Kupari, messinki ja pronssi

Copper sheets header image

Mitä on kupari?

Closeup5

Kuparia on ollut käytössä jo tuhansia vuosia sen ollessa ominaisuuksiensa johdosta soveliasta muokattavaksi jopa suoraan luonnosta. Nykypäivänä tärkeimmät käyttökohteet ovat  sähkökomponentit johtuen kuparin erinomaisesta  sähkönjohtavuudesta.

Puhtaassa muodossaan kupari – heti hopean jälkeen – on tunnetuin sähkön ja lämmön johdin. Vihreän siirtymän myötä kuparin tarve onkin tästä johtuen koko ajan kasvussa.

Reagoidessaan hapen kanssa kupari muodostaa pinnalleen luonnollisen suojakerroksen: patinan. Ajan myötä ulko-oloissa patinakerros kehittää ainutlaatuisen vihreän värin, josta tunnusomaisina vanhat patsaat ja lähinnä arvokohteiden kuparikatot. Patina suojaa metallia korroosiolta.

Voiko kupari syöpyä?

Kupari ei voi ruostua. Mutta kupari voi syöpyä, jos valittu seos ei sovellu ympäristöön. Toisaalta myös puhuttaessa kupariputkien syöpymisestä, on havaittu ettei putkien asennusta ole tehty alun perin oikein.

Kupari muodostaa luonnollisen oksidikerroksen, joka suojaa korroosiolta. Ajan myötä tämä suojakerros muuttuu ruskeaksi tai vihreäksi ja sitä kutsutaan patinaksi.

Onko kupari hitsattavissa?

Kupari on hitsattavissa, mutta kaikki seokset eivät sovellu siihen yhtä hyvin.

Seoksen on sisällettävä fosforia ja oltava hapeton. CW004A ei sovellu, kun taas CW008A ja CWo21A soveltuvat hitsaukseen. 

Korkean lämmönjohtavuuden vuoksi kuparin onnistunut hitsaus vaatii vain vähän harjoittelua.

Mihin kuparia käytetään?

Kuparia käytetään usein sähkökomponentteihin kaikilla teollisuudenaloilla. Esimerkkejä ovat älypuhelimet, sähköautot ja tuuliturbiinit, joissa kaikissa on kuparilla tai kuparijohdannaisilla metalleilla suuri osa.

Koska kupari kykenee johtamaan sähköä, on se tärkeä materiaali vihreässä siirtymässä jolloin yhä useammat asiat toimivat sähköllä.

Kupari on luonnostaan antibakteerinen, minkä vuoksi sitä käytetään laajalti myös terveydenhuollossa ja lääketeollisuudessa.

Kuparia käytetään myös mittavasti julkisivuverhouksissa sen kestävyyden, näyttävyyden ja huoltovapauden vuoksi.

Fysikaaliset ominaisuudet

Kuparin jaksollisen järjestelmän numero on 29. symbolilla Cu.

 

Yksikkö

Kupari

CW004A

(99.9% kupari)

Messinki

CW614N/

CW617N

Pronssi

CC493K

Tiheys

g/cm3

8.9

8.47

8.83

Sulamispiste

°C

1084

875-890

860-1020

Sähkönjohtavuus

%IACS

100

28

12

Lämmönjohtavuus

W/m*K

390

123

64

Lämpölaajenemiskerroin

μm/m*K

17

19.3

18

Youngin moduuli

Mpa

110,000

97,000

101,000

Chip indeksi

 

20

100

85

 

Copper Wire

Katso lisää yksittäisten seosten tietolomakkeista täältä.

Kupari on melko raskas materiaali, mutta sen hyvä sähkön- sekä lämmönjohtavuus ja erittäin korkea muovattavuus tarjoavat suuria etuja. Kuparista voidaan tehdä esimerkiksi erittäin pitkiä ja hyvin ohuita lankasäikeitä. Mitä ohuemmista säikeistä lanka koostuu, sitä joustavampi lopputuotteesta muodostuu.

Antibakteerisena materiaalina kuparin pinta jopa tappaa bakteereja, ja tästä johtuen voimme löytää terveydenhuollon laitoksista kuparista tehtyjä ovenkahvoja.

Miten lämpölaajeneminen lasketaan?

Metallit laajenevat ja supistuvat lämpötilasta riippuen.

