Kupferlegierungen für Trinkwasser

Ein wesentliches Ziel der Gesetzgebung zu Trinkwasser besteht darin, den Kontakt gesundheitlich bedenklicher Stoffe mit Trinkwasser bzw. die Abgabe solcher Stoffe an das Trinkwasser durch die Trinkwasserinstallation zu vermeiden. Dazu zählen etwa Blei, Arsen oder Antimon. Die Regulierung betrifft daher eine Reihe von Kupferwerkstoffen, wie z. B. CC499K („Rotguss“, s. Tabelle 1), die Blei als Legierungsbestandteil enthalten. Sie dürfen künftig nicht weiter für Trinkwasserinstallationen verwendet werden.

Hierfür wurde bereits 2011 eine europäische Initiative von Deutschland, den Niederlanden, Großbritannien und Nordirland sowie Frankreich und später auch Dänemark unter dem Namen „4MS“ ins Leben gerufen, die eine Positivliste der unbedenklichen Werkstoffe im Kontakt mit Trinkwasser veröffentlichte. Diese Liste wurde in Europäisches Recht übernommen und weiter verschärft. Um einen geregelten Übergang zu schaffen, wurden Grenzwerte für z. B. Blei im Trinkwasser eingeführt. Diese sind sukzessive abgesenkt und die Zahl altbekannter Kupferwerkstoffe im Kontakt mit Trinkwasser kontinuierlich eingeschränkt worden. In der Folge wurden neue Kupferwerkstoffe für die Trinkwasseranwendung entwickelt und Fittings aus diesen Werkstoffen – in einem Fall bereits seit 2009 – hergestellt und installiert; dieser Prozess hält an. Bei der Entwicklung neuer Legierungen (und im Weiteren der Produkte) müssen neben hygienischen und gesundheitlichen Erwägungen auch technisch-physikalische Eigenschaften berücksichtigt werden, um etwa die gewünschte Langlebigkeit zu erzielen.

Entwicklung und Bewertung neuer Kupferwerkstoffe

In der Vergangenheit wurden sogenannte binäre Legierungen (CuZn, Zweistofflegierungen, binäres Messing) verwendet. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie je nach Zinkanteil und Weiterverarbeitung (Wärmebehandlung) neben der Werkstoffphase alpha auch die beta-Phase (und weitere) aufweisen können. Für die Verbesserung bestimmter Eigenschaften wie Korrosions- und Entzinkungsbeständigkeit, als Spanbrecher oder für bessere Verarbeitbarkeit, wurden zahlreiche Mehrstofflegierungen entwickelt. Dazu zählen z. B. komplexe Werkstoffe wie CC499K (Gunmetal, CuSn5Zn5Pb2) oder CW602N (CuZn36Pb2As).

Für die Bewertung dieser neuen Werkstoffe hinsichtlich ihrer Eignung für eine Trinkwasserinstallation sind neben hygienischen Anforderungen aus der EN 15664 auch physikalisch-technische Anforderungen an Werkstoffe im Kontakt mit Trinkwasser essenziell. Hierzu gibt es mehrere dänische und internationale Normen, welche die Themenbereiche Beständigkeit und ­Korrosion adressieren und klare Handlungsempfehlungen geben, um die gesetzgeberischen Anforderungen sicherzustellen. Die wichtigsten sind:

EN 12502-2:2005 „Protection of metallic materials against corrosion - Guidance on the assessment of corrosion likelihood in water distribution and storage systems - Part 2: Influencing factors for copper and copper alloys“

EN 1254-7:2021 „Copper and copper alloys - plumbing fittings - Part 7: Press fittings for use with metallic tubes“

EN 806-4:2010 „Specifications for installations inside buildings conveying water for human consumption - Part 4: Installation“

SO 6509-2:2017 „Corrosion of metals and alloys - Determination of dezincification resistance of copper alloys with zinc“

Die EN 12502-2 beschreibt sieben Korrosionsmechanismen: gleichmäßige Flächenkorrosion, Lochkorrosion, Selektive Korrosion, Bimetallkorrosion, Erosionskorrosion, Spannungskorrosion und Korrosionsermüdung. Jeder Rohrleitungswerkstoff, ob Stahl, Kunststoff oder Kupferwerkstoff, hat seine eigenen Stärken und Schwächen. Es ist entscheidend, zu beachten, dass nicht nur die chemische Zusammensetzung, sondern auch die Verarbeitung der Werkstoffe einen wesentlichen Einfluss auf deren Beständigkeit hat. Gusswerkstoffe weisen bei gleicher chemischer Zusammensetzung aufgrund von Oberflächenporen oder Seigerungen eine geringfügig schlechtere Korrosionsbeständigkeit auf als der vergleichbare Knetwerkstoff [GDM 1997]. Viel wesentlicher ist jedoch die Wärmebehandlung, welche bei gleicher Zusammensetzung zu unterschiedlichen Phasenanteilen im Gefüge derselben Legierung führt (s. Tabelle 1 und 2). Auch kleinere Legierungsanpassungen innerhalb der genormten Werkstoffe führen zu unterschiedlichen Werkstoffgefügen und damit zu anderen physikalischen Eigenschaften. Daher gibt es für denselben Werkstoff, der der Norm entspricht, unterschiedliche Markennamen, wie z. B. Siliziumbronze, Cuphin oder Ecobrass, die alle leicht unterschiedliche Varianten von CW724R sind. Abbildungen 1 und 2 zeigen ein Beispiel für ein Material und zwei Zustände. Abbildung 1 zeigt ca. 11 % kappa-Phase und Abbildung 2 liegt bei ca. 2 % kappa-Phase.

Da dies einen großen Einfluss hat, wurde eine Prüfung für selektive Korrosion entwickelt. Die ISO 6509 macht die Entzinkungsbeständigkeit von Kupfer-Zink-Legierungen vergleichbar und damit bewertbar. Zu beachten ist, dass ein chemisch gleicher Werkstoff je nach Verarbeitung und Wärmebehandlung entzinkungsbeständig oder nicht entzinkungsbeständig sein kann.

Die EN 806-4 weist das Thema Bimetallkorrosion von Edelstahlrohren mit Fittings aus Kupfer und Kupferlegierungen als unproblematisch aus (s. Tabelle 2). So ist es nicht verwunderlich, dass es hierzu keine dänische oder europäische Prüfnorm gibt. Vielmehr wird in der Hygieneprüfung nach EN 15664 für alle Prüfwässer obligatorisch die Kombination aus Edelstahlrohren mit Fittings aus Kupfer und Kupfer-Legierungen vorgeschrieben. Die Kombination ist allgemein anerkannt.

Geeignete Legierungen sind ­entzinkungsbeständig

Eine mögliche Untergliederung der technisch möglichen und gesundheitlich unbedenklichen Kupfer-Zink-Legierungen kann nach den Anforderungen der ISO 6509 in entzinkungsbeständige und eingeschränkt entzinkungsbeständige Legierungen getroffen werden. Letztere Gruppe ist vor allem aus technisch-physikalischen Gründen (höhere Korrosionsanfälligkeit) nur eingeschränkt für eine Trinkwasserinstallation geeignet, sind jedoch oft für andere Anwendungsbereiche, wie z. B. Heizung oder Gase, gut einzusetzen, da in diesen Kreisläufen entweder kein Sauerstoff oder Wasser eingetragen werden und somit keine oder nur in sehr geringem Umfang Korrosionsprozesse ablaufen.

Sehr gut und uneingeschränkt für Trinkwasser geeignet ist der Werkstoff CW724R (chemische Bezeichnung: CuZn21Si3P, Siliziumbronze). CuZn21Si3P weist neben einer alpha-Phase üblicherweise eine gamma- und eine kappa-Phase auf. Die für Entzinkung besonders anfällige beta-Phase wird so vermieden. Dies zeigt sich auch in den durchweg sehr guten Ergebnissen der Entzinkungsprüfung nach ISO 6509. Grenzwertüberschreitungen bei Blei oder anderen ECHA-gelisteten Stoffen wurden seit der Markteinführung 2009 nicht gemeldet oder nachgewiesen. Hinzu kommt ein äußerst positiver Einfluss von Silizium und Phosphor auf Korrosionsbeständigkeit. Phosphor gilt neben Arsen und Antimon als Entzinkungsinhibitor [EN 12502] und ersetzt bei hygienischen Werkstoffen das Arsen, welches wie Blei und Antimon als bedenklich gilt. Die positiven Verschleißeigenschaften von intermetallischen Silizium-Phasen beugen Erosion vor. Zudem lassen sich aus dieser Legierung gefertigte Fittings sowohl mit Kupferrohren als auch mit Edelstahlrohren verbinden.

