Wir fahren fort mit einem Überblick über einige der wichtigsten Werkstoffe in der Wärmebehandlung und Metallurgie.
Kupfer (chemisches Symbol: Cu)
Kupfer ist ein weiches, schmiedbares und dehnbares Metall mit sehr hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit. Reines Kupfer hat eine rötlich-orange Farbe (Abb. 1) und wird hell grün-blau, wenn es oxidiert wird (Abb. 2).
Kupfer ist eines der wichtigsten Elemente in der Geschichte der Metallurgie. Es war das erste Metall, das vom Menschen genutzt wurde. Kupfer wurde um 5000 v. Chr. aus Erzen geschmolzen, um 4000 v. Chr. in Formen gegossen und war das erste Metall, das 3500 v. Chr. mit Zinn zu Bronze legiert wurde, was den Beginn der Bronzezeit markierte.
Die Ägypter benutzten es zur Herstellung von landwirtschaftlichen Werkzeugen wie Hacken und Sicheln sowie von Kochgeschirr, Tellern und Handwerksgeräten wie Sägen, Meißeln und Messern. Die Ägypter stellten auch Spiegel und Rasiermesser aus Kupfer her und produzierten grünes und blaues Make-up aus Malachit und Azurit, zwei Kupferverbindungen mit leuchtend grüner und blauer Farbe.
Die Römer verwendeten es ausgiebig für Münzen und architektonische Verzierungen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt produzierten die Römer jährlich fast 17.000 Tonnen Kupfer, mehr als bis zur industriellen Revolution in Europa hergestellt wurde.
In der modernen Metallurgie erhöht Kupfer als Legierungsmittel die Korrosionsbeständigkeit gegenüber bestimmten Säuren und fördert ein austenitisches Gefüge. Es kann auch zugesetzt werden, um die Kaltverfestigung in rostfreiem Stahl zu verringern und so die Bearbeitbarkeit und Umformbarkeit zu verbessern. Die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Kupfer resultiert aus seiner atomaren Struktur. Innerhalb des Kupfer-Atomgitters ist eine Wolke freier Elektronen für die Übertragung von elektrischem Strom verfügbar. Die gleiche Elektronenwolke verbessert auch die effiziente Übertragung von Wärmeenergie. Das Kupferatom ist einem Gold- oder Silberatom sehr ähnlich, die zusammen mit Kupfer eine Gruppe im Periodensystem der Elemente bilden.
Kupfer ist als Spurenelement für alle lebenden Organismen essentiell. Beim Menschen findet sich Kupfer vor allem in Leber, Muskeln und Knochen, und der Körper eines Erwachsenen enthält zwischen 1,4 und 2,1 mg Kupfer pro Kilogramm Körpergewicht. Ein gesunder Mensch mit einem Gewicht von 60 kg enthält etwa 0,1 g Kupfer. Bei Weichtieren und Krebstieren ist Kupfer ein Bestandteil des Blutfarbstoffs Hämocyanin, der bei Fischen und anderen Wirbeltieren durch das eisenhaltige Hämoglobin ersetzt wird. Diese geringe Menge ist jedoch für das allgemeine Wohlbefinden des Menschen unerlässlich.
Der durchschnittliche Haushalt enthält 400 Pfund Kupfer, das für elektrische Leitungen, Rohre und Geräte verwendet wird. Ein durchschnittliches Auto enthält 50 Pfund Kupfer, und die Freiheitsstatue (Abb. 3) enthält über 89 Tonnen Kupfer. Der U.S. Geological Survey (USGS) schätzt, dass jeder im Jahr 2008 geborene Amerikaner im Laufe seines Lebens 1.309 Pfund Kupfer für Notwendigkeiten, Lebensstil und Gesundheit verbraucht.
Hier sind einige wichtige Fakten über Kupfer.
- Atomzahl: 29
- Schmelzpunkt: 1084,62°C
- Siedepunkt: 2562°C
- Dichte bei RT: 8,96 g/cm3
- Schmelzwärme: 13,26 kJ/Mol
- Verdampfungswärme: 300.4 kJ/mol
- Molare Wärmekapazität: 24.440 J/mol-K
- Thermische Ausdehnung bei RT: 16.5 µm/(m-K)
- Wärmeleitfähigkeit: 401 W/(m-K)
- Elektrischer Widerstand bei RT: 16,78 nΩ-m
- Jungscher Modul: 110-128 GPa
- Schermodul: 48 GPa