Titel: SCHULZE, Oxyduleinschlüsse als Ursache von Verarbeitungsschwierigkeiten usw.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1929, Band 344 (S. 233–236)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj344/ar344049

Oxyduleinschlüsse als Ursache von Verarbeitungsschwierigkeiten bei Kupferhalbzeugen.

Von R. W. Schulze, Berlin.

Der hohe Wert des Kupfers als Baustoff war in allen Zeiten bekannt und ist in den letzten Jahren wieder besonders in Erscheinung getreten. Abgesehen von der Bedeutung, die Kupfer in der Messingindustrie als Hauptbestandteil vieler wertvoller Legierungen besitzt, ist es trotz der hervorragenden Entwicklung derselben einerseits und seines höheren Preises andererseits für verschiedene technische Spezialzwecke bisher der bestgeeignetste Werkstoff geblieben.

So ist es z. B, wegen seiner guten Leitfähigkeit für elektrischen Strom zum Hauptbaustoff der Elektrotechnik geworden. Verwendet wird es ferner für Gärbottiche und Sudpfannen in Brauereibetrieben. Der deutsche Lokomotivbau verarbeitet Kupfer zu Feuerbuxen und Stehbolzen sowie Leitungs- und Buxenrohren, die Munitionsindustrie zu Zündhütchen, Sprengkapseln und Patronenhülsen. Hergestellt werden aus Kupfer auch Federn für den Apparatebau, Lötkolben für Weichlot, Installationsanlagen aller Art, Gefäße und Rohrleitungen für die Nahrungsmittelindustrie, schließlich Kunstgegenstände, Dächer von Monumentalbauten und viele andere Teile für die verschiedensten Industriegebiete.

Zur Verwendung gelangt in der Elektrotechnik hauptsächlich Elektrolytkupfer mit einem Reinheitsgrad von 99,9%. Material gleicher Reinheit wird neben Raffinadekupfer (98/99%ig) auf den anderen genannten Gebieten gebraucht.

Kupfer besteht in seinem inneren Aufbau aus Kristallen, die dem kubischen System angehören. Die im Gußzustand vorliegenden, mehr oder weniger groben Körner werden durch Knetbearbeitung in viele kleinere zertrümmert. Bei der Kornverfeinerung sind durch Kaltkneten Kristalle von bis zu zirka 0,01 mm und darunter zu erreichen. Durch Rekristallisation infolge Glühbehandlung wachsen diese wieder bis auf zirka 0,3 mm. Das Kristallwachstum wird von der Größe der vorangegangenen Kaltreckung, der Höhe der Glühtemperatur und der Glühdauer maßgeblich beeinflußt, wie anders die mechanischen Eigenschaften mit der Korngröße in engem Zusammenhange stehen.

Die Vorprodukte für die verschiedensten Industrieerzeugnisse aus Kupfer sind die Halbfabrikate der Metallindustrie wie Bänder, Bleche, Stangen, Drähte und Rohre, zu denen sich das Material auf Grund seiner vorzüglichen Knetbarkeit im kalten und warmen Zustande verarbeiten läßt.

Von dem gesamten Kupferverbrauch der Welt entfielen nach früheren Feststellungen 15-16% gleich annähernd 200000 Tonnen auf Deutschland. Diese Menge dürfte bis etwa 20% für die Fabrikation von Blechen und Bändern verbraucht werden. Bei der Herstellung derselben werden Walzplatten von normalerweise 80-100 mm Dicke und 400 bis 600 mm Quadratfläche auf 800° C erwärmt und in diesem Zustande in einem Duowalzwerk auf 9 mm heruntergewalzt. Die Stärkenverminderung beträgt bei jedem Walzstich zirka 20-30%, bezogen auf die jeweils vorliegende Dicke. Die Weiterverarbeitung der so erzeugten Grobbleche auf z, B. 1 mm Stärke richtet sich nach dem Verwendungszweck. Handelsübliches Material zum Bedecken von Dächern kommt in schwarz-weichem Zustande zur Lieferung. Es wird deshalb im Anschluß an den beschriebenen Arbeitsgang bei zirka 500° C geglüht, bis auf die Endstärke kalt heruntergewalzt und wieder geglüht. Gebeizt weiches Blech für die Fabrikation gezogener und gedrückter Hohlkörper wird nach dem Warmwalzen ebenfalls geglüht, in einer Beize aus Wasser mit 20% Schwefelsäure gebeizt und alsdann im kalten Zustande unter Einschaltung von Zwischenglühungen auf das fertige Maß gebracht. Die Schlußbehandlung für gebeizt weiches Material ist ein maschinelles Reinigen. Bei diesem durchlaufen die inzwischen mehrere Meter lang gewordenen Bleche eine Beize, 2 mit Bürsten versehene Walzen, in denen sie mit Wasser von der |234| Beizflüssigkeit befreit werden, gehen danach zum Trocknen über eine mit Dampf beheizte Trommel und werden schließlich zu Rollen aufgewickelt.

