Prüfung des Kupferkerns von Draht – Qualitätsbewertung von elektrischen Leitern für Kabel, Wickeldrähte und Stromschienen
Als nach ISO/IEC 17025 akkreditiertes (CNAS) unabhängiges Prüflabor führen wir Prüfungen des Kupferkerns von Drähten für Kabelhersteller, Elektroinstallationsbetriebe, Wickeleiteproduzenten und Prüfdienste in Österreich durch. Der Kupferkern ist der zentrale, stromführende Teil von elektrischen Leitungen und bestimmt maßgeblich die elektrische Leitfähigkeit, die mechanische Belastbarkeit und die Langzeitbeständigkeit der Verbindung. Eine qualitativ hochwertige Kupferader zeichnet sich durch hohe Reinheit (mindestens 99,9 % Cu), definierte Leitfähigkeit (IACS-Wert), gleichmäßigen Querschnitt, ausreichende Zugfestigkeit und Duktilität sowie eine einwandfreie Oberflächenbeschaffenheit ohne Riefen, Oxidschichten oder Grate aus. Unser Labor führt mechanische, elektrische und metallographische Prüfungen durch: Zugfestigkeit, Bruchdehnung, elektrische Leitfähigkeit, Kupfergehalt, Glühtest (Bestimmung des Rekristallisationsverhaltens), Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit, Riefen), Maßhaltigkeit (Durchmesser, Rundheit) und Wickelbarkeit (für feindrähtige Litzen). Wir orientieren uns an den anerkannten Verfahren für elektrische Kupferwerkstoffe (IEC 60468, ASTM B3, ÖVE/ÖNORM E 6240) und den Qualitätsanforderungen österreichischer Kabelwerke. Die Ergebnisse helfen Herstellern bei der Prozesskontrolle des Ziehens und Glühens, Abnehmern bei der Eingangskontrolle und Gutachtern bei der Schadensanalyse (z. B. Kabelbrand durch Überhitzung).
Typen von Kupferkerndrähten, die wir prüfen
- Runddrähte aus Elektrolytkupfer (Cu-ETP, Cu-OF, Cu-OFE) für Kabel und Wicklungen
- Federhart gezogene Drähte (harter Zustand) und weichgeglühte Drähte
- Verzinnte Kupferdrähte (für Korrosionsschutz in feuchten Umgebungen)
- Versilberte und vernickelte Drähte (für Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen)
- Mehrdrähtige Litzen (feindrähtige Leiter) – Prüfung einzelner Adern
- Proben aus Produktionschargen (laufende Überwachung des Ziehprozesses)
- Gebrauchte Drähte aus Rückbauten (Alterungsanalyse, Versprödung, Ermüdungsrisse)
- Referenzmuster für die Kalibrierung von Leitfähigkeitsmessgeräten
- Vergleichsproben verschiedener Lieferanten (Benchmarking von Reinheit und Leitfähigkeit)
- Querschnitte von Kabeln für die Messung des Kupferquerschnitts (mm²)
Wichtige Fehlerarten und Qualitätsparameter bei Kupferkernen
- Zu geringer Kupfergehalt (Verunreinigungen durch Eisen, Phosphor, Silber, Sauerstoff) – Reduziert die elektrische Leitfähigkeit und erhöht den Widerstand.
- Abweichungen des Drahtdurchmessers (zu dünn oder zu dick) – Beeinflusst die Stromtragfähigkeit und den Übergangswiderstand an Klemmen.
- Mangelhafte Zugfestigkeit (zu weich oder zu spröde) – Probleme bei der Kabelkonfektionierung (Abreißen, Verformung unter Zug).
- Schlechte Biegeeigenschaften (Rissbildung nach Biegewechsel) – Gefahr von Drahtbruch in bewegten Anwendungen (z. B. Roboterkabel).
- Oxidschichten, schwarze Stellen oder Ölreste auf der Oberfläche – Beeinträchtigen die Lötbarkeit und Kontaktierung.
- Unzureichende elektrische Leitfähigkeit (% IACS) – Ursache für Kabelerwärmung und Energieverluste.
