Kupfer (Cu) ist bereits seit der „Jungsteinzeit“, also seit über 10.000 Jahren bekannt. Es war neben Gold und Silber eines der ersten Metalle, welches von Menschen be- und verarbeitet wurde. Die Zeit vom 5. bis zum 3. Jahrtausend v. Chr. wird in vielen Regionen sogar „Kupferzeit“ genannt, da es in dieser Zeit dort weit verbreitet war und in vielen Lebensbereichen zum Einsatz kam (Werkzeuge, Waffen, Schmuck, Gebrauchsgegenstände, Kunstwerke, uvm.). Mit der Entdeckung und Verbreitung der Elektrizität im 19. Jahrhundert gewann Kupfer eine neue Bedeutung: es ist nach Silber das am besten leitende Metall, durch seine größeren Vorkommen auf der Erde aber deutlich günstiger.
Heute wird Kupfer für elektrische Leiter in zwei verschiedenen Qualitäten verarbeitet:
Sauerstoffhaltiges Kupfer (CU-ETP1)
Sauerstofffreies Kupfer (CU-OF1) für besondere Anforderungen
Elementardaten von Kupfer
| Material | Kupfer | Sauerstofffreies Kupfer | |
|---|---|---|---|
| Symbol | Cu-ETP1 (E-Cu) | Cu-OF1 (OF-Cu) | |
| Materialnummer | CW003A | CW007A | |
| Norm | EN 1977 | EN 1977 | |
| Zusammensetzung | in Gewicht% | Cu ≥ 99,90** Sauerstoff max. 0,040 | Cu 99,95 |
| Dichte | g/cm³ bei 20°C | 8,9 | 8,9 |
| Schmelzpunkt | °C | 1083 | 1083 |
| % IACS min.* | 101 | 101 | |
| Elektrische Leitfähigkeit | m/Ωmm² bei 20°C | ≥ 58.58 (in weichem Zustand) | ≥ 58.58 (in weichem Zustand) |
| Wärmeleitfähigkeit | W/(m*K) | 400 | 400 |
| Herstellverfahren | Contirod® oder Southwire® (Gießrad) Das geschmolzene Kupfer wird über ein Gießrad (Southwire) oder ein Förderband (Contirod) zunächst zu einem endlosen Strang vergossen. Dieser wird direkt aus der Schmelzwärme in einer mehrstufigen Warmwalzstraße zu Gießwalzdraht umgeformt, welcher als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Kabeln, Litzen und hauchfeinen Drähten dient. Das Material CU-ETP hat allerdings einen Nachteil: während des Ausgießens auf das Gießrad oder das Förderband ist das heiße Kupfer der Umgebungsluft ausgesetzt und nimmt von dort kleine Mengen an Sauerstoff auf. Für viele Anwendungen ist das kein Problem, doch in einigen speziellen Bereichen bewirkt dieser minimale Sauerstoffgehalt die sogenannte „Wasserstoffkrankheit“. | Dipforming und Upcasting Dipforming (Tauchwalzen): ein Mutter-Draht mit gereinigter und geschabter Oberfläche wird durch geschmolzenes Kupfer geführt. Die Schmelze lagert sich an den Mutter-Draht an, sodass der Drahtdurchmesser stark anwächst und mit Hilfe eines anschließenden Warmwalzverfahrens auf seinen Enddurchmesser kalibriert wird. Upcasting (Drahtguss): Geschmolzenes Kupfer wird durch eine gekühlte Kokille in der endgültigen Halbzeugabmessung nach oben gezogen und ohne weitere Behandlung aufgespult. | |
| Hinweise auf Eigenschaften und Verwendung |
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* International Annealed Copper Standard = IACS
Die relative elektrische Leitfähigkeit von Kupfer ist gesetzt auf 100%. Davon abgeleitet ergeben sich folgende Werte für andere Metalle: Silber = 106%, Gold = 72%, Eisen = 17%
** Der Reinheitsgrad gilt als eingehalten, wenn die elektrische Leitfähigkeit im weichen Zustand bei Cu-ETP 1 = 58,58 m/Ωmm2 beträgt. Einzelheiten über Probenahme und Prüfverfahren stehen zur Verfügung.
