Warum der Schmelzpunkt von Rotkupfer wichtig ist
Rotes Kupfer, der Handelsname für hochreines Kupfer, wird aufgrund seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie seiner Plastizität für Stromschienen, Drähte und Kabel, Dächer, Kochgeschirr und bearbeitete Komponenten verwendet. Die genaue Kenntnis der Stelle, an der das Metall vom festen in den flüssigen Zustand übergeht, bestimmt die Wahl des Ofens und Tiegels, die Gießtemperatur und die Abkühlgeschwindigkeit beim Gießen und legt das Arbeitsfenster für Schweißen, Hartlöten und Wärmebehandlung fest. Dieser Leitfaden sammelt die Schmelzdaten für rotes Kupfer, erklärt, wie Reinheit und Legierung den Schmelzbereich verschieben, und vergleicht Kupfer mit anderen unedlen Metallen.
Der Schmelzpunkt ist die Temperatur, bei der ein Stoff bei einem bestimmten Druck vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Bei einem reinen Metall wie rotem Kupfer erfolgt diese Änderung bei einer einzigen Temperatur, und der akzeptierte Wert für Kupfer beträgt 1084,6 Grad bei normalem Atmosphärendruck, üblicherweise auf 1084 Grad gerundet oder als 1984 Grad F angegeben. In der kommerziellen Literatur wird manchmal 1083 Grad angegeben, und die Mischung von 1083 Grad und 1084 Grad in einem Datensatz führt zu vermeidbarer Verwirrung; Für die Prozesskontrolle ist es besser, konstant mit etwa 1084 Grad (1984 Grad F) zu arbeiten.
Eine Legierung verhält sich anders. Es beginnt beim Solidus zu schmelzen und ist erst beim Liquidus vollständig flüssig, und der Abstand zwischen beiden ist der Gefrierbereich. Aus diesem Grund wird Messing oder Kupfer-Nickel durch einen Schmelzbereich und nicht durch einen einzelnen Schmelzpunkt beschrieben, während rotes Kupfer, das im Wesentlichen unlegiert ist, bei einer bestimmten Temperatur schmilzt.
Schmelzpunkt gängiger Rotkupfersorten
Rotkupfer wird auf über 99,9 % Kupfer raffiniert und die Standardqualitäten unterscheiden sich hauptsächlich im Sauerstoff- und Restverunreinigungsgehalt und nicht im Schmelzverhalten. Da die beteiligten Zusätze in Teilen pro Tausend gemessen werden, ist die Schmelztemperatur aller dieser Qualitäten praktisch gleich.
| Grad | Typische Komposition | Schmelzpunkt | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|
| T1 | Sauerstoff-freies Kupfer, mindestens etwa 99,95 % Cu | 1084 Grad (1984 Grad F) | Drähte, Kabel, leitfähige Schrauben und Gehäuse mit hoher-Leitfähigkeit |
| T2 | Elektrolytisch zähes Kupfer, mindestens etwa 99,90 % Cu | 1084 Grad (1984 Grad F) | Elektrische, Konstruktions- und mechanische Komponenten, geschweißte und gelötete Baugruppen |
| T3 | Kupfer mit einer geringen Restverunreinigung, Cu mindestens etwa 99,70 % | 1084 Grad (1984 Grad F) | Allgemein leitfähige und korrosionsbeständige-Teile |
| TU1 | Sauerstoff-freies Kupfer, Cu mindestens etwa 99,97 % | 1084 Grad (1984 Grad F) | Kabel- und Heizkörpereinsatz, bei dem der Sauerstoffgehalt minimiert werden muss |
| TU2 | Sauerstoff-freies Kupfer, mindestens etwa 99,95 % Cu | 1084 Grad (1984 Grad F) | Komponenten, die eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit erfordern |
| TP1 | Phosphor-desoxidiertes Kupfer, P etwa 0,005–0,012 % | 1084 Grad (1984 Grad F) | Schweißdraht, Kabel und gelötete Baugruppen |
| TP2 | Phosphor-desoxidiertes Kupfer, P etwa 0,013–0,050 % | 1084 Grad (1984 Grad F) | Rohr- und Schweißaufgaben, bei denen Desoxidation unerlässlich ist |
Phosphor ist der einzige Zusatz, der einen messbaren Einfluss auf die Verfestigung hat. Da es sich um ein starkes Desoxidationsmittel handelt, bleiben TP1 und TP2 beim Schweißen und Löten intakt, und der enge Schmelzbereich, den Phosphor mit sich bringt, ist bei diesen Prozessen eher ein Vorteil als ein Nachteil. Die Sortenbezeichnungen folgen dem chinesischen Kupferproduktsystem, in dem der Buchstabe T reines Kupfer, U sauerstofffreies Kupfer und P phosphordesoxidiertes Kupfer bezeichnet.
Faktoren, die das Schmelzverhalten verändern
Legierungselemente: Nickel, Zink und Zinn verringern den Solidus deutlich, und schon um wenige Zehntel Prozent verbreitert sich der Gefrierbereich.
Rest- und Verunreinigungselemente: Schwefel, Blei und Wismut sind in Kupfer praktisch unlöslich und können sowohl den Schmelzbereich senken als auch bei der Warmumformung zu Heißmangel führen.
Sauerstoffgehalt: Zähes Pechkupfer enthält 0,02-0,04 % Sauerstoff als Kupferoxid, das den Schmelzpunkt nicht verändert, sondern in einer reduzierenden Atmosphäre mit Wasserstoff reagiert und Dampfporosität verursacht. Daher sind sauerstoffhaltige Qualitäten für wasserstoffhaltige Ofenatmosphären oder für Baugruppen, die in reduzierendem Gas gelötet werden, ungeeignet.
Druck: Der Schmelzpunkt von Kupfer steigt mit dem Druck, aber die Verschiebung wird erst bei Drücken signifikant, die weit über den in der Gießereipraxis verwendeten Drücken liegen.
Messbedingungen: Probenreinheit, Thermoelementkalibrierung und Ofenatmosphäre können einen Messwert um einige Grad verschieben, weshalb bei kommerziellen Arbeiten eher ein Toleranzband als ein einzelner Wert angegeben wird.
Praktische Schmelz- und Gießpraxis
Rotes Kupfer muss über seinen Schmelzpunkt erhitzt werden, bevor es vollständig flüssig wird, und bei der Produktion wird ein Spielraum eingehalten, damit die Schmelze die erforderliche Gießtemperatur erreicht und dabei die Fließfähigkeit behält. Zum Einsatz kommen Widerstandsöfen, Induktionsöfen und Gasöfen; Induktionsschmelzen wird bevorzugt, wenn eine genaue Temperaturkontrolle und eine geringe Gasaufnahme wichtig sind, während Gasöfen für größere Schmelzen weiterhin üblich sind.
Drei Kontrollen entscheiden über die Qualität einer Kupferschmelze. Erstens müssen die Ofentemperatur und die Heizrate reguliert werden, um eine Überhitzung zu vermeiden, die die Gasabsorption und Oxidationsverluste erhöht. Zweitens sollte die Schmelze durch eine geeignete Abdeckung oder eine kontrollierte Atmosphäre geschützt werden, da Kupfer bei Gießtemperatur leicht oxidiert. Drittens sollten Schmelz- und Gießanlagen ausgekleidet und gereinigt werden, damit keine Eisen-, Schwefel- oder Bleiverunreinigungen aus früheren Schmelzen in die Schmelze gelangen, da diese Elemente sowohl die Leitfähigkeit als auch die Heißduktilität beeinträchtigen.
Vergleich mit anderen Metallen und Anwendungshinweise
| Metall | Schmelzpunkt |
|---|---|
| Zinn | 232 Grad |
| Führen | 327 Grad |
| Zink | 419 Grad |
| Aluminium | 660 Grad |
| Silber | 962 Grad |
| Gold | 1064 Grad |
| Rotes Kupfer | 1084 Grad |
| Nickel | 1455 Grad |
| Eisen | 1538 Grad |
Kupfer schmilzt höher als Silber und Gold, aber deutlich niedriger als Nickel und Eisen. Dies ist die Grundlage für seine Verwendung in hartgelöteten und gelöteten Baugruppen: Ein silberhaltiger Füllstoff oder ein Lot auf Zinnbasis kann an der Verbindungsstelle geschmolzen werden, während das Kupfer selbst fest bleibt. Kupferlegierungen wie Messing und Kupfer-Nickel schmelzen unterhalb des Schmelzpunkts von Rotkupfer und ihr Gefrierbereich wird durch die Legierungszusätze festgelegt.
