Kupfer ist eines der meistverwendeten Nichteisenmetalle – und gemeinsam mit den Kupferlegierungen Messing, Bronze und Kupfernickel eine Materialfamilie, die jede Konstrukteurin und jeder Konstrukteur kennen sollte. Kupferlegierungen verbinden hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit mit guter Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit.
Dieser Artikel erläutert die Eigenschaften von Kupfer, die verschiedenen Sorten von Reinkupfer und Kupferlegierungen, das Lesen der Werkstoffbezeichnungen für Kupferlegierungen und worauf Sie bei der Zerspanung von Kupfer- und Messingteilen achten sollten.
Kupfer und Kupferlegierungen: die wichtigsten Eigenschaften
Kupfer (Cu) ist ein wichtiges Nichteisenmetall, das in der Industrie fast so breit eingesetzt wird wie Aluminium. Seine wichtigsten Eigenschaften:
- Hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit – unter den Metallen nur von Silber übertroffen
- Weich, sehr duktil und leicht umformbar
- Versprödet nicht bei tiefen Temperaturen
- Ohne Qualitätsverlust vollständig recycelbar
- Gute Korrosionsbeständigkeit dank einer Schutzschicht, die sich mit der Zeit an der Oberfläche bildet
- Antimikrobiell und damit geeignet für häufig berührte Oberflächen und die Sanitärinstallation
- Attraktive rötliche Farbe, beliebt für dekorative Baumaterialien
Nachteilig ist, dass Kupfer schwerer als Stahl ist: Seine Dichte von etwa 8,9 g/cm³ liegt über der von Eisen.
Reinkupfersorten
Als Reinkupfer bezeichnet man Kupfermaterialien mit einem Kupfergehalt von 99,90 % oder mehr. Je nach Sauerstoffgehalt unterscheidet man drei Hauptsorten:
| Sorte | Bezeichnung | Sauerstoff | Leitfähigkeit | Wasserstoffkrankheit | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Sauerstofffreies Kupfer | Cu-OF, CW008A (JIS C1020) | Praktisch keiner | Sehr hoch | Nicht anfällig | Elektronik, Vakuumtechnik, gelötete und geschweißte Teile |
| Sauerstoffhaltiges Elektrolytkupfer | Cu-ETP, CW004A (JIS C1100) | Geringer Anteil | Sehr hoch | Anfällig bei Erwärmung in reduzierender Atmosphäre | Stromschienen, Kabel, elektrische Bauteile |
| Phosphordesoxidiertes Kupfer | Cu-DHP, CW024A (JIS C1220) | Keiner; enthält Restphosphor | Geringer | Nicht anfällig | Rohre, Wärmetauscher, gelötete und geschweißte Bauteile |
Sauerstoffhaltiges Elektrolytkupfer ist die gebräuchlichste Sorte. Wegen seines geringen Sauerstoffgehalts ist es anfällig für die Wasserstoffkrankheit, wenn es geschweißt, gelötet oder in wasserstoffhaltiger Atmosphäre geglüht wird. Für solche Anwendungen ist sauerstofffreies oder desoxidiertes Kupfer die bessere Wahl.
Eigenschaften von Reinkupfer
Unter den Kupfermaterialien hat Reinkupfer die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit. Es ist nicht magnetisch. Typische Werte:
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Dichte | 8,89–8,94 g/cm³ |
| Zugfestigkeit | Ca. 220–360 N/mm², je nach Festigkeitszustand |
| Härte | Ca. 40–110 HV, je nach Festigkeitszustand |
| Elastizitätsmodul | Ca. 117 kN/mm² |
| Elektrische Leitfähigkeit | Ca. 100 % IACS |
| Wärmeausdehnungskoeffizient | 16,8 × 10⁻⁶/K |
| Wärmeleitfähigkeit | Ca. 390–398 W/(m·K) |
| Schmelzpunkt | Ca. 1.083 °C |
| Siedepunkt | Ca. 2.560 °C |
Vor- und Nachteile von Reinkupfer
Vorteile
- Höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit aller Kupfermaterialien
- Weich und leicht umformbar
- Gute Korrosionsbeständigkeit an der Atmosphäre und in Wasser
Nachteile
- Schwer im Vergleich zu Stahl und Aluminium
- Läuft mit der Zeit an; Kontaktflächen oder Sichtteile werden daher häufig beschichtet
- Durch seine Weichheit und Neigung zum Schmieren ist die Zerspanung anspruchsvoller als bei Messing
Arten von Kupferlegierungen
Kupfer lässt sich leicht mit anderen Metallen legieren, wodurch sich seine Eigenschaften deutlich verändern. Die Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Gruppen; die folgenden Abschnitte erläutern sie im Einzelnen.