Von großer Wichtigkeit für die Eignung weicher Kupferbleche für Drückarbeiten ist die Anwendung richtiger Glühtemperaturen. Das gilt sowohl für die Schlußglühung bei der Herstellung der Bleche als auch für das Ausglühen des Materials zwischen den einzelnen Drückoperationen. Ueberglühtes Blech erhält ein grobkörniges Gefüge. Die groben Körner treten beim Ziehen oder Prägen an die Blechoberfläche und erzeugen Narbigkeit, sofern nicht das Blech infolge allzu großer Spröde bei der Beanspruchung reißt. Für normal geglühtes Kupferblech etzt man eine Korngröße von 1200 μ2 (1 μ2 = 0,000001 mm2) voraus. Für allgemeine Verhältnisse genügt es, wenn 15 nebeneinanderliegende Körner der jeweils vorliegenden Blechdicke entsprechen.

Bei hartblankem Material fällt die Schlußglühung bzw. -Beizung fort. Das Blech, welches vorwiegend für blanke Schilder und Apparateteile verwendet wird, muß beim vorausgegangenen Fabrikationsprozeß so sorgfältig behandelt worden sein, daß Schieferstellen und Beizflecke ausgeschlossen sind.

Ein ständiger Begleiter selbst des reinsten Kupfers ist der Sauerstoff. Dieser verbindet sich zu Kupferoxydul, welches in Form graublauer Kristalle auf mikroskopischem Wege nachweisbar ist. Kupferoxydul findet sich normalerweise bis zu zirka 3% im Kupfer; bis zu 1 % wirkt es, vorausgesetzt, daß es in feiner Verteilung vorliegt, nicht nachteilig. Wegen seiner härtenden Eigenschaft ist es innerhalb dieser Grenze öfter sogar erwünscht. Oertlich angereichert kann es auf der Oberfläche polierter Bleche matte Stellen hervorrufen; diese nehmen, falls das Material verzinnt werden soll, kein Zinn an. In Abb. 1 ist ein Kupferblech mit derartigen Oxydulanreicherungen gezeigt. Die blaugrauen Cu2O Kristalle sind deutlich erkennbar.

Textabbildung Bd. 344, S. 234

In besonders hartem Zustande wird Kupfer zu Federn von Feinmeßinstrumenten verwendet. Wegen der großen Weichheit des Materials muß bei der Herstellung der erforderlichen Bleche und Bänder die Schlußwalzung eine Dickenabnahme von zirka 96% erbringen. Diese überaus starke Verformung hält das Material aus, ohne spröde zu werden. Raffinadekupfer mit geringen Bestandteilen anderer Metallen wie Ni, Cd, Sn und Zn ist in bezug auf Federeigenschaften besser als Elektrolytmaterial. Dieselbe Wirkung dürfte in diesem Falle auch Cu2 0 bis zu zirka 1,5% haben, sofern es in feiner Verteilung vorliegt. Durch geeignete Wärmebehandlung lassen sich Kupfer- und auch Bronzefedern besonders in bezug auf Ermüdung vergüten, wodurch eine höhere Lebensdauer gegenüber den Beanspruchungen im Betriebe erzielt wird.

Erheblich größer als an Blechen und Bändern ist der Bedarf an Kupferstangen und -Drähten, die im Maschinenbau zur Herstellung von Schrauben, hauptsächlich aber in der Elektrotechnik für die stromleitenden Adern der Hochspannungs- und Schwachstromkabeln, für Wicklungen von elektrischen Maschinen, für Frei- und Fahrleitungen sowie Kollektorlamellen, Schleifringe und stromführende Teile aller Art benutzt werden. Ausschlaggebend für die Elektrotechnik ist die gute Leitfähigkeit des Kupfers, die mit 58 m/mm2 . Q bei 20° C nur hinter Silber mit 61 m/Q . mm2 bei 20° C zurücksteht.

Zur Fabrikation der Stangen und Drähte erwärmt man die als Vorprodukte nötigen Walzbarren oder Wirebars auf 800° C und walzt sie in Triowalzwerken mit Spießkant- oder Kastenkalibern zu Stangen bzw. Walzdrähten. Die Weiterverarbeitung der Grobstangen erfolgt in Langziehbänken, die der Walzdrähte in Mehrfachziehbänken, in zum Teil 15 hintereinander folgenden Zügen. Kabel- und Dynamodrähte kommen im weichen Zustande zur Verarbeitung, werden also am Schluß des Fabrikationsganges in besonderen Patentöfen geglüht.