- Mangelhafte Rekristallisation nach dem Glühen – Ungleichmässiges Gefüge, Resthärte, schlechte Verformbarkeit.
Prüfmethoden im Detail
1. Maßprüfung (Durchmesser, Rundheit)
Der Durchmesser des blanken Kupferdrahtes wird mit einem digitalen Mikrometer (Genauigkeit ±0,001 mm) an mindestens fünf Stellen pro Probe gemessen. Die Rundheit wird durch Messung des minimalen und maximalen Durchmessers an derselben Stelle bestimmt. Toleranzen nach IEC 60468: z. B. für 2,5 mm² Leiterquerschnitt ist der Solldurchmesser 1,78 mm mit einer Abweichung von ±0,01 mm.
2. Elektrische Leitfähigkeit (IACS-Wert)
Die Leitfähigkeit wird nach dem Prinzip der Widerstandsmessung an einer definierten Drahtlänge (typisch 1 m) bei 20°C bestimmt. Der Draht wird in einem Temperierbad auf 20,0°C ± 0,1°C gehalten. Mit einer Vierleitermessung (Kelvin-Brücke) wird der Gleichstromwiderstand gemessen. Aus Widerstand, Länge, Querschnitt und Temperatur wird die Leitfähigkeit in % IACS (International Annealed Copper Standard) berechnet. Reines Kupfer Cu-ETP erreicht 100–101 % IACS; Cu-OF/OFE liegt bei 101–102 % IACS. Für Normalkabel wird mindestens 100 % IACS gefordert.
3. Zugversuch (Festigkeit und Dehnung)
Eine Drahtprobe (Messlänge 200 mm, Enden eingespannt) wird in einer Universalprüfmaschine mit 10–50 mm/min bis zum Bruch gedehnt. Gemessen werden die Zugfestigkeit (Rm) in MPa, die Bruchdehnung (A in %) sowie die 0,2‑Dehngrenze (Rp0,2) für harte Drähte. Richtwerte: weichgeglühter Kupferdraht: Zugfestigkeit 220–260 MPa, Bruchdehnung A > 30 %; federharter Draht: Zugfestigkeit 280–360 MPa, Dehnung > 5 %.
4. Windeprobe (Wickelbarkeit) – Prüfung der Duktilität
Der Draht wird um einen Dorn mit einem Durchmesser gleich dem Drahtdurchmesser gewickelt (10 enge Windungen). Nach dem Abwickeln wird die Zugprobe auf Risse, Abplatzungen oder Brüche untersucht. Für weichgeglühte Drähte müssen mindestens 8 Wicklungen ohne Rissbildung möglich sein.
5. Rekristallisationsglühtest (Verhalten beim Weichglühen)
Eine Probe des harten Drahtes wird 30 Minuten bei 350°C (für Kupfer) im Schutzgasofen geglüht. Danach wird die Härte gemessen und eine Biegeprüfung durchgeführt. Eine vollständige Rekristallisation zeigt eine niedrige Härte (ca. 50 HV) und hohe Biegsamkeit an. Unvollständiges Glühen erkennt man an Resthärte > 80 HV.
6. Gefügeuntersuchung (metallografischer Schliff)
Ein Querschliff des Drahtes wird poliert und mit geeignetem Ätzmittel (z. B. 10%ige Eisen(III)-chloridlösung) angeätzt. Unter dem Lichtmikroskop (100–500×) werden die Korngröße, die Gleichmäßigkeit des Gefüges und eventuelle Fremdeinschlüsse beurteilt. Feinkörniges, gleichmäßiges Gefüge deutet auf eine gute Verarbeitung hin.
7. Bestimmung des Kupfergehalts (chemische Analyse)
Der Kupfergehalt wird mittels ICP-OES oder elektrogravimetrischer Methode bestimmt. Typische Anforderungen: Cu-ETP: > 99,9 %, Cu-OF: > 99,99 %. Begleitend werden die Gehalte an Sauerstoff, Phosphor, Silber, Eisen und anderen Verunreinigungen gemessen.
8. Prüfung der Verzinnung (Schichtdicke, Porosität, Haftung)
Für verzinnte Drähte wird die Zinnschichtdicke mit Röntgenfluoreszenz (XRF) gemessen (Soll meist 1–3 µm). Die Haftung wird durch Biegen des Drahtes um den eigenen Durchmesser geprüft; die Zinnschicht darf nicht abplatzen. Poren werden durch eine Schwefeldioxid- oder Kupfersulfat-Porosositätsprüfung nachgewiesen.
9. Glanz- und Rauheitsmessung (Oberflächengüte)
Mit einem Tastschnittgerät (Perthometer) wird die Oberflächenrauheit in Längsrichtung gemessen (Ra sollte < 0,4 µm betragen). Sichtbare Riefen oder Rattermarken werden dokumentiert.
Probenvorbereitung und Konditionierung
- Die Drahtproben werden sauber und fettfrei angeliefert (ggf. Reinigung mit Isopropanol).
- Vor der Widerstandsmessung werden die Proben 24 h bei 20°C ± 1°C im Thermostaten konditioniert.
- Für die Zugprüfung werden an beiden Enden Klemmlängen von mindestens 100 mm eingeplant.
- Für jeden Parameter werden mindestens 3 Proben pro Charge geprüft (bei Leitfähigkeit 5 Proben).
Qualitätskontrolle und Akzeptanzkriterien (Richtwerte)
Die nachfolgenden Werte sind typische Anforderungen für blanke Kupferdrähte für Kabelanwendungen. Der Kunde muss seine spezifischen Grenzwerte vorgeben.
- Kupfergehalt (Cu): ≥ 99,9 % (Cu-ETP)
- Elektrische Leitfähigkeit (bei 20°C): ≥ 100 % IACS
- Zugfestigkeit (weichgeglüht): 220–260 MPa
- Bruchdehnung (weichgeglüht): ≥ 30 %
- Biegewechsel bis zum Bruch: ≥ 10 Biegungen (über 90°)
- Oberflächenrauheit Ra: ≤ 0,4 µm
- Verzinnung: Schichtdicke 1–3 µm, porenfrei, haftfest
- Durchmessertoleranz: ±0,01 mm bei Nenndurchmesser ≤ 2 mm
Prüfbericht und Dokumentation
Jeder Prüfbericht für Kupferkerndrähte enthält:
- Probenidentifikation (Hersteller, Legierungstyp (Cu-ETP, Cu-OF), Durchmesser, Zustand (weich/hart), Charge)
- Maßprüfergebnisse (Durchmesser, Rundheit, Querschnitt in mm²)
- Elektrische Leitfähigkeit (% IACS, MS/m) bei 20°C
- Mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit, Dehngrenze, Bruchdehnung, ggf. Biegewechsel)
- Gefügebild (Lichtmikroskop) mit Beurteilung von Korngröße und Einschlüssen
- Chemische Analyse (Cu-Gehalt, Hauptverunreinigungen)
- Ergebnisse der Verzinnungsprüfung (falls zutreffend)
- Vergleich mit den Kundenspezifikationen – „entspricht“ / „entspricht nicht“
- Archivierung der Rohdaten für 10 Jahre
Anwendungen in der österreichischen Industrie
- Kabelherstellung (z. B. in Wien, Linz, St. Pölten): Eingangskontrolle von Kupferdrähten für Starkstrom- und Steuerkabel.
- Wickeldrahtproduktion (Spulen, Transformatoren, Motoren): Prüfung von lackisolierten Kupferdrähten auf Leitfähigkeit und Zugfestigkeit.
- Leiterplattenfertigung (Leiterbahnen): Verbindungskupfer für Mehrlagenplatinen – Reinheits- und Leitfähigkeitsprüfung.
- Elektroinstallation (Elektrohandel, Bauabnahmen): Nachweis der Mindestleitfähigkeit von Rundleitern in Installationsleitungen.
- Schienenfahrzeugbau und Energieversorgung: Prüfung von Kupferschienen und Sammelleitern für Umspannwerke.
