Kupari materiaalina

Kupari on punertavan ruskea metalli, joka on sähköä johtavaa, kestävää, työstettävää, sitkeää ja antibakteerista. Kuparin ominaisuuksia voidaan muokata seostamalla tai valmistusmenetelmää vaihtamalla. Valtaosa kuparista käytetään rakennusteollisuuteen ja elektroniikkateollisuuteen. Muita käyttökohteita ovat mm. ajoneuvoteollisuus, kulutustuotteet ja teollisuuskoneet.

Kuparia voi esiintyä luonnossa puhtaana tai mineraaleissa kuten mm. kuparikiisussa, kalkosiitissä ja malakiitissä. Kuparia voidaan valmistaa joko termisellä prosessilla tai elektrolyyttisesti. Kupari on myös helposti kierrätettävä metalli. Vaihtoehtoja kuparille on käyttökohteen mukaan teräkset, hopea, komposiitit, alumiini ja muovi.

Kuparin ominaisuudet

Kupari on puhtaana melko pehmeä metalli, mutta seostamalla voidaan kuparia lujittaa ja sitkeyttää. Kuparimetalleja voidaan myös muokkauslujittaa ja lämpökäsitellä. Kupariseoksilla on yleisesti hyvä työstettävyys ja niitä voidaan mm. valaa, kylmämuokata, kuumamuokata, lastuta, hitsata, juottaa, valssata, pursottaa ja 3D-tulostaa.

Alla olevassa taulukossa on puhtaan kuparin mekaanisia, lämpö- sekä sähköisiä ominaisuuksia listattu. Ominaisuudet riippuvat myös valmistustavasta, muokkausasteesta sekä lämpökäsittelystä.

Mekaaniset ominaisuudet Kupari
Vetomurtolujuus – N/mm2 – MPa 150 – 360
Tiheys – g/cm3 8,9
Kovuus HBW 35
Kimmomoduuli – GPa 110 – 128
Poissonin kerroin 0,34
Lämpöominaisuudet
Ominaislämpökapasiteetti – (kJ/kg·K)@20°C 385
Sulamispiste – °C 1085
Lämmönjohtavuus – W/(m·K)@20°C 399
Lämpölaajenemiskerroin – (µm/m)/K 17,7
Max toimintalämpötila – °C 190
Sähköiset ominaisuudet
Resistiivisyys – nΩ∙m (@20°C) 16,7
Sähkönjohtavuus – %IACS 102

Materiaalin erityisominaisuudet

Kupari johtaa sähköä erittäin hyvin ja onkin yksi parhaimpia sähkönjohteita. Johtokykynsä ansiosta puhdasta kupari käytetään yleisesti sähköjohdoissa ja elektroniikassa. Kuparilla on hyvä lämmönjohtokyky sekä antibakteerisia ominaisuuksia. Kuparit ovat työstettäviä, ei-magneettisia, näyttävän näköisiä sekä kuparilla on hyvä korroosionkesto. Osalla kupariseoksista on myös hyvät liukuominaisuudet. Kupari on myös paloturvallinen. Se ei muodosta myrkyllisiä kaasuja palaessaan ja sitä käytetään mm. sprinklerijärjestelmissä. Kuparia ei käytetä elintarvikkeissa, koska sillä on erityinen haju ja maku, jotka voivat tarttua tuotteeseen.

Seostettuna kuparin lujuus kasvaa sekä seostamalla voidaan vaikuttaa myös muihin kuparin ominaisuuksiin, mutta kuparin sähkönjohtavuus yleisesti heikkenee seostusasteen kasvaessa. Seostettuja kuparimetalleja käytetään laajasti rakennusteollisuudessa, vaikka rakennusmateriaalina kupari on suhteellisen kallista. Kuparimetallien etuina on myös ettei ne haurastu kylmissä olosuhteissa.

Kuparin pinnalle muodostuu itsestään oksidikalvo, joka suojaa kuparia mm. korroosion etenemiseltä. Kuparin oksidikalvo voi reagoida ilmansaasteiden kanssa aiheuttaen pintaan sävyeroja ja tehden pinnasta eläväisen näköisen. Tätä kutsutaan patinaksi.

Käyttökohteita ja esimerkkituotteita

Kupari on yksi vanhimmista metalleista, mitä ihmiset ovat hyödyntäneet. Nykyään kuparia käytetään yleisesti eri aloilla kuten elektroniikkateollisuudessa, rakennusteollisuudessa, arkkitehtuurissa, meriteollisuudessa, maataloudessa, terveydenhuollossa ja taiteessa.

Puhdasta kuparia käytetään pääasiassa elektroniikassa ja sähköjohdoissa. Voimakkaasti seostettuna kuparin sähkönjohtokyky huononee, mutta lujuus kasvaa. Kupariseoksia on kehitelty useita eri tarkoituksia varten kuten esimerkiksi kolikoita varten. Yleisiä kupariseoksia kuten messinkiä ja pronssia käytetään mm. jäähdyttimissä, lämmittimissä, aurinkopaneeleissa, putkissa, vesiputkissa ja katoissa.

