Kupfer ist ein häufig verwendetes Metall in zahlreichen Industriezweigen. Aufgrund seiner extrem hohen Zähigkeit ist es jedoch anfällig für Verformungen und Kratzer. Hier erfahren Sie,wie Sie kratzerfreie Kupferproben für die metallographische Untersuchung schnell und effektiv präparieren.
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Kupfer kommt zwar in der Natur gediegen vor, wird aber hauptsächlich in einem schmelzmetallurgischen Verfahren aus sulfidischen Erzen extrahiert. Die vier Hauptschritte dieses Verfahrens:
1. In einem ersten Schmelzverfahren wird das Erz durch Flotation zu Kupferstein aufkonzentriert (75 % Cu)
2. Anschließend werden Sulfide durch Einblasen von Luft in die flüssige Masse oxidiert, um Rohkupfer (96–98 % Cu) zu gewinnen.
3. Rohkupfer wird in einem Anodenofen einer Schmelzraffination zu Anodenkupfer (99 % Cu) aufgereinigt.
4. Verunreinigungen (wie Ni, Pb, Ag, Pd und Au) werden durch elektrolytische Raffination entfernt, um Kathodenkupfer (99,99 % Cu) zu bilden.
Geringe Kupfermengen werden auch nassmetallurgisch erzeugt.
Abb. 1: Kupfer mit roten Kupferoxideinschlüssen, Dunkelfeld, 500x
Abb. 2: Sauerstofffreies Kupfer, geätzt mit Ammoniumpersulfat, 100x
Abb. 3: Kathodenkupfer, farbgeätzt nach Klemm, 100x
Durch Zulegieren von Aluminium, Mangan, Eisen Nickel und Zinn oder selbst geringen Bleimengen werden sogenannte Sondermessingsorten produziert, die spezifische chemische oder mechanische Eigenschaften aufweisen.
Abb. 4: α-Messing, farbgeätzt, 200x
Abb. 5: α-β-Messingguss (CuZn40Pb2) mit grau-blauen Bleieinschlüssen, ungeätzt, 500x
Abb. 6: α-β-Messingguss, geätzt nach Klemm, helle α-Mischkristalle in dunkler Grundmasse aus β-Mischkristallen, 100x
Bronze (Kupfer-Zinn-Legierungen)
Bronzen werden in Knetlegierungen, Gusslegierungen und Glockenguss unterteilt. Je nach gewünschten Eigenschaften werden noch geringe Mengen von Zink, Phosphor, Blei, Nickel oder Eisen zulegiert.
| Einige spezielle Messingslegierungen und ihre Eigenschaften | |
| Rotguss (Cu-Sn-Zn) | Gute Korrosionsbeständigkeit; geringer Reibungskoeffizient |
| Aluminiumbronzen (bis zu 11 % Aluminium) | Hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen; sehr gute Korrosionsbeständigkeit |
| Berylliumbronze | Hohe Festigkeit; hohe Härte; keine Funkenbildung bei stoßender und schlagender Berührung |
| Kupfer-Nickel-Legierungen | Herausragende Korrosionsbeständigkeit |
| Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen (Neusilber) | Hohe Festigkeit; gute Korrosionsbeständigkeit; gute Verformbarkeit |
Bei der Arbeit mit Kupfer und Kupferlegierungen wird die Metallographie in der Regel zur Korngrößenbestimmung und zur Überprüfung der Reinheit durch qualitative und quantitative Bestimmung des Kupferoxidgehalts verwendet.
Bei bestimmten Bronzen muss unter Umständen die Bleiverteilung bestimmt werden, da sie Einfluss auf die spanabhebende Bearbeitung hat.
Bei Gusslegierungen dient die Metallographie in der Regel zur Bewertung des allgemeinen Gefüges, zur Beurteilung der Verteilung von Eutektika und Blei und zu Bewertung des Vorhandenseins von Lunkern oder Porosität.
