Kupfer ist ein wichtiger Funktions- und Konstruktionswerkstoff.

Kupfer gehört zu den weitverbreitetsten Materialien in unserem alltäglichen Umfeld und ist ein wichtiger Funktions- und Konstruktionswerkstoff.

Es ist aber auch von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von neuen Technologien, die ihr volles Potenzial erst weit im 21. Jahrhundert ausschöpfen werden. So begegnet uns Kupfer in vielen Bereichen des Lebens – ob in der Architektur, der Informations- und Kommunikationstechnologie, der Elektrotechnik, bei Erneuerbaren Energien oder auch in zahlreichen industriellen Anwendungen innovativer Ingenieurskunst. Dies verdankt der Werkstoff vor allem seinen außergewöhnlichen Materialeigenschaften. Denn Kupfer hat eine hervorragende Warme- und elektrische Leitfähigkeit und ist sehr beständig. Kupfer ist ein relativ weiches und dehnbares, aber auch widerstandsfähiges Metall, das sich gut verarbeiten und formen lasst. Und vor allen Dingen ist es zu 100 Prozent recycelbar. Legiert mit anderen Metallen kann es weitere Eigenschaften entfalten, darunter Härte, Festigkeit, Relaxationsverhalten und vieles mehr.

Vorteile

Die gute elektrische und Wärmeleitfähigkeit sind wichtige Eigenschaften des Werkstoffes Kupfer. Die große Bedeutung dieses Werkstoffes für die Technik ergibt sich aber erst durch die Kombination der verschiedenen guten Eigenschaften, die – auch in Verbindung mit anderen Metallen – seit Jahren genutzt und weiterentwickelt werden. Außerdem verfügt Kupfer über eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und ist zu 100 Prozent ohne Qualitätsverluste recycelbar.

Chemisches SymbolCu
Ordnungszahl29
Relative Atommasse63,546
Dichte8,93 g/cm3
Schmelzpunkt1083 °C
Siedepunkt2595 °C
Elektrische Leitfähigkeit bei 20 °C57 m/(Ω*mm2)
Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C394 W/m*K
Temperaturkoeffizient der elektrischen Leitfähigkeit0,0039/K
Wärmeausdehnung17*10-6/K (von 25 bis 300 °C)
Spezifische Wärme0,39 J/g*K (20 bis 400 °C)
Schmelzwärme214 J/g
KristallstrukturKubisch-flächenzentriert
Physikalische Eigenschaften
Mechanische Eigenschaften
Chemische Eigenschaften
Physiologische Eigenschaften
Korrosionsverhalten

Physikalische Eigenschaften

Als einziges Metall hat Kupfer eine lachsrote Farbe. Es ist neben Gold das einzige farbige metallische Element.

Im periodischen System der Elemente steht Kupfer mit Silber und Gold in der ersten Nebengruppe. Das Gefüge des reinen Kupfers besteht aus einer homogenen Phase und kristallisiert in einem kubisch-flächenzentriertem Gitter. Reines Kupfer ist ein lachsfarbenes duktiles Metall mit einem Schmelzpunkt von 1083 °C und einem Siedepunkt von 2595 °C. In seinen chemischen Verbindungen tritt Kupfer praktisch immer ein- und zweiwertig auf.

Einzelne physikalische Eigenschaften des Kupfers hängen stark vom Reinheitsgrad, bzw. von den Verunreinigungen ab. Andererseits besteht die Möglichkeit, durch Legieren der Metalle untereinander, durch Warm- und/oder Kaltverformung oder durch eine Wärmebehandlung bestimmte physikalische Eigenschaften in weiten Bereichen zu verändern. Auf diese Weise können viele Kennwerte der Kupferwerkstoffe dem jeweiligen Verwendungszweck angepasst werden.

Kupfer gehört zu den spezifisch schweren Gebrauchsmetallen. Im festen Zustand beträgt die Dichte des reinen Kupfers bei 20 °C 8,93 g/cm3. Je nach Type und Anteil der/s zulegierten Legierungselemente/s ändert sich die Dichte der entstehenden Kupferlegierungen. Mit den leichteren Elementen Silizium oder Aluminium nimmt die Dichte ab, während sie durch Nickel kaum, durch Zinn oder Zink in geringerem Maße verändert wird.

Durch eine Änderung der Temperatur dehnen sich die Werkstoffe aus oder aber sie schrumpfen; analog ändert sich ihr Volumen. Die Längenveränderung errechnet sich mit Hilfe des linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der räumliche Ausdehnungskoeffizient ist rund dreimal so groß wie der lineare Ausdehnungskoeffizient. Dabei ist zu beachten, dass der Ausdehnungskoeffizient eine Temperaturabhängigkeit aufweist. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des reinen Kupfers wird durch Zusatz von Nickel vermindert, durch Aluminium kaum beeinflusst und durch Zink und Zinn erhöht.