Wie Schmelzdaten die Anwendung leiten
Bei der Bearbeitung legt der Schmelzpunkt die Temperaturobergrenze für das Trockenschneiden und die Wahl der Kühlstrategie fest und erklärt, warum Kupfer eine höhere Schnittgeschwindigkeit und eine schärfere Schneide erfordert als Stahl. Beim Schweißen und Löten definiert es die Zwischenlagentemperatur, die den Verzug beim Formen der Verbindung gering hält. Beim Schmelzen und Stranggießen stellt es die verfügbare Überhitzung bereit und ist der Grund dafür, dass Kupfer durch wassergekühlte Formen und mit Graphit- oder feuerfesten Auskleidungen gegossen wird, die hohe Wärmegradienten tolerieren. Hochtemperaturanwender sollten außerdem bedenken, dass Kupfer zwar Wärme sehr gut leitet und Oxidation ziemlich gut widersteht, seine Festigkeit und Härte jedoch mit steigender Temperatur stetig abnimmt. Daher benötigen Komponenten, die für den Heißbetrieb ausgelegt sind, normalerweise entweder eine dispersionsverstärkte Güte oder einen Querschnittswechsel.
Häufig gestellte Fragen
F: Was ist der Schmelzpunkt von rotem Kupfer?
Reines rotes Kupfer schmilzt bei etwa 1084 Grad (1984 Grad F) bei normalem Atmosphärendruck. Der Wert 1084,6 Grad ist der akzeptierte Referenzwert, und der ältere Wert von 1083 Grad, der immer noch in einigen Katalogen erscheint, spiegelt Rundung und frühe Messung wider und nicht ein anderes Material.
F: Haben die Sorten T1, T2, TU2 und TP2 unterschiedliche Schmelzpunkte?
Nein. Ihre Zusätze werden in Teilen pro Tausend gemessen, sodass die Schmelztemperatur praktisch dieselbe ist und etwa 1084 Grad beträgt. Die Sortenauswahl wird eher vom Sauerstoffgehalt, der Leitfähigkeit und den Herstellungsanforderungen als vom Schmelzverhalten bestimmt.
F: Schmelzen Kupferlegierungen bei einer niedrigeren Temperatur als rotes Kupfer?
Generell ja. Die Zugabe von Zink, Zinn oder Nickel senkt den Solidus und erzeugt einen Schmelzbereich anstelle eines einzelnen Schmelzpunkts, sodass Messing und Kupfer-Nickel unterhalb des Schmelzpunkts von reinem Kupfer zu schmelzen beginnen.
F: Warum ist der Schmelzpunkt beim Gießen und Schweißen wichtig?
Es bestimmt den Ofensollwert, die Gießüberhitzung, die Vorwärm- und Zwischenlagentemperaturen sowie die Abkühlgeschwindigkeit. Durch die Arbeit mit einem konstanten Schmelzwert werden Überhitzung, übermäßige Oxidation und Schrumpfungsfehler vermieden.
F: Verändert Druck den Schmelzpunkt von Kupfer?
Der Schmelzpunkt steigt mit dem Druck, der Effekt ist jedoch bei den in der Gießerei- und Wärmebehandlungspraxis verwendeten Drücken vernachlässigbar und wird nur unter extremen Bedingungen messbar.
F: Was ist der Unterschied zwischen sauerstofffreiem und zähem Pechkupfer?
Sauerstofffreie Qualitäten wie T1 und TU2 enthalten sehr wenig Sauerstoff, während zähes Pechkupfer wie T2 0,02 -0,04 % Sauerstoff als Kupferoxid enthält. Der Schmelzpunkt bleibt unverändert, aber zähes Pechkupfer kann in reduzierenden Atmosphären Dampfporosität entwickeln, daher werden für gelötete und geschweißte Baugruppen sauerstofffreie oder phosphordesoxidierte Qualitäten spezifiziert.