Abb. 8: Bronzeguss, CuSn10, geätzt mit Eisen(III)chlorid, dendritisches Gefüge mit α-δ-Eutektoid, 200x
Reines Kupfer ist weich und zäh, sodass es zu Verformungen und Kratzerbildung neigt. Auch Bronzen und einige härtere Messingssorten zeigen zum Teil starke Kratzerbildung. Für Metallographen stellt dies ein Problem dar. Es gibt jedoch einige einfache Lösungen hierfür:
- Vermeidung grober Schleifenmittel
- Sorgfältiges Diamantpolieren auf weichen Tüchern
- Chemisch-mechanisches Endpolieren
Nachstehend ist die schnelle und genaue Präparation von Kupfer und Kupferlegierungen für die metallographische Analyse ohne Kratzer und Verformungen ausführlich erklärt.
Abb. 9: Reinkupferdraht, endpoliert mit OP-S, DIC, 200x
Abb. 10: Gleiche Probe wie Abb. 9, endpoliert mit OP-S-Ammoniak-Wasserstoffperoxid-Mischung, DIC, 200x
Abb. 11: α-β-Messingguss, mechanisch präpariert, ungeätzt, 200x
Abb. 12: Gleiche Probe wie Abb. 11, elektrolytisch poliert, ungeätzt, 200x Die Bleieinschlüsse sind herausgeätzt und wirken dadurch größer und zahlreicher
Es gibt eine Vielzahl von Ätzmitteln für Kupfer und seine Legierungen, die alle relative einfach anzuwenden sind. Die meisten Gusslegierungen lassen sich gut anätzen. Schwieriger kann es sein, die richtige Ätzung für bestimmte Knetlegierungen zu finden, besonders wenn sie einer ausgeprägten Kaltumformung ausgesetzt waren. In diesen Fällen kann eine Farbätzung hilfreich sein.
Besonders zu erwähnen ist, dass Blei von den Ätzungen angegriffen wird und meistens nur schwarze Löcher zurückbleiben. Fotos, die die Menge und Verteilung von Bleieinschlüssen dokumentieren sollen, müssen deshalb immer vor dem Ätzen gemacht werden. Die Eigenfarbe von Blei ist grau-blau.
Abb. 13: Bronzeguss, CuSn8Pb, ungeätzt, große und kleine blau-graue Bleieinschlüsse, hellblauer α-δ-Eutektoid schwach zu erkennen, 500x
Abb. 14: Gleiche Probe wie Abb. 13, farbgeätzt nach Klemm. Erkennbar ist das dentritisches Gefüge mit hellblauem Eutektoid und blauen Bleieinschlüssen. Kleine Bleieinschlüsse sind nicht mehr deutlich zu erkennen, 500x
Abb. 15: Bronzeguss, CuSn10, geätzt mit Eisen(III)chlorid, dendritisches Gefüge mit α-δ-Eutektoid, 200x
| Anwendung | Ätzung |
| Kornflächenätzung für Kupfer, Messing und Bronzen | 100 ml Wasser 10 g Ammoniumpersulfat Frisch verwenden! |
| Alle Kupfersorten | 100–120 ml Wasser oder Ethanol 20–50 ml Salzsäure 5–10 g Eisen(III)chlorid (Konzentration variabel) |
Korngrenzen Kornflächen |
25 ml destilliertes Wasser 25 ml Ammoniak 5–25 ml Wasserstoffperoxid, 3 % Weniger Wasserstoffperoxid Mehr Wasserstoffperoxid |
| α-β-Messing | 120 ml Wasser 10 g Kupfer(II)ammoniumchlorid Ammoniak zusetzen, bis sich der Niederschlag löst |
| Schnelle und gute Politur für reines Kupfer | 100 ml Wasser 100 ml Ethanol 19 g Eisen(III)nitrat |
| Farbätzung nach Klemm | 100 ml kaltgesättigte Natriumthiosulfatlösung 40 g Kaliummetabisulfit |
Alle Aufnahmen von Marcello Manca, Anwendungsspezialist, Dänemark
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