Der stärkste Verbrauch an Hartkupferdraht entfällt auf das Gebiet der elektrischen Freileitungen für Telegraphen sowie für Fahrleitungen von Schnellbahnen und schließlich für Ueberlandleitungen. Für den ersten Zweck werden Einzeldrähte bis zu 5 mm Durchmesser benutzt. Fahrdrähte für elektrische Klein-, Voll- und Gebirgsbahnen kommen in Querschnitten von 35 bis 150 mm2 als runde und profilierte Drähte zur Verwendung. Ueberlandleitungen werden in Form von Kupferseilen verlegt. Biegsame Seile für besondere Verbindungen können aus Drähten von 0,05 mm Durchmesser geschlagen werden, von denen bis zu 17000 Stück zu einem Seil zu vereinigen sind. In neuerer Zeit sind Versuche mit hohlen Seilen gemacht worden, bei denen die stromleitenden Drähte um einen verwundenen Blechstreifen oder um eine Spirale geschlagen werden.

Während sich bei Blechen und Bändern Kupferoxydularanreicherungen hauptsächlich auf die Oberflächenbeschaffenheit des Materials auswirken, werden besonders bei schwächeren Drähten die mechanischen Eigenschaften stark gefährdet, indem größere örtliche Cu2 0 Einschlüsse den Draht schwächen und seinen vorzeitigen Bruch begünstigen. Drahtbrüche enstehen auch durch Erstarrungsrisse, die bereits im Gußblock vorzufinden sind und sich bei der Verarbeitung durch Walzen und Ziehen vielfach nicht mehr entfernen lassen. Abb. 2 zeigt einen Draht, der durch Wirkung starker Kupferoxyduleinschlüsse beim Ziehprozeß einseitig eingebrochen ist.

Für durch Korrosion stark beanspruchte Rohrleitungen ist Kupfer noch heute der beste Werkstoff. Kupferrohre werden nach dem Mannesmannverfahren |235| durch Auswalzen entsprechender Rohrbarren bei 800° C in Schrägwalzwerken hergestellt. Bei diesem Vorgang hat das Material eine doppelte Beanspruchung, im Innern durch den feststehenden Mandrill, außen durch die konischen Walzen auszuhalten. Die Weiterverarbeitung der entstandenen dickwandigen Rohre erfolgt durch Kaltbearbeitung mittels Zieheisen und Mandrill in Langziehbänken. Zwischen den einzelnen Zügen muß das Material bei 500° C ausgeglüht werden. In Fällen, wo der Durchmesser des Fertigfabrikates über dem des rohen Walzrohres liegt, wird das Material durch einen zweiten Warmknetprozeß zunächst aufgeweitet und danach kalt gezogen. Neuerdings stellt man Kupferrohre durch Warmpressen kurzer Rundblöcke in hydraulischen Vertikalpressen her. Preßrohre lassen sich mit Wandstärken von 3 mm erzeugen, so daß für die Erlangung der vorgeschriebenen Fertigmasse nur noch geringe Zieharbeit zu leisten ist.

Textabbildung Bd. 344, S. 235

Der Fabrikation von Kupferrohren sehr ähnlich ist diejenige zur Herstellung hohler Stehbolzen für Lokomotiven, die der notwendigen höheren Festigkeiten wegen aus leichten Bronzen mit 0,5% Sn oder Mn gefertigt werden. Die erforderlichen Walzbarren werden zunächst im Schrägwalzwerk warm gewalzt und anschließend kalt gezogen. Zur einwandfreien Erledigung des letzteren ist umfangreiche Erfahrung nötig, da das Material eine, von den Behörden bestimmte Festigkeit und außerdem einen genauen inneren Lochdurchmesser haben muß, wozu abwechselnd Mandrill- und Hohlzüge anzuwenden sind. Werden die letzten zu stark gewählt, so erhält das Material im Innern Falten, die als Fehlstellen den Stehbolzen stark schwächen und seinen Bruch bei der Beanspruchung im Betriebe zur Folge haben können.

