Kupfer? Hochtemperatur?

24. Februar 2020 | Allgemein | Verfasser: Michael Schmidt | Lesedauer: 3 min

Was es mit CEP DISCUP® & Co auf sich hat

Menschen, die sich für unsere Werkstoffe interessieren, fragen uns am Anfang eigentlich immer Dasselbe: Wie geht das zusammen – Kupfer und Hochtemperaturwerkstoff? Manche haben schon geargwöhnt, das Ganze sei wohl nur ein Marketing-Gag. Also klären wir das jetzt: was es mit den Werkstoffen auf sich hat. Wozu man sie benutzen kann. Welche neuen Erkenntnisse wir bei der Arbeit gewinnen. Deshalb gibt es jetzt diesen Blog. Machen wir einen Anfang.

Sieht aus wie einfaches Kupferpulver, ist aber mehr: Granulat von CEP DISCUP®

Reden wir über LT.

Kupfer ist ein hervorragender Leiter für Elektrizität und Wärme – was das Preis-Leistungsverhältnis angeht, sogar der beste überhaupt. Das Problem besteht darin, dass Kupfer eben kein Hochtemperaturwerkstoff ist. Schon oberhalb von 150 °C wird es weich. Oft ist nun aber im Maschinen- und Anlagenbau genau diese Eigenschaftspaarung gefragt: Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen. Oder das Wärmeproblem entsteht überhaupt erst in Zusammenhang mit den Leitungseigenschaften. In der Schweiß- und Schneidtechnik beispielsweise oder bei der Lasermikrobearbeitung. Wir nennen diese Fälle Leitfähigkeit-Temperatur-Anwendungen, kurz: LT-Anwendungen. Für die klassische Werkstofftechnik sind sie ein Dilemma.

Reden wir über ODS.

Man kann Kupfer mit Zinn, Kobalt, Zirkon und anderen Elementen legieren, um seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Aber an der Warmfestigkeit ändert das wenig, und es senkt signifikant die Leitfähigkeit. Was also tun? Das Beste wäre eigentlich, vom Kupfer überhaupt nur die Leitfähigkeit zu erhalten, ansonsten aber einen andern Werkstoff daraus zu machen.

Wie alle Metalle, basiert Kupfer, mikroskopisch betrachtet, auf einem Kristallgitter. Das von Kupfer ist ganz besonders beweglich – leider. Um das Metall zu verfestigen, muss diese Beweglichkeit eingeschränkt werden. Klassisches Legieren ist eine Methode. Im Fall „LT“ ist es die falsche. Was sind die Alternativen?

Pulvermetallurgisch erzeugtes Kupfer ist bekanntlich fester als klassisches. Es hat ein vielfach gestörtes und damit weniger bewegliches Kristallgitter. Nur leider treibt diese Maßnahme allein die Warmfestigkeit auch nicht in technisch relevante Höhe. Es muss noch etwas hinzukommen.

Das Stichwort lautet: Ausscheidungsverfestigung. Statt dem Kupfer wie beim Legieren im großen Stil andere Metalle beizumischen, werden im Verlauf des pulvermetallurgischen Prozesses kleinste Mengen feinster Fremdpartikel zugegeben – beispielsweise Aluminiumoxid, Kohlenstoff oder Titan. Es handelt sich sozusagen um gezielte Verunreinigungen. Sie erzeugen mikroskopisch kleine, stabile Oxidverbindungen, die sich in das Kristallgitter des Kupfers einlagern und dessen Beweglichkeit blockieren. Diese Blockaden sind temperaturbeständig und beeinträchtigen die Leitfähigkeit so gut wie nicht. Kupfer, das in Kombination dieser beiden Maßnahmen – Pulvermetallurgie und Ausscheidungsverfestigung – entsteht, nennt man Oxide Dispersion Strengthened, kurz: ODS-Kupfer.

So einfach ist es nicht.

ODS-Kupfer bilden eine Werkstoffklasse, und die unter dem Markennamen CEP DISCUP® angebotenen Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffe von CEP Freiberg sind einer deren Vertreter. Theoretisch gibt es sehr viele Möglichkeiten, pulvermetallurgische Prozessparameter und Ausscheidungsbildner miteinander zu kombinieren. Tatsächlich funktionieren aber nur einige, und das Ganze ist so forschungsintensiv, dass sich nur wenige Metallurgen und Werkstoffingenieure mit der Sache befassen. Tatsächlich ist CEP DISCUP® nur eines von zwei ODS-Kupfern weltweit, die gezielt für LT-Anwendungen entwickelt wurden. Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffe eben.

Über die Herstellung im Detail können wir nicht reden. Betriebsgeheimnis! Nur so viel: Beim eigentlichen pulvermetallurgischen Prozess handelt es sich um ein mechanisches Legieren. Hochreines Kupferpulver und alle anderen Zutaten werden dabei in einem stundenlangen Prozess bei relativ niedrigen Temperaturen miteinander vermahlen. Das Ergebnis ist ein Pulver, das fast genau so aussieht, wie die Ausgangsmischung. Tatsächlich aber ist es etwas ganz Anderes.

Temperaturbeständig bis 900 °C

Wie dieses Pulver zu festen Werkstoffen und Bauteilen weiterverarbeitet wird, darüber berichten wir ein anderes Mal. Vorwegnehmend wollen wir heute nur sagen: Was daraus wird, ist temperaturbeständig bis 900 °C. Das klingt schon anders als jene 150 °C, von denen eingangs die Rede war. Eine Vielzahl von LT-Anwendungen lässt sich damit bewältigen. Stahl ist auch nicht temperaturbeständiger – nur leitet er viel schlechter. Darüber hinaus weisen die Kupfer-Hochtemperaturwerkstoffe noch eine Vielzahl anderer guter Eigenschaften auf. Aber auch dazu später mehr.