| Legierung | Hauptlegierungselement | Wichtigste Eigenschaften | Typische Anwendungen | EN-Beispiel |
|---|---|---|---|---|
| Messing | Zink | Sehr gute Zerspanbarkeit, goldene Farbe | Armaturen, Ventile, Drehteile, Steckverbinder | CW614N (CuZn39Pb3), CW509L (CuZn40) |
| Bronze | Zinn | Härter, verschleißfest, korrosionsbeständig | Lager, Buchsen, Zahnräder, Federn | CW453K (CuSn8) |
| Kupfernickel | Nickel | Hervorragende Meerwasserbeständigkeit, silbrige Farbe | Schiffsrohrleitungen, Wärmetauscher, Münzen | CW352H (CuNi10Fe1Mn) |
| Niedriglegierte Kupferlegierungen | Geringe Anteile z. B. von Beryllium oder Chrom | Leitfähigkeit nahe an Kupfer bei höherer Festigkeit | Federn, Kontakte, Elektroden | CW101C (CuBe2) |
Messing
Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Es bietet hervorragende Duktilität, gute Warmumformbarkeit beim Schmieden und sehr gute Zerspanbarkeit und ist etwas leichter als Reinkupfer. Durch seinen goldenen Glanz ist es für Sichtteile beliebt. Automatenmessing wie CW614N enthält einen geringen Bleianteil, der kurze Späne erzeugt und es zu einem der am leichtesten zerspanbaren Metalle macht. Für Trinkwasseranwendungen sind bleifreie Messingsorten vorgeschrieben.
Bronze
Bronze ist mit Zinn legiertes Kupfer. An der Atmosphäre bildet sich langsam eine grüne Patina. Bronze ist härter als Reinkupfer und hat einen niedrigeren Schmelzpunkt – deshalb gehörte sie zu den ersten Metallen, die der Mensch nutzte. Heute wird sie für Gleitlager, Buchsen, Zahnräder, Federn und Schiffsarmaturen sowie für Glocken und Skulpturen verwendet.
Kupfernickel
Kupfernickel ist mit Nickel legiertes Kupfer, häufig mit geringen Zusätzen von Eisen und Mangan. Es hat eine silbrige Farbe und eine hervorragende Meerwasserbeständigkeit und wird daher für Schiffsrohrleitungen, Wärmetauscher und Münzen eingesetzt.
Niedriglegierte Kupferlegierungen
Niedriglegierte Kupferlegierungen enthalten mehr als 96 % Kupfer. Ihre thermische und elektrische Leitfähigkeit liegt nahe an der von Reinkupfer, bei gleichzeitig höherer Festigkeit und Wärmebeständigkeit. Sie werden in Präzisionsgeräten wie Computern und Smartphones sowie in Automobilkomponenten verwendet. Ihre Eigenschaften hängen von den zugesetzten Elementen ab: Berylliumkupfer etwa verbindet elektrische Leitfähigkeit mit hervorragenden Federeigenschaften.
Bezeichnungen von Kupferlegierungen richtig lesen
In Europa werden Kupfermaterialien nach EN 1412 mit einem sechsstelligen Code bezeichnet, zum Beispiel CW614N:
- C steht für Kupfer (Copper).
- Der zweite Buchstabe gibt die Erzeugnisform an: W für Knetwerkstoffe wie Stangen, Bleche und Rohre, C für Gusswerkstoffe.
- Die dreistellige Zahl kennzeichnet das einzelne Material.
- Der letzte Buchstabe gibt die Materialgruppe an: zum Beispiel A oder B für Kupfer, C oder D für niedriglegiertes Kupfer, H für Kupfer-Nickel, K für Kupfer-Zinn (Bronze), L oder M für Kupfer-Zink (Messing) und N oder P für Kupfer-Zink-Blei (Automatenmessing).
CW614N ist also eine Kupfer-Zink-Blei-Knetlegierung – ein Automatenmessing. Neben der Nummer wird häufig die chemische Zusammensetzung angegeben, etwa CuZn39Pb3.
Internationale Datenblätter verwenden oft stattdessen die japanische JIS-Bezeichnung: ein „C“ gefolgt von vier Ziffern, etwa C1100 für sauerstoffhaltiges Elektrolytkupfer oder C3604 für Automatenmessing. Die erste Ziffer gibt die Legierungsgruppe an, zum Beispiel 1 für Kupfer und niedriglegierte Kupferlegierungen, 2 für Messing und 3 für bleihaltiges Messing.