Bei der Verarbeitung von Kupferrohren können durch unsachgemäße Wärmebehandlung die bei Blechen und Drähten beschriebenen Fehlerquellen gleichzeitig auftreten, indem grobkörniges Gefüge und Cu20 Einschlüsse die Lebensdauer des Materials gefährden. Tritt z.B. beim Warmbiegen der Rohre eine Uebergluhung ein, deren Folge grobkörniges Gefüge ist, so besteht die Möglichkeit, daß das Material später im Betriebe, wo es durch die vibrierende Wirkung durchgeleiteter Flüssigkeiten eine Dauerbeanspruchung erfährt, infolge der Sprödigkeit seines groben Gefüges frühzeitig bricht. Oft treten an derartig beanspruchten, langsam zu Bruch gehenden Materialstellen auch Korrosionen auf, die sich dann infolge der Lockerheit des Gefüges an den Korngrenzen in das Innere hineinziehen. Abb. 3 zeigt eine derartige Korrosionsstelle; die Risse zwischen den einzelnen Kristallen kommen einwandfrei zum Ausdruck.

Textabbildung Bd. 344, S. 235

Wird das Erwärmen eines Kupferrohres, das Cu20 Einschlüsse enthält, zum Zwecke des Biegens in einer Gasflamme, also in einer reduzierenden Atmosphäre vorgenommen, so diffundiert der Wasserstoff der Flamme in das Material. Dabei trifft er auf das Cu20 reduziert das Kupfer desselben und das Wasser wird frei. Bei den herrschenden hohen Temperaturen wird das letztere zu Dampf, der aus dem Kupfer nicht herausdiffundiert und infolge seines hohen Druckes die Rohrwand zum Reißen bringt. Abb. 4 zeigt einen Kupferrohrabschnitt, der infolge des beschriebenen Reduktionvorganges, dem man den Namen „Wasserstoffkrankheit“ gegeben hat, gerissen ist. Das Aufreißen tritt bei dem Vorhandensein gleicher Verhältnisse selbstverständlich auch an Kupferblechen und -Drähten ein.

Textabbildung Bd. 344, S. 235

Zu Gußstücken wird reines Kupfer wenig verarbeitet, da seine große Neigung, Gase zu absorbieren, die es beim Erstarren in Form von Blasen wieder abscheidet, die Herstellung dichter Teile unmöglich macht. Für Gußstücke, die im allgemeinen im Maschinen- und Apparatebau verwendet werden, |236| läßt sich das Kupfer durch Zusatz von Phosphor, Silizium oder Zinn desoxydieren, wodurch die Blasenbildung zu beschränken ist. Sowohl Gußblasen als auch Cu20 Einschlüsse, aber auch von der Desoxydation herrührende Reste des verwendeten Reinigungsmittels drücken die Leitfähigkeit von Kupferguß stark, wodurch sein Wert für die Elektrotechnik sinkt. Neuerdings sind Versuche mit Beryllium als Desoxydationsmittel für Kupferguß hoher Leitfähigkeit gemacht worden, die bisher gute Ergebnisse erbracht haben.

Neben den, bei der Verarbeitung zu den verschiedenen Halbzeugen beschriebenen Fähigkeiten wie Gieß- und Knetbarkeit, Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit besitzt Kupfer gute mechanische Eigenschaften. In der nachfolgenden Tabelle sind die, den verschiedenen Erzeugnissen zukommenden Gütewerte angegeben.

Unsachgemäße Glühbehandlungen bei Blechund Rohrkupfer kommt auch besonders bei der Dehnung zum Ausdruck, indem diese oft unter 10% absinkt. Für die Fabrikation von Warmpreßteilen eignet sich reines Kupfer wegen seiner Zähigkeit und der erforderlichen hohen Temperaturen (800°) nicht, da es die Preßgesenke zu stark angreift. Sollen Preßteile aus Gründen der hohen Korrosionsbeständigkeit angefertigt werden, so setzt man dem Kupfer einige Prozente Zinn oder Silizium zu.


Material
Kurz-
zeikchen

Zustand
Festigkeit
kg/mm2
Dehnung
in %
1 –10 d

Verwendungszweck
Elektrolytkupfer E-Cu weich
halbhart
hart
federhart
20
25
30
45
40
20
10
2
Drähte, Profile, Leitungs-
schienen, Kollecktor-
lamellen, Schrauben,
Armaturteile
weicht
halbhart
hart
23
25
35
30
20
5
Bleche und Bänder für
Verkleidungen, Tiefzieh-
zwecke, Schilder u.a.m.
Raffinade R-Cu weich
hart
23
35
35
5
Rohre für Installations-
zwecke, Bänder für Metall-
schläuche
Stehbolyenkupfer Bz-0,5 halbhart 23 38 Stehbolzen, Preßteile
Kupferguß G-Bz-I 15 15 Gußteile für den
Maschinenbau
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