Koppar och kopparlegeringar
Koppar har använts av människor i tusentals år eftersom det är en av de metaller som finns ren i naturen. Idag använder vi främst koppar i elektriska komponenter på grund av dess utmärkta ledningsförmåga.
I sin rena form är koppar - näst efter silver - den mest kända ledaren för elektricitet och värme. Därför ökar också behovet av koppar i takt med den gröna omställningen, som drivs av elektricitet.
När koppar reagerar med syre så bildas ett tunt oxidskikt på ytan varpå ett naturligt skyddsskikt bildas, patina. Koppar kan med tiden utveckla den karaktäristisk gröna färgen som vi känner igen från statyer och koppartak. Skiktet skyddar också metallen från korrosion.
Vad använder man koppar till?
Koppar används främst till elektriska komponenter inom alla branscher. Till exempel i smartphones, elbilar och vindkraftverk.
Detta gör koppar till ett viktigt material i den gröna omställningen där behovet av elektricitet ständigt ökar.
Koppar är naturligt antibakteriellt, varför det också används i stor utsträckning inom sjukvårds- och läkemedelsindustrin.
Koppar används också ofta som fasadbeklädnad och fönsterpanel.
Kan koppar rosta?
Koppar kan inte rosta - det kan bara järn. Men koppar kan korrodera om den valda legeringen inte är lämplig för miljön.
Koppar bildar ett naturligt oxidskikt som skyddar mot korrosion. Det är detta skikt som med tiden blir brunt eller grönt och kallas patina, ibland säger man att ytan är ärgad.
Kan man svetsa i koppar?
Du kan svetsa i koppar, men alla legeringar är inte lika lämpliga. I allmänhet måste legeringen innehålla fosfor och vara fri från syre. CW004A är inte lämplig, medan CW008A och CWo21A är lämpliga för svetsning.
Den höga värmeledningsförmågan innebär att det krävs en del övning för att göra en bra svets i koppar.
|
|
Enhet |
Koppar CW004A (99.9% copper) |
Mässing CW614N/ CW617N |
Brons CC493K |
|
Densitet |
g/cm3 |
8.9 |
8.47 |
8.83 |
|
Smältpunkt |
°C |
1084 |
875-890 |
860-1020 |
|
Elektrisk ledningsförmåga |
%IACS |
100 |
28 |
12 |
|
Värmeledningsförmåga |
W/m*K |
390 |
123 |
64 |
|
Värmeutvidgningskoefficient |
μm/m*K |
17 |
19.3 |
18 |
|
E-modul |
Mpa |
110,000 |
97,000 |
101,000 |
|
Spånindex |
|
20 |
100 |
85 |
Se mer i databladen för respektive legering.
Koppar är ett relativt tungt material, men dess goda ledningsförmåga och extremt höga formbarhet ger stora fördelar. Koppar kan t.ex. dras till mycket långa, tunna trådar som används i kablar. Ju tunnare trådar en kabel är uppbyggd av, desto mer flexibel är den.
Koppar är naturligt antibakteriellt, vilket är anledningen till att man ibland ser bl.a dörrhandtag av koppar inom sjukvårdssektorn.
Termisk expansion
Metaller expanderar och drar ihop sig beroende på temperatur.
Därför är det viktigt att ta hänsyn till värmeutvidgning i miljöer med stora temperaturvariationer. Till exempel utomhus i Sverige, där temperaturen lätt kan variera från -20°C till +30°C.
Du beräknar den termiska expansionen med hjälp av den termiska expansionskoefficienten (se tabellen under Fysiska egenskaper).
Exempel:
- En plåt av ren koppar (CW004A - värmeutvidgningskoefficient: 17,0 µm/m*K) är monterad på en fasad.
- Vid -20 °C uppmäts plåten till 1000 mm
- Vid +30 °C, dvs. 50 grader varmare, är den termiska expansionen:
17 µm/(m*K)*1 m*50 K=800 µm=0,85 mm
Plåten är därmed 1000,85 mm vid +30 °C.
Expansionen sker i alla riktningar. Det innebär att du måste beräkna expansionen för detaljens höjd, tjocklek och bredd.
Valsriktning
På en valsad plåt ser du strukturlinjer i ytan.
Strukturlinjerna syns på den färdiga plåten, så i vissa fall är det nödvändigt att ta hänsyn till valsriktningen om plåtens utseende är relevant för funktionen.
För att skapa ett enhetligt utseende är det därför viktigt att olika plåtar eller detaljer monteras så att strukturlinjerna löper i samma riktning.
Om plåten ska bockas kan valsriktningen påverka bockningsförmågan.