Tipps für die Zerspanung von Kupfer und Messing
Kupfer und seine Legierungen sind weich und daher leicht zu zerspanen – die Weichheit bringt aber auch Herausforderungen mit sich, vor allem bei Reinkupfer.
- Grate: Reinkupfer ist weich und sehr duktil und neigt daher beim Zerspanen zu Gratbildung und Schmieren.
- Aufbauschneide: Das klebrige Material haftet an der Schneide und bildet eine Aufbauschneide, die Oberflächengüte und Maßgenauigkeit verschlechtert.
- Wärme: Bei der Bearbeitung entsteht Wärme, die über Kühlschmierstoff abgeführt werden muss. Manche wassermischbaren Kühlschmierstoffe können Kupfer verfärben, daher werden häufig ölbasierte oder kupferverträgliche Kühlschmierstoffe empfohlen.
Um die Schnittkräfte zu senken, verwenden Sie scharfe Werkzeuge mit großem positivem Spanwinkel und arbeiten mit hohen Schnittgeschwindigkeiten. Automatenmessing wie CW614N ist deutlich einfacher: Seine kurzen Späne ermöglichen eine schnelle, saubere Bearbeitung komplexer Dreh- und Frästeile. Mehr zu den Verfahren selbst finden Sie in unseren Artikeln zum Drehverfahren und zum Fräsverfahren.
Kupfer- und Messingteile von meviy
meviy fertigt individuell konstruierte Sonderteile nach Ihren eigenen 3D-CAD-Daten – keine Norm- oder Katalogteile. Folgende Kupfermaterialien stehen Ihnen zur Wahl:
| Material | Sorte | Verfügbar für |
|---|---|---|
| EN CW008A equiv. (sauerstofffrei) | Sauerstofffreies Kupfer | CNC Fräsen |
| EN CW004A equiv. (ETP) | Sauerstoffhaltiges Elektrolytkupfer | CNC Fräsen |
| EN CW509L equiv. (Messing) | Messing | CNC Fräsen |
| EN CW614N equiv. | Automatenmessing | CNC Fräsen und CNC Drehen |
- Stromschienen, Kontakte und Kühlkörper aus Reinkupfer, gefertigt durch CNC-Fräsen
- Buchsen, Armaturen, Stifte und Steckverbinder aus Messing, gefertigt durch CNC-Drehen
- Sofortiger Preis und Lieferzeit für die CNC-Bearbeitung – ohne 2D-Zeichnung
Häufige Fragen zu Kupferlegierungen
Was ist der Unterschied zwischen Kupfer, Messing und Bronze?
Kupfer ist das reine Metall. Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink mit sehr guter Zerspanbarkeit und goldener Farbe. Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn, die härter und verschleißfester ist und sich daher ideal für Lager und Buchsen eignet.
Ist Kupfer magnetisch?
Nein. Reinkupfer ist nicht magnetisch, ebenso wie gängige Messing- und Bronzesorten. Dadurch eignen sich Kupfermaterialien für Anwendungen in der Nähe empfindlicher Elektronik und magnetischer Felder.
Welches Kupfermaterial lässt sich am leichtesten zerspanen?
Automatenmessing wie CW614N (CuZn39Pb3). Sein Bleianteil sorgt für kurze Späne, sodass es sich schnell und mit sehr guter Oberflächengüte bearbeiten lässt. Reinkupfer ist deutlich anspruchsvoller, da es weich ist und zum Schmieren neigt.
Was ist der Unterschied zwischen CW004A und CW008A?
CW004A (Cu-ETP) enthält einen geringen Sauerstoffanteil und ist das Standardkupfer für elektrotechnische Anwendungen. CW008A (Cu-OF) ist sauerstofffrei, daher nicht anfällig für die Wasserstoffkrankheit, und wird für geschweißte, gelötete und Vakuumanwendungen bevorzugt.
Fazit: das passende Kupfermaterial wählen
Kupfer ist ein Nichteisenmetall, das fast so breit eingesetzt wird wie Aluminium. Es bietet hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit und lässt sich gut recyceln. Zur Familie der Kupferlegierungen gehören Reinkupfer, Messing, Bronze, Kupfernickel und niedriglegierte Kupferlegierungen. Kupfer lässt sich zwar leicht zerspanen, doch Grate und Aufbauschneiden erfordern Sorgfalt – und für komplexe Zerspanungsteile ist Automatenmessing oft die wirtschaftlichste Wahl.