Die wichtigste physikalische Eigenschaft des reinen Kupfers ist seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Kupfer hat nach Silber die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Metalle. Es ist üblich, die elektrische Leitfähigkeit von Metallen in % I.A.C.S (International Annealed Copper Standard) oder in MS/m anzugeben. 100 % I.A.C.S. entsprechen dabei 58,00 MS/m (= 58,00 m/W mm2). Die elektrische Leitfähigkeit des reinen Kupfers wird bereits durch geringe Verunreinigungen stark herabgesetzt. Der spezifische elektrische Widerstand hängt von der Temperatur ab. Dabei ist der Einfluss bei unlegiertem Kupfer stärker als bei Kupferlegierungen. Durch eine Kaltverformung wird die Leitfähigkeit der Kupferwerkstoffe herabgesetzt. Aushärtbare Kupferlegierungen dagegen haben im vergüteten Zustand eine höhere Leitfähigkeit als im lösungsgeglühten Zustand. Die Wärmeleitfähigkeit des reinen Kupfers nimmt mit steigender Temperatur geringfügig ab, während sie bei Kupferlegierungen mit der Temperatur zunimmt.

Mechanische Eigenschaften

Weiches Kupfer besitzt eine Zugfestigkeit von ca. 200 MPa, eine Dehngrenze von 40-80 MPa sowie eine Bruchdehnung von über 40 %. Erfolgt eine Kaltverformung, steigen die Zugfestigkeit auf mindestens 350 MPa und die Dehngrenze auf mindestens 320 MPa, jedoch sinkt dann die Bruchdehnung auf Werte unter 5 %. Reines Kupfer hat keinen warmspröden Bereich und lässt sich auch im warmen Zustand gut umformen. Gleichzeitig versprödet Kupfer auch bei tiefen Temperaturen nicht. Da Kupfer auch beachtliche Dauerschwing-Festigkeitskennwerte aufweist, ist es auch als Werkstoff für schwingende Beanspruchungen geeignet, ohne dass Sprödbrüche befürchtet werden müssen. Die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen reinen Kupfersorten weichen praktisch nicht voneinander ab. Lediglich das Zeitstandverhalten kann durch geringe Legierungszusätze wie zum Beispiel Silber positiv beeinflusst werden. Mit Legierungen lassen sich Festigkeitswerte bis ca. 700 MPa, in speziellen Fällen sogar bis 1500 MPa erzielen, jedoch kann dann die Leitfähigkeit erheblich sinken.

Chemische Eigenschaften

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.  In wässrigen Lösungen zeigt Kupfer als einziges Gebrauchsmetall ein Normalpotential, das edler als dasjenige von Wasserstoff ist. 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 nicht oxidierenden Säuren, die keinen gelösten Sauerstoff enthalten, ist Kupfer beständig. Alkalische wässerige Lösungen der Hydroxide und Carbonate der Erdalkali- und Alkalimetalle – mit Ausnahme von NH3 – wirken nur wenig auf Kupfer ein.

In der Atmosphäre – auch in Meeresluft – ist Kupfer sehr beständig.  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 (Kalt- und Warmwasser) ist Kupfer ebenfalls gut beständig. Deshalb ist es ein ausgezeichneter Werkstoff für Wasserleitungen. Die Beständigkeit ist an die Bildung einer gleichmäßigen Schutzschicht gebunden.

Physiologische Eigenschaften

Kupfer ist nicht nur ein natürlich vorkommendes Element, das man  in verschiedenen Formen und Konzentrationen in der Erdkruste, den Ozeanen, Seen und Flüssen finden kann sondern auch ein lebensnotwendiges Spurenelement. Das Leben von Flora und Fauna hat sich im Rahmen dieses natürlichen Vorhandenseins von Kupfer entwickelt. Daher verfügen die meisten Organismen über einen immanenten Mechanismus zu seiner Nutzung. Für den menschlichen Organismus hat Kupfer die Bedeutung eines essentiellen Spurenelements, d.h. der Mensch benötigt Kupfer, um zu überleben. Gewöhnlich wird der Tagesbedarf eines Erwachsenen von ca. 2 Milligramm durch die Aufnahme einer ausgewogenen Ernährung mit einem reichlichen Anteil an Getreide, Fleisch, Wurzelgemüse, Hülsenfrüchten, Nüssen oder auch Schokolade erreicht. Da Kupfer insbesondere für den Stoffwechsel von großer Wichtigkeit ist, kann ein Kupfermangel zu schweren gesundheitlichen Problemen führen.

Korrosionsverhalten

Kupfer ist das einzige Gebrauchsmetall, das in der normalen Spannungsreihe edler ist als Wasserstoff. Die gute Korrosionsbeständigkeit der Kupferwerkstoffe beruht auf ihrer Fähigkeit, stabile Deckschichten auszubilden, die den Werkstoff vor weiterem Korrosionsangriff schützen (ein sichtbares Beispiel dafür sind die grünen Kirchendächer). Durch Zugabe von Legierungselementen wird die Deckschichtbildung positiv beeinflusst.

An der Atmosphäre bestehen diese kompakten und schützenden Schichten aus Oxiden und schwer löslichen basischen Salzen. In Lösungen wird das Korrosionsverhalten in erster Linie durch die Anwesenheit von Sauerstoff oder anderen Oxidationsmitteln beeinflusst. In Abhängigkeit der Umgebungsparameter kann das Medium dauerhaft korrosiv sein oder zur Bildung einer Schutzschicht führen. Ein Angriff des Kupfers kann jedoch nur dann erfolgen, wenn das Angriffsmittel Sauerstoff oder Oxidationsmittel enthält oder selbst oxidierend wirkt, und in schwach angreifenden Mitteln (z. B. sauerstoffhaltigem Wasser) hemmen oder verhindern die angesprochenen Schutzschichten das Fortschreiten der Korrosion.

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