Tämän huomioon ottamiseksi sinun on laskettava lämpölaajeneminen, kun kuparia käytetään ympäristössä, jossa on suuria lämpötilan vaihteluita. Esimerkkinä voidaan mainita ulkona Pohjois-Euroopassa, jossa lämpötila voi helposti vaihdella -20 °C:sta +30 °C:een.

Lämpölaajeneminen lasketaan käyttämällä lämpölaajenemiskerrointa (katso taulukko kohdassa Fysikaaliset ominaisuudet).

Esimerkki

  • Kuparilevy (CW004A - lämpölaajenemiskerroin: 17,0 μm/m*K) on asennettu julkisivulle.
  • -20 °C:ssa levy on 1000 mm
  • +30 °C:ssa eli 50 astetta lämpimämpänä lämpölaajeneminen on:
    17 μm/(m*K)*1 m*50 K=800 μm=0,85 mm
    Levy on 1000,85 mm +30 °C:ssa.

Laajentuminen tapahtuu kaikkiin suuntiin. Tämä tarkoittaa, että sinun on laskettava jatke sekä materiaalin korkeudelle, paksuudelle että leveydelle.

Katso lisätietoja kunkin seoksen teknisistä tiedoista.

Mitä tarkoitetaan valssaussuunnalla?

Valssatun levyn pinnassa on huomattavissa valssien jättämät rakenteelliset linjat. Kyseiset juovat määrittävät valssaussuunnan. Joissakin tilanteissa valssaussuuntaan voi olla tarpeen kiinnittää huomiota levyjen käyttötarkoituksen mukaan.

Jos useita levyjä asennetaan lähelle toisiaan, varmista, että valssaussuunnasta johtuvat juovat kulkevat samansuuntaisesti kaikissa osissa yhtenäisen ulkonäön aikaansaamiseksi.

Taivutettaessa valssaussuunta voi vaikuttaa materiaalin taivutuskykyyn.

Jos ostat sahattua materiaalia, sinun on määritettävä valssaussuunta. Näin varmistetaan, että valmiilla aihiolla on oikeat ominaisuudet aiottua käyttötarkoitusta varten. Tässä esimerkissä levyn valssaussuunta on 300 mm:

Kupariseokset

Kuparijohdannaisia metalleja on olemassa laaja valikoima, joilla kullakin on erilaiset fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet. Tunnetuimmat kuparijohdannaiset metallit ovat messinki ja pronssi.

Kupari itsessään taas on vähäisempi seosaine muissa metalleissa kuten esimerkiksi useissa alumiiniseoksissa.

Naming system for copper alloys

Copper alloys are named following a system. The name consists of:

  • A C for copper
  • A letter indication the production method
  • A 3-digit number
  • A letter

For example: CW004A.

The second letter can be B, C or W depending on the production method :

Letter

Production method

B

Ingot

C

Cast products

W

Wrought products

The number and last letter tells you about the alloying elements: 

Series

Letter

Metal type/name

Comments

Example

000 - 099

A or B

Pure copper

High electrical conductivity

CW000A

100 - 199

C or D

Copper

Less than 5 % alloying elements

CW100C

200 - 299

E or F

Copper

More than 5 % alloying elements

CW200E

300 - 349

H

Alubronze

Coin alloy

CW300G

350 - 399

H

Cupronickel /copper-nickel

Marine applications

CW350H

400 - 449

J

Nickel-silver

Decorative appearance

CW400J

450 - 499

K

Bronze

Classic bronze

CW450K

500 - 599

L or M

Brass

Classic brass

CW500L

600 - 699

N or P

Brass with lead

Good machinability

CW600L

700 - 799

R or S

Brass with Al, Mn or other

Good corrosion resistance

CW700R

Messinki ja pronssi

Brass sheets.

Messinki on kuparin ja 5-40% sinkin seos. Mitä korkeampi sinkkipitoisuus, sitä keltaisemmaksi metalli muuttuu – messingille ominainen väri.

Messinki kestää korroosiota paremmin kuin puhdas kupari, ja sillä on paremmat mekaaniset ominaisuudet, kuten lujuus ja työstettävyys. Lisäaineistettuna messinki soveltuu hyvin myös koneistukseen. Toisaalta sinkkipitoisuus tarkoittaa sitä, että messingin sähkönjohtavuus on selkeästi heikompi kuin puhtaalla kuparilla.

Pronssi on yleensä kuparin ja tinan seos, mutta on myös pronssiseoksia muiden metallien kanssa, esimerkiksi kupari ja alumiini tai kupari ja lyijy.

Taulukko seosten nimikoodeista.

Koneistus

Copper is very suited for machining.

Kuparia voidaan seostaa lyijyllä tai telluurilla paremman työstettävyyden saavuttamiseksi. Lyijy ja telluuri tekevät lastuista lyhyempiä ja kovempia, joten ne eivät estä työstöä.

Lyijyn käyttöä rajoitetaan kuitenkin EU:n RoHS-  ja REACH-lainsäädännöllä terveysriskien vähentämiseksi.

Viime vuosina jotkut valmistajat ovat kehittäneet seoksia, joiden lyijypitoisuus on alhainen, mutta soveltuvat edelleen työstöön. Esimerkiksi messinkiseos CW724R (Eco Brass).

Yleisesti ottaen messinki on yksi työstettävimmistä metalleista. Metallien lastuindeksi perustuu messinkiseokseen CW614N (indeksi 100), joka on sopivin seos koneistukseen. Telluurilla seostettu puhdas kupari, CW118C, on suunnilleen indeksi 80 ja puhdas kupari, CW004A, on suunnilleen indeksi 20.

Johtavuus

Sähkönjohtavuus

Puhtaalla kuparilla on erittäin hyvä sähkönjohtavuus, minkä vuoksi noin 2/3 kaikesta louhitusta kuparista käytetään nykyään sähkösovelluksissa, kuten johdoissa tai sähkökomponenteissa.

Kuparin johtavuus on niin hyvä, että metallien johtavuuden mittausstandardi määräytyy kuparin avulla. Johtavuus mitataan %IACS: ssä (International Annealed Copper Standard), jossa kupari on 100%.

MCD Customized Solutions 15
Copper bus bars are used to conduct electricity in e.g. wind turbines.

Lämmönjohtavuus

Kuparilla on myös erittäin hyvä lämmönjohtavuus. Sähkösovelluksissa kupari jakaa lämmön nopeasti. Tämä tekee kuparista soveliaan sähkökomponenteille, joissa ylimääräinen lämpö aiheuttaa tarpeetonta vastustusta sähkövirralle. Hyvä lämmönjohtavuus parantaa myös sähkönjohtavuutta.

Suurin osa sähkölaitteiden oikosuluista johtuu ylikuumenemisesta. Tavallisimmin asiaan voi törmätä kuumana kesäpäivänä jolloin useimmat nykyaikaiset älypuhelimet on suunniteltu sammumaan liian kuumaan auringonpaisteeseen joutuessaan.

Patina

Patina on facades

Hapetusprosessia voidaan nopeuttaa tuotannossa niin, että materiaalit toimitetaan valmiiksi patinoituna. Tätä käytetään erityisesti julkisivuprojekteissa lämpimän ja "aidon" ilmeen luomiseksi.

Pystysuora pinta, josta vesi ja saastuminen valuvat helposti pois, patinoituu huomattavasti hitaammin kuin vaakasuora pinta. Syvänruskean patinoidun ilmeen kehittyminen pystysuoralle pinnalle voi kestää useita vuosia, jos levyjä ei ole esipatinoitu. Vihreä patinan saavuttaminen kestää vielä kauemmin.

Vaakasuoralla pinnalla sadevesi ja muut epäpuhtaudet pysyvät pidempään ja niillä on enemmän aikaa reagoida kuparin kanssa. Siten tasaista ruskeaa patinaa voi nähdä jo muutaman vuoden sisällä.

Kaupunkialueelle tai lähelle merta asennettu kupari  patinoituu nopeammin kuin maaseudulle asennettu vastaava.

Patinan muodostuminen on kuparin luonnollinen prosessi, ja väri muuttuu siis ajan myötä olosuhteista riippuen. Myös ilmansaasteet nopeuttavat patinoitumista.

Recycling of copper

Kuparin kierrätys

Kuparin kierrätysaste on hyvin korkea ja käytännössä kaikki käytössä oleva kupari on sulatettavissa ja muokattavissa uuteen käyttöön. 

Muihin teollisuusmetalleihin verrattuna kupari on kallista, mutta toisaalta jätettä ei synny käytännössä lainkaan – kaikki romu kierrätetään.

Jotkut kuparitehtaat tarjoavat suljetun kierron kierrätystä. Tämä tarkoittaa sitä, että asiakkaat voivat palauttaa kupariromunsa tehtaalle kierrätettäväksi ja vastaanottaa "saman" kuparin uudelleen lopputuotteena.