement ist, während Bronze traditionell eine Kupfer-Zinn-Legierung war. Heute umfasst der Begriff „Bronze“ auch Aluminiumbronzen, Siliziumbronzen und ähnliche Legierungen. Bronzen zeichnen sich im Allgemeinen durch eine höhere Festigkeit und bessere Verschleißfestigkeit aus, während Messinge wegen ihrer Verformbarkeit, Bearbeitbarkeit und Optik geschätzt werden.
Elektrolytisch hergestelltes Kupfer mit zähem Pech (C11000) ist die gängigste elektrische Kupfersorte und bietet eine hohe elektrische Leitfähigkeit von über 100 % IACS. Die sauerstofffreien Sorten C10100 und C10200 kommen zum Einsatz, wenn eine noch höhere Reinheit erforderlich ist.
Kupfer-Nickel-Legierungen, die 1,5 % bis 45 % Nickel enthalten, werden für Münzen, Meerwasseranlagen, Verdampfer, Wärmetauscherrohre sowie Hydraulik- und Kühlsysteme in Kraftfahrzeugen verwendet, vor allem aufgrund ihrer hohen Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion.