NE-Metalle: Aluminium, Kupfer, Messing

Metalle teilt man zuerst grob in zwei Lager. Auf der einen Seite stehen die Eisenmetalle (Ferrometalle) – Stahl und Gusseisen, also alles, dessen Hauptbestandteil Eisen ist. Alles andere zählt zu den NE-Metallen (Nichteisenmetalle): Aluminium, Kupfer, Zink, Zinn, Blei, aber auch Edelmetalle wie Silber oder Gold.

Innerhalb der NE-Metalle hilft eine zweite Einteilung nach der Dichte. Die Grenze liegt bei 5,0 kg/dm³:

• Leichtmetalle: Dichte < 5,0 kg/dm³ (z. B. Aluminium 2,7)
• Schwermetalle: Dichte > 5,0 kg/dm³ (z. B. Kupfer 8,9)

Aluminium ist mit rund 2,7 kg/dm³ ein klassisches Leichtmetall, Kupfer mit etwa 8,9 kg/dm³ ein Schwermetall – obwohl beide NE-Metalle sind. Diese Einteilung ist kein Selbstzweck: Wo es auf geringes Gewicht ankommt, fällt die Wahl fast zwangsläufig auf ein Leichtmetall.

Noch eine Unterscheidung ist wichtig. Ein Reinmetall besteht praktisch nur aus einem einzigen Element. Eine Legierung ist ein Metall, dem gezielt weitere Elemente zugemischt werden, um Eigenschaften zu verbessern – Festigkeit, Härte, Zerspanbarkeit. Reines Aluminium ist zum Beispiel weich; erst als Legierung wird es richtig tragfähig. Messing wiederum ist von vornherein eine Legierung aus Kupfer und Zink.

Eigenschaften wie Festigkeit, Härte oder das Korrosionsverhalten der NE-Metalle werden an anderer Stelle ausführlich behandelt (eigene Beiträge zu Werkstoffeigenschaften und zu Korrosion); hier bleibt es bei dem, was für die Werkstoffwahl direkt nötig ist.

Aluminium ist das mit Abstand wichtigste Leichtmetall. Mit einer Dichte von etwa 2,7 kg/dm³ wiegt ein Aluminiumbauteil nur rund ein Drittel eines gleich großen Stahlteils. Das ist der Grund, warum man es überall dort findet, wo Gewicht zählt – im Maschinenbau, im Fahrzeugbau, in der Elektrotechnik.

Eine Besonderheit macht Aluminium robust gegen Korrosion: Es bildet an der Luft sofort eine dünne, dichte Oxidschicht (Passivierung). Diese Schicht ist fest mit dem Grundmaterial verbunden und schützt das darunterliegende Metall vor weiterem Angriff. Wird sie verletzt, bildet sie sich von selbst neu. Beim Eloxieren wird diese Schicht künstlich verstärkt. Die Details zum Korrosionsverhalten finden sich im eigenen Beitrag dazu; entscheidend ist hier: Aluminium ist im Normalfall wartungsarm korrosionsbeständig.

Elektrisch leitet Aluminium gut – nicht so gut wie Kupfer, aber bezogen auf das Gewicht sogar günstiger. Deshalb bestehen Freileitungen und viele große Stromschienen aus Aluminium. Magnetisch ist es nicht, was in der Sensorik und bei Gehäusen oft erwünscht ist.

Bei den Legierungen unterscheidet man zwei große Gruppen:

• Knetlegierungen werden gewalzt, gepresst oder gezogen – daraus entstehen Bleche, Profile und Stangen.
• Gusslegierungen werden in Formen gegossen – typisch für komplexe Gehäuse.

Quer dazu gibt es aushärtbare und nicht aushärtbare Legierungen. Aushärtbare Legierungen (etwa mit Kupfer, Magnesium oder Silizium) gewinnen durch eine gezielte Wärmebehandlung erheblich an Festigkeit. So wird aus dem weichen Reinmetall ein tragfähiger Konstruktionswerkstoff.

In der Bearbeitung ist Aluminium dankbar: leicht zerspanbar, gut umformbar. Beim Spanen neigt weiches Aluminium allerdings zum Schmieren und „Kleben“ an der Schneide – scharfe Werkzeuge und ausreichende Schnittgeschwindigkeit beugen dem vor.