Die seit 2009 positiven Erfahrungen mit CuZn21Si3P führten dazu, dass 2018 mit CuSi4Zn9MnP (CC246E) eine zweite siliziumhaltige CuZn-Mehrstofflegierung für die Fittingproduktion eingeführt wurde. Die etablierte Handelsbezeichnung „Siliziumbronze“ war bereits bekannt und wurde für diese Legierung übernommen. Obwohl der Begriff vom Hersteller der Rohrleitungssysteme für CW724R eingeführt wurde und CC246E eine leicht andere Zusammensetzung hat, weisen beide eine besonders positive Eigenschaft auf: Mit einem Siliziumgehalt von mehr als 2 % sind sie unempfindlich gegenüber Spannungsrisskorrosion [EN 1254-7]. CuSi4Zn9MnP enthält außerdem Mangan. Zu den langfristigen Auswirkungen von Mangan in Kombination mit Silizium, Zink und Phosphor gibt es bisher allerdings kaum oder keine Erkenntnisse. Auch ist nicht bekannt, in welchem Umfang Produkte aus CuSi4Zn9MnP in Kontakt mit Trinkwasser bisher im Markt verbreitet sind. Die seit 2009 durchweg positiven Erfahrungen mit der etablierten Siliziumbronze CuZn21Si3P lassen vermuten, dass auch diese Legierung geeignet ist.

2022 folgt eine weitere komplexe Legierung – CuSn4Zn2PS [noch ohne CC-Bezeichnung] – mit den Hauptlegierungselementen Zink und Zinn, die ebenfalls uneingeschränkt für Trinkwasseranwendungen genutzt werden kann. Diese setzt anstelle von Blei auf Phosphor und Schwefel. Phosphor dient wie bei den beiden siliziumhaltigen Legierungen u. a. als Entzinkungsinhibitor. Schwefel wird vor allem für eine gute Zerspanbarkeit eingesetzt, da dieser mit Kupfer eine spröde Cu₂S Phase bildet, so die ­Spanlänge reduzieren und damit die Zerspanbarkeit verbessern soll.

Ein weiterer Werkstoff mit uneingeschränkter Trinkwassereignung befindet sich aktuell noch in der Entwicklung, ist aber bereits auf der neuen Positivliste vermerkt: CuZn35Sn1P (CW727R) nutzt Zinn und Phosphor als Inhibitor der viel beachteten selektiven Korrosion. Hier stehen noch ausführliche Prüfungen aus; dabei fließen die Erfahrungen aus der Entwicklung der bereits im Markt eingeführten Werkstoffe ein. Tabelle 3 zeigt eine Übersicht über die neu eingeführten hygienischen Kupfer-Zink-Legierungen, die anstatt der bleihaltigen Kupfer-Zink-Werkstoffe für Trinkwasseranwendungen entwickelt wurden.

Eingeschränkt geeignete Legierungen

Neben diesen vier Kupferwerkstoffen, die uneingeschränkt für die Trinkwasseranwendung eingesetzt werden können, gibt es solche, die technisch-physikalisch nur eingeschränkt nutzbar sind. So wurde 2023 ein Werkstoff vorgestellt, der CW617 (CuZn40Pb2) ersetzen soll. Der als EZEEE bezeichnete Werkstoff CuZn41Mg setzt anstatt auf Blei auf eine Zulegierung von Magnesium. Da diese Legierungen in Trinkwasserinstallationen nicht eingesetzt werden sollen, werden sie hier nicht weiter betrachtet.

Öffentliche Gesundheit und ökologische Nachhaltigkeit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die strengen Vorschriften für Werkstoffe, die mit Trinkwasser in Berührung kommen, ­insbesondere die aktualisierte EU-Trinkwasserrichtlinie 2020/2184, aber auch Einflüsse wie ROHS, ECHA und REACH die ­Verwendung von Kupferlegierungen in Trinkwasserinstallationen erheblich beeinflusst haben. Die Trinkwassereignung von modernen ­Kupferwerkstoffen wird über die Zulegierung von hygienisch und gesundheitlich unbedenklichen Elementen wie Silizium, Phosphor oder Zinn sichergestellt. Die laufenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben vielversprechende Alternativen wie CuSn4Zn2PS und CuZn35Sn1P hervorgebracht. Diese Werkstoffe befinden sich zwar noch in der Entwicklung, haben aber großes Potenzial, den bereits etablierten Werkstoff CW724R zu ergänzen und sich für eine künftige breite Anwendung zu qualifizieren. Insgesamt spiegelt der Wechsel zu bleifreien Kupferwerkstoffen für Trinkwasseranwendungen das Engagement für die öffentliche Gesundheit und die ökologische Nachhaltigkeit wider. Bei fortgesetzter Innovation und Einhaltung der gesetzlichen Normen sind die Aussichten für sichere und zuverlässige Trinkwasserinstallationen unter Verwendung von Kupferlegierungen weiterhin sehr vielversprechend.

Literatur- und Quellenverzeichnis

Das Literaturverzeichnis zum Artikel finden Sie online über den Kurzlink www.t1p.de/tab-5-25-KTW.