Sairaaloissa ja julkisissa tiloissa kuparia käytetään sen antibakteeristen ominaisuuksia takia. Kupari on kestävä ja hyvin säilyvä metalli ja sitä, sekä sen seoksia kuten messinkiä, käytetään myös koruissa ja koriste-esineissä.

Jatkomenetelmät

Kuparia voidaan seostaa muilla metalleilla, jotta saadaan muokattua ominaisuuksia. Yleisesti tunnetumpia kupariseoksia ovat messinki ja pronssi. Muita seoksia ovat mm. nikkelikupari, alumiinipronssi, tinapronssi, punametalli ja lyijytinapronssi.

Kupariseokset kovettuvat muokkauksen myötä, mutta niitä silti voidaan työstää kylmänä tai kuumana. Materiaalin joustavuus voidaan taas palauttaa lämpökäsittelyllä kuten hehkuttamalla. Useimpia kupariseoksia voidaan myös hitsata ja juottaa sekä liittää mekaanisesti kuten ruuveilla ja niiteillä. Kupari on kestävä materiaali, joka ei tarvitse yleisesti hoitoa.

Kuparia käytetään myös pinnoitusmateriaalina. Kuparointi soveltuu useille metallipinnoille. Kuparipinnat voidaan myös lakata, jos pinnan sävy halutaan pitää alkuperäisenä. Lakkauksen lisäksi kuparit voidaan myös mm. nikkelöidä, sähkösinkittää, kromata, tinata tai maalata.

Kuparin ulkonäkö

Puhdas kupari on punaruskeaa, joka kiillotettuna saa kirkkaan metallisen kiillon. Kuparin sävy muuttuu seostamalla. Esimerkiksi messingit ja alumiinipronssit ovat sävyltään kultaisia, nikkelikuparit valkeahohtoisia ja mangaanikuparit ovat taas ruskeita. Useimpiin kupariseoksiin muodostuu patinakerros tuotteen pintaan. Patina luo eläväisen pinnan ja se voi olla väriltään sinivihreää tai sävy voi vaihdella myös tummanruskeasta mustaan. Patina on siis oksidikerros, joka muodostuu kuparioksidin ja ilmansaasteiden reagoidessa. Kuparituotteen pinta voidaan myös esimerkiksi lakata, jolloin tuote ei pääse patinoitumaan. Pinnan ulkonäköön voidaan vaikuttaa myös muilla pintakäsittelymenetelmillä.

Materiaalin rajoitukset ja vaihtoehdot

Kupari on ihmiselle tärkeä hivenaine, mutta myrkyllinen liiallisella saannilla. Kupari on stabiili metalli, joka kestää hyvin rasitukset sisätiloissa sekä ulkona, mutta kupariseokset eivät kestä happoja kuten mm. hapettavia happoja, epäorgaanisia happoja ja typpihappoa. Kuparin korroosionkesto on suhteellisen hyvä, mutta korroosiota voi silti ilmetä. Yleisimpiä korroosiomuotoja ovat mm. jännityskorroosio, eroosiokorroosio, pistesyöpyminen, yleinen korroosio ja galvaaninen korroosio. Korroosion etenemistä lisäävät yleisesti lämpötila ja kuormitus. Kuparia käytetään laajasti eri aloilla ja eri kohteisiin. Vaihtoehtoja kuparille on käyttökohteista riippuen esimerkiksi teräkset, hopea, komposiitit, alumiini ja muovi.

Kierrätettävyys ja ympäristö

Kupari soveltuu hyvin kierrätettäväksi ja sitä voidaan kierrättää lähes rajattomasti. Euroopassa noin 45 % vuosittain käytetystä kuparista onkin kierrätettyä. Suomessa noin 80 % louhitusta kuparista kierrätetään uusiokäyttöön. Louhittuun kupariin verrattuna kierrätetyn kuparin hyödyntäminen säästää energiaa ja luontoa. Päästöinä kuparia vapautuu eniten kaivosteollisuudesta, metalliteollisuudesta ja liikenteestä.

Merkinnät ja tuotenimet

Kupariseokset nimetään yleisesti nimikejärjestelmän mukaisesta. Nimikejärjestelmät voivat pohjautua esimerkiksi kuparimetallin valmistustavat, muokkaustavan tai koostumuksen mukaisesti. Nimikejärjestelmiä ovat mm. Eurooppalainen numeerinen nimikejärjestelmä ja UNS (Unifield Numbering System for Metals and Alloys). Näiden lisäksi on eri standardien mukaisia järjestelmiä, esimerkiksi standardeilla DIN, BS, JIS ja ASTM on omat nimikejärjestelmät.

Esimerkiksi 99.9 % muokattua happivapaata kuparia voidaan merkitä mm. seuraavilla tavoilla

  • CW009A
  • UNS C10100
  • OFE-Cu (Oxygen-Free Electronic)
  • OFHC Copper (Oxygen-free High Conductivity)

Eri kupariseoksilla voi olla myös omia nimityksiä. Näitä ovat mm. Uushopea (Alpakka, ALP, UH), Billon, CuNiFe, Konstantaani, Manganiini, Messinki, Nordic Goldi ja Talmikulta.