Aluminium wird im Betrieb fast immer als Halbzeug mit genormten Abmessungen verbaut – als Platte, Rundstab oder Vierkantrohr. Wer das Gewicht eines Zuschnitts kennen will, rechnet es aus Geometrie und Dichte aus. Die Masse ergibt sich allgemein aus:

Das Volumen hängt von der Form ab. Für eine Platte (Quader) gilt:

Für einen Rundstab:

Kupfer ist das wichtigste NE-Metall der Elektrotechnik. Der Grund ist seine herausragende elektrische Leitfähigkeit – unter den technischen Gebrauchsmetallen wird Kupfer nur von Silber übertroffen. Wo immer Strom mit möglichst wenig Verlust fließen soll, steht Kupfer an erster Stelle: Wicklungen von Motoren und Transformatoren, Leitungen, Schienen, Kontakte.

Die Kenngröße dahinter ist der spezifische Widerstand (ρ) – der Widerstand, den ein Leiter mit definiertem Querschnitt und definierter Länge dem Strom entgegensetzt. Für Kupfer beträgt er etwa 0,0178 Ω·mm²/m. Je kleiner dieser Wert, desto besser leitet das Material. Aluminium liegt bei rund 0,0278 Ω·mm²/m, leitet also schlechter – genau dieser Unterschied erklärt, warum für kompakte Wicklungen Kupfer und für gewichtskritische Freileitungen Aluminium gewählt wird.

Daneben leitet Kupfer auch Wärme sehr gut, ist weich und zäh, lässt sich hervorragend umformen und ist von Natur aus korrosionsbeständig. An feuchter Luft bildet sich mit der Zeit die bekannte grünliche Patina, die das Metall darunter schützt.

Kupfer ist außerdem die Basis vieler Legierungen. Die zwei großen Familien:

• Bronze – Kupfer mit Zinn (Cu-Sn). Hart, verschleißfest, gut für Gleitlager und Schneckenräder.
• Messing – Kupfer mit Zink (Cu-Zn). Dazu mehr im nächsten Kapitel.

Den eigentlichen Nutzen des spezifischen Widerstands sieht man bei der Leiterauslegung. Der Widerstand eines Leiters berechnet sich aus:

Ein langer, dünner Leiter hat einen hohen Widerstand; ein kurzer, dicker einen niedrigen. Deshalb werden große Ströme über große Querschnitte geführt.

Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Genau dieses Zink macht aus dem weichen, teuren Kupfer einen Werkstoff, der sich hervorragend bearbeiten lässt und dabei eine ansprechende goldgelbe Farbe behält.

Der Zinkanteil steuert die Eigenschaften. Mit steigendem Zinkgehalt verändert sich die Farbe von rötlich (kupfernah) über goldgelb bis blassgelb. Auch Festigkeit und Bearbeitbarkeit hängen davon ab: Messing mit höherem Zinkanteil ist fester und besonders gut zerspanbar. Sorten mit einem kleinen Bleizusatz – sogenanntes Automatenmessing – zerspanen so sauber, dass sie für Drehautomaten der Standard sind.

Die Stärken von Messing in Kürze: gut spanbar, gut umformbar, korrosionsbeständig, gut lötbar und dekorativ. Das macht es zum Lieblingsmaterial für alles, was präzise gefertigt und dauerhaft dicht sein muss.

Wichtig ist die Abgrenzung zur Bronze: Messing ist Kupfer + Zink, Bronze ist Kupfer + Zinn. Beide sehen sich ähnlich, haben aber unterschiedliche Stärken – Bronze punktet bei Verschleißfestigkeit (Lager), Messing bei Zerspanbarkeit und Optik.

In der Praxis steht selten die Frage „Welches Metall ist das schönste?“, sondern „Welches passt zur Aufgabe?“. Die wichtigsten Auswahlkriterien:

Oft entscheidet eine einzige dominierende Anforderung: Bei einer Stromschiene zählt die Leitfähigkeit, bei einem tragbaren Gehäuse das Gewicht, bei einem Drehteil in Serie die Zerspanbarkeit. Der Preis spielt mit – Kupfer ist deutlich teurer als Aluminium, weshalb man Aluminium bevorzugt, wo seine Leitfähigkeit ausreicht.

Auch ohne Analysegerät lassen sich die drei im Betrieb meist auseinanderhalten:

• Farbe: Kupfer rötlich, Messing goldgelb, Aluminium silbrig-grau.
• Gewicht: Ein Aluminiumteil fühlt sich auffällig leicht an, Kupfer und Messing schwer.
• Magnetprobe: Keines der drei ist magnetisch – haftet ein Magnet, liegt ein Eisenwerkstoff vor, kein NE-Metall.

Ein letzten praktischer Punkt: NE-Metalle sind wertvolle Rohstoffe. Sauber getrennt – Aluminium, Kupfer und Messing jeweils für sich – erzielen sie beim Recycling deutlich höhere Erlöse als ein gemischter Schrott. Im Betrieb lohnt sich die getrennte Sammlung daher doppelt: ökologisch und wirtschaftlich.