Wegen seiner hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit wird Kupfer vor allem als Leitermaterial für elektrische Anwendungen eingesetzt. Diese wiederum sind in den unterschiedlichsten Bereichen zu finden, wie z.B.
- Industrie
- Automobil
- Medizintechnik
- Luft- und Raumfahrt
- Kommunikations- und Datentechnik
- Militär- und Verteidigungstechnik
Die Zielmärkte für Drähte und Litzen aus Kupfer und galvanisch beschichtetem Kupfer können hier in zwei große Bereiche eingeteilt werden:
- Weiterverarbeitung in der Kabelindustrie, Extrusion
- Weiterverarbeitung ohne Extrusion, als Massebänder, Geflechte uvm.
In beiden Bereichen kommt größtenteils CU-ETP1 zum Einsatz.
”Wasserstoffkrankheit“
Die „Wasserstoffkrankheit“, oder auch „Wasserstoffversprödung“ ist ein Effekt, der von einer chemischen Reaktion verursacht wird. Beim Erhitzen über 500 °C dringt atomarer Wasserstoff (H2) aus der Umgebung in das Metallgitter des Kupferdrahtes ein und verbindet sich dort mit Sauerstoffatomen (O) zu Wasser (H2O):
Cu2O + H2 → 2 Cu + H2O (Dampf)
Die Sauerstoffatome liegen als dünnes Netzwerk auf den Korngrenzen. Der Wasserdampf, der bei der Reaktion entsteht, sprengt das Gefüge an den Korngrenzen auf und hinterlässt dort Hohlräume, wodurch die gesamte Struktur geschwächt wird.
Der Nachweis von Sauerstoff in desoxidierten und hochleitfähigen Kupferdrähten mit einem maximalen Durchmesser von 12 mm (0,5 in) erfolgt über den „Wasserstoff-Versprödungsversuch“ nach DIN EN ISO 2626. Eine Probe wird in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre erwärmt. Ist Sauerstoff in dem Metall enthalten, so kommt es zu der beschriebenen Reaktion und einer Schwächung der Struktur. Für die Feststellung dieser Versprödung werden 2 Methoden eingesetzt: Der Hin- und Herbiegeversuch und die mikroskopische Untersuchung.
Für den Hin- und Herbiegeversuch wird der Draht um 180° gebogen. War Sauerstoff im Material enthalten ist die Reaktion mit Wasserstoff erfolgt, die Struktur ist geschwächt und der Draht bricht einfach auseinander.
Sensibler ist die Mikroskopische Prüfung. Hier wird ein Schliff erstellt, welcher unter dem Mikroskop bei 200facher Vergrößerung betrachtet wird. Die für die Versprödung charakteristischen Gasporen oder rissigen Gefügebereiche sind hier leicht zu erkennen:
Schnittbild von CU-ETP
Wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit wird Kupfer vor allem in der Elektrotechnik eingesetzt. Hier gibt es einen Bereich, in welchem das Problem der Wasserstoffkrankheit eine besonders große Rolle spielt:
Kohlebürsten
Bei der Herstellung von Kohlebürsten (Schleifkontakte in Elektromotoren) müssen Drahtverbunde (z.B. spezielle hochflexible Geflechte aus Kupferdraht) mit den Kohlenstoff-Elementen gesintert („verbacken“) werden. Dazu wird der Kohlebürsten-Grünling unter reiner Wasserstoff-Atmosphäre geglüht. Würde man hier sauerstoffhaltiges Kupfer (CU-ETP) verwenden, würde der Kohlebürsten-Anschluss beim ersten Einsatz regelrecht zerbröseln, da dieser einer extremen Belastung durch Vibration und Bewegung ausgesetzt ist.
Alle Litzen und Drähte, welche in diesen speziellen Bereich geliefert werden, müssen unter allen Umständen frei von Sauerstoff sein. Eine lückenlose Qualitätskontrolle vom Eingangsmaterial bis zum Endprodukt garantiert, dass keine Verwechslung passieren kann. Der Qualitätsanspruch von LEONI geht über die DIN EN ISO 2626 hinaus.