Vid beställning av sågad plåt måste du ibland du ange valsriktning. Detta säkerställer att den färdiga plåten har rätt egenskaper. I detta exempel kommer plåten att ha en valsriktning på 300 mm:
System för benämning för kopparlegeringar
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 |
*EN 1412 - Copper and copper alloys - European numbering system
Mässing är en legering av koppar och 5-40% zink. Ju högre zinkhalt, desto mer gulaktig blir metallen - den karakteristiska mässingsfärgen.
Mässing är mer motståndskraftig mot korrosion än ren koppar och har bättre mekaniska egenskaper som hållfasthet och formbarhet. Mässing är också mycket lämplig för maskinbearbetning. Däremot innebär zinkinnehållet att mässing har en sämre ledningsförmåga än ren koppar.
Brons är vanligen en legering av koppar och tenn, men det finns även bronslegeringar av koppar och aluminium (alubronze) eller koppar och bly.
När du legerar koppar med bly eller tellur blir metallen mycket mer lämplig för maskinbearbetning. Bly och tellur gör spånen kortare och hårdare, så att de inte är i vägen för bearbetningen.
Bly har vissa negativa hälsoeffekter, vilket innebär att användningen av bly i allmänhet minimeras. Det är bland annat därför bly omfattas av EU:s RoHS och REACH-lagstiftning.
Under de senaste åren har vissa tillverkare utvecklat legeringar som har en låg blyhalt men som ändå är lämpliga för maskinbearbetning. Ett exempel är mässingslegeringen CW724R (Eco Brass).
I allmänhet är mässing ett av de mest lämpliga materialen för skärande bearbetning. På bearbetningsindexet är mässingslegeringen CW614N index 100, dvs. den mest lämpliga legeringen för bearbetning. Ren koppar med tellur, CW118C, har ungefär index 80 och ren koppar, t.ex. CW004A, har ungefär index 20.
Koppars ledningsförmåga
Elektrisk ledningsförmåga
Ren koppar har mycket god elektrisk ledningsförmåga, vilket är anledningen till att cirka 2/3 av all koppar som utvinns används i elektriska tillämpningar idag, till exempel i ledningar eller elektriska komponenter.
Koppars ledningsförmåga är så bra att standarden för mätning av metallers ledningsförmåga bestäms av koppar. Konduktivitet mäts i % IACS (International Annealed Copper Standard), där koppar är 100%.
Värmeledningsförmåga
Koppar har också en mycket god värmeledningsförmåga. Det innebär att koppar i elektriska tillämpningar snabbt leder bort värme - vilket gör den ännu mer lämplig för detta ändamål.
Värme i materialet skapar motstånd mot den elektriska strömmen, så när koppar snabbt kan leda bort värme optimerar det också den elektriska ledningsförmågan.
De flesta kortslutningar i elektriska apparater orsakas av överhettning. Du kanske känner igen detta från din smartphone på sommaren: De flesta moderna smartphones är konstruerade så att de stängs av om de blir överhettade, t.ex. om de ligger för länge i solen.
Patina på koppar
När koppar kommer i kontakt med syre bildas ett tunt lager av kopparoxid på kopparytan. Detta är vad vi kallar patina.
Kopparoxiden skyddar effektivt kopparn från ytterligare nedbrytning/korrosion och med tiden utvecklas färgen till den karakteristiska gröna färg som du ser t ex på tak på äldre byggnader eller statyer.
Patineringen kan påskyndas så att materialen är patinerade eller helt grönfärgade vid leverans eller så att det sker snabbare än den naturliga processen. Detta används särskilt i fasadprojekt där man vill ha ett varmt och ”autentiskt” utseende.
En vertikal yta, där vatten och andra föroreningar lätt rinner av, patineras betydligt långsammare än en horisontell yta. Därför tar det flera år att få fram en djupbrun kopparfasad om plåtarna inte är förpatinerade. Grönt tar ännu längre tid.
På en horisontell yta stannar vattnet kvar under en längre tid och du kan förvänta dig att se en djupbrun patina efter cirka 8-15 år.
En yta som ligger nära en stad eller ett hav patineras snabbare än en yta i lantlig miljö.
Patinering är en naturlig process och därför kommer färgnyanserna att förändras med tiden och beroende på miljön.
Återbruk av koppar
Koppar återvinns i stor utsträckning och smälts om till nya produkter.
Jämfört med andra industrimetaller är koppar relativt dyrt, så det finns praktiskt taget inget avfall – så gott som allt skrot återvinns.
Vissa kopparverk erbjuder återvinning i slutna kretslopp. Det innebär att kunderna kan skicka tillbaka sitt kopparskrot till anläggningen för omsmältning och få ”samma” koppar tillbaka som en färdig produkt.